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第三章《系统及其设计》

第一节　《认识系统》

　　一、什么是系统：
1、系统的概念：
　　系统是指由两个或两个以上相互联系、相互作用的元素所组成的，具有一定结构和功能的有机整体。（如：城市交通系统、计算机系统、自行车）

    ２、系统的组成、类型：
     系统是普遍存在的，也是多种多样的。根据同的标准，从不同的角度，可以对系统进行不同的分类。例如：
    （1）按系统组成元素的性质分：自然系统、人工系统和复合系统

    （2）按系统组成元素存在的形态分：实体系统和概念系统
    按系统组成元素的存在形态，可把系统分为实体系统和概念系统。实体系统是实物形态的（如生物系统、机械系统），概念系统是由概念、原理、原则、理论、方法等非实物形态组成的；

    （3）按照系统的运动状态分：动态系统和静态系统
    按系统的运动状态，可把系统分为动态系统和静态系统。系统的状态随着时间的变化而变化就是动态系统（如企业管理系统），否则就是静态系统（如学校建筑系统）；

    （4）按系统与外部环境的关系分：开放系统和封闭系统
    按系统与外部环境的关系来看，可把系统分为开放系统与封闭系统。不断与外界进行物质、能量、信息交换的系统是开放系统，否则为封闭系统。

习题：请判断下列的系统属于哪种类型，将相应的选项序号填入括号中。
　　1、气象系统（　）；原始森林（　）；一所学校（　）；神舟十一号飞船（　）；农业生态系统（　）
　　Ａ.自然系统　　Ｂ.人工系统　　Ｃ.复合系统
　　２、“一带一路”的倡议（　）；银河系（　）；收割机（　）；洗衣机工作流程（　）；学校课程表（　）；电视机遥控器（　）
　　Ａ.实体系统　　Ｂ.概念系统
　　

　　二、系统的主要特性：
　　认识系统的主要特性，是我们运用系统的思想和方法去解决问题的关键。
（1）整体性

    部分是构成整体的基础，没有部分就没有整体；同样，离开整体，部分就失去意义。整体的功能不等于各部分功能的简单叠加，系统的整体功能是各部分在孤立状态下所没有的。

    如自行车由哪些零部件组成，它们如何配合工作?如果缺少一个车轮或只是一个车轮，能发挥自行车的代步功能吗？



     罗丹雕刻巴尔扎克雕像的故事说明了什么道理？
    故事道理：对做任何事情都要重视整体效应，必要的时候要舍得抛弃部分而保留整体。(整体性)

      （2）相关性
   系统的相关性强调的是各部分（要素）之间、部分（要素）与整体之间的相互关联、相互作用、相互制约关系。系统的各个部分（要素）不仅为完成某种任务起作用，而且任何一个部分（要素）的变化都会影响其它部分（要素）和系统整体的变化。


     为了保护草原植被，当地政府颁布了禁止大量捕杀野狼的法令，这是什么道理？



     对一个木桶来说储水量的多少取决于什么？
    对一个组织而言，构成组织的各个要素类似于木桶的木板，而组织的能力又如木桶的容量，取决于组织中最弱的要素。(相关性)

      （3）目的性（功能性）
      系统都是以实现某种功能目标为目的的。



     自行车系统中，它的结构、性能的改进体现了什么目的？

     系统的多个目标有时不完全一致，甚至互相矛盾，怎么办？这就要权衡取舍，达到整体最佳效果。

      （4）层次性
    系统无论大小，都可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次的结构。系统各个层次具有独自的功能，它们通过相互联系、相互作用共同完成系统的整体功能。


      人体的呼吸系统可以分解为呼吸道和肺两个子系统，呼吸道又可以分解出鼻、咽、喉、气管和支气管等更小一级的子系统。

      （5）环境适应性
     任何系统都处在于一定的环境中，必然与外界进行物质、能量和信息的交换，外界环境的变化会相应地引起系统功能和内部各部分（元素）的变化。系统具有适应环境的变化，保持原有功能的特性。


     如雷鸟换羽毛。

   习题：
　　1.如图所示是汽车液压制动系统的结构示意图，其工作原理是：制动时，踩下制动踏板，制动主缸向各制动轮缸（图中画岀1个）供油，活塞在油压的作用下使摩擦块与制动盘间摩擦力增大,控制制动盘的速度，实现制动。从系统的角度分析，下列说法不恰当的是（　）
　　
　　A.对摩擦块、刹车油等要及时进行维护保养，体现系统的动态性
　　B.摩擦块使用后，出现磨损，会影响制动效果，体现系统的整体性
　　C.制动盘大小改变时，摩擦块形状也要随之改变，体现系统的相关性
　　D.设计时先考虑制动主缸，再考虑制动轮缸,体现了系统分析的整体性原则

【答案】Ｄ
【解析】系统动态性指的是系统的组成部分（元素）不是一成不变，是会发生变化的，故Ａ说法正确；整体性指的是系统功能的实现，要靠各部分（元素）的协调共同发挥作用，不能孤立地去完成任务，故Ｂ说法正确；相关性指的是系统组成部分（元素）之间存在相互影响、相互制约的关系，故Ｃ说法正确。选项Ｄ先考虑主缸再考虑轮缸，体现的是系统的层次性原则。故本题选Ｄ。

　　第二节　《系统分析》
　　掌握系统的特性是形成系统的思想和方法的基础，我们应学会运用系统的思想和方法来分析和解决问题。
　　1、学会用系统的思想去分析和处理问题：
     系统的特性归纳了我们分析问题、解决问题应遵循的基本原则，构成了系统的基本思想，我们要学会用系统的思想去认识、掌握事物发展的规律，提高分析问题、处理问题的能力和工作效率，找到解决问题的最佳决策。
     2、用系统思想分析处理问题案例：
    （1）整体性原则。
    案例：丁谓修复皇宫

    北宋真宗年间，皇宫失火，皇帝召各大臣商议如何在很短的时间内修复好皇宫，而修复皇宫包括清理废墟，取土烧砖，运输建筑材料三大工程，但在当时的条件下，运输是相当繁重的工程，大家都无以言答，当时有个叫丁谓的大臣领了此任务，而且在很短的时间完成了此任务。

    他提出了一个一举三得的方案；在皇宫前的大道上挖沟取土烧砖，解决了取土烧砖的问题，引汴河水引入沟，由汴河从水路运入材料、石材、建筑材料，解决运输建筑材料的问题，修复好皇宫后将碎砖废瓦再填回原来的沟内以修好大道，解决清理废墟问题，该方案三环节环环紧扣，缺一不可，真可谓一举三济，这正是我国古代劳动人们自发引用这种思想的典型例子，从这个例子可以看出，丁谓在解决问题时，并没有把三个工程孤立地分割开来，而是把他们有机地放在一个整体中，从中找到他们之间的有机联系，从而解决了问题。

    （2）科学性原则
    案例：三三得九，不如二五得十

    我国南方一些地区，曾经盲目追求粮食复种指数，把每年种植两季稻改为种植三季稻，以为可能增加粮食的总产量，结果适得其反。
    土地、设备、水利资源、肥料等都是固定生产要素。两季稻改为三季稻并没有改变这些固定生产要素，只是增加了可变生产要素劳动与种子。在传统农业技术下，固定生产要素已经得到了充分利用。改为三季稻之后，土地过度利用引起肥力下降，这样，三季稻时的总产量就低于两季稻了。四川省把三季稻改为两季稻之后，全省粮食产量反而增加了。江苏省邢江县1980年的试验结果表明，两季稻每亩总产量达2014斤，而三季稻只有1510斤。更不用说两季稻还节省了生产成本。农民生动地形容“三三得九，不如二五得十”

    （3）综合性原则
    反面案例：番禺清河东路的反复修建

    番禺清河东路原来为水泥路，双向6车道，中间用铁栏分隔，两边种上了高大的树木。现在政府了为搞市容建设，把清河路水泥路面全部挖掉铺上沥青,中间加上一条绿化带，并把两边的绿化树木往外移。这种做法就是政府有关部门在搞建设时一开始没有综合考虑问题，导致反复建设。

　　第三节　《系统的优化》

　　1、系统的优化：
     系统的优化是指在给定的条件或约束条件下(通常是一定的人力、物力和财力资源的条件下)，采取一定的手段和方法，使系统获得更佳功能或更佳效益的过程。
    案例1：农业间作套种

    人们通过不断的实践摸索，认识到要实现粮食增产，除了增大复种指数外，还要考虑种植品种、时序、土壤肥耗等因素的影响。于是，冬季作物由单一的种植小麦，改为小麦与蚕豆、油菜轮作。这样，油菜根部分泌的有机酸，能把封中的无效磷转化为有机磷；而蚕豆可以把空气中的游离氮固化为氮肥，其茎叶又可以作绿肥。油菜和蚕豆的和长期都比较短，不误下茬水稻的农时。

    案例2：田忌赛马
     战国时代，齐威王经常同他的大将田忌赛马，他们的马都分三等，在比赛时，田忌总是以上马对上马，中马对中马，下马对下马。因为齐威我每一个等级的马都要比田忌的强，所以田忌屡战屡败。孙膑知道此事以后，对田忌说：“再同他比一次吧，我有办法使你得胜，结果田忌以二比一赢了齐威王”。

　　案例3：空调系统优化
    影响空调优化的因素：人民的生活水平、人民的需求、舒适度、功能、能耗、环境、环保节能、能源、可靠性、寿命、运行费用、设备利用率、新材料、网络与数字技术及相关技术的进步等。

    第四节　《系统的设计》
     系统设计以实现系统整体效果最优为目的，系统设计要充分考虑每个元素和子系统，当各个元素和子系统发生矛盾冲突时，要协调好它们之间的关系。
    案例（视频）：都江堰水利系统工程
     1、请完成我校校门交通系统的设计

     我校处于富怡路与石基镇城区大道交界处东南角，城区大道从学校正门前经过，学校门口左边和对面各有一个公交车站。由于路上车辆较多，同学们进出校门时存在较大交通安全隐患，交通管理部门对学校门前的道路交通进行了两次改造，但并不理想。

    1、未改造前状况：未改造前，门前的马路没有任何分隔栏，只有一条斑马线横过马路。同学们上学和放学进出校门时随意过马路，容易导致交通事故。
    2、第一次改造状况：整条马路中间安装铁护栏，校门正对位置开了一个人行横道让同学们穿过马路。并在南北面各80米远各开了一个缺口让车辆掉头。因为马路中间有了护栏，车辆经过校门时司机没有认真履行安全注意义务，行车速度比以前更快，极易导致行人或从校内驶出的车辆刚越过铁栏缺口时被过往车撞到。
    3、第二次改造状况：南北两个车辆掉头缺口封上，只留学校门口正对那个人行横道，且在人行横道（马路中站）装上一根大铁管，只让行人跨过而车辆过不了。要求出校门左轩弯的同学沿学校围墙边向南走100米后再过马路。这样的做法会导致有部分不自觉的同学会骑车进入马路逆行，安全隐患更大，况且，沿这个方向走的同学最终也是要过马路的，只是在南边100米处过而不是在学校门口过而已，也就是说只是把交通事故发生点往南转移，并不能从根本上避免交通事故发生。
    4、第三次改造：马路中间完全用铁栏隔开，对面车站往南移100米，并在此处设人行横道和临时红绿灯。实行三天后又把车站迁回学校正对面。这次造后，同学们上学坐公交车在学校正对面下车后，要往南或往北走100米过马路再绕回到学校。此次改造，最大的遗憾就是坐公交车上学的同学要走更远的路。
    5、第四次改造：学校南门正常开通，专供教师车辆出入，机动车严禁从正门进出，这样避免了上、放学期间人车混杂情况。
    鉴于以上四种情况的不足，请同学们重新设计学校周边交通系统。

    （提示：可能采取到的措施：我校有三个校门：正门、北门、南门。设计时可能要涉及到的因素：路上车流情况及同学们进出校门高峰时间及时长，若开多个校门，开门时间如何，公交车站是否要迁移等等。）

    2、系统的优化——案例讨论
    下面是我校初中部陈淑存同学设计的“通行能力倍增的路口设计方案”，请运用系统的知识分析它是否可行？




    这个方案达到交通畅通了吗？

      3、系统设计的基本步骤与方法：
　　（1）确定系统设计的总目标及性能指标
　　（2）系统基本要素分析
　　（3）确定系统结构的组成（子系统或组成部分（元素））
　　（4）子系统或各部分（元素）的设计
　　（5）系统总体技术设计，包括处理好部分与整体、部分与部分之间的联系和协调等
　　（6）系统测试与优化
　　（7）方案实施与说明书

　　4、实践：系统设计——空气动力有轨滑翔飞行器的设计
　　要求：设计一个火箭模型，能在规定的两导轨间滑翔飞行。见本校实验室装备。