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通用技术-第三章第三节系统的优化


淄博中学

高一通用技术组

温故知新(回顾上节内容):
一、系统的基本特性
哲学 观点

(1)整体性 (2)相关性 (3)目的性 (4)环境适应 (5)动态性

整体的角度 联系的观点

发展的眼光

二、系统分析的基本方法

>1、系统的思想(要有整体的思想,从整体角度去考虑。) 2、系统分析的基本方法: (定性、定量相结合) (1)阐明问题; (2)分析研究; (3)评价比较。 3、学写简单的分析报告: (一般包括以下内容) (1)系统的分析过程;(如:功能、构成,特性的定性定量分 析) (2)依据; (3)结论和建议。

三、系统分析方法的步骤

1、阐明问题 2、分析研究 3、评价比较
注意:要学会写系统分析报告!

系统的分析
? 系统分析的一般步骤
明确问 题, 设立目 标 收集资 料, 制定方 案 分析计 算, 评价比 较 检验核 实, 作出决 策

根据系统的整体性特征,解释表中所列的现象.
现象 原因 一个和尚挑水吃, 三个人共同构成一个系统,每个人都是其 两个和尚抬水吃, 组成要素之一,如果三人之间的协作关系 三个和尚没水吃. 处理得不好,反而办不好事情. 三个小皮匠顶个 诸葛亮
三个小皮匠构成一个整体,整体的功能大 于部分功能之和.

一着不慎,全盘皆 在一个系统中,局部对整体的制约,部分的 变化会影响整体的变化,甚至还会对全局 输
产生决定性的影响.

丢卒保车

为了整体的利益,要敢于舍弃局部利益.

分析以下例子反映系统的哪方面基本特性。 1、《西游记》中师徒四人需要 齐心协力才能取得真经。 2、某大桥使用后发生垮塌, 经调查事故原因是建筑水泥的 标号没有达到国家标准。 3、火车铁轨每段之间需要有 一定的缝隙,以免热胀冷缩后 铁轨变形发生脱轨。 整体性 相关性 相关性

环境适应性

当堂检测:

1、飞机在空中飞行时,时常受到大气对流 的影响而产生颠簸,当飞机的检测装置接 收到这一信号后,经过控制器的调节,能 在很短的时间内调整好飞行状态,克服大 气对流对飞机飞行的影响,保持平稳飞行。 这个现象说明了系统的什么基本特性? ( c ) A、整体性 B、相关性 C、环境适应性 D、动态性

2、一堆沙子、钢筋、水泥等等材料散 放在一起没什么意义,但是如果将它们 按照一定的结构形式造成一座桥梁,就 具有了交通的功能,这个案例说明系统 最基本的特性是:( c ) A、目的性 B、动态性 C、整体性 D、 适应性

3.在大自然中,鹿、兔奔跑速度快,能逃 避猛兽追捕;刺猬身上长尖刺,使猛兽无 从下口;黄鼬遇敌时突放臭气,扰乱猛兽 神智,影响其情绪,在其迟疑间跑掉。这 是生态系统基本特性中的(D ) A.整体性 B.目的性

C.动态性

D.环境适应性

? 4.(2008模拟)当神舟七号飞船在太空飞 行时,整体系统为:( C ) ? ①抽象系统 ②实体系统 ③动态系统 ④静 态系统 ? ⑤自然系统 ⑥人造系统 ⑦复合系统 ? A.①③⑤⑦ B.②④⑥ C.②③ ⑥ D.①④⑦

5.台式计算机的CPU上安装的小风扇有时转 的快,有时转的慢,这个现象说明了系统 的( C ) A.整体性 B.相关性 C.环境适应性 D.动态性

新课:第三节 系统的优化
? ? ? ? ? 内容提要: 1、什么是系统优化? 2、系统优化的意义是什么? 3、影响系统优化的因素有哪些? 4、怎么才能进行系统优化?

? 案例一:鸟巢 ? 我们再来看2008奥运会的主会场“鸟巢”, “鸟巢”采用是什么结构? ? 鸟巢使用的主要材料是?
鸟巢采用是大跨度重型钢结构体系,它在设计过程 中也在不断的优化调整,其中有一项调整是取消了 可开启屋盖、扩大了屋顶开孔。 鸟巢去盖后,在哪方面得到改善? 优化后的方案,减少用钢量1.2万吨,造价减少了约4亿元

国 家 体 育 馆 鸟 巢 原 设 计 方 案

鸟巢图片欣赏

? ?

案例二:飞人刘翔 提到奥运会的主会馆,就想到飞人刘翔在08年奥运会 因为脚腱受伤遗憾退出赛场的情景,全运会刘翔再次 证明了自己。到今天,他的状态恢复得越来越好。

刘翔创造了亚洲田径的的奇迹,除了和他本身 的身体条件和天赋外,还和孙海平教练的 训练方法是分不开的,孙海平对刘翔的训 练方法在不断的优化调整,孙海平教练说 “思索出刘翔训练的新思路,这比什么都 有意义”。

系统的优化
问题的提出:(系统优化的必要 性?)
我们做任何事情都希望达到最优的效果。作 为一个系统,通常会有这样或那样的问题。如: 效果不佳;或是投入的人力、物力、财力不是 最小;或是某种性能不理想等等。因此系统需 要改善,需要优化。

1、什么是系统的优化
系统的优化是指在给定的条件(或约束)下,

根据系统的优化目标,采取一定的手段和方法,使
系统的目标值达到最大化(或最小化)。

思考:系统的优化有什么意义呢? 系统优化的意义就是以最小的投入, 获取系统的最佳效益或最佳功能。

车流滚滚,噪音 污染严重!

【案例分析】:浙江天台县高速噪音超标80%,66 户村民告上法庭 “6年来,他们最大的愿望就是睡个安稳觉”;高速 公路越来越忙,就是声音大得受不了;天台66户村民 状告上三高速;新的问题需要我们智慧的回应和解答 。 核心事件:上三高速建成通车已有6年,6年来车 流日增,在接近高速天台出口处,距离高速公路10米 左右就有一排民房,这就是天台县桥下村。村民说, 高速上车来车往的声音太大了,这几年来他们最大的 愿望是能睡个安稳觉。于是,他们将高速公路公司告 上法庭。天台县桥下村位于上三高速天台出口处,一 共有250户人家,房子多是80年代造的。 2000年底, 上三高速公路通车,刚好在桥下村旁边经过。

噪音的危害
?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

190分贝 导致死亡 140分贝 欧盟界定的导致听力完全损害的最高临界点 139分贝 卡卡、梅西球迷的呐喊声 130分贝 火箭发射的声音 125分贝 喷气式飞机起飞的声音 120分贝 在这种环境下呆超过一分钟即会产生暂时耳聋 110分贝 螺旋浆飞机起飞声音、摇滚音乐会的声音 105分贝 永久损听觉 100分贝 气压钻机声音、压缩铁锤捶打重物的声音 90分贝 嘈杂酒吧环境声音、电动锯锯木头的声音 85分贝及以下 不会破坏耳蜗内的毛细胞 80分贝 嘈杂的办公室、高速公路上的声音 75分贝 人体耳朵舒适度上限 70分贝 街道环境声音 50分贝 正常交谈声音 20分贝 窃窃私语

1、问题——车道附近车流污染严重
影响附近人群健康,消除或减轻噪音污染成为优化学 校等大环境系统的重要课题。

选择合适的优化方法 讨论:
怎样改善噪音的污染,优化学 校或者村民所处环境(系统) ?

选择合适的优化方法
? 减小噪音原则: 一、 声源处减弱 二、传播过程中减弱 三、接收处减弱

选择合适的优化方法
1、密闭声源,在声源处建造隔声墙,防止噪 声直接向外传播。 2、给机器上足润滑油,即防止产生噪音,又 能保护机器。 3、加强绿化,在繁杂的公路两旁植树造林, 形成屏障。 4、给添置隔音设施。 5、在耳朵处加塞隔音装置,如好的耳塞。

建造隔音墙
? ? ? ? ? 问题: 1、隔音墙的高度、长度如何考虑? 2、隔音墙的墙体结构、外形怎么考虑? 3、隔音墙墙体选用何种材料? 4、隔音墙改善噪音效果如何评价?

1、隔音墙的高度、长度如何考虑?
? 隔音墙的隔音效果,高度与长度是两个关 键,隔音墙只要能阻隔道路和受体的视线, 至少就能减少5分贝的音量,而且每增加1 米,能减少1.5分贝。

1、隔音墙的高度、长度如何考虑?
? 而长度方面,不能跟受体的宽度刚刚好, 必须与最近受体的垂直距离为准,向左右 两边延伸4倍距离的长度,才能防止声音从 两端流进受体。

隔音墙的墙体结构、外形怎么考虑?
? 单侧直板式; ? 双侧直板式: ? 带折檐式:屏障内侧加衬吸声结构。隔声效果好,保护的 范围比直板式的大; ? 全封闭式:用于向空间发展的居民区穿越高层建筑群的公 路上,隔声效果>25dB,保护面积可以覆盖整个居民区, 但造价较高。 ? 生态隔音墙:传统的声障墙常用的材料有金属板、玻璃板、 混凝土板、木板和塑料板等。这类刚性的、表面平滑的声 障墙,隔音效率一般都较差,只2~5分贝。为了提高其隔 音效率,常用的方法是将其表面加糙(如将表面加工成 “破碎形状”),或采用粗糙的“木材混凝土”等措施。 采取这些改进措施之后, 声障墙的效率可提高30%~50%, 即隔音效率可达7分贝左右。

3、隔音墙墙体选用何种材料?
? 声屏障的地上部分即屏蔽层可采用砖墙、 薄钢板、铝合金、玻璃钢、聚碳酸脂塑料 等耐老化,抗腐蚀材料;声屏障的地下部 分即基础则以混凝土及钢材为主。 ? 为了有效的阻止噪声穿过隔音墙,声屏障 的材料必须坚硬且具有一定的密度(最少 20公斤/平方米)。

3、建隔音墙的技术要点

⑴具体测量噪音程度。
⑵建立隔音墙防噪音的数学模型及墙体参数关 系条件,求其数学解。 ⑶要做到投入最小、效果最好。 ⑷验证试验。如计算机仿真 4、实施优化 ⑴墙体结构与材料,与上面的定量计算相关。

⑵美观。
⑶效果。

高速公路隔音墙

高架路上的隔音墙

日本的隔音墙

系统优化的意义
? 修建隔音墙,以较小的投入,获得了好的 治理噪音污染的效益,使社会环境大系统 的整体得以优化。 ? 系统被改善了,就是系统被优化了。获得 系统的最佳效益或最佳功能,就是系统优 化的意义。

身边的例子:

改善学校周边环境
思考:临沂一中南北两校周边环 境现状是什么?有没有需要改进 的地方?

改善学校周边环境
周边环境的情景特征
? 1、学校附近有车道,噪音污染较严重。 ? 2、学校周围的无证摊贩多,占道经营。 ? 3、交通设施不完善 ⑴ (无公交站、缺红绿灯、斑马线) ⑵乱停车(接送学生车辆,社会车辆) ? 4、校园面积小,开展活动不方便。
分组讨论:

根据我校实际, 提出改善的方案

? 思考与练习:
? 我们学校的学生食堂随着学校办学规模的 扩大,就餐人数随之增加,每到中午就餐 时间,学生们排着长队等待就餐。如何减 少学生就餐排队时间? ? 请提出解决这一问题的几种方案,运 用系统分析方法选择一种经济、最有效可 行、最容易实现的办法。

从中选择方案,制定最适宜方案
? 1:增加窗口和食堂人员 2:分时段就餐 3:增加一个食堂 4:增加食堂的面积 5:提前分发好饭菜 6:提倡学生回家吃 7:增加就餐座位 8:提供饭盒打包 9:学生两人一组,分工合作 10:分批到两个食堂就餐 11:外卖服务 12:限制就餐时间(15分钟) 13:提高食堂人员素质 14:送餐上门服务

二、假如你是村长:怎样为本村筑好一条致富路

——影响系统优化的因素

1、系统优化的一般性步骤
⑴需要进行优化的问题 交通闭塞 ⑵选择合适的优化方法——优化方略与筹谋 勘测 预算 确定路线 确定土石方量、器材种类与数量、人力、经费 修路

选择合适的筑路方法和计划(根据本村的人力、物力、财力)
⑶验证与实施 条件校验 实施与调整 校验人力、物力、财力是否具备。合理分配,节 约资源,促使优化指标和约束条件得以满足。 及时调整,计划与施工,再进入优化进程。

影响系统优化的因素:(P92)
是指对系统的目标产生显著影响, 并且可以人为调节的因素。
①优化追求的目标要适度。 ② 希望投入最小,而取得的效益最大。

③ 系统优化离不开条件,条件是否具备直接影响优化。

④ 某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化 。

最优化方法解决问题的一般步骤
1、提出需要优化的问题和目标,收集有关资料 和数据。 2、分析影响系统优化的各种因素,确定变量, 建立有关约束条件,建立求解最优化问题的 有关数学模型,分析模型。 3、选择合适的最优化方法。 4、分析求解。 5、最优解的验证和实施。

? 2、系统优化的方法 基础:分析影响系统优化的因素。 过程: 一定的条件下,对系统特性进 行分析和控制。 目标:以实现更佳的整体目标。

系统优化的基本原则
? (1):定性定量分析相结合,系统的优化不仅要 实现系统中每个元素和子系统的优化,还要达到 系统整体的优化。 ? (2):必须注意系统各组成部分之间、部分与整 体之间的联系,加强协调,才能提高系统的有序 性和整体的运行效果。 ? (3):系统的优化要遵循系统的动态观点,它是 一个不断验证、完善的过程。例:农作物种植间 作套种、利润问题

案例一:

利润问题

某家具厂要安排一周的生产计划,产品是桌子和 椅子。制作一张桌子需4m2木板及时性20小时的 工时,制作一只椅子需6m2木板及18小时的工时, 每周能拥有的木板是600m2,可利用的工时是 400小时;每张桌子的利润是50元,每只椅子的 利润是60元。按合同每周至少要交付8张桌子和5 只椅子,并假定所有的产品都能够销售出去。 问:该厂每周生产桌子和椅子的数量分别是多少 时,能获得最大利润? Smax=50x+60y 设每周生产桌子X张, 生产椅子Y张,则有:

4x+6y≤600 20x+18y≤400 x≥8, y≥5

阅读:数学模型
用数学公式、图表等描述客观事物的特 征模型,称为数学模型。 现实世界的事物与数学模型的关系可表示 为:
现实世界 的原型 分析 抽象 数学模型 分析 解释 数学结论

对原型的分析

答 案
? 8张桌子,13张椅子,最大利润为1180元

? 通用计算,我们得到的就是最优解,按 每周8张桌子、13张椅子的方案生产就 可以获得最大的利润,像这种系统优化 叫做系统最优化。

【案例分析二】
在江边一侧有A、B两个工厂,它们到江边的距离分别 是2km和3km,设两工厂沿江方向的距离是3.5km,现 在要在江边修建一个码头,使得两厂的产品能够顺利过 江,问码头应建在什么位置,才能使运输路线最短?

码头?

根据要求可画出下图,在江边DE上求一点C,使 C到A、B两厂的距离之和为最短。

数学模型为: Smin=AC+BC

过A点作关于直线DE的对称点A1,连接 A1B与DE相交于C,这一点既为所求的码头的 地点。 根据相似三角形原理,求得 DC=1.4km, 码头建在与A厂到江边垂直距离位置相距 1.4km处,运输路线最短。

? 求解过程: ? 根据要求可画出上图,在江边DE上求一点 C,使C到A、B两厂的距离之和为最短。 数学模型为: Smin=AC+BC 过A点作关于直线DE的对称点A1,连 接A1B与DE相交于C,这一点既为所求的 码头的地点。 根据相似三角形原理,求得 DC=1.4km,码头建在与A厂到江边垂直 距离位置相距1.4km处,运输路线最短。 从这个例子可以看出:可以看出优化仅 仅靠定性的分析是远远不够的,还需要更 多的定量计算才行。

【案例分析三】
装修施工的组织优化 分析:根据装修的施工流程、资源利用、空间等要
求进行分析,可以得到依次施工和平行施工两种方

案,思考各自的特点。

一、明确问题,设立目标
施工项目:教学楼装修 施工内容:教学楼A、B、C栋,需要水电、木工、油漆三 个施工过程,每个施工过程需要3周时间

目标:组织装修,使装修工期和资源利用最为合理。

二、收集资料,制定方案
方案一:按照施工要求,从A到B到C,依次进行施工。
方案二:按照施工要求,A、B、C栋同时进行施工。

方案三:按照施工要求,A、B、C栋进行流水施工。

楼 A

装修 过程

工 期

3


6


装修施工进度(周) 9 12 15 18 21

24

27

水电
木工 油漆 水电 B

3
3 3 3






■ ■ ■


■ ■ ■

木工 油漆
水电

3 3
3 3 3



■ ■ ■ ■


■ ■

C

木工 油漆

三、分析计算,评价比较
根据分析,确定按照方案三进行施工。

四、检验核实,确定方案 选择出最佳方案:方案三
施工特点 工期
方案一 依此施工

施工队 设备、材料 现场管理 1 投入少 简单

27周

方案二 平行施工

9周

3

投入多

复杂

方案三 流水施工

15周

1

较多

较简单

【巩固练习】
1.列车提速是对铁路运输系统的优化,以下 说法正确的是 ( D ) A.只要有先进的机车,就能提速 B.只有重新铺设铁路,才能提速 C.只有使用“动车组”才能提速 D.不仅需要有先进的机车,还需要道路、 桥梁、隧道等基础设施的配套改进。

2、下列选项中不属于系统优化的是(B) ? A.城乡规划 ? B.工人师傅根据划线锯割三角铁 ? C.全国第六次列车提速 ? D.网上银行及自动存、取款机的应用

4、系统优化的意义( A )。 A.获取系统的最佳效益或最佳功能 B.改善系统的环境 C.调整系统的结构 D.改变系统的特征

5、王林家新买了一辆汽车,为 了节省燃油,采取了下列系统优 化措施,其中不正确的是( C ) A、合理使用汽车空调 B、每次加油时将油箱加满 C、减少不必要的负载 D、以上皆不对

? 6、某电动助动车生产企业为了提高产品的 竞争力,对助动车各个部分全面分析和优化, 下面不是以提高使用性能为优化目标的措施 B 是( ) ? A.增加太阳能电池板,利用太阳能充电 ? B.优化零部件的加工工艺,提高生产效率 ? C.优化传动系统,以节省用电、提高速度 ? D.应用人机工程学原理改进座垫、脚踏板 的设计,提高骑行时的舒适度

? 7.“二战”期间,美军的运输船要通过日军 控制的海域,有被日本空军击沉的危险。 如果在运输船上时装高射炮,可以使日军 的飞机不敢低空飞行,从而有效降低被击 沉的可能性,但由于加装高炮后会使每艘 船的运输量减少,客观上运输船通过该海 域的频次不得不增多,这又将增加被击沉 的可能性。这个事例可以说明,系统优化 D 的实现需要( ) ? A.减少约束条件 B.降低目标函数 C.降低影响因素 D.综合各种因素

? 8.系统的优化是在一定的条件下,使系统达到更 理想、更佳效果的过程。请判断以下事例,不能 使系统达到优化的是 (B ) ? A、为交通闭塞的某村修建一条公路 ? B、为了提高竹笋的产量,竹子种得越密越好 ? C.利用农作物生长的季节差进差、时间行间作 套种 ? D.在耕地少的地区开发低丘缓坡,建立经济林 基地

? 5.尽管杭州的道路建设年年有大的投入,但是, 随着私家车的不断增加,杭州的道路反而变得越 来越拥挤了。市政府对整个交通系统进行分析后, 决定建设地铁.下列说法正确的是 ( ) D ? A.有了地铁就能对交通系统实现优化 ? B.因为地铁速度快。才实现对交通系统的优化 ? C.因为地铁在地下运行,才实现对交通系统的 优化 ? D.必须与其他交通工具及基础设施配套,才能 实现优化

B

D

? 【例 1 】下列关于系统要素与系统功能的 叙述,正确的是 ( ) A .要素的功能决定系统的功能 ? B .系统的功能决定要素的功能 ? C.要素的变化引起系统的功能变化 ? D .系统功能发生变化,要素必然变化

? (分析)本题考查要素与系统的关系。系 统是由要素构成的,要素是构成系统的最 主要的元素。系统是一个整体,它不是各 个要素的简单相加,系统的整体功能是各 要素在孤立状态下所没有的。系统的任何 一个要素发生变化时,都会影响其他要素 的发挥,同时影响系统的整体功 能。 ? 答案: C

? 【例 2 】机器零件的胡乱堆积构不成机器 系统,只有当它们按照一定的装配关系组 合起来时,才能构成机器系统。这表明了 系统的 ( ) ? A .整体性 B .动态性 C.结构 性 D .相关性

? (分析)本题考查 “ 系统的基本特性 ” 。 系统是一个整体,它不是各个要素的简单 相加,而是按照一定的关系组合成的一个 整体.系统的整体功能是各要素在孤立状 态下所没有的。而相关性是强调各要素之 间及系统和要素之间的相互作用、相互联 系。 ? 答案: A

? 【例 3 】小张发现自己骑车特别费力。于 是,他对自行车系统的各组成部分进行分 析与研究,从车圈到轮胎,从链轮到脚蹬, 最后排除了故障。下列选项与上面的案例 无关的是 ( ) A .小张考虑到系统的整体性 ? B .小张对系统进行了整体性分析 ? C.小张对自行车系统进行了优化 ? D .小张进行了系统设计

? (分析)本题考查系统的特性、系统分析的主要 原则及系统的优化等内容。系统的整体性表示系 统的最基本特性,它不是各个要素之和,系统的 整体性是各要素所没有的。由于系统存在着整体 性,于是就出现了系统的整体分析方法。对系统 的优化是指在给定的条件下,根据系统的优化的 目标,采取一定的手段和方法,使系统的目标值 达到最大化。本案例应该说与系统设计无关。 ? 答案: D


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