水资源系统分析概论

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1、水资源系统分 析,Water Resources Systems Engineering,教学目的： 本课程培养学生树立系统思想并能运用系统工程方法解决实践问题；培养学生运用数学方法，通过建立数学模型定量化地解决问题的能力；培养学生运用现代化方法与手段解决实际问题的能力。,基本要求：掌握系统思维方法并应用系统思想进行系统分析，包括：系统、系统工程的概念、系统分析、系统工程解决问题的方法与步骤；掌握系统分析的基本方法优化方法，包括：线性规划、整数规划、动态规划、多目标规划等；了解常用的优化工具，包括：LINGO、EXCEL、MATLAB、SPSS等。,教学方法及考核办法,理论教学 以课堂教学为主

2、，辅以上机实习和课外作业，学时分配：总学时数32学时，其中课堂教学24学时，上机8学时,考试成绩=平时作业+考勤（10）+上机（30%）+期末考试（60）,任课教师： 晋华 联系方式： 15935627673,总学时：32学时 上 课：24学时（9-16周） 上 机：9学时,上课地点：北8103,上课时间：星期二 8:00 11:00,水资源系统分析方法及应用,System Analysis of Water Resources： Methods and Applications,授 课 计 划 表,1 水资源系统分析概论,1.1 系统与系统分析 1.2 水资源系统与水资源系统分析 1.3 水

3、资源系统分析方法,1.1 系统与系统分析,1. 系统概念 2. 系统的结构和功能 3. 系统的属性 4. 系统类型 5. 系统工程 6.系统分析,该定义规定了组成任何系统的3个条件： 1. 组成系统的要素必须两个或两个以上，它反映了系统的多样性和差异性，是系统不断演化的重要机制； 2. 各要素之间必须具有关联性，系统中不存在与其它要素无关的孤立要素，即系统各要素要相互作用、相互激励、相互依存、相互制约、相互补充、相互转化，从而引起系统不断的演化； 3. 系统的整体功能和综合行为是通过各要素相互作用而涌现出来的，而不是系统各单个要素所具有的。,1.1 系统与系统分析 概念,系统：是由相互作用、相

4、互依赖的若干组成部分（元素）结 合而成的具有特定功能的有机整体,水资源供需系统,自然社会系统,人类的三大家园（自然家园、社会家园和精神家园）,现在都遭到严重的破坏。身处这种被严重破坏的三大家园中,人类遭受种种灾难与祸害:环境恶化、大气层污染、海洋污染等。因此,人类需要并正在拯救这三大家园，同时进行重建。拯救与重建之道就是:调整文化方向,解决“自然人社会”三大紧张纠结的关系。从与自然为敌、向自然索取、压榨自然、剥夺自然和破坏自然,到与自然为友,既取自自然,又保护自然、养育自然,与自然协调共同发展。人是自然之子,而不是自然的主宰;人是社会关系的总和,每个个体是社会集体的一员,人应该在社会之中和与“

5、他者”和谐相处中,来认识自身、实现自我，爱国家、爱民族、爱亲人、爱他人、爱集体，要“善与人处”,寻求社会和谐,整合人际关系,调整生活节奏和劳动强度,不能只为自己、只顾自己、只爱自己,这是万恶之源也是痛苦之源。, 光明日报 （ 2012年04月09日 05 版）,元素结构环境边界输入输出功能,环境：在系统之外与其有物质、能量、信息交换的事物构成 功能：把系统输入转换为系统输出就是系统功能,1.1 系统与系统分析 结构、功能,1.1 系统与系统分析,1. 系统概念 2. 系统的结构和功能 3. 系统的属性 4. 系统类型 5. 系统工程 6. 系统分析,集合性 相关性 层次性 整体性 目的性 环境

6、适应性,系统:是由相互作用、相互依赖的若干组成部分（元素）结 合而成的具有特定功能的有机整体,1.1 系统与系统分析,1. 系统概念 2. 系统的结构和功能 3. 系统的属性 4. 系统类型 5. 系统工程 6.系统分析,按系统组成部分的属性分类按系统组成部分的形态分类按系统与环境的关系分类按系统所处的状态分类按系统的规模分类,1.1 系统与系统分析系统类型,按系统组成部分的属性分类按系统组成部分的形态分类按系统与环境的关系分类按系统所处的状态分类按系统的规模分类,自然系统 人造系统 复合系统,实体系统 概念系统,封闭系统 开放系统,静态系统 动态系统,小型、中型、大型、超大型,1.1 系统与

7、系统分析,1. 系统概念 2. 系统的结构和功能 3. 系统的属性 4. 系统类型 5. 系统工程 6. 系统分析,1.1 系统与系统分析系统工程,“工程”的本义是指服务于特定目的的工作程序，因此，系统工程（systems engineering）就是服务于一般系统的开发设计、组织建立或者运行管理的工作程序的一门工程技术学科，它包括运筹学（operations research）、系统分析（systems analysis）、系统研究（systems research）、费用效果分析（cost-effectiveness analysis）和管理科学（management science）等，

8、可用于工程实践的各种定量方法和定性定量集成方法。系统工程的研究对象是任何一种物质系统或任何一种概念系统，包括自然系统、工程技术系统、社会经济系统、管理系统、军事指挥系统等。,1.1 系统与系统分析系统工程,“工程”的内涵不同。传统工程技术的“工程”是指应用自然科学原理和方法于实践，设计和生产出诸如水库、大桥、铁路、建筑物等有形实体（“硬件”）的技术过程。而系统工程中的“工程”概念既包括上述“硬件”的设计与建造，又包括与这些“硬件”紧密相关的概念、思想、规划、计划、方案、程序等（“软件”）活动过程，即为硬件与软件的复合工程，延拓了传统工程技术的“工程”的含义。,系统工程和水利工程、电子工程、机械

9、工程等传统工程技术一样，都是从实际问题和条件出发，运用相应的基础科学和技术科学的基本理论和方法，以改造客观世界使其符合人类需要为目的的，但两者有很大的不同：,1.1 系统与系统分析系统工程,研究对象不同。传统工程技术的研究对象是各自特定领域内的工程实体对象，着眼于物质运动和能量转换。而系统工程的研究对象是一般系统，既包括各种传统工程技术中的实体对象系统，也包括生态、环境、社会、经济、管理等非实体即概念对象系统，还包括实体对象系统与概念对象系统相结合的复合系统，着眼于研究对象的信息流动。在实际运用系统工程时都把所研究的问题看做一个系统进行研究。这些系统中的各种信息是系统工程的主要研究对象。因此，

10、系统工程不是研究某一类系统的工程技术，而是研究各种系统普遍适用的一门综合性工程技术。在运用系统工程解决实际问题时，系统工程必须与所研究的系统本身所在的学科相结合，从而形成不同的应用系统工程学科，例如水资源系统工程、环境系统工程、资源系统工程、农业系统工程、管理系统工程、军事系统工程和社会系统工程等。,1.1 系统与系统分析系统工程,学科的任务不同。传统工程技术是着眼于技术的合理性、用来解决某个特定领域中的具体技术问题。而系统工程的任务是解决系统内部各要素之间、各要素与各子系统之间、各子系统之间、系统与环境之间的协调问题，使系统整体最优化和整体协调化。,1.1 系统与系统分析系统工程,研究的方法

11、和成果不同。传统工程技术所使用的方法是在明确目标后根据条件，采用可能实现目标的方法，提出不同方案进行设计、试制出原型，经试验后最终达到生产和建设的目的，它所使用的方法明显体现出“物理”特征，它所提供的是处理问题的答案。而系统工程的研究方法和结果对传统工程技术而言具有方法论性质，如系统、信息、结构、功能、控制、反馈等范畴，系统观点，以及优化、协调、建模、预测、模拟、评价、决策等各种系统工程方法等，可适用于各种传统工程技术领域，它所使用的方法明显体现出“事理”和“人理”特征，它所提供的是处理问题的过程（行动策略）,1.1 系统与系统分析系统工程,系统工程具有多学科综合性的特点，它是综合应用系统科学

12、、自然科学、数学、计算机科学和计算机技术、传统工程技术、管理科学、经济学、社会科学等各种学科知识、组织管理各种复杂系统、横跨众多学科的工程技术学科，只有应用各种学科的广泛知识，才有可能有效地规划设计、管理控制一个复杂系统。,1.1 系统与系统分析系统工程,系统工程处理问题的一般方法称之为系统工程方法论，目前最有代表性的有两类方法论：,“最优化”为核心的霍尔（A.Hall）系统工程方法论 “比较学习”为核心的切克兰德（P. Checkland）系统工程方法论,明确问题,目标选取,方案设计,建立数学模型,最优化计算,决策分析,决策实施,最优化方式：适用于各种复杂的工程技术问题,1.1 系统与系统分

13、析系统工程,系统工程处理问题的一般方法称之为系统工程方法论，目前最有代表性的有两类方法论：,“最优化”为核心的霍尔（A.Hall）系统工程方法论 “比较学习”为核心的切克兰德（P. Checkland）系统工程方法论,说明问题,现状确定与改善现状有关的因素,建立描述问题现状的概念模型,改善概念模型,模型和现状的比较决策实施,比较学习方式：适用于各种复杂社会经济系统,1.1 系统与系统分析,1. 系统概念 2. 系统的结构和功能 3. 系统的属性 4. 系统类型 5. 系统工程 6. 系统分析,是系统工程中最基本、最普遍的分析方法，他通过有关要素、结构、功能、状态、行为等之间的关系及其与环境的相

14、互关系，并通过推理和计算的定量途径，找出可行方案；再经过分析、综合与评价技术，选出可行方案的最佳者，共决策者参考。,1.1 系统与系统分析系统分析,1. 在思想方法上，强调整体性观点和协调精神 2. 在系统分析过程中，注重多学科合作、分析者与 决策者合作 3. 在系统分析技术上，将定性分析与定量分析相集合 4. 在系统分析工具方面，以计算机为主要工具,1 水资源系统分析概论,1.1 系统与系统分析 1.2 水资源系统与水资源系统分析 1.3 水资源系统分析方法,1.2 水资源系统与水资源系统分析,1. 水资源系统 2.水资源系统分析及其步骤 3.系统分析方法在水资源系统 中的应用范围,概念：在

15、一定环境下，为实现水资源的开发目标，由相互联系、相互作用的若干水资源工程单元（物质单元）和管理技术单元（概念单元）组成的有机整体构成水资源系统。,1.2 水资源系统与水资源系统分析水资源系统,河流水资源综合开发利用规划与管理；流域水资源综合开发利用规划与管理；地下水水资源综合开发利用规划与管理；农田灌溉系统规划与管理；城市供水系统规划与管理；水力发电工程系统规划与管理；防洪工程系统规划与管理；抗旱系统规划与管理；航道工程系统规划与管理；水污染控制系统规划与管理；水资源可持续利用与管理等内容,从研究对象的水资源系统问题分类,1.2 水资源系统与水资源系统分析水资源系统,水资源系统特点,多学科性,

16、多目标性,层次性,不确定性,时空不均匀性,非线性,1.2 水资源系统与水资源系统分析,水资源系统分析及其步骤,是,否,1.2 水资源系统与水资源系统分析,1. 水资源系统 2. 水资源系统分析及其步骤 3. 系统分析方法在水资源系统 中的应用范围,1.2 水资源系统与水资源系统分析,系统分析方法在水资源系统 中的应用范围,水资源系统规划水资源系统专业规划大型水利水电工程规划设计水利水电工程建设组织管理水利水电工程运行调度区域水资源优化配置水利水电工程与生态环境,1.3 水资源系统分析方法,1. 系统模型化方法 2. 系统预测方法 3.系统优化方法 4. 系统模拟方法 5.系统评价方法 6.系统决策方法,1.3 水资源系统分析方法系统模型化方法,系统模型的种类 系统模型的组成 水资源系统模型化步骤 系统模型化的主要方法,