《環(huán)境系統(tǒng)分析概論》PPT課件.ppt

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1、第一章 環(huán)境系統(tǒng)分析概論,第一節(jié) 系統(tǒng)及其特征 第二節(jié) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化 第三節(jié) 系統(tǒng)分析 第四節(jié) 環(huán)境系統(tǒng)分析,引言,系統(tǒng)的由來：人類長期的社會實(shí)踐而來的。,1.1系統(tǒng)的定義與分類,什么是系統(tǒng)? 系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上相互獨(dú)立又相互制約、執(zhí)行特定功能的元素組成的有機(jī)整體。 系統(tǒng)的特點(diǎn)： 一個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素。 系統(tǒng)元素之間相互獨(dú)立又相互制約。 各個(gè)元素組成一個(gè)整體，執(zhí)行特定的功能。,分類 按系統(tǒng)的成因分類：自然系統(tǒng)、人工系統(tǒng)和復(fù)合系統(tǒng)。 其中復(fù)合系統(tǒng)是人工系統(tǒng)和自然系統(tǒng)綜合而成的系統(tǒng)，環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)基本上都是復(fù)合系統(tǒng)。 按系統(tǒng)的時(shí)間過程特征分類：動態(tài)系統(tǒng)和

2、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。狀態(tài)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)稱為動態(tài)系統(tǒng)，相反為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。從絕對意義 上，穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)是不存在的。環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)屬于動態(tài)系統(tǒng)。 按系統(tǒng)與周圍環(huán)境的關(guān)系分類：開放系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)。,復(fù)合系統(tǒng),開放系統(tǒng)與其周圍的環(huán)境存在物質(zhì)、能量和信息的交換，而封閉系統(tǒng)則不存在交換。環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)一般是開放系統(tǒng)。 在解決實(shí)際問題時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)、動態(tài)系統(tǒng)和開放系統(tǒng)都是比較難以處理的復(fù)雜系統(tǒng)，環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)就屬于這種復(fù)雜的系統(tǒng)，在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，有兩種方法可以選擇：采用復(fù)雜的技術(shù)，力圖真實(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性；或者對系統(tǒng)進(jìn)行某種程度的簡化，采用比較簡便的方法反映系統(tǒng)的主要特征。,系統(tǒng)的特征,1.目的性 2.集合性 3.階層性 4.

3、相關(guān)性 5.整體性 6.環(huán)境適應(yīng)性 7復(fù)雜性 8.矛盾性,1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化,一個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)元素或子系統(tǒng)組成的，它們并不是看上去的那么雜亂無章，而是按照一定的結(jié)構(gòu)程序有序分布的。 結(jié)構(gòu)模型解析是確定復(fù)雜系統(tǒng)中大量元素之間相互聯(lián)系真的技術(shù)，通過各種元素之間的因果關(guān)系、大小關(guān)系和隸屬關(guān)系的識別，構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的分解和多級遞階結(jié)構(gòu)形式。我們可以通過有向圖和相關(guān)矩陣的有關(guān)運(yùn)算，可以得到可達(dá)性矩陣，然后對可達(dá)性矩陣進(jìn)行分解，得到復(fù)雜系統(tǒng)條理分明的多級遞階結(jié)構(gòu)形式。,一.有向連接圖、相鄰矩陣和可達(dá)性矩陣 1.有向連接圖 如果一個(gè)系統(tǒng)有若干個(gè)子系統(tǒng)（或元素）構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)之間有帶有箭頭的邊表示，這個(gè)系

4、統(tǒng)的圖形就構(gòu)成了有向連接圖。 2.相鄰矩陣 用以表示有向連接圖中各個(gè)元素之間連接狀態(tài)的矩陣稱為相鄰矩陣。 3.可達(dá)性矩陣 用矩陣形式來反映有向連接圖各元素之間通過一定的路徑可以到達(dá)的程度。,有向連接圖,相鄰矩陣,可達(dá)性矩陣,,二.區(qū)域分解,,1.3系統(tǒng)分析,基本概念 系統(tǒng)分析的研究對象是復(fù)雜的大系統(tǒng)。大系統(tǒng)的特征是在系統(tǒng)中存在著許多互相矛盾的和不確定因素，從長期的工程實(shí)踐中認(rèn)識到，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行，就需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的、互相關(guān)聯(lián)的和動態(tài)的分析，這就是系統(tǒng)分析。,系統(tǒng)分析可以被理解為一個(gè)對研究對象進(jìn)行有目的、有步驟的探索過程，子系統(tǒng)通過分解與綜合的反復(fù)協(xié)調(diào)，尋求滿足系統(tǒng)目標(biāo)最佳

5、的方案。 系統(tǒng)分析的最大特點(diǎn)是追求總體目標(biāo)的最優(yōu)，為了追求總體的目標(biāo)最優(yōu)，有時(shí)有必要放棄局部目標(biāo)或子系統(tǒng)目標(biāo)最優(yōu)。 系統(tǒng)分析的總過程 問題識別系統(tǒng)分解系統(tǒng)綜合系統(tǒng)協(xié)調(diào)與評估系統(tǒng)輸出,系統(tǒng)分析總體過程,二.系統(tǒng)分析的發(fā)展,作為一門學(xué)科，系統(tǒng)分析開創(chuàng)于20世紀(jì)4050年代，但是系統(tǒng)分析的思想和方法的運(yùn)用可以追溯到久遠(yuǎn)的古代。 戰(zhàn)國時(shí)期（公元250年左右）的都江堰灌溉、防洪系統(tǒng)，就是運(yùn)用系統(tǒng)分析思想的杰作。都江堰由“魚嘴”、“飛沙堰”、“寶瓶口”等工程組成。,20世紀(jì)30年代，英國科學(xué)家在研究軍事戰(zhàn)略過程中逐步發(fā)展起來的“運(yùn)籌學(xué)”可以說是現(xiàn)在系統(tǒng)分析學(xué)科的發(fā)端。軍力的部署、戰(zhàn)略物資的儲運(yùn)、借助運(yùn)籌學(xué)

6、可以達(dá)到最佳狀態(tài)，發(fā)揮最佳效益。聯(lián)軍在二次大戰(zhàn)中也因此而取勝。 20世紀(jì)40年代，美國電話電信公司（貝爾）正式啟用“系統(tǒng)工程”一詞，系統(tǒng)科學(xué)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的領(lǐng)域得到了飛速的發(fā)展。1947年，奧地利生物學(xué)家貝塔朗菲全部創(chuàng)建了“普通系統(tǒng)論”。貝塔朗菲認(rèn)為把孤立的各部分的活動方式簡單相加，不能說明高一級水平的活動性質(zhì)和活動方式。如果了解各組成部分之間存在的全部聯(lián)系，,那么高一級水平的活動就能夠由組成部分推導(dǎo)出來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展由又促進(jìn)了系統(tǒng)科學(xué)的擴(kuò)張。系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)科學(xué)的觀念，進(jìn)入到解決各種復(fù)雜的社會-技術(shù)系統(tǒng)和社會-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)則、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理階段。

7、 系統(tǒng)分析的主要對象是復(fù)雜的大系統(tǒng)。系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展起來的大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法和技術(shù)為復(fù)雜大系統(tǒng)問題的解決提供了基礎(chǔ)。,三.系統(tǒng)分析的特征,系統(tǒng)分析的特點(diǎn) 1.研究方法上的整體化 整體化的重要表現(xiàn)是將研究對象和研究過程都看作是一個(gè)整體。實(shí)際生活中，任何的系統(tǒng)都是由若干個(gè)系統(tǒng)組成的，每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。在系統(tǒng)分析的過程中，這些子系統(tǒng)更重要的是被視為一個(gè)整體，每一個(gè)子系統(tǒng)都需要服從總系統(tǒng)的目標(biāo)，每一個(gè)子系統(tǒng)的技術(shù)都要求首先在實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)技術(shù)協(xié)調(diào)的觀點(diǎn)來考慮，對研究過程中子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間或,子系統(tǒng)與總系統(tǒng)之間的矛盾，都要從總體協(xié)調(diào)的需要來選擇方案。簡而言之，“追求總體最優(yōu)”是系統(tǒng)分析的最高

8、境界。 2. 技術(shù)應(yīng)用上的綜合化 技術(shù)科學(xué)致力于綜合運(yùn)用各種學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域所獲得的成果，它們之間的相互配合可以使系統(tǒng)達(dá)到整體優(yōu)化。一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)都是一個(gè)綜合的技術(shù)體系，各個(gè)學(xué)科技術(shù)的綜合運(yùn)用是必不可少的，這是一層含義；為了解決大系統(tǒng)的優(yōu)化問題，必須能夠熟練掌握和靈活運(yùn)用各種技術(shù)。這里所指的技術(shù)不僅包括系統(tǒng)的模型化、最優(yōu)化和大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)，還包括解決各種工程問題的具體技術(shù)。,3.管理上的科學(xué)化 一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模工程往往存在兩個(gè)并行的過程，一個(gè)是工程技術(shù)過程，一個(gè)是對工程技術(shù)的控制工程。后一個(gè)過程包括規(guī)劃、組織、進(jìn)度控制、方案分析、比較和決策等，統(tǒng)稱為管理。只有先進(jìn)的、科學(xué)的管理，才能充

9、分發(fā)揮技術(shù)的效能。 4.系統(tǒng)分析的步驟 系統(tǒng)分析除了要求解決研究對象的具體技術(shù)問題之外，著重研究和揭示各個(gè)要素之間的有機(jī)聯(lián)系，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)要素之間的關(guān)系，以達(dá)到系統(tǒng)總目標(biāo)最優(yōu)的目的。這個(gè)過程一般包含下述的步驟。,明確問題 主要明確研究對象的范圍（包括時(shí)間和空間范疇）和性質(zhì)以及它們與周圍環(huán)境之間的關(guān)系。為了明確問題，需要閱讀和熟悉有關(guān)研究對象的資料，有必要對現(xiàn)場進(jìn)行考察。 設(shè)立目標(biāo) 一般來說，目標(biāo)就是決策者希望達(dá)到的理想的境界。一個(gè)研究對象有一個(gè)總的目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)可能是單個(gè)目標(biāo)也可能是多個(gè)目標(biāo)。一個(gè)目標(biāo)往往有可以分解成若干個(gè)分目標(biāo)，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型相對應(yīng)，總目標(biāo)和分目標(biāo)一起構(gòu)成的目標(biāo)體系。,收

10、集資料 包括收集必要的歷史資料和現(xiàn)場實(shí)際的調(diào)查資料。有兩個(gè)方面的資料需要著重準(zhǔn)備：一是為了建立系統(tǒng)模型所需的系統(tǒng)自身的資料；二是對系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生約束的系統(tǒng)外部環(huán)境資料。資料來源一般是兩個(gè)方面：從歷史或當(dāng)前的文獻(xiàn)檔案中摘取收集所需的材料；根據(jù)實(shí)際與系統(tǒng)需要進(jìn)行必要的補(bǔ)充調(diào)查、監(jiān)測和試驗(yàn)。 建立模型 利用數(shù)學(xué)模型對環(huán)境狀態(tài)或決策方案進(jìn)行模擬，存優(yōu)舍劣，是系統(tǒng)分析的主要特征。在系統(tǒng)分析中，通常要用到,兩類模型：對環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行模擬的模擬模型，會環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行決策分析的決策模型。 制訂評估標(biāo)準(zhǔn) 評估標(biāo)準(zhǔn)是針對指標(biāo)體系中的評估指標(biāo)確定的。某些指標(biāo)可以建立客觀的標(biāo)準(zhǔn)，例如環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)和社會發(fā)展標(biāo)

11、準(zhǔn)。 綜合分析 綜合分析的核心是建立解決的方案和替代方案，對方案的性能特征以及環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行全面分析、比較，確定,優(yōu)選的推薦方案是綜合分析的主要任務(wù)。綜合分析中，常用的策略有 若所能支付的費(fèi)用已經(jīng)確定，則選擇在此費(fèi)用次啊效益最大的方案。 若效益標(biāo)準(zhǔn)已定，則選擇實(shí)現(xiàn)既定效益所需費(fèi)用最低的方案。 若費(fèi)用和效益都沒有既定目標(biāo) ，可以選擇效益費(fèi)用比最大的方案； 對于多目標(biāo)問題，要通過對各個(gè)目標(biāo)的協(xié)調(diào)分析決定方案的優(yōu)劣。,五.系統(tǒng)模型化,系統(tǒng)模型化是用數(shù)學(xué)符號來表達(dá)研究對象的各個(gè)部分及其聯(lián)系，表達(dá)系統(tǒng)的功能、價(jià)值及各個(gè)價(jià)值之間的關(guān)系。在系統(tǒng)分析中對模型有如下要求。 現(xiàn)實(shí)性 現(xiàn)實(shí)性是指模型能夠以一定的

12、精度和準(zhǔn)確性反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際情況。 簡潔性 在現(xiàn)實(shí)性的基礎(chǔ)上，盡量使模型簡單明了，以節(jié)省模型建立和求解的時(shí)間與費(fèi)用，并且易于推廣應(yīng)用。 適應(yīng)性 模型對于外部條件的變化應(yīng)該具有一定的應(yīng)變能力，可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。,六.系統(tǒng)最優(yōu)化,系等統(tǒng)最優(yōu)化是系統(tǒng)綜合最重要的方法和手段之一。系統(tǒng)最優(yōu)化通常通過最優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)，最優(yōu)化的方法很多。其中，線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、非線性規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)與圖論等最優(yōu)化技術(shù)在環(huán)境規(guī)劃、污染控制過程仿真等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 七.大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào) 所謂大系統(tǒng)，是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種工程或非工程系統(tǒng)。大系統(tǒng)所關(guān)心的目標(biāo)不是單個(gè)的指標(biāo)，由于系統(tǒng)復(fù)雜，大,系統(tǒng)一般都是多目標(biāo)問題，而且約

13、束條件繁多，直接求解存在很多困難。,八. 系統(tǒng)分析與系統(tǒng)工程,系統(tǒng)工程是合理開發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行一個(gè)系統(tǒng)而采用的思想和方法的總稱。從方法學(xué)的范疇，系統(tǒng)分析和系統(tǒng)工程屬于相同的概念，它們都是力圖全面地、發(fā)展地和互相聯(lián)系地分析研究問題。 一件事物或一項(xiàng)工程項(xiàng)目可以分成計(jì)劃準(zhǔn)備、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)施等幾個(gè)階段，系統(tǒng)分析是最重要的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)分析提出推薦方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。,1.4 環(huán)境系統(tǒng)分析,一.發(fā)展概況 20世紀(jì)50年代以后，隨著世界各國工業(yè)化和城市化的加速，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家相繼出現(xiàn)了爆炸性的公害事件。在這種形勢下，美國、日本、英國等先進(jìn)工業(yè)國先后建立了國家性的研究機(jī)構(gòu)和管理機(jī)構(gòu)，展

14、開了全國性和區(qū)域性的污染防治規(guī)劃的研究和實(shí)施。環(huán)境問題的全局性、復(fù)雜性和綜合性等特點(diǎn)，為系統(tǒng)分析方法的應(yīng)用提供了廣闊的領(lǐng)域，世界上很多著名的環(huán)境,防治工程研究和實(shí)施都應(yīng)用了系統(tǒng)分析的方法。1959年1962年，美國在特拉華河口的污染控制規(guī)劃研究中全面應(yīng)用了水環(huán)境質(zhì)量模型、決策方案的多目標(biāo)分析和綜合決策方法，可以說是系統(tǒng)分析在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的開端。,二.環(huán)境系統(tǒng)的分類與組成,在研究人和環(huán)境這個(gè)矛盾統(tǒng)一體中，把由兩個(gè)或兩個(gè)以上的與環(huán)境及人類活動相關(guān)的要素組成的有機(jī)整體稱環(huán)境系統(tǒng)。按照不同的分類方法，可以得到不同類型的環(huán)境系統(tǒng)。,生物系統(tǒng)組成,資源-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng),三、環(huán)境系統(tǒng)分析的任務(wù),當(dāng)前，由

15、于工業(yè)化和城市化帶來的環(huán)境問題日益凸顯，空氣污染、水體污染、生態(tài)破壞威脅著人類社會的持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在的環(huán)境問題絕對不是局部的、暫時(shí)的，而是全局性的、持久性的。 當(dāng)代環(huán)境問題的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析在解決這些問題上具有明顯的優(yōu)勢。研究環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間是對立統(tǒng)一的，尋求最佳的環(huán)境污染防治體系，建設(shè)健康協(xié)調(diào)的環(huán)境生態(tài)體系，研究環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的對立統(tǒng)一關(guān)系，尋求經(jīng)濟(jì)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的途徑是環(huán)境系統(tǒng)分析的兩大任務(wù)。,活性污泥法污水處理系統(tǒng),四 .環(huán)境系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)知識,環(huán)境系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)知識主要涵蓋環(huán)境科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)兩個(gè)方面。 環(huán)境科學(xué)是一門范圍廣泛的組合學(xué)科，所及的科目多，包括環(huán)境污染控制的原理和方法，環(huán)境質(zhì)量評價(jià)和預(yù)測的理論和方法，環(huán)境區(qū)劃與環(huán)境規(guī)劃原理和方法等。,歷年本章考點(diǎn),填空 1.系統(tǒng)按成因分：自然系統(tǒng)、人工系統(tǒng) 和復(fù)合系統(tǒng)。 2.系統(tǒng)按狀態(tài)的時(shí)間過程特征分：動態(tài)系統(tǒng)、穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。 3.系統(tǒng)分析中對建模的三個(gè)要求： 簡答題 1.從系統(tǒng)定義歸納出要點(diǎn)？ 2.簡述環(huán)境分析的主要步驟？,謝謝批評指導(dǎo)！,