1、第三节系统优化教材p80-p87问题思考 如何确保运动会在有限的时间内多个项目高效顺利地进行?作为一个系统，通常会有这样或那样的问题，如效益不佳，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，改善就是优化。那么,什么是系统优化?影响系统优化的因索有哪些?怎样才能做到系统优化?一、什么是系统优化所谓优化，就是要在给定的约束条件下确定优化目标，找到某种方案去求解问题，并得到最优效果。这种问题，称为优化问题;这种方案，称为优化方案。优化，可以是最小化的优化，也可以是最大化的优化。两者的本质是相同的，即优化。在求解优化问题时，一是要清楚需要优化的目标是什么二是要清楚
2、问题潜在的一些约束因素是什么。优化是人类在社会生活和生产中不可避免会遇到的一类问题。在人类历史发展进程中，人类一直在不断摸索求解优化问题的方法并积累了丰富的经验，经过长期的实践，优化已经形成了一门学科。(一）系统优化的实例之一建造隔音墙改善车流噪声污染1.问题车道附近噪声污染严重经查有关资料得知，车道(特别是高速车道)上的车流所发出的噪声，可高达80 dB.它直接影响附近的人群，如影响学校上课的效果，还对师生的健康造成伤害。因此，消除或有效减轻噪声污染,成为优化学校等大环境系统的重要课题。2.选择合适的优化方法建隔音墙消除或有效减小车流噪声污染有多种方法，如降低车体本身的噪声，让车流在此路段减
3、速以降低噪声，让车道远离学校等，这些方法或不切实际或难以实施。因此,在车道靠学校或其他重要建筑的一侧修建隔音墙，是一种有效又可行的方法。隔音墙如图3-183.建隔音墙的技术要点噪声是通过声波形式向四周传播的。利用隔音墙，可以将噪声反射至上空，以保护附近人群。因此,隔音墙的作用本质是改变噪声的传播途径,以达到改善道路两侧环境的目的。那么，隔音墙需要建多高、多长?采用什么样的几何形状?使用什么材料?这些都是要经过定量计算与分析后方可确定的工程技术问题，一般要考虑以下技术要点(1)具体测量噪声严重程度。(2）建立隔音墙防噪声的数学模型及墙体参数关系条件，求其数学解。(3）从系统优化的角度考虑，要做到
4、投入最小和效果最好。(4）做必要的验证试验，如计算机仿真等。对于我们来说，当前要重点考虑的是其中的(1)和（2)。4.实施优化对于隔音墙的实施，须满足以下要求:(1）墙体结构与材料，这与上面的定量计算相关。(2）美观，形成一道特殊的风景线。(3)效果，可实测建隔音墙前后的噪声影响大小。讨论交流隔音墙技术措施与隔音效果分析目的:通过讨论交流,理解修建隔音墙的技术要点和技术要求。方式:(1）围绕修建隔音墙的技术问题，各小组分头进行试分析。可以参考下列的参考问题。(2)全班讨论交流。归纳大家的共同认识，梳理不同的意见。参考问题:(1)隔音墙的高度、长度多少为好?提示:假定车流附近有学校或其他建筑，它
5、们的建筑规模数据及受到附近车流噪声污染的情况数据可以通过实地调查获得。(2）隔音墙的墙体结构及外形怎样考虑?提示:这里所说的结构、外形是指墙体直立或略向内侧(车流一侧的简称)倾斜;墙的上部形状与墙体平面一样或略向内侧适度弯曲;墙体内侧表面是否做吸收声音的处理。(3）隔音墙体的主材料用什么为好?提示:在坚固、美观、经济(造价、维修)等因素间权衡决策。权衡,就有比较。可拿出采用不同材料的方案,列表比较说明。(4）建造隔音墙的投入与改善车流噪声污染的总效果应如何评价?从系统优化中得到哪些启示?创客坊改善学校周边环境1.周边环境的情景特征 学校周围很荒凉，风沙大;学校附近有车道，噪声污染较严重;学校地
6、处郊区，文化环境不理想;校园面积小，开展活动不方便。注:对一所学校来说，只考虑上述情景特征的一项。所谓情景特征，就是学校系统存在的问题，也就是学棱系统需要优化的问题。其实，找出问题就是系统优化的第一步。2.可利用的条件 有限的财力与物力广大师生都拥有改善环境的良好愿望和行动的积极性社会关注学校进步。3.改善环境的方法 植树、建园林;建隔音墙;强化校内文化氛围;分部作息。做法:分析学校系统，找出学校周边环境存在的若干问题，并从其中筛选出一个最主要的问题。找出解决问题的可利用条件提出改善的设想和具体方法。要求:做调查研究,不凭空想象;分析,不只看现象;设想与方法要尽量可行、易操作。问题思考改善环境
7、的启示(1)上面“创客坊”活动中提出的改善环境的方法可行性如何?你能结合学校情景特征，针对其中一种方法，拟定出具体操作要点吗?比如，植树:在什么地方种?种多大面积?种什么树?树苗从哪儿来?什么时候种?怎样种?怎样保证高成活率?解答这些问题的根据是什么?(2）改善学校周边环境的活动,给了你哪些启示?(二）系统优化的意义修建隔音墙，以较小的投人获得了好的治理噪声污染的效益，使社会环境大系统的体得以优化。系统被改善了，就是系统优化了。获取系统的最佳效益或最佳功能，就是系统优化意义。技术探究课程表编排优化试验 内容与要求:试验对象:高一年级课程表。试验目的:林验如何让课程表发挥最佳效能。试验前的准备:
8、收集高一年级各个班的同时期的周课程表（复制样本)。向有关方面调查与课程表有关的情况,如有多少门课、课时、任课教师、教室（专用、公共）等。向有关教师请教课程表编排方面的经验。试验过程与做法:分析、讨论:现有课程表体系（系统）存在哪些问题?影响这些问题可能的主客观因素是什么?统一认识:制定课程表体系应该遵循的若干编制准则。试编排:将全班分成3个小组,每个小组自主编排，并各自拿出一个试验样本。交流、评价:(1)各组报告自己的试验样本。报告要观点明确，尽量讲清楚论点的根据和需要支持的条件。(2)全班讨论、评价。针对3个试验样本，结合编制准则，各抒已见，可突发奇想，重在有新见解;归纳出各个试验样本的优缺
9、点，特别要指明各试验样本需要改进之处。几点说明:课程表系统是实施学校教学计划的枢纽环节。它具有明确的调度功能，涉及多位教师、不同班级同学，还涉及实验室、公共教室，甚至涉及教学效果。评价时，要注重多角度和实事求是地考虑问题。确有改进，就承认优化;即使没有做到改进，做了改进的尝试也好。经过交流、评价后，各组的试验样本要不要合成一个总的试验样本，各班视具体情形自定。特别强调，这项试验仅是一次学习活动。提出的方案，可供学校以后编排课表时参考。系统优化方案完成后，可与学校制定课表的教师进行座谈，请他们评价我们的试验方案，并注意倾听教师对方案中那些考虑不周的问题的评述。问题思考 在上面的技术探究中，大家有
10、了哪些创新想法?有可能解决哪些问题?R二、影响系统优化的因素与最优方法(一)系统优化的实例之二假如你是村委会主任，怎样为本村筑通一条致富路系统优化的一般性步骤如下。1.需要进行优化的问题某村，人丁兴旺，资源充足，但不富裕。经分析发现:由于交通闭塞，本地区的资源优势不能输出利用，外地的新技术、新物流也难以输入本村，严重影响了本村脱贫致富。因此，交通闭塞就是本村系统需要进行优化的问题。2.选择合适的优化方法优化的方略与筹谋对于交通闭塞的地区来说，适用于一句话:若要富，先修路。因此，决策修路，以改善本村与外界的交通联系，这是正确的优化方略和优化方法。具体的修路方案如何确定呢?一般需要分两步进行。首先
11、，根据本地区的地理情况,拟定几条修路的路线。然后，权衡当前的需求与将来发展的因素，结合筹集到的人力、物力与财力情况,制订出具体的修路方案。为保证方案切实可行,须做好以下几方面工作。勘测调查本村附近已有公路的方位与距离，预测筑路可能遇到的山、水路障，收集资料和数据。预算根据勘测选定的筑路路线、路长，预算出修筑路基、路面、穿山开洞、修建桥梁等工程需要的:土方量、石方量;筑路器材种类与数量;人力数量;经费。选择合适的筑路方法和计划筑路的方法很多，如从这一端开始，向另一端推进或分段同时推进，再对接或边开通隧道、建桥梁，边修路。不同的方法和计划，需同时投入的人力多少是不一样的，效率也不一样。采用什么方法
12、和计划，要根据本村人力、物力、财力可能到位情况综合考虑后确定。开眼界必要的定量计算 以经费预算为例，它包括:购买器材、设备费用，记为x1;外请工程设计与施工技术人员费用，记为x2;民工费用，记为x3;机动调动费用，记为x4。经费使用，必须符合下列准则和条件 式中,y为经多方筹措所集到的筑路资金总额;x1，x2，x3，x4和y统称为变量;表示求和;J表示优化指标。公式(3-4）为本优化问题性能指标之一，表示各项经费之和趋于某一个最小值;公式(3-5）为本优化问题的约束条件。同样，从筑路工期考虑，也可以根据筑路方法和计划进行类似的定量计算。从筑路后所带来的经济效益考虑，可以根据本村产品与资源输出以
13、及资金、技术、物流输入所收到的经济效益，进行定量估算。综合筑路过程，如能以最小的投入获取最大的经济效益，使该村系统在经济上达到最优，筑路就是最优化决策之一。问题思考 定量计算在系统设计与优化中有什么重要作用?3.验证与实施条件校验逐项校验筑路工程所需要的人力、物力、财力是否具备。仍以工程需用经费为例，通过合理分配经费、节约资源，促使优化指标和约束条件得以满足。实施与调整实施计划的过程，应该是优化的过程。然而，由于某些不确定性因素的出现，如天气情况多变影响施工、某地段自然条件不好需加大投入或改道等，需调整计划与施工,再进入优化进程。可见,优化不是一次性的活动。(二）影响系统优化的因素与最优方法1
14、.影响系统优化的因素影响系统优化的因素是多方面的。首先，优化追求的目标要适度。目标选得低，达不到优化。目标定得太高，脱离实际，实现不了，等于没优化。如修筑致富路，路的级别不能定得太高。其次，实施系统优化，总要有付出，或称投入。希望取得的效果(如经济效益）达到最大，而投入(如经费）最小。两者之比，称为效耗比(即效益耗费)。显然，效耗比越大,就越接近或达到最优化。以修路实例而言，如其效耗比趋于最大，那么，修路就达到最优化。对此，在不同场合有不同提法，如性耗比（即性能耗费)、性价比（即性能价格）等。再次，系统优化是离不开条件的。比如，修筑致富路，实测中必须要勘测、调查，准备数据资料,使修出的路符合技
15、术规范;要预算、校验,是为了准备修路所需的人力、物力、财力等资源条件，条件欠缺的，要再创造条件。条件是否具备直接影响优化。最后，还应注意的是，某些不确定性的或不可预见的因素也会影响系统优化。因此，在优化实施过程中，要及时调整计划与方法，回到优化之路。技术实践教室供电线路的改进 背景特征:这是多年前建造的教室。现在，该教室内的用电设施有三个部分，即室内照明用的有3组，共6个日光灯;照亮黑板用的有1组，共2个射灯;教学备用（投影仪、教学实验设备等）的电源插座（从照明灯座上引出)1个。这些用电设施，全通过墙上的一个供电开关操作,或全供电，或全不供电。实践目的:改进供电线路，达到用电灵活、方便和节电的
16、目的。做法与要求:(1)根据“背景特征”所提供的材料，找出原供电线路需要改进的问题。(2）提出改进方案，画出改进后的供电线路原理图，给出相应的技术说明。(3）讨论改进方案，看它是如何达到改进、优化目的的。(4）按照改进方案，做出简要预算。包括:需要新增配的电气元器件和器材的种类、规格、数量，需要的经费等。(5）假定你提出的改进方案被通过，请你给出具体实施的方法和步骤。(6）对改进、优化所做的工作和效果进行总结和评价。2.最优化方法为了使系统达到最优化的目标所提出的各种解决方法，称为最优化方法。最优化方法是系统学中的一个重要方法。它通常是指在一定人力、物力和财力资源的条件下,使取得的效果（如生产
17、产值、利润、效益等)达到最大,而投入（如能源、资金、人力、时间等)降到最小的一种方法。3.最优化的一般步骤(1）提出需要最优化的问题，收集有关资料和数据。(2）确定变量，建立定量计算方程（有关数学模型）和有关约束条件。(3）选择合适的最优化方法。(4)解方程，校验解的最优性。(5）实施。创客坊权衡与决策 权衡是理念。掌握和运用好权衡，是正确决策的重要保证。(1）回顾前面，有多处提及权衡与决策，你注意到了没有?(2）对于权衡与决策，你有什么体验和感悟?举出实例，升华一下认识。4.关于定量计算前面的两个实例（改善噪声污染与本村系统优化）表明:最优化少不了定量计算。同样，在赛龙舟系统中，龙舟必须经过最优化设计，包括龙舟体形、材料、承重限额等方面,必须经过定量分析和校验（如仿真和试验)
