1、第三章系统及其设计教材p61-p70日常生活中,人们常提及“某系统”，如水利工程系统、塑料棚室生态环境系统、智能化大楼管理系统、北斗卫星导航系统、人体生理系统.太阳系星体系统等。可仔细想想,好多系统似乎一时看不清、摸不透，有种神秘的感觉。那么，究竟什么是系统?系统有什么特性?怎样设计系统呢?学前沙龙为学校运动会赛事系统做设计 我国的学校、团体、机关乃至农村，大多数会定期举办体育运动会。运动会已成为一种特色文化，受到人民群众的普遍欢迎。运动会项目丰富，比赛精彩纷呈，健儿们雄姿勃发，啦啦队与观众群情激昂。“发展体育运动，增强人民体质”深入人心。运动会赛事系统，只是整个运动会的子系统。赛事的进程，犹
2、如各军兵种协同作战，需要合理安排。学校决定，下一届的运动会赛事系统由我们班来设计。如何做好这个设计呢?要做好学校运动会赛事系统设计，首先要学会系统基本特性分析、系统优化、系统设计方法等基础知识和基本技能。我们将努力做好学校运动会赛事系统设计,包括方案设计、论证分析、评价与优化，为学校开好下一届的运动会贡献我们的聪明才智。第一节揭开系统的面纱问题思考 学校运动会的组织实施一般由检录组、裁判组、田赛组、径赛组、宣传组、保卫组等共同完成。能够把这些组看成是运动会的子系统吗?你校运动会系统由哪些子系统组成?一、系统实例实例1都江堰水利工程系统都江堰水利工程系统是在岷江的都江堰市段北部建造的引水工程,用
3、于灌溉成都平原。该工程系统由鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口三大工程子系统组成，如图3-1所示。鱼嘴，是江中建造的分水堤（金刚堤)最前端（迎着上游江水)的部分,因形如鱼嘴而得名,如图3-2所示。它将眠江一分为二，形成两江:东侧河道为内江,主灌溉西侧河道为外江，主排洪驱沙。鱼嘴,按四六比例自动分水流，按二八比例自动分沙流。每年的枯水期时，组织人工对内江淘挖，使之比外江河床低,使得枯水期江水不流入外江而流人内江，保证枯水期灌溉之需。丰水季节，江水的表层（清水）会抢进内江,江水的底层（带有泥沙的浊水）就流入外江，在很大程度上解决了泥沙淤塞内江的问题。飞沙堰，位于金刚堤尾后,看似一段凹槽滩地，如图3-3所示。所谓
4、堰，和堤的共同点是都会拦水,区别在于堤必不让水漫过，面堰既可拦水又能让大水流漫过。飞沙堰具有泄洪排沙功能，即遇洪水情况时,多余的水自行由此溢出;同时，巧妙利用离心力作用将江水挟带来的泥、沙、石块抛入外江,谓之“飞沙”,确保内江畅通。可见,飞沙堰是确保成都平原不受水灾的关键所在。宝瓶口，形似瓶口而功能奇特,故名“宝瓶口”，古时又称为“金灌口”，是内江水进入灌区的咽喉,如图3-4所示。宝瓶口有三大作用:一是引水人下游灌区,作灌溉、航运、城市生活用。二是限制过量洪水流人灌区，洪水季节，宝瓶口犹如瓶口一样，严格控制着江水进人成都平原的流量，当宝瓶口的进水量饱和后，无论岷江发生多大的洪水，宝瓶口也将其拒
5、之“口”外。洪水不能一涌而入，在宝瓶口前产生壅水现象，使过量洪水漩回飞沙堰和人字堤堰口（即人字堰）而泄入外江，对飞沙堰和人字堤堰口的泄洪发挥作用。三是排沙，内江水流量超过1000 m3/s时，离堆前的壅水现象使内江以下的底流流速显著降低，大量沙石不能继续前行，大部分由飞沙堰排出，一部分沉积在河道内，待“淘挖”时清除。总之，鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三者有机结合，协调运行，科学地解决了江水自动分流、自动排沙、控制灌区的进水量等问题，达到消除水患、控灌天府的目的。开眼界都江堰水利工程 都江堰为战国末期蜀郡郡守李冰率众创建的大型水利工程，至今仍旧运转不辍。经历代的治理和完善，都江堰已由最初以防洪、航运和灌
6、溉为主要功能的古代水利工程，演变为现在具有更完备的分流、排沙、泄洪、灌溉和工业用水等功能的综合性水利工程，使原来旱涝无常的成都平原变咸天府之国。都江堰水利工程被誉为“世界水利文化的鼻祖”“活的水利博物馆”。作为现今世界上年代最久、唯一留存并造福人类的大型古代水利工程，都江堰水利工程在世界科学技术史上独树一帜，显示了中华民族的伟大智慧和创造力。德国地理学家李希霍芬(Richthofen）曾称赞“都江堰灌溉方法之完善，世界各地无与伦比”。2000年，都江堰与邻近的青城山一起被联合国教科文组织列入世界遗产名录，被世界遗产委员会评价为:都江堰是全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大
7、水利工程，至今仍发挥重要作用。李冰治水，利在千秋。都江堰不愧为闻名世界的伟大杰作，造福人民的伟大水利工程。实例2塑料大棚温室生态环境系统1.棚室作物生长环境你见过大棚温室吗?你了解它所蕴含的技术吗?大棚温室采用了多种技术，人工营造出适于作物生长的小环境，避免了极端天气对棚内作物的危害。将光照、温度、土壤、气体等条件的综合,称为棚室作物生长生态环境。大棚温室内,作物生机勃勃,一片盎然,如图3-5所示。2.棚室生态环境系统的组成棚室生态环境,需要由一些调节设备来营造。这些设备各具特定功能，它们相互配合，共同营造出作物正常生长的生态环境。作物生长的生态环境，又称为环境系统。有时，将上述那些设备的组合
8、也称为系统。实际上，它们是环境系统下面的小系统，称为环境系统的子系统。可见，系统有大有小，一个大系统可以包含若干个小系统。棚室生态环境系统的组成如图3-6所示。由图3-6可见，棚室生态环境系统由加温采暖系统等6个部分组成。其中，加温采暖系统等6个部分，相对于整个环境系统而言，都是小的系统，即环境生态系统包含了6个子系统。加温采暖系统等6个子系统相互区别,或加温，或通风，或灌溉又相互依存，相互配合，既能保持合适的温度，又能恰当通风、灌溉共同构成满足需求的棚室生态环境。在棚室所处的外部条件变化时，环境系统（人工)营造出合适的内部环境，以满足作物生长的需要（目的)。总之，棚室环境系统是由相互依存的若
9、干部分(6个子系统）组成的，是具有特定功能的有机整体。实例3智能化大楼管理系统智能化大楼是现代建筑与高新技术相结合的产物，是将结构、系统、服务、管理4个基本要素进行优化组合的建筑,也称为智能建筑，为人们提供幽雅舒适、便利快捷、高度安全的工作、学习与生活环境。北京的学院国际大厦,是5A智能大楼,也是一座人性化的新时代大楼(图3-7)。1.智能化大楼管理系统的组成智能化大楼管理系统可由5A组成，如图3-8所示，也有由3A组成的，如图3-9所示。BAS.OAS.CAS又分别由它们所属的下层系统组成。以BAS为例,它由中央管理站、各种控制器、各类传感器、执行机构组成。BAS的主要组成如图3-10所示。
10、图3-10中，610的下层没有再画出。由图3-8至图3-10可见，智能化大楼管理系统是由相互依存的若干子系统(5A或3A)组成，每个子系统又分别由它们所属的下层系统或装置组成;各层系统的最后一层，分别由各计算机、各种控制器、各类传感器、各执行机构组成;各子系统间结合成有机整体，实现安全、舒适和便捷的服务功能。由上可知:智能化大楼管理系统具有层次关系，即系统可以分解为子系统，子系统又可以层层往下分解，得到下一级子系统最后的层次称为元素。显然，元素是实现系统功能的最小单元。2.智能化住宅小区系统的组成在智能化写字楼实现之后，逐步扩展到智能化住宅上。智能化住宅小区是现代住宅建设的发展趋势。智能化住宅
11、小区“3A”系统的组成如图3-11所示。图3-11所示的系统，同样可层层分解，直到元素。以SAS下属各系统为例，红外线防盗探测器、烟传感器与温度传感器、煤气泄漏报警器、监控摄像机、签到器、保安对讲机等，均为系统的元素图中未画出)阅读材料北斗卫星导航系统 北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中国自行研制的自主发展、独立运行的卫星导航系统，其建设目标是:独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆益全球。北斗卫星导航系统的组成如图3-12所示。BDS是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后，第三个成
12、熟的卫星导航系统。BDS建成后可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务。其定位精度为10m,测速精度为0.2 m/s,授时精度为10ns(纳秒)。BDS是由多个子系统组成的有机整体，各子系统之间相互关联，相互依存。该系统具有明确的目的和目标，具有强大的功能和先进的技术性能，具有良好的太空适存性。BDS是中国科技人的骄傲，是中华民族的骄做!开眼界人体生理系统 人体生理系统，简称人体系统，它不同于上述的几个系统实例，属于高级的自然系统。1.人体系统的组成 人体是高级、精密系统。在当今技术世界中，人体系统具有重要启示作用。人体系统由运动系统等多个系统和感觉器官
13、共同组成;而每个系统又分别由若干部分组成，如人体的运动系统由骨、关节、肌肉等部分组成。组成人体的每个系统，各具相应的功能，它们之间相互作用、相互依赖。2.人体系统构成的层次关系人体系统的构成具有层次关系，即人体可以分解为若干个子系统，而每个子系统又可以层层分解。(1)系统与子系统。一个较大的系统(如人体系统),可以由若干个子系统(如运动系统等)构成。同理，子系统还可以由若干个其他子系统或元素构成。(2)子系统与子系统。子系统与子系统之间，是相互区别、相互作用和相互依赖的。人体运动系统的高级活动，像语言、书写等，都是在神经系统的支配下，由肌肉收缩实现的。运动系统的简单运动，也是在神经系统的支配下
14、，一些肌肉收缩，另一些肌肉则予以协调配合，甚至有些处于对抗地位的肌肉，此时则适度放松紧张度，使得动作平稳、准确，起到相辅相成的作用。可见，人体是一个多么高级的系统。再先进的机器人，它的运动系统和神经系统之间的相互配合程度，也远不及真人!(3)子系统与元素。子系统也可层层分解。在人体系统中，如果将骨、肌肉、心脏、肺、胃、肠等看成是分解的最后层次和最小单元，那么它们就是完成人体系统功能的诸元素。3.人体是复杂而优化组合的系统 从上面的分析可知:人体是高级系统，高于任何其他系统，是复杂而优化组合的系统。许许多多的仿生系统，都是从人体系统中激发出的灵感、获取的启示，这是当今技术迅速发展的一个重要特点。
15、你能列举出一些仿生系统的实例吗?人体系统的某些奥秘，至今还鲜为人知，正等着大家去探究、去揭示!二、系统的含义与分类(一）系统的含义前文述及的三个实例都是实际系统，人体也是系统。从浩瀚的银河系到原子，它们都是系统。系统是由相互依存的若干个部分组成的、具有特定功能的有机整体。或者说，系统是由相互依存、相互作用的若干个元素构成的,并完成特定功能的统一体。（二）系统的分类系统不仅有大有小，而且其结构、功能、行为和环境也不尽相同，系统可按不同的标准和需要分类:1.自然系统和人造系统由自然力而非人力所形成的系统,称为自然系统，如人体系统等。由人工建造、加工而构成的系统，称为人造系统，也称为人工系统，如人造
16、地球卫星、桥梁（不包括天生桥)、房舍等。它们的基本元素（如零件）和整体多是人类文明与科技进步的产物。由自然系统与人造系统复合而成的系统，称为复合系统，如城市系统、村落系统等。2.实体系统和抽象系统由看得见、摸得着的具体实体为元素所构成的系统，称为实体系统，也称为硬系统。如机器中的传动系统、棚室中的采暖加温系统等。由一些概念、原理、方法、制度、程序等元素所构成的系统，称为抽象系统，也称为概念系统、软系统，如班主任老师为我们全面发展成才制定的培养规划系统、智力竞赛软件系统等。3.静态系统和动态系统按系统的状态与时间的关系，可以分为静态系统和动态系统。系统的结构和状态，不随时间的推移延续而变化,称为
17、静态系统，如棚室环境系统等。根据物质运动的普遍规律，决定了系统的结构和状态具有产生、变化与发展、消亡过程的,称为动态系统,如城市系统、生态系统等。绝大多数系统属动态系统。静态系统是有条件的、暂时（阶段性)的和相对的。4.开放系统和封闭系统客观上，系统总要存在于环境之中，互相进行物质、能量和信息的交换。与环境相互发生联系、交换的系统，称为开放系统。绝大多数的系统，都属于开放系统，如人体系统，它需要从外界摄取食物、氧气和水，又要向外界排出废物。不与环境发生联系的系统，称为封闭系统。例如，停建或缓建的工程，可以看作是暂时的封闭系统密闭容器中的化学反应，在一定初始条件下，各反应物在容器中经反应达到一个
18、平衡态,这也是一个到闭系统。系统与环境之间不断地、广泛地交换，不断地输入、输出，系统才会更具有生命力。绝对的封闭系统是少见的。开眼界系统的其他分类方法1.简单系统与复杂系统 简单系统是指组成系统的子系统或元素的数量很少，因而它们之间的关系也比较简单，或者尽管子系统数量多或巨大，但它们之间的关联关系比较简单。按照子系统的数量级，简单系统还可分为小系统（子系统数量为几个、十几个),大系统(子系统数量为几十个、上百个）和简单巨系统（子系统数量成千上万、上百亿、万亿等)。复杂系统的最主要的特征是具有众多的状态变量，反馈结构复杂，输入与输出呈现非线性特征，或者说是高阶次、多回路、非线性的。如果复杂系统中
19、的子系统数量极大，种类很多，它们之间的相互关系叉很复杂，则称为复杂巨系统。尽管这类系统具有客观的确定规律，但子系统的差别造成了规律的多样化。如人体系统、地理系统、城市系统等都是复杂巨系统。目前对复杂巨系统的研究还处于探索阶段,方法还不成熟。2黑色系统、白色系统与灰色系统 信息完全明确的系统称为白色系统，信息完全不明确的系统称为黑色系统，信息部分明确、部分未知的系统称为灰色系统。如果把学校看作一个系统，显然学校内的教工、学生、固定资产等信息完全明确，即为白色系统。相反，遥远的星球，也可看作一个系统，虽然知道其存在，但体积多大、质量多少、距地球多远等信息完全不知道,就像是一个“黑洞”,这类系统即为黑色系统。一个城市系统，如对其经济发展、交通规划及与环境保护之间的相互关系等尚未完全搞清，则为灰色系统。
