《环境系统分析概论》PPT课件.ppt

第一章 环境系统分析概论,第一节 系统及其特征 第二节 系统的结构化 第三节 系统分析 第四节 环境系统分析,引言,系统的由来：人类长期的社会实践而来的。,1.1系统的定义与分类,什么是系统? 系统是由两个或两个以上相互独立又相互制约、执行特定功能的元素组成的有机整体。 系统的特点： 一个系统包含两个或两个以上的元素。 系统元素之间相互独立又相互制约。 各个元素组成一个整体，执行特定的功能。,分类 按系统的成因分类：自然系统、人工系统和复合系统。 其中复合系统是人工系统和自然系统综合而成的系统，环境保护系统基本上都是复合系统。 按系统的时间过程特征分类：动态系统和稳态系统。状态随时间变化的系统称为动态系统，相反为稳态系统。从绝对意义 上，稳态系统是不存在的。环境保护系统属于动态系统。 按系统与周围环境的关系分类：开放系统和封闭系统。,复合系统,开放系统与其周围的环境存在物质、能量和信息的交换，而封闭系统则不存在交换。环境保护系统一般是开放系统。 在解决实际问题时，复合系统、动态系统和开放系统都是比较难以处理的复杂系统，环境保护系统就属于这种复杂的系统，在处理复杂系统时，有两种方法可以选择：采用复杂的技术，力图真实地反应系统的复杂性；或者对系统进行某种程度的简化，采用比较简便的方法反映系统的主要特征。,系统的特征,1.目的性 2.集合性 3.阶层性 4.相关性 5.整体性 6.环境适应性 7复杂性 8.矛盾性,1.2 系统的结构化,一个系统是由多个元素或子系统组成的，它们并不是看上去的那么杂乱无章，而是按照一定的结构程序有序分布的。 结构模型解析是确定复杂系统中大量元素之间相互联系真的技术，通过各种元素之间的因果关系、大小关系和隶属关系的识别，构建复杂系统的分解和多级递阶结构形式。我们可以通过有向图和相关矩阵的有关运算，可以得到可达性矩阵，然后对可达性矩阵进行分解，得到复杂系统条理分明的多级递阶结构形式。,一.有向连接图、相邻矩阵和可达性矩阵 1.有向连接图 如果一个系统有若干个子系统（或元素）构成，每个子系统之间有带有箭头的边表示，这个系统的图形就构成了有向连接图。 2.相邻矩阵 用以表示有向连接图中各个元素之间连接状态的矩阵称为相邻矩阵。 3.可达性矩阵 用矩阵形式来反映有向连接图各元素之间通过一定的路径可以到达的程度。,有向连接图,相邻矩阵,可达性矩阵,二.区域分解,1.3系统分析,基本概念 系统分析的研究对象是复杂的大系统。大系统的特征是在系统中存在着许多互相矛盾的和不确定因素，从长期的工程实践中认识到，要实现系统的优化设计和优化运行，就需要对系统进行全面的、互相关联的和动态的分析，这就是系统分析。,系统分析可以被理解为一个对研究对象进行有目的、有步骤的探索过程，子系统通过分解与综合的反复协调，寻求满足系统目标最佳的方案。 系统分析的最大特点是追求总体目标的最优，为了追求总体的目标最优，有时有必要放弃局部目标或子系统目标最优。 系统分析的总过程 问题识别系统分解系统综合系统协调与评估系统输出,系统分析总体过程,二.系统分析的发展,作为一门学科，系统分析开创于20世纪4050年代，但是系统分析的思想和方法的运用可以追溯到久远的古代。 战国时期（公元250年左右）的都江堰灌溉、防洪系统，就是运用系统分析思想的杰作。都江堰由“鱼嘴”、“飞沙堰”、“宝瓶口”等工程组成。,20世纪30年代，英国科学家在研究军事战略过程中逐步发展起来的“运筹学”可以说是现在系统分析学科的发端。军力的部署、战略物资的储运、借助运筹学可以达到最佳状态，发挥最佳效益。联军在二次大战中也因此而取胜。 20世纪40年代，美国电话电信公司（贝尔）正式启用“系统工程”一词，系统科学在规划、设计、生产和管理的领域得到了飞速的发展。1947年，奥地利生物学家贝塔朗菲全部创建了“普通系统论”。贝塔朗菲认为把孤立的各部分的活动方式简单相加，不能说明高一级水平的活动性质和活动方式。如果了解各组成部分之间存在的全部联系，,那么高一级水平的活动就能够由组成部分推导出来计算机技术的发展由又促进了系统科学的扩张。系统科学的应用已经远远超过了传统科学的观念，进入到解决各种复杂的社会-技术系统和社会-经济系统的优化规则、优化设计、优化控制和优化管理阶段。 系统分析的主要对象是复杂的大系统。系统科学发展起来的大系统分解协调方法和技术为复杂大系统问题的解决提供了基础。,三.系统分析的特征,系统分析的特点 1.研究方法上的整体化 整体化的重要表现是将研究对象和研究过程都看作是一个整体。实际生活中，任何的系统都是由若干个系统组成的，每个子系统都有自己的目标和标准。在系统分析的过程中，这些子系统更重要的是被视为一个整体，每一个子系统都需要服从总系统的目标，每一个子系统的技术都要求首先在实现整体系统技术协调的观点来考虑，对研究过程中子系统与子系统之间或,子系统与总系统之间的矛盾，都要从总体协调的需要来选择方案。简而言之，“追求总体最优”是系统分析的最高境界。 2. 技术应用上的综合化 技术科学致力于综合运用各种学科和技术领域所获得的成果，它们之间的相互配合可以使系统达到整体优化。一个复杂的大系统都是一个综合的技术体系，各个学科技术的综合运用是必不可少的，这是一层含义；为了解决大系统的优化问题，必须能够熟练掌握和灵活运用各种技术。这里所指的技术不仅包括系统的模型化、最优化和大系统分解协调技术，还包括解决各种工程问题的具体技术。,3.管理上的科学化 一个复杂的大规模工程往往存在两个并行的过程，一个是工程技术过程，一个是对工程技术的控制工程。后一个过程包括规划、组织、进度控制、方案分析、比较和决策等，统称为管理。只有先进的、科学的管理，才能充分发挥技术的效能。 4.系统分析的步骤 系统分析除了要求解决研究对象的具体技术问题之外，着重研究和揭示各个要素之间的有机联系，协调系统中各个要素之间的关系，以达到系统总目标最优的目的。这个过程一般包含下述的步骤。,明确问题 主要明确研究对象的范围（包括时间和空间范畴）和性质以及它们与周围环境之间的关系。为了明确问题，需要阅读和熟悉有关研究对象的资料，有必要对现场进行考察。 设立目标 一般来说，目标就是决策者希望达到的理想的境界。一个研究对象有一个总的目标，这个目标可能是单个目标也可能是多个目标。一个目标往往有可以分解成若干个分目标，与系统的结构模型相对应，总目标和分目标一起构成的目标体系。,收集资料 包括收集必要的历史资料和现场实际的调查资料。有两个方面的资料需要着重准备：一是为了建立系统模型所需的系统自身的资料；二是对系统的运行产生约束的系统外部环境资料。资料来源一般是两个方面：从历史或当前的文献档案中摘取收集所需的材料；根据实际与系统需要进行必要的补充调查、监测和试验。 建立模型 利用数学模型对环境状态或决策方案进行模拟，存优舍劣，是系统分析的主要特征。在系统分析中，通常要用到,两类模型：对环境系统进行模拟的模拟模型，会环境保护系统进行决策分析的决策模型。 制订评估标准 评估标准是针对指标体系中的评估指标确定的。某些指标可以建立客观的标准，例如环境质量标准、经济标准和社会发展标准。 综合分析 综合分析的核心是建立解决的方案和替代方案，对方案的性能特征以及环境经济效益进行全面分析、比较，确定,优选的推荐方案是综合分析的主要任务。综合分析中，常用的策略有 若所能支付的费用已经确定，则选择在此费用次啊效益最大的方案。 若效益标准已定，则选择实现既定效益所需费用最低的方案。 若费用和效益都没有既定目标 ，可以选择效益费用比最大的方案； 对于多目标问题，要通过对各个目标的协调分析决定方案的优劣。,五.系统模型化,系统模型化是用数学符号来表达研究对象的各个部分及其联系，表达系统的功能、价值及各个价值之间的关系。在系统分析中对模型有如下要求。 现实性 现实性是指模型能够以一定的精度和准确性反应系统的实际情况。 简洁性 在现实性的基础上，尽量使模型简单明了，以节省模型建立和求解的时间与费用，并且易于推广应用。 适应性 模型对于外部条件的变化应该具有一定的应变能力，可以根据应用环境进行调节。,六.系统最优化,系等统最优化是系统综合最重要的方法和手段之一。系统最优化通常通过最优化模型实现，最优化的方法很多。其中，线性规划、动态规划、非线性规划、网络与图论等最优化技术在环境规划、污染控制过程仿真等领域得到广泛应用。 七.大系统分解协调 所谓大系统，是指规模庞大、结构复杂的各种工程或非工程系统。大系统所关心的目标不是单个的指标，由于系统复杂，大,系统一般都是多目标问题，而且约束条件繁多，直接求解存在很多困难。,八. 系统分析与系统工程,系统工程是合理开发、设计和运行一个系统而采用的思想和方法的总称。从方法学的范畴，系统分析和系统工程属于相同的概念，它们都是力图全面地、发展地和互相联系地分析研究问题。 一件事物或一项工程项目可以分成计划准备、系统分析、系统设计和系统实施等几个阶段，系统分析是最重要的。系统设计是在系统分析提出推荐方案的基础上进行的。,1.4 环境系统分析,一.发展概况 20世纪50年代以后，随着世界各国工业化和城市化的加速，一些经济发达国家相继出现了爆炸性的公害事件。在这种形势下，美国、日本、英国等先进工业国先后建立了国家性的研究机构和管理机构，展开了全国性和区域性的污染防治规划的研究和实施。环境问题的全局性、复杂性和综合性等特点，为系统分析方法的应用提供了广阔的领域，世界上很多著名的环境,防治工程研究和实施都应用了系统分析的方法。1959年1962年，美国在特拉华河口的污染控制规划研究中全面应用了水环境质量模型、决策方案的多目标分析和综合决策方法，可以说是系统分析在环境保护领域应用的开端。,二.环境系统的分类与组成,在研究人和环境这个矛盾统一体中，把由两个或两个以上的与环境及人类活动相关的要素组成的有机整体称环境系统。按照不同的分类方法，可以得到不同类型的环境系统。,生物系统组成,资源-经济-环境系统,三、环境系统分析的任务,当前，由于工业化和城市化带来的环境问题日益凸显，空气污染、水体污染、生态破坏威胁着人类社会的持续发展。现在的环境问题绝对不是局部的、暂时的，而是全局性的、持久性的。 当代环境问题的特点，系统分析在解决这些问题上具有明显的优势。研究环境系统内部各组成部分之间是对立统一的，寻求最佳的环境污染防治体系，建设健康协调的环境生态体系，研究环境保护与经济发展之间的对立统一关系，寻求经济环境协调发展的途径是环境系统分析的两大任务。,活性污泥法污水处理系统,四 .环境系统分析的基础知识,环境系统分析的基础知识主要涵盖环境科学和系统科学两个方面。 环境科学是一门范围广泛的组合学科，所及的科目多，包括环境污染控制的原理和方法，环境质量评价和预测的理论和方法，环境区划与环境规划原理和方法等。,历年本章考点,填空 1.系统按成因分：自然系统、人工系统 和复合系统。 2.系统按状态的时间过程特征分：动态系统、稳态系统。 3.系统分析中对建模的三个要求： 简答题 1.从系统定义归纳出要点？ 2.简述环境分析的主要步骤？,谢谢批评指导！,