第四章 系统分析案例要点

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2、搜集资料
要作定量分析，必须搜集有关计量指标。调研后知：
每摧毁一个目标需导弹2枚或炸弹6枚； 每发武器的命中概率为：导弹70％，炸弹30％； 飞机每架次升空飞行时间2小时，每小时飞行成本800美 元； 每枚武器的成本：导弹为6500＋500 ＝7000美元（购置 费＋存储费） 炸弹为 0 ＋100 ＝100 美元； 每架飞机成本240万美元，加装导弹和炸弹后分别为270 万美元和242.5万美元； 飞机的载弹量分别为导弹6枚、炸弹10枚； 飞机被击毁的概率为1％每飞行小时。
＝每架飞机成本×摧毁一个目标的飞行时间×每飞行小时的飞机损毁率
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使用两个方案分别摧毁一个目标的成本计算如下表所示：
单位：美元
方案 成本 方案Ⅰ（安装导弹）
(6500+500)×2=14000
800×2×(2/6) ＝533 2700000×2/(6/2)× 0.01＝ 18000 14000+533+18000＝32533
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2、制定目标 供水委员会最初为整个工程制定的目标只有一个， 即在供水网络终端的水压要求达到 40 磅 / 英寸 2 。显然这 样衡量整个系统的质量是不充分的，因为城市用水的部 门是多样的：1/4的水量是家庭用水，而大部分是工业用 水，剩下的少数水量主要用于消防、城市卫生、绿化等。 不同用户对供水系统的质量要求也不同。饮用的水要求 卫生、色味俱佳；工业用水要求保证供水量，并且要求 化学腐蚀作用小；消防则要求水源可靠，保证随时都有 水。作为市政当局来说，当然要关心各方面用户是否都 能充分满足。
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5、结论
每摧毁一个目标，安装导弹方案的成本虽然 高出1873美元，但有如下三项好处：
1) 减少地面部队的伤亡； 2) 增加摧毁目标的潜力； 3) 降低飞机损失。 故建议安装喇叭狗式导弹。
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二、阿拉斯加原油输送方案的SA 如何从美国第49州阿拉斯加东北部的普拉德 霍湾向美本土输油的问题。 1. 任务与环境 每天送200万桶。 油田处北极圈内，常年冰封，最低温度-50oC。
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5、方案的评审 麻省理工学院设计了一个 ICES( 即综合土木 工程系统)模型，对250个方案都进行了评审。评 审时进行了费用 - 效果分析，把能满足各目标的 设计方案都标在坐标图中，从而形成一个可行设 计区，其中最上面的一条轨迹线（ A ）表示每种 投资水平所能获得的最佳性能，这就是费用—效 果函数。有了这个函数后就能考虑和选择最优的 设计方案，即以最少费用去满足所有目标要求。
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二、系统分析的方法
1、制定分析步骤 本项分析把整个过程分为五个阶段： (1) 制定目标和评价准则； (2) 制定衡量工程效果的准则和量化的指标，从而能够 衡量工程达到原定目标的程度； (3) 开发各种类型的方案，并且使用模型和计算机模拟 分别对每一类型方案中的各个方案进行周密的分析； (4) 运用衡量工程效果的准则，评价每个方案的成就； (5) 在对每个方案的各种成就进行评价之后，最终选出 最佳的实施方案。
方案Ⅳ 油气混合一管两送
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三、纽约市供水网扩建工程的系统分析
20世纪60年代末，美国纽约市负责全市供水 的供水委员会花费了几十万美元拟订了一个扩建 供水网的工程设计计划。全部计划预计耗资10亿 美元，分五个阶段执行，全部竣工后，可满足随 后40年该市人口增加25%时的用水需要。 该计划 遭到了市预算当局的反对，认为扩建供水网是多 余的。双方在相持不下的情况下，请麻省理工学 院的系统分析人员对该工程进行系统分析。
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2. 开发方案
方案竞争的第一阶段开发两个方案：
方案Ⅰ：油船运。每天只需4－5艘，但要破冰船引航，起点和 终点需建大油库；不安全、费用大、无保证。 方案Ⅱ：用带加温S的油管输。可用成熟的管道输油技术，但 沿途设站无人愿干，为防管道断裂必须用底架支撑和 作保温处理，成本提高3倍。 为保安全和稳定，淘汰方案Ⅰ，保留方案Ⅱ，继续拨款 鼓励竞争出新方案。
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一、问题的提出 纽约供水系统扩建的设计问题，是由供水 委员会最初提出的。该委员会认为纽约市必须 增强全市的供水能力，主要理由如下： (1)今后40年，城市居民将逐年增加； (2) 现有的供水系统必须广泛地检修。
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1、最初的设计方案 供水委员会的最初设计方案是增设 50 英里长的直径为 28英寸的水管。 1967年估算需要投资 10 亿美元，分五个阶 段进行。第一段阶投资 3.23 亿美元，主要是铺设最大的水 管。所有的水管都要在坚硬的岩石中铺设，所以工程艰巨， 投资浩大，是纽约市最大的土木工程项目之一。最初设计 方案提出了如下的设计规定： (1) 只考虑一个供水网的地理几何布局； (2) 只使用一个评审准则，即第一级网络终端的自来水 压力必须达到40磅/英寸2； (3) 工程的预计使用期限为40年，即能满足公元2010年 时的用水需要； (4) 整个网络只依靠重力把水压送到各终端。
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最后制定的目标包括如下内容： (1) 系统的总性能； (2) 市区用水的方便程度； (3) 供水的可靠性； (4) 基建和保持运行的总费用。
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3、制定衡量效果的准则 作为估算，可采用供水压力来评价供水系统的性能。由 于静压能用来测量水的能量，所以它可转换成速度。从力学 观点说，可以用此来表示供水的质量。系统的总性能即是以 供水网络中各主要点上的压力的平均值，乘以加权因子 ( 即 每个点上所需的水量)，具体地说，这个指标即是
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麻省理工学院的系统分析师对这个扩建工程进行系 统分析，主要工作有:提出评价准则，建立系统模型，探 索各种可行方案，选出最优的设计和实施方案。 2、部门间的互相制约 在实践过程中，很难实施技术上的最优方案，因为 这样一些方案往往会遭到有关部门的反对，所以最后实 施的往往只是一些为各有关部门均能接受的折衷方案 (或 满意方案)。另一个制约系统分析工作的因素是，该项计 划的资金来源是否容易。供水委员会可以采用发行债券 的办法，比较容易取得资金。因此，它在开始设计时并 不进行系统分析，一心想搞一个大工程，以便树碑立传。
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从这个折衷方案可以看出如下问题： 首先，整个系统线路布局没有更改，这是为了照顾 供水委员会的威信，该委员会为了保持其威望绝不会从 原定的布局后退一步的。然而该委员会认为，为了节约 费用，可以对原设计作些更改，但这并不意味着在技术 或工程上出了什么问题。当然，纽约市的预算当局是欢 迎削减规模、节约费用的。由此可见，经过折衷后产生 的设计方案，其系统的最优化并不是占主导地位的。 其次，本系统分析的任务，如同其它系统分析一样， 只是澄清问题，指出原设计中值得更改之处。系统分析 只是提供所需用的炮弹，最后这些炮弹能否发挥作用， 除了取决于系统分析的质量外，往往还受许多因素的制 约和影响。因此，用系统分析后所取得的实际成果来评 价系统分析本身的工作价值是不合适的。
系统分析综合案例
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一、美军F－10B飞机武器选型的SA
1、明确问题和确定目标
1) 要为8个中队（24×8＝192架）F－10B飞机增加 武装，条件是只可在喇叭狗式导弹和500磅炸弹中 选其一（可行方案不再开发）。 2) 空军、陆军主张不一，相持不下，领导者难于决 策，只好请SA机构提供定量可靠的依据辅助领导 者决策，解决空军、陆军的矛盾。
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关于总投资和总性能 使用计算机计算后获得的第一个结果是总投资 可以节约 30% ，其措施是缩小原定的扩建计划，而 性能并没有什么重大改变。分析证明，投资大量减 少后还能使设计有效。分析同时表明存在着两种构 型，并且第二种构型更好。第二种构型是有备用水 管，它能弥补压力的损失，从而改进了整个系统的 性能。对供水系统的可靠性进行探讨后也证实，铺 设一定规模的备用水管是必要的，否则全市的用水 将受到很大威胁，因为现有的水管正在不断损坏。 这同时说明供水委员会提出急需扩建供水系统是完 全正确的。对各方案进行各种敏感性分析。从管路 布局的敏感性分析中得出，不同物理构型的能量损 失是不同的，因此，最有效的结构应是能够减少压 降、提高供水系统性能的方案。
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关于使用周期的确定问题
最经济的设计使用期为 20 ～25年，仅为原计 划的一半，从而也证明削减设计规模的正确性。 使用期定为 20 年，并不是说 40年的使用期是不必 要的，只是说明 40年的计划应该分两步走更为经 济。分两期的做法比较灵活，中途还可以允许设 计师调整他的计划。
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关于使用水泵加压的方案 分析表明，使用水泵可以进一步减少投资。 供水系统的基本作业要求是，设计的最高负荷应 高于平均负荷的 20% ～ 30% ，但高峰用水时间是很 短的，本例设计高峰日中的高峰小时的发生概率 仅为 0.001 ，因此，最高负荷能力在 99.9% 的时间 内是无用的。但是长期使用一个小规模的效率不 高的供水系统也是不经济的，因此。必须在作业 费用和固定投资之间作最佳的平衡。此外，从费 用与管径的关系可知，降低原设计的管径可以降 低总费用，采用原设计管径的 4/5，可节约总投资 30%。
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三、实施
如预期的那样，最后选定执行的是一个折衷的方案， 其主要内容如下： （1）供水系统的整个布局沿用了最初的设计方案； （2）同最初设计一样，没有采用水泵； （3）工程规模仅为原设计的 3/5，水管直径降为原设计 的4/5，即由26 ～28 英寸降至 20～22 英寸，仅这一项更改 就节约 1 亿美元，第一期工程的总投资由 3.23 亿美元降至 2.23亿美元。
方案Ⅱ（安装炸弹）
(0+100)×6＝600
800×2×(6/10)＝960 2450000×2/(10/6)× 0.01 ＝ 29100 600+960+29100＝30660
武器成本C0
投射成本Cd 损毁成本Ca 总成本
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4、综合评价（判断）
1) 2) 3) 单从成本考虑，每摧毁一个目标方案Ⅰ成本高出1873美元； 使用方案Ⅰ，精确度高，可减少陆军伤亡； 使用方案Ⅰ，飞机摧毁目标多。以飞机完好率80％计算，每 机每天飞行一架次，则3天可摧毁目标数为： 方案Ⅰ (6/2)×3×192×80% = 1382 (个) 方案Ⅱ (10/6)×3×192×80% = 783 (个) 方案Ⅱ仅为方案Ⅰ的56.6% 使用方案Ⅰ 后，飞机的飞行高度提高，敌方防空武器的火力 命中率降低，可指望飞机被击落的概率降低。
有了总性能之后，还需要有衡量局部效果的准则。有时 为了取得所需的总性能，往往需要牺牲某些局部的性能，本 例的局部性能就是网络终端的性能。供水系统的可靠性是指 当三个主管道中的一个发生故障必须关闭时，系统的性能将 受到什么影响。
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4、制定方案 在研究了许多类型方案以后，选定了三类。它们是： (1) 关于系统的物理构型，包括管路布局、管道长 度、管道直径及 基建费用等； (2) 关于使用周期的划分，即确定整个供水系统能 满足多少年后的用水需求量； (3) 是采用水泵加压还是采用加大水管的办法来改进 供水系统的性能。
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3、建立模型（进行定量分析）
先应将目标具体化为准则，以便明确评价方案优劣的标准。
“用经济有效的手段摧毁目标”——即需要计算各个方案摧毁一个目标 的成本是多少？ 摧毁一个目标的总成本C＝武器成本C0＋投射成本Cd＋损耗成本Ca 其中： C0 ＝每枚武器的成本×摧毁一个目标的武器数量； 摧毁一个目标的武器数量 Cd ＝每小时飞行成本×每架次的平均飞行时间× 每架次的载弹量 每架次平均飞行时间 Ca＝每架飞机成本 × 每架载弹量 / 摧毁一个目标的武器数量 ×每飞行小时的飞机损毁率
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序号
方案内容
方案特点
运输费用大，既不安全、又不可靠 油管架设成本高出三倍，沿途设加 温站难度大 方案可行，但输送了无用的海水并 增加分离工艺流程 既输油又送气，成本低、安全、可 靠，仅管道费就节约60亿美元
备注
淘汰 淘汰 淘汰 中选
方案Ⅰ 油船运输 方案Ⅱ 带加温S的油管输送
原油掺海水后 方案Ⅲ 用常规油管送
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方案Ⅲ：把含10％－20％氯化钠的海水加到原油中去，提 高低温下原油流动性，用普通油管即可输送，取 得专利。
方案Ⅳ：由麻省理工SA所的两人提出油气混输（将天然气 转换为甲醇后加到原油中去，降低溶点，提高流 动性），从而用一管既输油又送气，不仅不需输 送20％的无用海水，还可省掉海水分离工艺流程， 节省一条送气管道（60亿），比方案Ⅲ省了一半。