优化设计的基本知识

1996年8月5日光明日报发表了“二十一世纪初各学科将重排座次”的专题文章，专家们指出：二十一世纪科学发展的趋势，将是各门科学不断交叉，加速综合；社会科学与自然科学进一步结合并定量化；科学理论将高度数学化，这在很大程度上决定了受教育者未来向高水平和高层次发展的可能性。

21世纪现代设计的特点：a)现代设计把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，力求系统整体最优。b)现代设计法具有创造性。强调创造能力开发和充分发挥人员的创造性，重视原理方案的设计、开发和创新产品。c)现代设计具有综合性。在设计的过程中，综合运用优化设计、系统工程、可靠性理论、价值工程、计算机技术等学科知识，探索多种解决设计问题的科学途径。

系统设计法简介

一、系统的实用性定义

所谓系统，可以定义为：处于一定相互联系中的、与环境发生关系的各组成部分的总体。是由若干个相互区别、相互联系、相互作用的要素所组成，它处于一定的环境之中，是为实现整体目的而存在的有机结合体。

系统具有如下八大特征：（1）集合性；（2）相关性；（3）目的性；（4）整体性；（5）环境适应性；（6）层次性；（7）综合性；（8）动态平衡性。

从系统论的观点出发，可以认为城市和建筑、公路、桥梁、隧道等均是世界上存在的无数系统之中的特殊“社会—经济—自然”复合生态系统。

二、系统设计法的基本方法和步骤

系统设计法是根据系统的概念、构成和性质，把所研究的对象当作系统进行充分了解和分析，对分析的结果加以综合后所产生的就是系统设计，然后在对这个系统进行评价，这样反复进行，直到能有效地实现预定的目的为止。

所谓分析，就是研究为使对象的目的和其它要求能够最好地实现，对系统的构成和行动的最优方式进行探讨，动用各种分析方法对对象的要求和功能进行分析，从而明确系统的特性，取得为构成系统所需要的信息。在分析中，将每次分析结果同制定的评价标准作比较，也考虑环境等约束条件，达不到满意程度就重复分析过程。如果分析结果经过评价后认为合适，就转入综合。

所谓综合，是根据分析结果明确的特定解和评价结果，决定事物的构成和行动方式，作出系统的设计。这时，应尽可能作出若干个系统设计的供选方案，而后对各方案按评价标准从不同观点和角度反复进行综合评价，从而选出最优的设计。这种反复过程是一种反馈过程。

系统设计法一般程序分成三步：

1.系统分析；

2.系统设计；

3.系统综合评价。它的整个过程是把系统要求说明书作为输入，把系统设计作为输出。

三．系统分析

1.系统分析的概念与意义：

系统分析是一个有目的、有步骤的探索与分析过程。在这个过程中，系统分析人员从系统的长远和总体最优出发，在选定系统目标与准则的基础上，分析构成系统的各层次子系统的功能及其相互关系，以及系统同环境的相互影响；然后在调查研究、收集资料和系统思维推理的基础上，产生对系统的输入、输出及转换过程的种种设想，探索若干可能互相替代的系统组建方案；再通过建立模型或用模拟方法，进行计算或分析对比各个不同方案，并研究探讨它们可能产生的效果；最后，综合技术经济、组织管理、方针政策、信息交换等各方面因素，以寻求对系统整体效益最优和有限资源配备最优的方案，为决策者提供选取方案的科学依据和信息。因此，对系统分析的概念可以描述为：从系统的观点出发，对事物进行分析或综合，找出各种可行方案，以供决策者进行理想的选择。

可见，系统分析的目的是为了设计最合理的最优系统，按照系统要求说明书运用各种分析方法来分析对象，通过研究探讨满足要求的各种条件，为设计系统而搜集必要的尽可能足够的信息。它的最终目的是提供决策者以决策的资料和信息，以作出正确决策。

2.系统分析的特点：

（1）整体性；（2）以寻求解决特定问题的最优策略为重点；（3）运用定量的和其它的科学方法；（4）凭借价值判断。

3．系统分析的要素：

（1）明确期望达到的目标，这是系统目的的具体化。经分析后确定的目标，应是必要的、有根据的、可行的。这是建立系统的根据，也是系统分析的出发点。

（2）替代方案。这是达到系统目标的若干种方案，以供比较和选择。

（3）指标。这是对替代方案进行分析的出发点，是衡量系统总体目标的具体标志。

分析的指标包括有关性能、费用与效益、时间等方面的内容：性能是技术论证

的主要方面，费用与效益是经济论证的标志；时间是一种价值因素，进度或周

期是其具体表现。为达到一定的系统目标，几种可能采取的方案将耗用不同数

量的资源（人、财、物），并将产生不同的效益，而需要的时间也是不同的。不

同指标的分析对比，是决定方案取舍的标志。

（4）模型。这是根据系统的目标要求，用若干参数或因素体现出对系统本质方面的描述。它以分析的客观性、推理的一贯性和可能有限的定量化为基础，使用模

型进行分析，是系统分析的基本方法。通过模型可以预测出各替代方案性能、

费用与效益、时间等指标的情况，以利于方案的分析与比较。模型的优化与评

价，是方案论证的判断依据。

（5）准则。这是评价方案优劣的标准。根据这个标准对方案指标进行综合评价，最后可按不同准则排出各方案的优先顺序。评价标准可能包括：费用效益比、性

能周期比、费用周期比等。

4.系统方案选优决策原则：

有了不同标准下的方案优先顺序之后，决策者还要根据分析结果的不同侧面、个人

的经验判断、以及各种决策原则，进行综合的总体的考虑，最后作出选优决策。决

策的原则包括：（1）当前与长远利益相结合。（2）局部与整体效益相结合。（3）内

部与外部条件相结合。（4）定量与定性相结合。

5.系统分析的步骤：

（1）总体分析。这一步主要是确定系统的总目标及客观条件的限制。

（2）任务与要求的分析：为实现总目标需要完成哪些任务以及满足哪些要求。

（3）功能分析：根据任务与要求，对整体系统各子系统的功能和相互关系进行分析。

（4）指标分配：在功能分析的基础上确定对各子系统的要求及指标分配。