2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——系統(tǒng)工程在城市供水治理中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述系統(tǒng)思想的核心內(nèi)涵，并說明其如何指導(dǎo)我們?cè)诜治龀鞘泄┧畣栴}時(shí)進(jìn)行整體性思考。二、城市供水系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。請(qǐng)列舉該系統(tǒng)至少四個(gè)主要的子系統(tǒng)，并簡(jiǎn)述它們之間的主要相互關(guān)系。三、在應(yīng)用系統(tǒng)工程方法解決城市供水問題時(shí)，問題定義和需求分析至關(guān)重要。請(qǐng)闡述進(jìn)行城市供水問題定義的主要步驟，并舉例說明在供水領(lǐng)域中可能需要關(guān)注的關(guān)鍵需求。四、系統(tǒng)建模是系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。請(qǐng)比較概念模型和數(shù)學(xué)模型在城市供水系統(tǒng)分析中的主要區(qū)別、適用場(chǎng)景和局限性。五、城市供水系統(tǒng)的可靠性受多種因素影響。請(qǐng)運(yùn)用系統(tǒng)思維，分析可能導(dǎo)致城市供水系統(tǒng)可靠性下降的內(nèi)部和外部因素，并說明這些因素之間的潛在反饋關(guān)系。六、請(qǐng)簡(jiǎn)述效益成本分析（BCA）在評(píng)價(jià)城市供水項(xiàng)目（如新建水廠、管網(wǎng)改造）中的主要作用和步驟。在應(yīng)用BCA時(shí)，通常需要考慮哪些主要的成本和效益類別？七、管網(wǎng)漏損是城市供水系統(tǒng)普遍面臨的問題。請(qǐng)?zhí)岢鲆环N運(yùn)用系統(tǒng)工程方法（如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化理論等）來診斷和分析管網(wǎng)漏損問題的思路，并簡(jiǎn)要說明該方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。八、系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制對(duì)于保障城市供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。請(qǐng)分別解釋系統(tǒng)集成和系統(tǒng)控制在城市供水背景下的含義，并舉例說明。九、智能水表、傳感器網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的應(yīng)用正在改變城市供水管理的方式。請(qǐng)結(jié)合系統(tǒng)工程的理念，論述這些技術(shù)如何能夠提升城市供水系統(tǒng)的管理水平和應(yīng)對(duì)能力。十、假設(shè)你所在的城市正面臨水源短缺和水質(zhì)下降的雙重壓力，需要制定一項(xiàng)城市供水系統(tǒng)優(yōu)化策略。請(qǐng)運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法論，概述你將如何開展這項(xiàng)工作，包括關(guān)鍵步驟和需要考慮的主要因素。試卷答案一、系統(tǒng)思想的核心內(nèi)涵是將研究對(duì)象視為一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)、相互作用的部分組成的整體。它強(qiáng)調(diào)從整體出發(fā)，重視各組成部分之間的聯(lián)系和相互作用，以及系統(tǒng)與環(huán)境的互動(dòng)。在分析城市供水問題時(shí)，系統(tǒng)思想指導(dǎo)我們不僅要關(guān)注水源、水廠、管網(wǎng)、用戶等單個(gè)環(huán)節(jié)，更要看到它們作為一個(gè)整體如何運(yùn)作；要分析水量、水質(zhì)、成本、服務(wù)、安全等多個(gè)維度；要考慮自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策等外部環(huán)境對(duì)供水系統(tǒng)的影響，從而形成對(duì)城市供水系統(tǒng)全面、綜合的認(rèn)識(shí)。二、城市供水系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)包括：1.水源子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)原水的獲取，如河流、湖泊、地下水等。2.水處理子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)原水凈化，如取水口、沉淀池、過濾池、消毒設(shè)施等。3.輸配水子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)將處理后的水輸送至用戶，如輸水管道、配水管網(wǎng)、水廠、泵站等。4.用戶子系統(tǒng)：水的消費(fèi)者，包括居民、工業(yè)、商業(yè)等。這些子系統(tǒng)之間的關(guān)系：水源是供水的基礎(chǔ)，水處理是保障水質(zhì)的關(guān)鍵，輸配水是連接處理與用戶的橋梁，用戶是系統(tǒng)的最終目的。它們相互依賴、相互制約，共同構(gòu)成城市供水的整體功能。三、進(jìn)行城市供水問題定義的主要步驟：1.識(shí)別初步問題：基于觀察、報(bào)告、公眾反饋等，初步識(shí)別供水系統(tǒng)存在的問題（如水質(zhì)超標(biāo)、水壓不足、漏損嚴(yán)重、成本過高、應(yīng)急能力差等）。2.收集相關(guān)信息：收集與問題相關(guān)的數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)、政策背景等，了解問題的歷史、現(xiàn)狀和影響因素。3.界定問題范圍：明確問題的地理范圍（哪個(gè)區(qū)域）、時(shí)間范圍（何時(shí)開始）、涉及的對(duì)象（哪些用戶或環(huán)節(jié)）。4.分析根本原因：運(yùn)用魚骨圖、5W1H等方法，深入分析問題背后的深層原因，區(qū)分癥狀和根本原因。5.明確系統(tǒng)目標(biāo)與約束：確定解決問題后系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到的狀態(tài)（如水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提升、漏損率降低到X%），以及面臨的資源、技術(shù)、法規(guī)等約束條件。6.形成清晰的問題陳述：用簡(jiǎn)潔、明確的語(yǔ)言概括問題，包括核心挑戰(zhàn)、關(guān)鍵目標(biāo)、主要約束。例如：“如何在滿足XX區(qū)日益增長(zhǎng)的用水需求的同時(shí)，將管網(wǎng)漏損率從目前的15%降低到5%以下，并確保水質(zhì)持續(xù)達(dá)標(biāo)，約束條件為預(yù)算不超過YY元。”四、概念模型和數(shù)學(xué)模型的主要區(qū)別、適用場(chǎng)景和局限性：*概念模型：是對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要相互作用的抽象表示，通常使用圖形（如流程圖、框圖）和文字說明。優(yōu)點(diǎn)是直觀易懂，有助于理解系統(tǒng)整體和主要流程，適用于早期階段、溝通協(xié)調(diào)、快速把握系統(tǒng)特征。缺點(diǎn)是抽象程度高，細(xì)節(jié)不足，難以進(jìn)行精確的定量分析。適用場(chǎng)景：系統(tǒng)初步理解、需求分析、方案構(gòu)思、團(tuán)隊(duì)溝通。*數(shù)學(xué)模型：使用數(shù)學(xué)方程式、矩陣等精確描述系統(tǒng)的變量、參數(shù)、關(guān)系和動(dòng)態(tài)行為。優(yōu)點(diǎn)是精確性高，可以進(jìn)行定量分析、模擬預(yù)測(cè)、優(yōu)化求解。缺點(diǎn)是建立復(fù)雜，需要專業(yè)知識(shí)和大量數(shù)據(jù)，可能忽略次要因素，結(jié)果依賴于模型假設(shè)的合理性。適用場(chǎng)景：深入分析、性能評(píng)估、方案比較、預(yù)測(cè)未來、優(yōu)化決策。局限性在于模型與現(xiàn)實(shí)的逼近程度、數(shù)據(jù)質(zhì)量、計(jì)算復(fù)雜性。五、可能導(dǎo)致城市供水系統(tǒng)可靠性下降的內(nèi)部因素及反饋關(guān)系：*內(nèi)部因素：*設(shè)備老化與維護(hù)不足：管網(wǎng)、水泵、閥門等設(shè)備老化失效；維護(hù)計(jì)劃不完善或執(zhí)行不到位。*水源污染：水源水質(zhì)惡化超出處理能力；處理工藝落后。*管網(wǎng)破損與漏損：管網(wǎng)腐蝕、施工破壞、第三方損壞等導(dǎo)致水量損失、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。*處理能力不足：水廠處理能力上限被突破；處理效率下降。*管理協(xié)調(diào)不力：部門間信息不通、責(zé)任不清；應(yīng)急響應(yīng)遲緩。*外部因素：*氣候變化：旱澇災(zāi)害影響水源水量水質(zhì)；極端溫度影響設(shè)備運(yùn)行。*城市擴(kuò)張：用水需求快速增長(zhǎng)超出系統(tǒng)承載能力；新增用戶接入帶來管理壓力。*人口增長(zhǎng)：用水人口增加導(dǎo)致總需水量上升。*經(jīng)濟(jì)活動(dòng)：特殊事件（如大型活動(dòng)）導(dǎo)致瞬時(shí)用水量激增。*反饋關(guān)系：*負(fù)反饋（期望）：系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到壓力下降->啟動(dòng)備用水泵->壓力恢復(fù)。設(shè)備故障->報(bào)警->維修->系統(tǒng)恢復(fù)。*正反饋（惡化）：水質(zhì)污染->用戶投訴增加->緊急停水->用戶不滿加劇->社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。管網(wǎng)漏損增加->水壓下降->用戶用水困難->可能使用非法取水點(diǎn)->水質(zhì)二次污染風(fēng)險(xiǎn)增加。系統(tǒng)老化->故障率升高->維護(hù)成本增加->預(yù)算緊張->維護(hù)更不到位->老化加速。六、效益成本分析（BCA）在評(píng)價(jià)城市供水項(xiàng)目的主要作用和步驟：*主要作用：提供一個(gè)結(jié)構(gòu)化的框架，用于比較不同供水項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性，幫助決策者選擇能以最低成本獲得最大效益（或滿足特定效益目標(biāo)的成本最低）的方案。它有助于量化不同方案的財(cái)務(wù)影響，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，支持資源優(yōu)化配置。*主要步驟：1.確定項(xiàng)目目標(biāo)和范圍：明確項(xiàng)目旨在解決的問題和預(yù)期達(dá)到的效果。2.識(shí)別并量化效益：將項(xiàng)目目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的、可測(cè)量的效益，并估算其貨幣價(jià)值或非貨幣價(jià)值（如水質(zhì)改善帶來的健康效益、供水可靠性提升帶來的用戶滿意度、環(huán)境效益等）。3.識(shí)別并量化成本：估算項(xiàng)目在整個(gè)生命周期內(nèi)發(fā)生的所有成本，包括初始投資（CAPEX，如土地、設(shè)備、建設(shè)）、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本（OPEX，如電費(fèi)、藥劑費(fèi)、人工費(fèi)、維修費(fèi)）、環(huán)境成本、風(fēng)險(xiǎn)成本等。4.選擇時(shí)間范圍和折現(xiàn)率：確定分析的期間，并選擇合適的折現(xiàn)率來計(jì)算未來現(xiàn)金流現(xiàn)值。5.計(jì)算關(guān)鍵指標(biāo)：計(jì)算凈現(xiàn)值（NPV）、內(nèi)部收益率（IRR）、效益成本比（BCR）等指標(biāo)。6.敏感性分析和風(fēng)險(xiǎn)分析：分析關(guān)鍵參數(shù)變化對(duì)結(jié)果的影響，評(píng)估項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。7.比較和決策：基于計(jì)算結(jié)果和定性因素，比較不同方案，做出選擇。主要成本類別：初始投資（土地、設(shè)計(jì)、工程、設(shè)備、建設(shè)）、運(yùn)營(yíng)成本（電費(fèi)、水費(fèi)、人工、維修、管理）、財(cái)務(wù)成本（貸款利息）、環(huán)境成本（處理廠排放、生態(tài)影響）、風(fēng)險(xiǎn)成本（應(yīng)急備用、保險(xiǎn)）。主要效益類別：用戶滿意度提升、健康效益、生產(chǎn)力提高、環(huán)境改善、社會(huì)穩(wěn)定、水資源可持續(xù)利用、政府補(bǔ)貼或稅收節(jié)省。七、運(yùn)用系統(tǒng)工程方法（以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為例）診斷和分析管網(wǎng)漏損問題的思路及關(guān)鍵環(huán)節(jié)：*思路：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過建立包含存量（如管網(wǎng)中水量、漏損水量、管段狀態(tài)）、流量（如供水流量、漏失流量、維修更換流量）、輔助變量（如漏損率、壓力、管齡）和反饋回路（如壓力-漏損率反饋、漏損-維護(hù)需求反饋）的模型，來模擬和分析管網(wǎng)漏損的形成、演變及其影響因素，揭示系統(tǒng)行為模式，為制定干預(yù)措施提供依據(jù)。*關(guān)鍵環(huán)節(jié)：1.問題界定與目標(biāo)設(shè)定：明確要分析漏損的哪個(gè)方面（總量、分布、原因、趨勢(shì)），設(shè)定分析目標(biāo)（如找出漏損主要驅(qū)動(dòng)因素、評(píng)估不同減少漏損策略的效果）。2.識(shí)別關(guān)鍵變量與反饋：識(shí)別影響漏損的關(guān)鍵因素（如供水壓力、管網(wǎng)材質(zhì)與年齡、漏損檢測(cè)能力、維修響應(yīng)時(shí)間、用水習(xí)慣、地理環(huán)境等），分析這些因素與漏損量之間以及它們相互之間的反饋關(guān)系（如壓力升高->漏損增加；漏損增加->維修需求增加->維修資源占用->漏損檢測(cè)能力下降）。3.數(shù)據(jù)收集與模型構(gòu)建：收集歷史數(shù)據(jù)（水量、水壓、漏損檢測(cè)記錄、管網(wǎng)信息、維修記錄等），選擇合適的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，構(gòu)建能夠反映關(guān)鍵變量和反饋關(guān)系的模型結(jié)構(gòu)。4.模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證：使用歷史數(shù)據(jù)調(diào)整模型參數(shù)，使模型行為與實(shí)際系統(tǒng)行為盡可能一致。5.模擬與政策分析：模擬系統(tǒng)在不同情景下的行為（如現(xiàn)狀模擬、壓力管理政策模擬、更換老舊管道模擬、增加檢測(cè)維修投入模擬），比較不同策略的效果和影響。6.結(jié)果解釋與策略建議：解釋模擬結(jié)果，揭示漏損問題的深層原因和關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，基于模擬結(jié)果提出有針對(duì)性的、系統(tǒng)的漏損控制策略建議。八、系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制在城市供水背景下的含義及舉例：*系統(tǒng)集成：*含義：指將城市供水系統(tǒng)的各個(gè)組成部分（硬件如水源、水廠、管網(wǎng)、用戶端設(shè)施；軟件如管理信息系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)；人員如管理人員、操作員）通過技術(shù)、信息和管理的手段，有效連接、協(xié)調(diào)運(yùn)作，形成一個(gè)功能更強(qiáng)大、效率更高、整體性能更優(yōu)的有機(jī)整體。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、流程協(xié)同、資源整合。*舉例：建立一個(gè)統(tǒng)一的城市供水地理信息系統(tǒng)（GIS），整合管網(wǎng)物理信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（水壓、流量、水質(zhì)）、維修記錄、用戶信息等，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的可視化管理、漏損定位、應(yīng)急調(diào)度支持；開發(fā)一個(gè)集成了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能分析與優(yōu)化決策功能的供水調(diào)度中心系統(tǒng)，整合來自SCADA系統(tǒng)、水力模型、水質(zhì)模型的信息，實(shí)現(xiàn)供水生產(chǎn)的集中、智能控制。*系統(tǒng)控制：*含義：指為了確保城市供水系統(tǒng)按照預(yù)定目標(biāo)（如供水安全、水質(zhì)合格、水壓穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效）運(yùn)行，通過各種手段（如指令、參數(shù)設(shè)定、自動(dòng)調(diào)節(jié)、人工干預(yù)）對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)、調(diào)整和約束的過程。它涉及對(duì)輸入（水源水量水質(zhì)、用戶需求）、過程（水處理、輸配水）和輸出（供水水量水質(zhì)水壓）進(jìn)行管理。*舉例：根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵站的啟停和出口閥門開度，維持管網(wǎng)壓力在設(shè)定范圍內(nèi)；根據(jù)預(yù)測(cè)的用戶需水量和水庫(kù)來水情況，制定水廠生產(chǎn)計(jì)劃和水庫(kù)調(diào)度方案；設(shè)定水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合格標(biāo)準(zhǔn)，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)即觸發(fā)報(bào)警并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案（如切換水源、加強(qiáng)消毒）；根據(jù)管網(wǎng)漏損檢測(cè)結(jié)果，制定維修計(jì)劃并派遣維修隊(duì)伍進(jìn)行管道修復(fù)。九、智能技術(shù)如何提升城市供水系統(tǒng)管理水平和應(yīng)對(duì)能力（結(jié)合系統(tǒng)工程理念）：*提升管理水平和應(yīng)對(duì)能力：智能技術(shù)通過增強(qiáng)感知、互聯(lián)、分析和決策能力，系統(tǒng)性地改進(jìn)供水管理。*增強(qiáng)系統(tǒng)感知與透明度：智能水表、流量計(jì)、壓力傳感器、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備等廣泛部署，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地獲取供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)（水源、水廠、管網(wǎng)、用戶）的運(yùn)行狀態(tài)和水質(zhì)水量信息，形成全面的數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的透明度。*實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)與協(xié)同：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和通信技術(shù)（如NB-IoT、5G）實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備、控制設(shè)備、SCADA系統(tǒng)、水力水質(zhì)模型、管理信息系統(tǒng)等互聯(lián)互通，打破信息孤島，支持跨部門、跨層級(jí)的協(xié)同管理。*提升分析與預(yù)測(cè)能力：大數(shù)據(jù)分析技術(shù)處理海量的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，能夠挖掘隱藏的模式和規(guī)律，用于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)用水需求變化、識(shí)別管網(wǎng)漏損點(diǎn)、預(yù)測(cè)水質(zhì)變化趨勢(shì)、評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。*優(yōu)化決策與控制：基于數(shù)據(jù)分析和模型仿真（如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化模型），人工智能（AI）算法（如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)）能夠輔助或自動(dòng)進(jìn)行供水調(diào)度優(yōu)化（如壓力管理、漏損控制）、水廠生產(chǎn)優(yōu)化、應(yīng)急事件快速響應(yīng)和處置決策，提高決策的科學(xué)性和時(shí)效性。*系統(tǒng)工程的體現(xiàn)：智能技術(shù)的應(yīng)用本身就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程過程，需要系統(tǒng)規(guī)劃（確定目標(biāo)、技術(shù)路線、部署方案）、系統(tǒng)集成（軟硬件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)）、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)。它將先進(jìn)技術(shù)融入供水系統(tǒng)，通過提升系統(tǒng)各層級(jí)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層）的能力，最終提升整個(gè)供水系統(tǒng)的韌性、效率和服務(wù)質(zhì)量，體現(xiàn)了用系統(tǒng)化思維應(yīng)對(duì)技術(shù)變革和提升系統(tǒng)能力的理念。十、運(yùn)用系統(tǒng)工程方法論制定城市供水系統(tǒng)優(yōu)化策略概述：*運(yùn)用系統(tǒng)工程方法論：遵循系統(tǒng)思考、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施、系統(tǒng)監(jiān)控與評(píng)估的完整過程。*概述工作步驟：1.問題定義與目標(biāo)設(shè)定：明確水源短缺（水量不足、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)）和水質(zhì)下降（超標(biāo)頻率、健康風(fēng)險(xiǎn)）的核心挑戰(zhàn)。設(shè)定優(yōu)化策略的多重目標(biāo)：保障供水安全可靠、滿足居民基本生活用水、保障關(guān)鍵行業(yè)用水、維持水質(zhì)達(dá)標(biāo)、提升供水韌性、考慮經(jīng)濟(jì)可承受性、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。明確約束條件：預(yù)算限制、現(xiàn)有設(shè)施能力、技術(shù)可行性、法規(guī)政策要求、時(shí)間節(jié)點(diǎn)。2.系統(tǒng)邊界與環(huán)境分析：界定優(yōu)化策略涉及的系統(tǒng)范圍（地理區(qū)域、管理單元）。分析系統(tǒng)內(nèi)部要素（水源、水廠、管網(wǎng)、用戶、管理機(jī)制）及其關(guān)系。分析外部環(huán)境因素（氣候變化、城市發(fā)展規(guī)劃、水資源政策、經(jīng)濟(jì)水平、社會(huì)需求）對(duì)系統(tǒng)的影響和制約。3.系統(tǒng)需求分析：從不同利益相關(guān)者（政府、企業(yè)、居民、工業(yè)用戶）角度，詳細(xì)梳理對(duì)供水系統(tǒng)在