2025年大學《系統(tǒng)科學與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)科學與航空航天技術的整合考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述系統(tǒng)科學的主要研究對象及其與傳統(tǒng)學科研究對象的區(qū)別。請結合航空航天領域的一個具體實例，說明系統(tǒng)科學思維方式在該實例分析中的價值。二、系統(tǒng)建模是系統(tǒng)分析與設計的基礎。請闡述系統(tǒng)動力學模型的基本思想和主要構成要素。分析系統(tǒng)動力學模型在研究航天器任務規(guī)劃或衛(wèi)星星座構型動態(tài)演化問題時的適用性，并說明其可能遇到的挑戰(zhàn)。三、系統(tǒng)工程方法強調自頂向下與自底向上的結合。請解釋什么是系統(tǒng)分解與集成，并說明在大型飛行器（如運載火箭）的研制過程中，系統(tǒng)分解與集成活動如何貫穿于項目的不同階段？結合實際，簡述接口管理在確?；鸺到y(tǒng)各部分成功集成中的作用。四、可靠性是航空航天系統(tǒng)至關重要的性能指標。請簡述可靠性分析中常用的一種方法（如故障樹分析或失效模式與影響分析）的基本原理。選擇航空航天領域中的一個具體系統(tǒng)（如飛機起落架或航天器姿態(tài)控制子系統(tǒng)），說明如何運用該方法對該系統(tǒng)的可靠性進行初步分析。五、系統(tǒng)優(yōu)化旨在尋求系統(tǒng)在特定約束條件下的最優(yōu)或次優(yōu)性能。請介紹一種系統(tǒng)優(yōu)化技術（如線性規(guī)劃、遺傳算法或多目標優(yōu)化方法）的基本思想。設想一個航空航天領域的優(yōu)化問題（例如，優(yōu)化衛(wèi)星軌道或優(yōu)化飛行器氣動外形以降低能耗），說明該問題的目標、約束以及如何運用所介紹的技術進行求解思路的闡述。六、選擇一個你感興趣的航空航天系統(tǒng)工程案例（例如，某型無人機的研制、某次航天任務的執(zhí)行、空管系統(tǒng)的建設等），分析在該案例中系統(tǒng)科學與工程方法是如何被應用的？該應用帶來了哪些顯著效果？同時，該案例也反映了系統(tǒng)科學與工程實踐中面臨哪些挑戰(zhàn)？請結合案例進行論述。試卷答案一、系統(tǒng)科學主要研究系統(tǒng)層次上的普遍規(guī)律、現象和原理，關注系統(tǒng)整體性、關聯性、動態(tài)性、目的性以及系統(tǒng)演化過程，強調從整體出發(fā)理解部分，并通過部分認識整體。傳統(tǒng)學科往往關注對象的某個特定方面或屬性進行深入研究，傾向于將事物分解開來進行分析。例如，在分析航天飛機系統(tǒng)時，傳統(tǒng)方法可能分別研究其軌道器、助推器、外掛燃料箱的氣動、結構、推進等特性。而系統(tǒng)科學思維方式則強調將航天飛機視為一個由多個子系統(tǒng)（氣動、結構、推進、生命保障、控制、任務管理等）通過復雜接口相互關聯、相互作用構成的復雜巨系統(tǒng)，關注整體性能、系統(tǒng)間的耦合效應、任務成功率、成本效益、安全風險等整體性指標，有助于從全局角度發(fā)現傳統(tǒng)方法易忽略的問題，如子系統(tǒng)優(yōu)化可能導致整體性能下降的“系統(tǒng)悖論”。二、系統(tǒng)動力學模型是一種基于反饋回路思想，研究復雜系統(tǒng)動態(tài)行為的時間序列模型。其基本思想是系統(tǒng)行為取決于其內部結構（因果關系圖）和反饋機制（存量、流量、輔助變量、常數），強調量變到質變的積累過程和延遲效應。主要構成要素包括：存量（系統(tǒng)中積累的量，如資源、人口、庫存）、流量（改變存量的速率，如投資率、出生率）、輔助變量（影響流量的內部因素，如價格、滿意度）、常數（模型參數）、反饋回路（描述變量之間因果關系的閉合路徑，如“需求增加->產量增加->庫存增加->價格下降->需求減少”）。在研究航天器任務規(guī)劃問題時，系統(tǒng)動力學模型可以模擬任務需求、可用資源（人力、設備、時間）、任務進度、技術狀態(tài)等變量隨時間的變化，分析不同規(guī)劃方案下的動態(tài)影響，如任務延期對后續(xù)任務的影響、資源分配的滯后效應等。其挑戰(zhàn)在于模型假設的合理性、參數估計的準確性、以及模型解釋的復雜性。三、系統(tǒng)分解是將復雜系統(tǒng)按照一定的原則和層次結構劃分為若干子系統(tǒng)或功能模塊的過程；系統(tǒng)集成是將這些分解后的部分以及外部接口重新組合，形成一個完整、協(xié)調、能實現預定整體功能的系統(tǒng)的過程。在大型飛行器研制過程中，系統(tǒng)分解在概念設計階段將飛行器分解為箭體結構、推進系統(tǒng)、有效載荷、制導導航與控制（GNC）、任務載荷、遙測遙控、發(fā)射場、測控網等多個分系統(tǒng)或子系統(tǒng)；在詳細設計階段，每個分系統(tǒng)再進一步分解。系統(tǒng)集成貫穿于整個研制周期，包括分系統(tǒng)集成、系統(tǒng)與分系統(tǒng)集成、系統(tǒng)與地面設施集成等。接口管理是確保各集成單元之間物理接口（如電纜、管路）、電氣接口、機械接口、信息接口、功能接口協(xié)調一致、滿足性能要求的關鍵活動。它涉及接口的定義、識別、協(xié)議制定、測試驗證等，有效管理接口能避免集成時的沖突和返工，保證火箭整體性能和可靠性。四、以故障樹分析（FTA）為例，其基本原理是采用自頂向下的演繹邏輯方法，從系統(tǒng)頂層故障（不希望發(fā)生的事件）出發(fā)，通過分析導致該故障發(fā)生的直接原因（中間事件、基本事件），逐層向下分解，直至找到所有可能的直接或間接因素，并以樹狀圖的形式表示它們之間的邏輯關系（與門、或門等）。事件之間通常用邏輯門連接，表示原因與結果之間的因果關系。例如，分析飛機起落架可靠性時，頂層事件可以是“起落架失效”。分析其原因可能包括：輪胎破裂（基本事件）、減震器故障（基本事件）、結構疲勞裂紋（中間事件，由多次起降引起）。這些原因又可能受其他因素影響，如維護不當（影響輪胎和減震器）、設計缺陷（影響結構強度）。通過分析故障樹，可以識別導致起落架失效的關鍵因素組合，評估各因素的貢獻度，為提高起落架系統(tǒng)可靠性提供依據，如加強特定部件的維護、改進設計等。五、以線性規(guī)劃為例，其基本思想是在一組線性等式或不等式（約束條件）的限制下，尋求一個線性目標函數的最大值或最小值。模型通常包含決策變量（表示待優(yōu)化的量）、目標函數（表示要最大化或最小化的指標，如利潤、成本、時間）和約束條件（資源、時間、技術要求等的限制）。遺傳算法是一種模擬自然界生物進化過程的隨機搜索算法，通過選擇、交叉、變異等操作，從一個初始種群出發(fā)，不斷迭代，逐步進化出滿足優(yōu)化目標的解。多目標優(yōu)化方法則用于處理同時存在多個、甚至相互沖突的目標的情況，常用方法有加權求和法、目標規(guī)劃法、約束法等，旨在找到一組Pareto最優(yōu)解，即在不犧牲其他目標的情況下，無法再改進任何一個目標。例如，優(yōu)化衛(wèi)星軌道，目標可能是最小化發(fā)射成本（燃料消耗）、最大化觀測時間（在特定區(qū)域上空停留時間），約束條件包括覆蓋區(qū)域要求、軌道高度限制、地面站可見性等。可運用線性規(guī)劃建立數學模型求解單目標問題，或運用遺傳算法/多目標優(yōu)化方法處理更復雜或非線性的多目標優(yōu)化問題。六、以中國探月工程（嫦娥工程）為例，系統(tǒng)科學與工程方法得到了廣泛應用。在任務規(guī)劃階段，運用系統(tǒng)思維進行整體頂層設計，確定“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略，將復雜任務分解為多個階段和子任務，進行系統(tǒng)可行性論證與風險評估。在系統(tǒng)設計階段，采用系統(tǒng)工程方法進行詳細設計，包括月球探測器、運載火箭、軌道器、著陸器、上升器、返回器等各分系統(tǒng)的設計，以及它們之間接口的協(xié)調。運用系統(tǒng)工程工具進行需求分析、接口管理、配置管理、驗證與確認等。在任務實施階段，系統(tǒng)動力學模型可能用于模擬任務進度、