2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——系統(tǒng)科學(xué)與工程在材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)簡(jiǎn)述系統(tǒng)思想的核心觀點(diǎn)，并列舉至少三個(gè)在材料設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)系統(tǒng)思想的具體例子。二、系統(tǒng)邊界劃分是系統(tǒng)建模的關(guān)鍵步驟。請(qǐng)解釋什么是系統(tǒng)邊界，并說(shuō)明在為一個(gè)新型合金材料的研發(fā)項(xiàng)目建立系統(tǒng)模型時(shí)，應(yīng)如何考慮并確定其系統(tǒng)邊界？需要包含哪些主要子系統(tǒng)或元素？三、多目標(biāo)決策是系統(tǒng)工程的重要方法之一。假設(shè)在設(shè)計(jì)和制備一種用于航空航天領(lǐng)域的先進(jìn)材料時(shí)，需要同時(shí)考慮其強(qiáng)度、輕量化、耐高溫性、抗腐蝕性和成本五個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，這些目標(biāo)之間存在一定的沖突。請(qǐng)簡(jiǎn)述多目標(biāo)決策的基本思想，并列舉至少兩種可以用于分析這種多目標(biāo)權(quán)衡問(wèn)題的系統(tǒng)方法或工具。四、請(qǐng)闡述反饋回路在材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的作用。以材料性能隨時(shí)間退化的過(guò)程為例，分析其中可能存在的正反饋和負(fù)反饋回路，并說(shuō)明理解這些反饋對(duì)于優(yōu)化材料設(shè)計(jì)壽命的意義。五、系統(tǒng)仿真常用于預(yù)測(cè)和分析復(fù)雜系統(tǒng)的行為。假設(shè)你正在研究一種新型催化劑的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)涉及多個(gè)活性位點(diǎn)、孔結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)等多個(gè)相互作用的因素。請(qǐng)說(shuō)明運(yùn)用系統(tǒng)仿真方法研究該催化劑性能的優(yōu)勢(shì)，并簡(jiǎn)述進(jìn)行此類仿真的基本步驟。六、請(qǐng)比較系統(tǒng)分析與技術(shù)評(píng)價(jià)在材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的應(yīng)用區(qū)別與聯(lián)系。以評(píng)估一種新型電池材料的可行性和環(huán)境影響為例，說(shuō)明系統(tǒng)分析側(cè)重于什么，而技術(shù)評(píng)價(jià)側(cè)重于什么，兩者如何協(xié)同工作。七、請(qǐng)以“開(kāi)發(fā)一種可用于可穿戴設(shè)備的高性能柔性儲(chǔ)能材料”為例，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。該流程應(yīng)至少包含三個(gè)主要階段，并說(shuō)明每個(gè)階段的核心任務(wù)以及需要運(yùn)用到系統(tǒng)科學(xué)的哪些概念或方法。八、材料設(shè)計(jì)過(guò)程充滿了不確定性。請(qǐng)結(jié)合系統(tǒng)思維，分析在材料設(shè)計(jì)過(guò)程中可能面臨的主要不確定性來(lái)源（至少列舉四項(xiàng)），并提出至少兩種系統(tǒng)性的策略來(lái)應(yīng)對(duì)這些不確定性帶來(lái)的挑戰(zhàn)。試卷答案一、系統(tǒng)思想的核心觀點(diǎn)包括整體性（系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用的元素組成的整體）、關(guān)聯(lián)性（系統(tǒng)內(nèi)部各元素間以及系統(tǒng)與環(huán)境間存在緊密聯(lián)系）、層次性（系統(tǒng)可以分解為子系統(tǒng)，子系統(tǒng)又可包含更小的系統(tǒng)）、動(dòng)態(tài)性（系統(tǒng)隨時(shí)間變化而演化）、目的性（系統(tǒng)通常具有某種功能或目標(biāo)）和開(kāi)放性（系統(tǒng)與環(huán)境交換物質(zhì)、能量和信息）。具體例子：1.將材料的設(shè)計(jì)、制備、加工、使用、回收整個(gè)生命周期視為一個(gè)系統(tǒng)，綜合考慮性能、成本、環(huán)境影響等；2.將材料內(nèi)部的原子/分子結(jié)構(gòu)視為系統(tǒng)，分析其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系；3.將影響材料性能的各種因素（內(nèi)因如成分、結(jié)構(gòu)，外因如溫度、應(yīng)力）視為一個(gè)系統(tǒng)，研究它們之間的相互作用對(duì)最終性能的影響。二、系統(tǒng)邊界是指界定系統(tǒng)范圍、明確系統(tǒng)與外部環(huán)境相互關(guān)系的分界線。在新型合金材料研發(fā)項(xiàng)目中建立模型時(shí)，確定系統(tǒng)邊界需考慮：項(xiàng)目目標(biāo)范圍（是側(cè)重基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用開(kāi)發(fā)）、物理實(shí)體范圍（合金本身及其關(guān)鍵組分）、時(shí)間范圍（從概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品）、功能范圍（主要性能指標(biāo)）、環(huán)境范圍（服役環(huán)境條件）。系統(tǒng)邊界應(yīng)清晰、合理，既能包含影響項(xiàng)目目標(biāo)的關(guān)鍵要素，又不過(guò)分復(fù)雜導(dǎo)致模型難以處理。主要子系統(tǒng)或元素可能包括：合金基體、合金元素、微觀結(jié)構(gòu)（晶粒、相分布、缺陷）、界面結(jié)構(gòu)、外部作用因素（如熱、力、腐蝕介質(zhì)）。三、多目標(biāo)決策的基本思想是在存在多個(gè)相互沖突的目標(biāo)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)性的方法分析目標(biāo)間的權(quán)衡關(guān)系，找到一組能夠最好地滿足所有（或主要）目標(biāo)的解決方案，而非單一的最優(yōu)解。常用方法或工具包括：1.目標(biāo)規(guī)劃（為每個(gè)目標(biāo)設(shè)定優(yōu)先級(jí)和權(quán)重，求解滿意度最大的方案）；2.效用理論（構(gòu)建綜合效用函數(shù)，將多個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單一效用值）；3.層次分析法（AHP，構(gòu)建判斷矩陣，確定各目標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行排序）；4.優(yōu)化算法（如遺傳算法，在多目標(biāo)空間搜索帕累托最優(yōu)解集）；5.敏感性分析（分析參數(shù)變化對(duì)目標(biāo)達(dá)成的影響）。四、反饋回路是指系統(tǒng)中某個(gè)元素的輸出反過(guò)來(lái)影響其自身的輸入，從而形成閉合的影響路徑。在材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，反饋回路的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)、維持穩(wěn)定或驅(qū)動(dòng)演化。正反饋回路會(huì)加速系統(tǒng)中某個(gè)變化過(guò)程，可能導(dǎo)致性能急劇提升或?yàn)?zāi)難性失效。例如，材料局部腐蝕產(chǎn)生的電化學(xué)電位差可能加劇該區(qū)域的腐蝕速率，形成正反饋，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。負(fù)反饋回路則傾向于抑制變化，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。例如，金屬材料在高溫下發(fā)生蠕變變形后，內(nèi)部應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生抑制進(jìn)一步變形的效應(yīng)，形成負(fù)反饋，最終達(dá)到應(yīng)力平衡或穩(wěn)態(tài)變形。理解這些反饋對(duì)于優(yōu)化材料設(shè)計(jì)壽命至關(guān)重要，有助于預(yù)測(cè)材料性能退化模式，設(shè)計(jì)增強(qiáng)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)或添加調(diào)控反饋回路的元素。五、運(yùn)用系統(tǒng)仿真方法研究新型催化劑性能的優(yōu)勢(shì)在于：1.可在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，無(wú)需進(jìn)行昂貴或難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)；2.能夠快速探索大量參數(shù)組合，評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案；3.可揭示微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)路徑、宏觀流動(dòng)等要素之間的復(fù)雜相互作用關(guān)系；4.可預(yù)測(cè)材料在非理想或極端條件下的行為。進(jìn)行此類仿真的基本步驟通常包括：1.問(wèn)題定義與模型構(gòu)建（明確研究目標(biāo)，選擇合適的仿真工具，建立幾何模型和物理化學(xué)模型）；2.參數(shù)設(shè)置（輸入材料結(jié)構(gòu)、成分、操作條件等參數(shù)）；3.模擬運(yùn)行（執(zhí)行計(jì)算，監(jiān)控收斂性和穩(wěn)定性）；4.結(jié)果分析（處理和可視化仿真數(shù)據(jù)，提取性能指標(biāo)，如反應(yīng)速率、選擇性、穩(wěn)定性）；5.模型驗(yàn)證與優(yōu)化（將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，修正模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)）。六、系統(tǒng)分析側(cè)重于理解材料設(shè)計(jì)項(xiàng)目作為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)、功能、流程、相互關(guān)系以及與環(huán)境（如市場(chǎng)、技術(shù)、社會(huì)）的互動(dòng)，旨在識(shí)別關(guān)鍵要素、約束條件、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和潛在改進(jìn)機(jī)會(huì)，關(guān)注“為什么”和“怎么樣”的問(wèn)題，例如分析設(shè)計(jì)流程的合理性、各環(huán)節(jié)的依賴性。技術(shù)評(píng)價(jià)側(cè)重于對(duì)材料本身的性能、可靠性、成本、安全性、環(huán)境影響等方面進(jìn)行定性和定量的評(píng)估，旨在判斷材料是否滿足特定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，關(guān)注“是什么”、“好不好”的問(wèn)題，例如評(píng)估材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性、制備成本等指標(biāo)。兩者聯(lián)系在于，系統(tǒng)分析為技術(shù)評(píng)價(jià)提供了背景和框架，明確了評(píng)價(jià)的對(duì)象和范圍；技術(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果是系統(tǒng)分析的重要輸入，幫助判斷設(shè)計(jì)的有效性和可行性，兩者協(xié)同工作可以更全面地評(píng)估材料設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。七、簡(jiǎn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程：1.需求分析與系統(tǒng)定義階段：明確可穿戴設(shè)備對(duì)儲(chǔ)能材料的具體要求（如高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、柔性、安全性、低成本），界定系統(tǒng)邊界和目標(biāo)。運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)概念：明確目的性、識(shí)別關(guān)鍵需求要素。2.概念設(shè)計(jì)與方案生成階段：基于需求，結(jié)合現(xiàn)有材料和結(jié)構(gòu)知識(shí)，提出多種候選材料體系或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念（如固態(tài)電池、液態(tài)金屬電池、超級(jí)電容器等）。運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)概念：發(fā)散思維、結(jié)構(gòu)化思想、考慮不同子系統(tǒng)（活性物質(zhì)、電極、電解質(zhì)、隔膜）的協(xié)同。3.原型開(kāi)發(fā)與性能評(píng)估與迭代優(yōu)化階段：選擇有潛力的概念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制備，構(gòu)建原型器件，全面測(cè)試其性能，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。分析差距，識(shí)別瓶頸，返回概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行修改或探索新方案，進(jìn)行多輪迭代，直至滿足要求。運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)概念：迭代反饋、模型修正、多目標(biāo)權(quán)衡、優(yōu)化思想。八、主要不確定性來(lái)源：1.材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性（如晶粒尺寸、分布、缺陷的隨機(jī)形成）；2.材料成分控制的精度限制；3.實(shí)驗(yàn)條件或服役環(huán)境參數(shù)的波動(dòng)性（如溫度、濕度、應(yīng)力場(chǎng)的非均勻性）；4.材料長(zhǎng)期性能演化的不可預(yù)測(cè)性（如老化、疲勞、相變過(guò)程）。應(yīng)對(duì)策略：1.建立穩(wěn)健設(shè)計(jì)（RobustDesign）系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，使系統(tǒng)性能對(duì)內(nèi)部和外部不確定性不敏感；2.運(yùn)用統(tǒng)計(jì)