2025年大學(xué)《系統(tǒng)科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——復(fù)雜系統(tǒng)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.復(fù)雜系統(tǒng)2.系統(tǒng)涌現(xiàn)3.系統(tǒng)建模4.耦合性5.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述系統(tǒng)思維在船舶設(shè)計(jì)中的基本原則。2.列舉船舶作為復(fù)雜系統(tǒng)的主要特征。3.系統(tǒng)科學(xué)與工程方法在船舶概念設(shè)計(jì)階段有哪些應(yīng)用？4.解釋什么是系統(tǒng)反饋，并舉例說明其在船舶控制系統(tǒng)中的作用。5.簡述在進(jìn)行船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，系統(tǒng)思維有何優(yōu)勢(shì)？三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述非線性特性對(duì)船舶設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，并說明系統(tǒng)科學(xué)如何幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。2.以船舶推進(jìn)系統(tǒng)為例，闡述系統(tǒng)工程方法在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成中的重要性。3.結(jié)合船舶智能化發(fā)展的趨勢(shì)，論述如何運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的理論和方法指導(dǎo)智能船舶的設(shè)計(jì)與開發(fā)。四、分析題（15分）某大型郵輪在設(shè)計(jì)中面臨能源消耗過高、運(yùn)營成本高昂的問題。請(qǐng)運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)與工程的觀點(diǎn)，分析該問題的系統(tǒng)性根源，并提出可能的分析思路或優(yōu)化策略。要求說明分析過程中需要考慮的關(guān)鍵因素以及可能采用的系統(tǒng)方法或工具。試卷答案一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.復(fù)雜系統(tǒng):指由大量相互關(guān)聯(lián)、相互作用的部分組成，具有非線性、自組織、涌現(xiàn)、適應(yīng)性等特征，整體行為無法簡單還原為各部分屬性的疊加的系統(tǒng)。**解析思路:*定義應(yīng)包含核心要素：大量相互關(guān)聯(lián)的部分、非線性相互作用、涌現(xiàn)特性、整體性。強(qiáng)調(diào)其不可還原性。2.系統(tǒng)涌現(xiàn):指復(fù)雜系統(tǒng)在整體層面表現(xiàn)出其組成部分所不具備的新的、高級(jí)的屬性或行為，這種屬性或行為是各部分簡單疊加無法預(yù)測(cè)和解釋的。**解析思路:*定義需強(qiáng)調(diào)：整體性新屬性、非部分疊加性、不可預(yù)測(cè)性。例如，單個(gè)水分子沒有濕潤性，但大量水分子集合就表現(xiàn)出濕潤性。3.系統(tǒng)建模:指運(yùn)用適當(dāng)?shù)姆?hào)、形式或語言，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的系統(tǒng)進(jìn)行簡化和抽象，以表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和功能，便于理解、分析、預(yù)測(cè)和模擬。**解析思路:*定義應(yīng)包含：簡化抽象、符號(hào)語言、系統(tǒng)表示（結(jié)構(gòu)/行為/功能）、目的（理解/分析/預(yù)測(cè)/模擬）。強(qiáng)調(diào)其簡化和抽象的特點(diǎn)。4.耦合性:指系統(tǒng)中不同子系統(tǒng)或組件之間存在著緊密的相互依賴和相互制約的關(guān)系，一個(gè)子系統(tǒng)的變化會(huì)直接或間接地影響其他子系統(tǒng)。**解析思路:*定義需強(qiáng)調(diào)：子系統(tǒng)間依賴制約、相互影響。例如，船舶的動(dòng)力系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)與操縱系統(tǒng)之間存在耦合。5.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué):運(yùn)用反饋回路、存量和流量等概念，研究復(fù)雜系統(tǒng)隨時(shí)間演化的動(dòng)態(tài)行為，特別是系統(tǒng)內(nèi)部各要素相互作用導(dǎo)致的長期行為和穩(wěn)定性問題的一種方法。**解析思路:*定義應(yīng)包含：反饋回路、存量和流量、動(dòng)態(tài)行為、長期演化、穩(wěn)定性。強(qiáng)調(diào)其關(guān)注系統(tǒng)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性。二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述系統(tǒng)思維在船舶設(shè)計(jì)中的基本原則。*原則：整體性原則（視為整體分析）、關(guān)聯(lián)性原則（關(guān)注部分間關(guān)系）、動(dòng)態(tài)性原則（考慮時(shí)變特性）、層次性原則（考慮不同層面）、開放性原則（考慮與環(huán)境交互）。**解析思路:*回答需涵蓋系統(tǒng)思維的核心原則，并簡要說明每原則在船舶設(shè)計(jì)中的具體含義。如整體性，要考慮船是各系統(tǒng)整合體；關(guān)聯(lián)性，要考慮動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、控制等系統(tǒng)互動(dòng)。2.列舉船舶作為復(fù)雜系統(tǒng)的主要特征。*特征：組件眾多與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度非線性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性（設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營）、環(huán)境適應(yīng)性（海洋環(huán)境）、多目標(biāo)沖突（安全、經(jīng)濟(jì)、效率、環(huán)保）、人-船-環(huán)境系統(tǒng)交互復(fù)雜。**解析思路:*從系統(tǒng)科學(xué)角度，列舉船舶區(qū)別于簡單系統(tǒng)的復(fù)雜特征，如數(shù)量多、關(guān)系復(fù)雜、行為非線性、各部分關(guān)聯(lián)緊、隨時(shí)間變化、目標(biāo)多且矛盾、人與系統(tǒng)及環(huán)境的互動(dòng)。3.系統(tǒng)科學(xué)與工程方法在船舶概念設(shè)計(jì)階段有哪些應(yīng)用？*應(yīng)用：系統(tǒng)功能分解與定義、概念系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、初步性能指標(biāo)設(shè)定與評(píng)估、多方案比較與選擇、早期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與識(shí)別、人因工程考慮、建立初步的系統(tǒng)模型進(jìn)行概念驗(yàn)證。**解析思路:*聚焦概念設(shè)計(jì)階段，說明系統(tǒng)方法如何幫助定義系統(tǒng)“是什么”（功能）、“如何構(gòu)成”（架構(gòu)）、“基本性能如何”（指標(biāo)）、“哪個(gè)方案更好”（比較）、“有哪些早期問題”（風(fēng)險(xiǎn)）、“如何交互”（人因）。4.解釋什么是系統(tǒng)反饋，并舉例說明其在船舶控制系統(tǒng)中的作用。*解釋：系統(tǒng)反饋是指系統(tǒng)輸出的一部分或全部，以某種形式返回并影響系統(tǒng)輸入或內(nèi)部狀態(tài)的過程。根據(jù)反饋性質(zhì)可分為正反饋（放大變化）和負(fù)反饋（抑制變化、趨向穩(wěn)定）。*作用舉例：船舶的自動(dòng)舵系統(tǒng)通過傳感器檢測(cè)航向偏差（輸出），將偏差信號(hào)反饋給舵機(jī)控制器（影響輸入），控制器調(diào)整舵角使船舶回到預(yù)定航線（抑制偏差，負(fù)反饋）。船舶的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)也是通過感知姿態(tài)變化并反饋調(diào)節(jié)來維持穩(wěn)定。**解析思路:*首先清晰定義反饋及其類型。然后結(jié)合船舶控制實(shí)例（如自動(dòng)舵、穩(wěn)定系統(tǒng)）具體說明負(fù)反饋如何幫助系統(tǒng)維持穩(wěn)定或跟隨指令。5.簡述在進(jìn)行船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，系統(tǒng)思維有何優(yōu)勢(shì)？*優(yōu)勢(shì)：能夠全面識(shí)別跨系統(tǒng)、跨層次的潛在風(fēng)險(xiǎn)；有助于理解風(fēng)險(xiǎn)因素間的相互作用和傳導(dǎo)路徑，發(fā)現(xiàn)隱藏風(fēng)險(xiǎn)；可以評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)連鎖反應(yīng)的可能性；支持從系統(tǒng)整體角度制定更有效的風(fēng)險(xiǎn)緩解策略。**解析思路:*強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)思維在風(fēng)險(xiǎn)分析中的優(yōu)勢(shì)，即能看到整體、看到關(guān)聯(lián)、看到傳導(dǎo)、看到連鎖，從而進(jìn)行更全面、深入的風(fēng)險(xiǎn)管理，超越局部視角。三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述非線性特性對(duì)船舶設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)，并說明系統(tǒng)科學(xué)如何幫助應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。*挑戰(zhàn)：非線性導(dǎo)致系統(tǒng)行為難以預(yù)測(cè)（如參數(shù)共振、分岔、混沌）、控制困難（常規(guī)控制方法失效）、穩(wěn)定性分析復(fù)雜、系統(tǒng)容易失穩(wěn)、設(shè)計(jì)和仿真難度大。*系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)對(duì)：運(yùn)用非線性動(dòng)力學(xué)理論分析系統(tǒng)行為模式；建立能夠反映非線性的系統(tǒng)模型（如智能模型、分岔模型）；采用自適應(yīng)、魯棒或非線性控制策略；進(jìn)行多場(chǎng)景、多參數(shù)的系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)，探索臨界行為；應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)方法建立準(zhǔn)確的非線性模型。**解析思路:*首先詳細(xì)闡述非線性給船舶設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、控制等）帶來的具體困難和問題。然后重點(diǎn)論述系統(tǒng)科學(xué)提供了哪些理論、方法和工具（如非線性理論、模型建立、控制策略、仿真技術(shù)、系統(tǒng)辨識(shí)）來理解、分析和應(yīng)對(duì)這些非線性挑戰(zhàn)。2.以船舶推進(jìn)系統(tǒng)為例，闡述系統(tǒng)工程方法在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成中的重要性。*重要性：確保推進(jìn)系統(tǒng)各功能（動(dòng)力產(chǎn)生、傳遞、控制）明確、協(xié)調(diào)；優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)（串行、并行、混合）以平衡性能、成本、可靠性；明確子系統(tǒng)接口（物理、信息、控制）標(biāo)準(zhǔn)，保障集成順暢；通過早期集成測(cè)試暴露和解決設(shè)計(jì)缺陷；支持多學(xué)科團(tuán)隊(duì)有效協(xié)作；管理復(fù)雜性，降低集成風(fēng)險(xiǎn)。**解析思路:*以推進(jìn)系統(tǒng)為具體實(shí)例，說明系統(tǒng)工程方法（功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口管理、集成測(cè)試、團(tuán)隊(duì)協(xié)作）在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成階段如何發(fā)揮作用，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、協(xié)調(diào)性、可實(shí)施性和高性能。3.結(jié)合船舶智能化發(fā)展的趨勢(shì)，論述如何運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的理論和方法指導(dǎo)智能船舶的設(shè)計(jì)與開發(fā)。*指導(dǎo)作用：運(yùn)用系統(tǒng)思維構(gòu)建智能船舶的人-船-環(huán)境-信息融合系統(tǒng)模型；運(yùn)用建模與仿真方法驗(yàn)證智能決策算法（如自主航行、智能避碰）的性能和安全性；應(yīng)用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行智能化系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)（感知-決策-執(zhí)行）；運(yùn)用人因工程確保智能系統(tǒng)與船員的有效交互和協(xié)同工作；利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析智能船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、能效和環(huán)境影響；通過系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法綜合評(píng)估智能化水平。**解析思路:*結(jié)合智能船舶背景，論述系統(tǒng)科學(xué)的各分支理論（系統(tǒng)思維、建模仿真、系統(tǒng)工程、人因工程、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)）如何貫穿智能船舶的設(shè)計(jì)與開發(fā)全過程，從系統(tǒng)層面確保智能化系統(tǒng)的有效性、安全性、可靠性和人機(jī)和諧。四、分析題（15分）某大型郵輪在設(shè)計(jì)中面臨能源消耗過高、運(yùn)營成本高昂的問題。請(qǐng)運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)與工程的觀點(diǎn)，分析該問題的系統(tǒng)性根源，并提出可能的分析思路或優(yōu)化策略。要求說明分析過程中需要考慮的關(guān)鍵因素以及可能采用的系統(tǒng)方法或工具。*系統(tǒng)性根源分析:*能源消耗是多個(gè)子系統(tǒng)和因素相互作用的結(jié)果，而非單一原因。關(guān)鍵因素包括：推進(jìn)系統(tǒng)效率（主機(jī)類型、螺旋槳設(shè)計(jì)、軸系損失）、船舶總體設(shè)計(jì)（線型、尺度、浮性穩(wěn)性）、舾裝設(shè)備能耗（照明、空調(diào)、電梯、娛樂系統(tǒng)）、船舶操縱與航跡（速度選擇、航向變化頻率、風(fēng)浪影響）、船體附屬體阻力（污底、線列陣）、船員操作習(xí)慣、能源管理策略等。這些因素相互耦合，共同決定了總能耗。*系統(tǒng)性根源在于：缺乏對(duì)全船能源消耗的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)和優(yōu)化設(shè)計(jì)；各子系統(tǒng)間能源效率未協(xié)同優(yōu)化；運(yùn)營管理策略未能有效降低能耗；設(shè)計(jì)階段未能充分考慮環(huán)境因素對(duì)能耗的影響。*分析思路與策略:*分析思路:1.系統(tǒng)邊界界定:明確分析范圍，是全船能耗還是特定子系統(tǒng)（如推進(jìn)、輔機(jī)）。2.因素識(shí)別與量化:識(shí)別影響能耗的關(guān)鍵因素，并盡可能量化各因素對(duì)能耗的貢獻(xiàn)度。3.相互作用分析:分析各因素間的相互作用關(guān)系（如速度與操縱、主機(jī)負(fù)荷與軸系效率、舾裝與風(fēng)阻）。4.建模與仿真:建立船舶能源消耗系統(tǒng)模型（可簡化或詳細(xì)），模擬不同設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)營工況下的能耗表現(xiàn)。5.瓶頸識(shí)別:通過分析找出影響能耗的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)或因素（瓶頸）。*優(yōu)化策略:*系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面:優(yōu)化船舶總體線型與尺度；選用高效推進(jìn)系統(tǒng)（如混合動(dòng)力、燃料電池）；優(yōu)化軸系和減速器設(shè)計(jì)；減少船體附屬體阻力（如實(shí)施抗污底涂裝、優(yōu)化線列陣設(shè)計(jì)）；集成優(yōu)化舾裝設(shè)備，推廣節(jié)能技術(shù)（如LED照明、變頻空調(diào)）。*系統(tǒng)運(yùn)行層面:實(shí)施智能航行策略（如優(yōu)化航速曲線、利用風(fēng)/洋流）；建立精細(xì)化的船舶能源管理系統(tǒng)（BEMS），實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)和優(yōu)化能源分配；培訓(xùn)船員，推廣節(jié)能操作規(guī)程。