2025年大學《系統(tǒng)科學與工程》專業(yè)題庫——系統(tǒng)科學與工程在無人機技術中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在括號內）1.在分析無人機電池管理系統(tǒng)時，將電池、BMS（電池管理系統(tǒng)）、飛行控制系統(tǒng)、任務載荷視為一個整體進行研究，這主要體現(xiàn)了系統(tǒng)科學中的（）。A.系統(tǒng)性原則B.動態(tài)性原則C.局部最優(yōu)原則D.整體最優(yōu)原則2.對于一個多旋翼無人機的飛行控制子系統(tǒng)，其狀態(tài)方程通常屬于（）。A.靜態(tài)模型B.動態(tài)模型C.隨機模型D.預測模型3.在無人機集群任務規(guī)劃中，需要考慮各無人機之間的通信干擾、任務優(yōu)先級、能量消耗等因素，這主要涉及系統(tǒng)科學中的（）。A.線性系統(tǒng)理論B.非線性系統(tǒng)與復雜系統(tǒng)理論C.控制論D.信息論4.將無人機系統(tǒng)的開發(fā)過程劃分為需求分析、設計、實現(xiàn)、測試、部署等階段，并強調階段間的評審與反饋，這體現(xiàn)了（）。A.系統(tǒng)動力學方法B.系統(tǒng)工程方法論C.質量功能展開（QFD）D.灰色系統(tǒng)理論5.用于評估無人機在特定環(huán)境下的飛行安全概率，需要考慮氣象因素、機械故障、控制失誤等多種不確定性因素，此時可能需要運用（）。A.決策樹分析B.系統(tǒng)可靠性模型C.層次分析法（AHP）D.系統(tǒng)動力學仿真6.將無人機系統(tǒng)視為一個由飛行平臺、傳感器、數(shù)據(jù)鏈、任務載荷和控制系統(tǒng)等相互關聯(lián)的要素構成的集合，這主要運用了系統(tǒng)科學中的（）概念。A.系統(tǒng)邊界B.系統(tǒng)環(huán)境C.系統(tǒng)要素D.系統(tǒng)目標7.在進行無人機自主導航系統(tǒng)的設計時，需要反復迭代調整算法參數(shù)，并通過仿真和實際飛行測試驗證性能，這體現(xiàn)了系統(tǒng)工程中的（）原則。A.需求驅動原則B.迭代優(yōu)化原則C.風險規(guī)避原則D.標準化原則8.無人機掛載不同任務載荷（如相機、傳感器、貨物）會改變其飛行特性（如重量、中心矩），需要通過系統(tǒng)分析來評估其對整體性能（如續(xù)航時間、機動性）的影響，這屬于（）。A.系統(tǒng)需求分析B.系統(tǒng)結構分析C.系統(tǒng)效能分析D.系統(tǒng)故障分析9.為無人機航線規(guī)劃問題建立數(shù)學優(yōu)化模型，以最小化飛行時間或能耗為目標，并考慮禁飛區(qū)、空域限制等約束條件，這運用了（）的思想。A.系統(tǒng)工程B.運籌學C.控制論D.信息論10.對比不同品牌、不同型號的無人機，從性能、成本、可靠性、維護便捷性等多個維度進行綜合評價，最適合采用的方法是（）。A.敏感性分析B.回歸分析C.層次分析法（AHP）D.模糊綜合評價二、名詞解釋（每小題3分，共15分。請用簡潔的語言解釋下列名詞的含義）1.系統(tǒng)邊界2.系統(tǒng)反饋3.系統(tǒng)工程4.無人機系統(tǒng)生命周期5.系統(tǒng)效能三、簡答題（每小題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述系統(tǒng)思維在無人機集群協(xié)同作業(yè)中的重要性。2.簡述建立無人機飛行模型的主要目的和常用方法。3.簡述系統(tǒng)工程方法在無人機任務規(guī)劃中的應用流程。4.簡述影響無人機系統(tǒng)可靠性的主要因素。四、論述題（每小題10分，共30分。請圍繞以下主題展開論述）1.論述系統(tǒng)動力學方法如何應用于分析無人機電池系統(tǒng)的動態(tài)行為。2.結合無人機應用場景，論述如何運用系統(tǒng)分析方法進行無人機安全風險評估。3.論述系統(tǒng)思維對于提升無人機自主決策能力的重要性，并舉例說明。五、案例分析題（15分）假設某城市計劃利用無人機進行大規(guī)模環(huán)境監(jiān)測，任務需求包括：覆蓋城市主要區(qū)域、實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)（如空氣質量、噪聲水平）、具備一定的自主飛行能力。請運用系統(tǒng)科學與工程的相關知識，分析該無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構成要素、主要功能、可能面臨的挑戰(zhàn)（至少列舉3項），并提出至少1項運用系統(tǒng)科學思想進行系統(tǒng)優(yōu)化或設計的建議。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.B4.B5.B6.C7.B8.C9.B10.C二、名詞解釋1.系統(tǒng)邊界：指明系統(tǒng)與外部環(huán)境相互作用的分界線，它界定了系統(tǒng)內部要素、結構和功能，以及外部環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響范圍。明確系統(tǒng)邊界是進行有效系統(tǒng)分析的第一步。2.系統(tǒng)反饋：指系統(tǒng)輸出的一部分或全部，通過某種途徑重新作用于系統(tǒng)的輸入端，從而調節(jié)和影響系統(tǒng)后續(xù)行為的過程。反饋是系統(tǒng)具備自調節(jié)、自穩(wěn)定或自學習能力的內在機制。3.系統(tǒng)工程：是一門組織管理技術，旨在通過應用系統(tǒng)的思想、方法和工具，對系統(tǒng)的開發(fā)、運行和維護進行全過程的規(guī)劃、設計、實施、控制和評價，以達到在滿足需求的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)整體目標最優(yōu)化的目的。4.無人機系統(tǒng)生命周期：指無人機系統(tǒng)從概念提出、需求定義、設計研發(fā)、生產制造、部署運行、使用維護到最終退役處置的整個過程所經歷的一系列階段。5.系統(tǒng)效能：指系統(tǒng)在特定條件下，為完成預定任務所表現(xiàn)出的綜合能力或效果水平。通常包括完成任務的及時性、準確性、可靠性、生存性、成本效益等多個維度。三、簡答題1.系統(tǒng)思維在無人機集群協(xié)同作業(yè)中的重要性：系統(tǒng)思維強調整體性、關聯(lián)性和動態(tài)性。在無人機集群協(xié)同中，系統(tǒng)思維有助于從全局而非單個無人機的角度出發(fā)，理解各無人機、任務、環(huán)境之間的復雜互動關系。它有助于優(yōu)化集群的整體性能（如任務完成效率、資源利用率），而非僅僅追求單個無人機的性能最優(yōu)；有助于設計和實施有效的協(xié)同控制策略，處理集群內部的信息共享、任務分配、避障等問題；有助于識別和管理集群運行中的系統(tǒng)性風險和瓶頸，提升整個系統(tǒng)的魯棒性和適應性。2.建立無人機飛行模型的主要目的和常用方法：主要目的包括：預測無人機的飛行姿態(tài)和軌跡；為飛行控制系統(tǒng)提供設計依據(jù)；進行飛行性能分析（如穩(wěn)定性、操控性）；用于仿真測試和驗證飛行控制算法。常用方法包括：基于物理定律的建模方法（如牛頓-歐拉方程、六自由度動力學模型）；基于運動學的建模方法（簡化動力學約束）；基于控制理論的建模方法（如傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間模型）；利用數(shù)據(jù)驅動的方法（如利用飛行數(shù)據(jù)構建代理模型）。3.系統(tǒng)工程方法在無人機任務規(guī)劃中的應用流程：通常包括：任務需求分析與分解（明確任務目標、區(qū)域、時間、載荷等）；約束條件分析（空域、氣象、通信、電量、法規(guī)等）；可選方案生成（設計不同飛行路徑、編隊形式、作業(yè)模式）；方案評估與選擇（運用仿真、優(yōu)化算法等評估各方案的效能、風險、成本，選擇最優(yōu)或滿意方案）；任務計劃制定與細化（生成詳細的飛行計劃、通信計劃、任務指令）；計劃評審與調整（根據(jù)實際情況或仿真結果進行修正）。4.影響無人機系統(tǒng)可靠性的主要因素：飛行平臺機械結構完好性（如機身、旋翼、電機）；傳感器（如GPS、IMU、攝像頭）的精度和穩(wěn)定性；控制與導航系統(tǒng)的正確性；動力系統(tǒng)（電池、發(fā)動機）的性能和壽命；數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)定性和抗干擾能力；軟件系統(tǒng)的正確性和容錯性；任務載荷的可靠性和接口匹配性；環(huán)境因素（如溫度、濕度、風、電磁干擾）；人為因素（操作失誤、維護不當）；系統(tǒng)集成質量。四、論述題1.論述系統(tǒng)動力學方法如何應用于分析無人機電池系統(tǒng)的動態(tài)行為：系統(tǒng)動力學通過反饋回路和存量流量圖來模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為。分析無人機電池系統(tǒng)，可以識別關鍵存量（如電池荷電狀態(tài)SOC、電池溫度、電池老化程度）和流量（如充電電流、放電電流、自放電率、熱量產生與散失率）?？梢詷嫿ǚ答伝芈罚纾悍烹婋娏鬟^大導致SOC快速下降（負反饋，限制放電）；SOC過低觸發(fā)保護機制，停止放電（負反饋）；充電電流過大導致電池溫度升高，進而影響充電效率甚至安全（正反饋或負反饋，取決于閾值）；電池老化導致容量衰減，影響SOC表現(xiàn)和放電能力（負向外部沖擊，改變存量變化率）。通過仿真模型，可以模擬不同飛行任務、充電策略對電池SOC、溫度、壽命的影響，分析系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和潛在風險點，為優(yōu)化電池管理策略（如控制充放電速率、溫度管理）提供決策支持。2.結合無人機應用場景，論述如何運用系統(tǒng)分析方法進行無人機安全風險評估：系統(tǒng)安全風險評估是系統(tǒng)分析的重要應用領域。以無人機物流配送為例，運用系統(tǒng)分析方法進行風險評估需：首先，確定系統(tǒng)邊界和目標，明確安全風險是指導致人員傷亡、財產損失、環(huán)境破壞或任務失敗的事件。其次，進行危險源識別，運用故障樹分析（FTA）、事件樹分析（ETA）等方法，識別可能導致風險的硬件故障（如電機失控、電池燃爆）、軟件缺陷（如導航算法錯誤）、人為失誤（如操作員誤判）、環(huán)境因素（如惡劣天氣、鳥擊、電磁干擾）、外部威脅（如黑客攻擊、非法干擾）等。再次，分析風險發(fā)生的可能性和后果嚴重性，建立風險矩陣進行定性或定量評估。最后，基于評估結果，運用系統(tǒng)思維，從系統(tǒng)設計、運行管理、人員培訓等多個層面提出風險控制措施，如采用冗余設計提高系統(tǒng)可靠性、加強通信鏈路加密與抗干擾能力、建立完善的飛行前檢查與飛行后維護流程、對操作人員進行嚴格培訓等，并持續(xù)監(jiān)控和評審風險控制措施的有效性。3.論述系統(tǒng)思維對于提升無人機自主決策能力的重要性，并舉例說明：系統(tǒng)思維是提升無人機自主決策能力的基礎。傳統(tǒng)的自主決策可能基于局部優(yōu)化或預設規(guī)則，難以應對復雜、動態(tài)、不確定的環(huán)境。系統(tǒng)思維強調全局最優(yōu)、要素關聯(lián)和動態(tài)演化，有助于提升無人機自主決策的智能化水平。重要性體現(xiàn)在：能夠理解任務、環(huán)境、自身狀態(tài)之間的復雜互動，做出更符合整體目標的決策；能夠識別關鍵影響因素和潛在約束，預見決策的連鎖反應，避免次生問題；能夠整合多源信息，進行更全面、準確的環(huán)境感知和態(tài)勢判斷；能夠在資源有限（如電量、時間）的情況下，進行有效的權衡和優(yōu)化。舉例說明：在無人機集群協(xié)同搜索任務中，僅基于局部信息的無人機可能會各自為戰(zhàn)，效率低下甚至相互干擾。運用系統(tǒng)思維的自主決策系統(tǒng)，能夠考慮整個集群的狀態(tài)（如各無人機位置、電量、已搜索區(qū)域）、任務目標（如最大化搜索覆蓋率）、環(huán)境約束（如通信距離、禁飛區(qū)），通過分布式或集中式協(xié)同算法，動態(tài)地規(guī)劃各無人機的路徑和搜索策略，實現(xiàn)整體搜索效率的最優(yōu)，而不是單個無人機的局部最優(yōu)。五、案例分析題（本題為開放性題目，以下提供一個符合要求的分析示例）系統(tǒng)構成要素：該無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下要素構成：飛行平臺（提供動力和空中機動能力）、傳感器系統(tǒng)（如高光譜相機、氣體傳感器、噪聲傳感器等，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)）、任務載荷（可能包括數(shù)據(jù)存儲單元、應急通信設備等）、數(shù)據(jù)鏈（用于實時傳輸數(shù)據(jù)和接收指令）、導航與控制系統(tǒng)（實現(xiàn)自主飛行和定位）、地面站（用于任務管理、數(shù)據(jù)接收與處理、可視化展示）以及相關的軟件系統(tǒng)（任務規(guī)劃軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、用戶界面軟件）。主要功能：系統(tǒng)需具備自主規(guī)劃航線、按照規(guī)劃路線執(zhí)行飛行任務、實時采集指定區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)、將采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈傳輸回地面站、具備一定的環(huán)境感知和避障能力、具備安全返航能力?？赡苊媾R的挑戰(zhàn)：1.復雜環(huán)境下的自主導航與避障：城市環(huán)境通常存在高樓遮擋、動態(tài)障礙物（行人、車輛）、信號干擾等問題，對無人機的自主定位精度和避障能力提出很高要求。2.多傳感器數(shù)據(jù)融合與處理：需要融合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，進行校正、融合與解譯，以獲取全面、準確的環(huán)境信息，這對傳感器的標定、數(shù)據(jù)融合算法提出了挑戰(zhàn)。3.長時續(xù)航與能源管理：大規(guī)模監(jiān)測通常需要較長的飛行時間，對電池容量、能量效率以及自主能源管理（如尋找合適地點降落充電）提出挑戰(zhàn)。4.數(shù)據(jù)傳輸與存儲：實時傳輸大量環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)（特別是高光譜、高分辨率圖像）對數(shù)據(jù)鏈帶寬和穩(wěn)定性要求高，同時地面站需要具備相應的存儲和計算能力。5.環(huán)境適應性與可靠性：無人機需能在城市復雜的氣象條件（如風、雨、霧）下穩(wěn)定工作，系統(tǒng)本身需具備高可靠性。系統(tǒng)優(yōu)化建議：運用系統(tǒng)工程的集