系统建模与系统分析详解课件

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1、第三章 系统建模与系统分析第三章3 3 1 1 系 统 模 型 概 述系 统 模 型 概 述3 3 2 2 系 统 建 模 方 法系 统 建 模 方 法3 3 3 3 系 统 分 析 概 述系 统 分 析 概 述3 3 4 4 系 统 分 析 应 用系 统 分 析 应 用第三章n例：1853年，英国制造的远洋轮船“大东方号”下水了。当时“大东方号”轮船的豪华气派是前所未有的。然而好景不长，“大东方号”首次航行就失败了。原来，蒸汽机的动力过小，不能满足船体运动的需要，水加器发生了爆炸，造成10人伤亡。这样，“大东方号”没有能够到达东方，后来被用来承担铺设海底电缆的任务了。为什么要进行系统建模？为

2、什么要进行系统建模？3.1 系统模型概述第三章n参加过“大东方号”轮船设计的工程师弗德吸取了该船的经验教训，此后他在设计新船之前，先制造一个模型船放在水槽中的铁轨上。计算模型船所遇到的阻力，然后根据这些试验数据的相似关系计算真船需要多大马力来驱动，最后再制造新船。由于真船的实际数据与由使用模型船计算出的数据十分接近，使这一方法成为造船工业上大家公认的好方法。而这种方法就是系统科学中的模型方法。第三章n从所列举的事例，可以看出研究、设计、制造一个复杂的系统，直接利用经验的方法是不行的，而通过模型方法往往能帮助我们完成任务。n系统的复杂性要求建模，借助系统模型对系统进行定量、定性分析。系统模型是系

3、统工程解决问题的必要工具，系统建模与系统分析是系统工程人员必备的手段。第三章系统模型是系统某方面本质属性的描述，它以某种确定系统模型是系统某方面本质属性的描述，它以某种确定形式（文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关形式（文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于该系统的知识。于该系统的知识。它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的它表明了有关因素间的相互关系它表明了有关因素间的相互关系3.1.1系统模型的定义与特征定义定义特征特征它是现实系统的抽象或模仿它是现实系统的抽象或模仿第三章第三章ABCDEFABCDEF甲甲*乙乙*丙丙*丁丁*戊戊*己己

4、*第三章第三章模型的本质、作用及地位模型的本质、作用及地位 1.本质本质：利用模型与原型之间某方面的相似关系，在：利用模型与原型之间某方面的相似关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。到关于原型的一些信息。 2.作用：作用：模型本身是人们对客体系统一定程度研究模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、结果的表达。这种表达是简洁的、 形式化的。形式化的。模型提模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现

5、。对科学规律、理论、原理的发现。利用模型可以进行利用模型可以进行“思想思想”试验。试验。 3.地位地位：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。配合时，模型的作用才能充分发挥。第三章3.1.2 使用系统模型的必要性人类认识和改造客观世界的研究方法，一般来说主要有三种，即实实实实验验验验法法法法、抽抽抽抽象象象象法法法法、模模模模型法型法型法型法。第三章内容描述特点实验法直接对系统进行科学实验局限性大抽象法把系统抽象为理论概念，然后

6、进行推理判断缺乏实体感模型法在对系统进行抽象的基础上，进行模型化，通过模型来对系统进行研究避免了实验法与抽象法的缺点三种系统研究方法对比三种系统研究方法对比第三章使用系统模型的具体优点使用系统模型的具体优点(5大优点大优点)系统开发的需要经济安全开发新系统时，系统未建立前，只能通过模型来对系统的性能进行预测。对大型复杂系统直接进行实验，成本高，使用模型则要经济许多。对一些危险系统，只能通过模型法来研究。 第三章节约时间易操作、易理解社会、经济、生态等系统，由于惯性大、周期长，对其直接实验需要很长时间，而使用模型进行分析，很快就可得到结果。由于系统模型突出了研究目的所要关注的主要特征，因此容易得

7、到结果，而且在系统模型上进行参数修正也很容易。第三章3.1.3 系统模型的分类系统种类繁多，作为系统的描述 系统模型的种类也是很多的。表31列出了按不同原则分类的系统模型，从中我们可以了解系统模型的多样性。第三章第三章一般将系统模型分为物物物物理理理理模模模模型型型型、文文文文字字字字模模模模型型型型和和和和数数数数学学学学模模模模型型型型三大类，其中物理模型与数学模型又可分为若干种。实体模型现实系统比例模型相似模型文字模型物理模型增加研究的速度修改的方便性抽象性网络模型图表模型逻辑模型解析模型数学模型现实性建模时间建模费用减少第三章3.1.4 使用数学模型的好处定量分析的基础系统预测和决策的

8、工具可变性好、适应性强，经济快速、便于使用计算机第三章3.2 系统建模方法3.2.1 对系统模型的要求现实性模型要反映系统的客观实际简明性模型在反映系统的客观实际基础上，尽量做到简明标准化模型尽量做到化，便于通用第三章3.2.2 系统建模应遵循的原则尽量使用标准模型切题模型只应包括与研究目的有关的内容，而不是对象系统的所有方面清晰大型复杂系统模型由许多子模型组成，子模型之间的关系应尽量清晰精度要求适当建模应视研究目的和使用环境的不同，选择适当的精度等级第三章3.2.3 系统建模的主要方法推理法适合于内部结构、特征已清楚的系统（“白箱”系统），用已知的定律和定理进行分析、推理。1实验法适合于内部

9、结构、特征不清楚的系统（“黑箱”或“灰箱”系统），用实验方法测量其输入和输出，得到系统模型。2统计分析法3适合于无法进行实验的“黑箱” 系统，用数据收集和统计分析的方法，得到系统模型。混合法4类似法5建造原型系统的类似模型。第三章 明确建模的目的和要求 以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差； 对系统进行一般语言描述 因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础； 弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系） 以便使模型准确表示现实系统； 确定模型的结构 这一步决定了模型定量方面的内容； 估计模型的参数 用数量来表示系统中的因果关系； 实验研究 对模型进行实验研究，进行真实

10、性检验，以检验模型与实际系统的符合性； 必要修改 根据实验结果，对模型作必要的修改。 3.2.4 系统建模的主要步骤第三章3.2.5系统工程模型技术的新进展 随随着着系系统统工工程程理理论论的的发发展展和和应应用用不不断断深深入入，系系统统工工程程所所研研究究的的问问题题越越来来越越多多地地涉涉及及复复杂杂系系统统、非非线线性性系系统统，传传统统的的模模型型方方法法已已经经不不能能适适应应这这种种研研究究的的需需要要，规规划划论论、“硬硬”的的优优化化技技术已经很难应对这种局面。术已经很难应对这种局面。 随随着着信信息息技技术术和和计计算算机机智智能能化化的的发发展展，针针对对这这种种情情况况

11、，ZadehZadeh提提出出了了一一种种新新的的方方法法软软计计算算(soft computing)(soft computing)。 第三章 软计算不是一个单独的方法论，而是一个方软计算不是一个单独的方法论，而是一个方法的集合，在这个集合中的主要成员包括模糊逻法的集合，在这个集合中的主要成员包括模糊逻辑控制辑控制(fuzzy logic control)(fuzzy logic control)、神经网络、神经网络(neural network)(neural network)、近似推理以及一些具有全局、近似推理以及一些具有全局优化性能且通用性强的巨集式启发式算法优化性能且通用性强的巨集式

12、启发式算法（meta-heuristicmeta-heuristic），如遗传算法），如遗传算法(genetic (genetic algorithms, GA)algorithms, GA)、模拟退火算法、模拟退火算法(simulated (simulated annealing, SA)annealing, SA)、禁忌搜索算法、禁忌搜索算法(taboo search, (taboo search, TS)TS)、蚁路算法、蚁路算法(ant system, AS)(ant system, AS)等。等。这些方法这些方法的特点是他们更多地借鉴了生物原理和人的思维，的特点是他们更多地借鉴了生物

13、原理和人的思维，因此有人也称之为因此有人也称之为“拟人拟人”方法。更适应于解决方法。更适应于解决管理、经济和复杂的工程大系统问题。管理、经济和复杂的工程大系统问题。 第三章3.3 系统分析概述系系系系统统统统分分分分析析析析（System System AnalysisAnalysis）作作作作为为为为一一一一门门门门分分分分析析析析技技技技术术术术，主主主主要要要要起起起起源源源源于于于于美美美美国国国国的的的的一一一一些些些些军军军军事事事事研研研研究究究究机机机机构构构构。早早早早在在在在19451945年年年年，美美美美国国国国的的的的道道道道格格格格拉拉拉拉斯斯斯斯公公公公司司司司，

14、组组组组织织织织了了了了各各各各方方方方面面面面的的的的科科科科学学学学家家家家，其其其其目目目目的的的的是是是是向向向向空空空空军军军军方方方方面面面面提提提提出出出出有有有有关关关关技技技技术术术术和和和和设设设设备备备备的的的的建建建建议议议议，当当当当时时时时称称称称为为为为“ “兰兰兰兰德德德德计计计计划划划划” ”，最最最最初初初初只只只只有有有有4 4个个个个人人人人参参参参加加加加，后后后后来来来来正正正正式式式式成成成成立立立立了了了了兰兰兰兰德德德德公公公公司司司司。他他他他们们们们没没没没有有有有实实实实验验验验室室室室，不不不不制制制制造造造造硬硬硬硬件件件件，在在在在

15、长长长长期期期期的的的的研研研研究究究究与与与与开开开开发发发发中中中中，发发发发展展展展了了了了今今今今天天天天被被被被称称称称之之之之为为为为“ “系系系系统统统统分分分分析析析析” ”的的的的科科科科学学学学方方方方法法法法，其其其其主主主主要要要要目目目目的的的的是是是是如如如如何何何何使使使使系系系系统统统统的的的的整整整整体体体体效效效效应应应应达达达达到最优化。到最优化。到最优化。到最优化。第三章如今，兰德公司的研究范围已从最初的军事、外交事务扩大到经济、交通、通讯等公共事务的各个方面。系统分析方法也从改善武器装备系统，走向了经济管理、社会发展等各个域。 第三章3.3.1 系统分

16、析的定义目前对于系统分析的解释有广义与狭义之分。广广广广义义义义的解释是把系统分析作为系统工程的同义语，认为系统分析就是系统工程。狭狭狭狭义义义义的解释是把系统分析作为系统工程的一个逻辑步骤，系统工程在处理大型复杂系统的规划、研制和运用问题时，必须经过这个逻辑步骤。第三章 系统分析（系统分析（SASA）是在对系统问题现状是在对系统问题现状及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预及目标充分挖掘的基础上，运用建模及预测、优化、仿真、评价等方法，对系统的测、优化、仿真、评价等方法，对系统的有关方面进行定性与定量相结合的分析，有关方面进行定性与定量相结合的分析，为决策者选择满意的系统方案提供决策依为决策者

17、选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。据的分析研究过程。 SASA是是SESE的核心内容、分析过程和基本方法。的核心内容、分析过程和基本方法。 第三章3.3.2 系统分析的要素系统分析的基本7要素有：目标、可行方案、费用、模目标、可行方案、费用、模目标、可行方案、费用、模目标、可行方案、费用、模型、效果、准则和结论型、效果、准则和结论型、效果、准则和结论型、效果、准则和结论。费用系统分析系统分析7要素要素模型效果准则结论目标方案第三章A1A2A4A5A3（+）（-）研究研究评价评价A1A2A4A5A3目标方案模型准则效益费用结论第三章3.3.3 系统分析的原则当前利益与长远利益相结合（

18、当前利益服从长远利益）定性分析与定量分析相结合局部效益与总体效益相结合(例如企业的减员增效)内部因素与外部因素相结合一般把内部因素选为决策变量，把外部因素作为约束条件。第三章3.3.4 系统分析的要点与步骤要点5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是方法是做好系统分析的基本要点。做好系统分析的基本要点。定定定定量量量量分分分分析析析析是指采用数学模型进行的数量指标的分析，但是一些政治因素与心理因素、社会效果与精神效果目前还无法建立数学模型进行定量分析，只能依靠人的经验和判断力进行定性分析定性分析定

19、性分析定性分析。第三章(1) 任务的对象是什么？即要干什么？(WhatWhat)(2) 这个任务何以需要？即为什么这样干？(WhyWhy)(3)它在什么时候和什么样的情况下使用？即何时干？(WhenWhen)(4) 使用的场所在哪里？即在何处干？(WhereWhere)(5) 是以谁为对象的系统？即谁来干？(WhoWho)(6) 怎样才能解决问题？即如何干？(HowHow)第三章明确明确问题问题确定确定目标目标探索探索方案方案建立模型建立模型优化或优化或仿真仿真分析分析系统系统评价评价决策决策（分析）（分析）NY步骤第三章案例案例: : 企业与系统管理案例企业与系统管理案例 海尔海尔OECOE

20、C管理法管理法nOOverall；EEverything，Everyone ，Everyday； CControl and clear OEC全方位地对每个人每一天的所做的每全方位地对每个人每一天的所做的每件事进行控制和清理，即件事进行控制和清理，即“日事日毕，日日事日毕，日清日高清日高”，总账不漏项，事事有人管，人，总账不漏项，事事有人管，人人都管事，管事凭效果，管人凭考核。人都管事，管事凭效果，管人凭考核。第三章nOEC管理是一种典型的系统管理，体现了管理是一种典型的系统管理，体现了系统整体与元素的关系。系统整体与元素的关系。n张瑞敏比喻：海尔好比一座雄伟的大厦，张瑞敏比喻：海尔好比一座雄

21、伟的大厦，海尔员工每人都有自己负责的一块玻璃，海尔员工每人都有自己负责的一块玻璃，没有精彩的细部，就没有雄伟壮观的全局，没有精彩的细部，就没有雄伟壮观的全局，没有干净的每一块玻璃，就没有亮丽的整没有干净的每一块玻璃，就没有亮丽的整个大厦。个大厦。第三章3.3.4 系统分析的方法方方法法分分类类定量法定量法：适用于系统内部结构清楚，收：适用于系统内部结构清楚，收集到的信息准确，可建数学模型等情况。集到的信息准确，可建数学模型等情况。常用方法有：投入产出分析法、效益成常用方法有：投入产出分析法、效益成本分析法等。本分析法等。定性法定性法：适用于系统内部结构不清，收：适用于系统内部结构不清，收集到的

22、信息不准确，难建数学模型等情集到的信息不准确，难建数学模型等情况。常用方法有：目标况。常用方法有：目标手段分析法、手段分析法、因果分析法、因果分析法、KJ法等法等第三章一、目标一、目标手段分析法手段分析法将要达到的目标和手段按系统展开，一级手段等于二级目标、二级手段等于三级目标、依次类推，形成分层目标系统。发展能源发展能源生产开发新能源节能资源勘探基地建设运输太阳能生物能潮汐能综合利用节能设备手段手段手段手段目标目标目标目标手段手段手段手段目标目标目标目标目标目标目标目标图34 发展能源的目标手段分析图第三章第三章举例：举例：（改善大学生就业问题）（改善大学生就业问题）改善就业用人单位对策大学

23、生对策 高校对策 科学的人才观 合理选人标准科学招聘程序 提高综合素质 加强社会实践 正确就业定位 提高办学水平 调整专业结构 手段手段手段手段目标目标目标目标手段手段手段手段目标目标目标目标目标目标目标目标社会政府对策 发展经济 扩大入伍 、研究生就业服务体系 第三章二、因果分析法二、因果分析法因果分析法是通过因果分析法是通过因果图因果图表现出来，因果图又称特性要因图、鱼表现出来，因果图又称特性要因图、鱼刺图或石川图，它是刺图或石川图，它是1953年在日本川琦制铁公司，由年在日本川琦制铁公司，由质量管理质量管理专家专家石川馨石川馨最早使用的，是为了寻找产生某种质量问题的原因，最早使用的，是为

24、了寻找产生某种质量问题的原因，发动大家谈看法，做分析，将群众的意见反映在一张图上，就是发动大家谈看法，做分析，将群众的意见反映在一张图上，就是因果图。用此图分析产生问题的原因，便于集思广益。因为这种因果图。用此图分析产生问题的原因，便于集思广益。因为这种图反映的因果关系直观、醒目、条例分明，用起来比较方便，效图反映的因果关系直观、醒目、条例分明，用起来比较方便，效果好，所以得到了许多企业的重视。果好，所以得到了许多企业的重视。 x2x1x3xixnyx21x22x11x12第三章第三章举例举例( (某门课学习成绩差某门课学习成绩差) )第三章三、三、KJKJ法法1) 原理日本东京大学川喜田二郎

25、(Kauakida Jir)教授开发。其原理为：把一个个信息做成卡片，将卡片摊在桌子上观察其全部，把有“亲近性”的卡片集中起来合成为子问题，依次做下去，准后求得问题的整体构成。第三章2）KJ法的运用范围KJ法的应用范围很广，常用于以下生产管理活动中：迅速掌握未知领域的实际情况，找出解决问题的途径。对于难以理出头绪的事情进行归纳整理，提出明确的方针和见解。通过管理者和员工的一起讨论和研究，有效地贯彻和落实企业的方针政策。成员间互相启发，相互了解，促进了为共同的目的的有效合作。 在全面质量管理活动中，KJ法是寻找质量问题的重要工具 第三章3）KJ法的实施步骤 1.准备 主持人和与会者47人。准备好

26、黑板、粉笔、卡片、大张白纸、文具。 2.头脑风暴法会议 主持人请与会者提出3050条设想，将设想依次写到黑板上。 3.制做卡片 主持人同与会者商量，将提出的设想概括23行的短句，写到卡片上。每人写一套。这些卡片称为“基础卡片”。 4.分成小组 让与会者按自己的思路各自进行卡片分组，把内容在某点上相同的卡片归在一起，并加一个适当的标题，用绿色笔写在一张卡片上，称为“小组标题卡”。不能归类的卡片，每张自成一组。 第三章5.并成中组 将每个人所写的小组标题卡和自成一组的卡片都放在一起。经与会者共同讨论，将内容相似的小组卡片归在一起，再给一个适当标题，用黄色笔写在一张卡片上，称为“中组标题卡”。不能归类的自成一组。 6.归成大组 经讨论再把中组标题卡和自成一组的卡片中内容相似的归纳成大组，加一个适当的标题，用红色笔写在一张卡片上，称为“大组标题卡”。 7.编排卡片 将所有分门别类的卡片，以其隶属关系，按适当的空间位置贴到事先准备好的大纸上，并用线条把彼此有联系的连结起来。如编排后发现不了有何联系，可以重新分组和排列，直到找到联系。8.确定方案 将卡片分类后，就能分别地暗示出解决问题的方案或显示出最佳设想。经会上讨论或会后专家评判确定方案或最佳设想。 第三章3.4 系统分析应用实例3.4.1 美军F-10B飞机武器选型系统分析3.4.2 阿拉斯加原油输送方案系统分析