（控制科学与工程专业论文）决策分析系统在网络控制中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文尝试将决策分析系统与网络控制系统相结合，用决策分析的方法对网 络控制中的数据打包方案进行选择，以便得到较高网络利用率与良好网络控制 效果相结合的数据打包方案。本文在自动化工程实验室的网络控制平台上，对 f e s t o 过程控制设备进行了控制实验，建立了决策问题的模型，并选用层次分 析法对系统进行多目标决策分析，取得了预期的效果。本文主要完成了如下工 作： 一、决策分析系统在基于时间片数据打包的网络控制系统中的应用。首先 介绍了决策分析系统的概念、分类、原则和基本程序等。然后针对网络控制系 统和时间片数据打包算法的特点，选取层次分析法作为多目标决策分析的方法， 对数据打包方案的选择进行决策，主要包括问题分析、模型建立、评价规则量 化、权系数的确定及计算等。 二、网络控制平台的硬件与软件设计。硬件方面，搭建了基于客户端一服 务器网络模型的以太局域网络控制硬件平台。软件方面，编写了服务器端( 运 行于局域网的p c 机上) 与客户端( 运行于工控机上) 的软件程序。客户端程 序实现功能为控制系统状态量的采集和打包，控制量包的接收、解包和输出等； 服务器端程序实现功能为接收和发送数据包、数据处理、控制算法和决策分析 算法的实现等。 三、数据打包对比实验及其决策分析。利用搭建好的网络控制系统平台， 用p i d 控制加线性插值的方法对f e s t o 的液位子系统进行控制，得到不同打 包方案下的控制效果和近似网络利用效率。然后利用层次分析法对建立好的打 包问题模型进行决策分析，比较不同偏好的决策者可能做出的打包方案决策， 分析环境和不同偏好对决策分析的影响。 本文在决策分析系统与网络控制系统的结合上做了一些尝试，提出了利用 决策分析的方法对网络控制数据打包算法中打包方案进行分析和决策的思想， 取得了令人满意的效果。 关键词：例络控制，数掘打包算法，决策分析，层次分析法 a b s t r a c t h i st h e s i sa t t e m p t st o a p p l yd e c i s i o na n a l y s i st h e o r y i n t ot h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m d e c i s i o na n a l y s i st h e o r yi sa p p l i e dt of i l t e rt h ed a t a p a c k i n gs c h e m e f o rn e t w o r k e dc o n t r o l ，s oa st oo b t a i nt h eo p t i m a ls c h e m e o nt h en e t w o r k e dc o n t r o l p l a t f o r mo fa u t o m a t i ce n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y , t h ed a t a p a c k i n ge x p e r i m e n ti sd o n e b yf e s t op r o c e s sc o n t r o le q u i p m e n t ，t h e nt h em o d e lo fm u l t i c r i t e r i ad e c i s i o n a n a l y s i sp r o b l e mi se s t a b l i s h e da n da n a l y z e db ya h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) t h et a s k sa c h i e v e da r ea sf o i l o w s ： 1 d e c i s i o na n a l y s i ss y s t e mj sa p p l i e di nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t h ed a t a p a c k i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ec o n c e p t ，c l a s s i f i c a t i o n ，p r i n c i p l ea n db a s i c p r o c e s so fd e c i s i o na n a l y s i sa r ed e s c r i b e d t h e nt h es y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d ， a n a l y z e da n dc o m p u t e db ya h r 2 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h en e t w o r k e dc o n t r o lp l a t f o r ma r ed e s i g n e d a sf o rh a r d w a r e ，t h ee t h e m e tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec l i e n t - s e v e rn e t w o r k m o d e l ，i n c l u d i n gc l i e n t ，s e r v e ra n df e s t os y s t e m ，i se s t a b l i s h e d a sf o rs o f t w a r e ， c o l l e c t i n ga n dp a c k i n gs t a t ed a t am o d u l e ，u n p a c k i n ga n do u t p u t t i n gc o n t r o l l e d q u a n t i t ym o d u l ea r ei n c l u d e di nt h ec l i e n tp r o g r a m r e c e i v i n ga n ds e n d i n gd a t a p a c k sm o d u l e ，p r o c e s s i n gd a t am o d u l e ，s y s t e mc o n t r o la l g o r i t h mm o d u l ea n d d e c i s i o na n a l y s i sa l g o r i t h mm o d u l ea r ei n c l u d e di nt h es e r v e rp r o g r a m 3 ，p 1 dc o n t r o lm e t h o di s a p p l i e dt o c o n t r o lt h ef e s t os y s t e mo nt h e n e t w o r k e dc o n t r o lp l a t f o r m ，t h ec o n t r o lr e s u l t so fd i f f e r e n td a t a p a c k i n gs c h e m e s a r ec o m p a r e d t h e na h pi su s e dt oa n a l y z et h ee s t a b l i s h e dd a t a - p a c k i n gm o d e l t h e e f f e c to fe n v i r o n m e n ta n dd i f f e r e n tp r e f e r e n c et od e c i s i o na n a l y s i si sc o m p a r e da n d a n a l y z e d t h i st h e s i sa t t e m p t st oa p p l yt h ed e c i s i o na n a l y s i st h e o r yi n t ot h en e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m an e wi d e a ，w h i c hu s e sd e c i s i o na n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z ea n d d e c i d et h ep a c k i n gs c h e m ei nt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e d a t a - p a c k i n ga l g o r i t h m ，i sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o l ，d a t a - p a c k i n ga l g o r i t h m ，d e c i s i o na n a l y s i s ，a h p 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其他手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彳蹿敏 似年弓月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文= = 迭筮佥扭丕统在圆终控制史的廛 厦班宜：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：撤复 2 0 0 5 年3 月1 日 第l 章绪论 1 1 工业过程控制的发展 第1 章绪论 工业过程控制通常是指石油、化工、冶金、电力、轻工等工业生产部门生 产过程的自动控制。工业过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、湿 度、压力、流量、液位、粘度以及p h 值等过程变量的系统。 工业过程控制系统的特点表现在1 2 j ： 1 1 信号的采集点和控制点多。对于一个复杂的工业过程控制系统来讲， 这些点多达上万个。 2 ) 被控过程的多样性。被控过程的动忿特性一般具有大惯性、大时延、 多变量分前i 参数以及非线性等。 3 ) 控制方案的多样性。除了定值控制、串级控制、前馈控制等常规控制 外，还可以采用自适应控制、预测控制、模糊控制等新型控制方案， 以便适应被控过程的多样性和获取尽可能佳的控制效果。 4 ) 控制区域分散。对于石油、化工、冶金、电力、轻工等工业部门来说， 生产过程分散造成控制室往往距采样点、控制点较远，控制区域分散。 当工业过程控制技术由分立设备向共享设备发展、自动化技术由模拟仪表 向智能仪表发展、计算机网络技术向现场延伸时，工业过程控制技术( 按控制 手段来分) 同时经历了5 个发展阶段，即人工控制阶段、模拟仪表控制系统阶 段( 5 0 年代开始) 、计算机集中监督控制系统阶段( 6 0 年代开始) 、分散控制系 统d c s 阶段( 7 0 年代开始) 和现场总线控制系统f c s 阶段( 9 0 年代开始) 1 3 】。 当前广泛应用的是现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。然 而，现场总线控制系统在实现了资源共享的同时也存在着一些不足。在工业控 制领域，网络控制也出现了新的发展方向，以下分别详述。 1 2 现场总线技术的发展状况 现场总线是近年来迅速发展起来的一种l 业数据总线，它主要解决工业现 场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备问的数字通信以及这些现 场控制设备和高级控制系统之间的信息传递叫题。所以现场总线既是通信网络， 义是自摔网络。它作为通信网络，所传递的足接通、关断电源及r 天阀门的指 第1 章绪沦 令与数据，直接关系到处于运行操作过程之中的设备和人身的安全，要求信号 在粉尘、噪声和电磁干扰等较为恶劣的环境下能够准确及时到位，同时还具有 节点分散、报文简短等特性。它作为自动化系统，在系统结构上发生了较大变 化，其显著特性是通过网络信号的传送联络，可由单个节点也可由多个网络节 点共同完成所要求的自动化功能，这是一种由网络集成的自动化系统【”。 按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义，现场总线是“安装在制造和过 程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行、多点通 信的数据总线”。简单的说就是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总 线。它是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。可以认为， 现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备如调节阀、变 送器、基地式控制器、记录仪、显示器、可编程逻辑控制器( p l c ，p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) 及手持式终端等和控制系统之间，通过同一总线进行双向多 变量数字通信p l 。f c s 控制系统打破了d c s 控制系统的结构形式。d c s 控制 系统采用一对一的设备连线，按控制回路分另进行连接。位于现场的测量仪表 与位于控制室的控制器之间，控制室的控制器与位于现场的调节阀、泵、马达 等设备之间均为一对一的物理连接。f c s 系统由于采用了智能现场设备，能够 把d c s 系统中处于控制室的控制模块和各输入输出模块置入现场设备，加上现 场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与调节阀等执行器直接通信， 使控制系统的功能可不依赖于控制室的计算机或控制仪表直接在现场完成，从 而实现了彻底的分散控制。 f c s 克服了传统d c s 的许多缺点，对自动控制系统的体系结构、设计安装 系统集成等方面产生深远影响，使控制系统的体系结构向开放性、网络化方向 发展。现场总线发展群雄并起，目前已经开发出4 0 多种现场总线如i n t e r b u s 、 b i t b u s 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c e n t 、p n e t 、f i p 、i s p 等，其中最有影响力 的有f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 等。 但目前的现场总线技术还存在着很大的不足，主要表现在迄今为止现场总 线的通讯标准尚未统一，各种总线都有其产生的背景和主导应用领域，使得各 厂商的仪表设备难以在不同的f c s 中兼容。此外，f c s 的传输速率也不尽人意， 以基金会现场总线( f f ) 汇在制定的困际标准为例，它采用了i s o 参考模型巾 的3 层( 物理层、数据链路层和应用层) 和极具特色的用户层，其低速总线h i 的传输速度为3 1 2 5 k b p s ，高速总线h 2 的传输速度为1 m b p s 或2 5 m b p s ，这在 有些场合下仍尤法满足实时控制的要求。山于上述原因，使f c s 在1 _ 业控制中 的推广应川受到r 一定的限制。国际现场总线丛金会( f f ) 在制定其高速现场 第1 章绪论 总线标准时，直接采用1 0 0 m 的e t h e r n e t 作为其h s e 数据链路层标准，而p n o 也正努力把工业以太网和p r o f i b u s 组合成新现场总线的方案，这些为我们开 辟了一个新的起点。 1 3 网络控制系统概念的提出与现状 分布式控制系统可以分为现场总线控制系统和网络控制系统，前者可以看 作是后者的初级阶段【4 1 。在网络结构方面，n c s 和f c s 并没有区别，都是总线 网络，多个节点共享信道，用来传输实时或非实时数据；但两者定义的侧重点 不同，f c s 侧重的是节点之问实时或非实时数据的传输和共享，而n c s 则强调 在通信网络上建立闭环控制回路，由此可见，n c s 中的网络是一个广义的范畴， 包括了f c s ，但不局限于f c s ，还可以包括工业以太网、无线通信网络、甚至 i n t e m e t ，这也是与网络技术的发展相适应的【5 1 。 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ”最早出现在马里兰大学gc w a l s h 的论著 中。清华大学的顾洪军给出了明确的定义：网络控制系统( n c s ) ，又称为网络 化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场 检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使 该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系 统包括狭义的在内，而且还包括通过企业信息网络蛆及i n t e r n e t 实现对工厂车 间、生产线甚至现场设备的监视与控伟4 等。 网络控制系统一般有两种理解，一种是对网络的控制( c o n t r o lo f n e t w o r k ) ； 另一种是通过网络传输信息的控制系统( c o n t r o lt h r o u g hn e t w o r k ) 1 6 。这两种 系统都离不开控制和网络，但侧重点不同。前者是指对网络路由、网络数据流 量等的调度与控制，是对网络自身的控制，可以利用运筹学和控制理论的方法 来实现【7 l ；后者是指控制系统的各节点( 传感器、控制器、执行器等) 之间的 数据不是传统的点对点式的，而是通过网络来传输的，是一种分布式控制系统， 可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。 将计算机网络系统应用于控制系统中代替传统的点对点( p o i n tt op o i n t ) 式 的连线，具有简单、快捷、连线减少、可靠性提高、容易实现信息共享、易于 维护和扩展、降低费用等优点睥j 。f 因为如此，近几年来以现场总线为代表的 网络拧制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。 但控制网络在具备多重优点的同时，也其有一些很明显的缺点和急待解决 的问题f 9 】= 第1 章绪论 各种通信协议没有统； 和广泛采用的t c p h p 协议不兼容，其问需复杂的转换 端到端( e n dt oe n d ) 的通信延迟； 网络的拥塞现象、误码和丢包问题。 1 4 以太网在网络控制领域的应用前景 以太网是目前应用最广泛的计算机网络技术，是商业管理网络的首要选择， 其在开放性、易维护性、升级能力、与i n t e r n e t 集成等方面与其他控制网络相 比有绝对优势，其应用于工业控制领域，将能够实现控制网络和信息网络的无 缝连接。所以以太网应用于工业控制领域有其独特的优势。 在没有任何标准化组织支持的情况下，e t h e r n e t 在工业自动化和工业过程 控制市场上正在迅速成长。e t h e m e t 最初是由美国x e r o x 公司、d e c 公司和i n t e l 公司开发的局域数据通信网。建立该网的目的是把它视为分布式处理和办公室 自动化应用方面的工业标准。过去一直认为，e t h e r n e t 是为r r 领域的应用而歼 发的，在工业自动化领域只能得到有限的应用。然而，随着网络技术的发展， e t h e m e t 迅速进军工业自动化。主要原因有： 1 1 低成本的刺激。与现场总线的设备相比，e t h e r n e t 的相关设备价格很低。 2 】速度的提高。e t h e r n e t 从最初的1 0 m b p s 发展到l o o m b p s ，目前已经有 超过1 0 0 0 m b p s 的产品了。f f 的高速以太网( h s e ) 定义为1 0 0 m b p s 。 目前，p r o f i b u s ，d e v i c e n e t ，c o n t r o l n e t 和l o n w o r k s 等都打算使用e t h e r n e t 。 美国电子电气工程师协会( 1 e e e ) 目前正在着手制定现场装置与e t h e m e t 通信 的新标准。这些： 作都为e t h e r n e t 进入工业现场控制创造了条件。由此可见， 像当年p c 进入工业自动化领域一样，e t h e r n e t i p 也将会十分迅速地进入工业控 制系统的各级网络。 但是在以以太网为基础的在网络控制中存在两个特殊的问题： 一是以太网采用的冲突检测协议当网络上的多点同时发送时将产生网络冲 突，当网络负载太大，冲突太多时网络性能将会受到严重影响，总线控制中也 存在同样的问题。 二足网络控制传输信息为少信息量高频率的数据，为了控制系统的实时性， 应提高传输频率，相应会提高数据包的个数，而控制系统中的数据为状态信息 与控制信息，即使在精度比较高的情况下，每个数据长度在1 0 个字节左右，相 对信息包火长度而占，数据量太小，整个信息包的利用：簪人低。现在将这两个 问题分别洋述如下： 第1 章绪论 以太网是一种数据包广播网络，利用c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突 检测) 协议对网络访问进行仲裁，在轻负载的情况下具有很好的性能，但在重 负载的情况下，一包数据传输的时候，可能有很多的网络节点等待网络空闲， 一旦这一包数据发送完毕，网络空闲下来，这些等待的节点都会马上发送报文， 由于同时发送必然产生碰撞。产生碰撞后，由避让算法使之等待一段时间再发， 假如这一段时间是相同的话，重复的碰撞仍会发生。这将使网络的效率大大降 低【1 1 i 。 在现场总线的使用中，也同样存在数据的冲突问题。例如：l o n w o r k s 的通 信协议l o n t a l k 使用改进的c s m a 介质访问控制协议称为带预测的p 一坚持 c s m a ( p r e d i c t i v ep p e r s i s t e n tc s m a ) 协议，它在保留c s m a 协议优点的同时， 主要克服它在控制网络中的不足，其所有的节点根据网络积压参数等待随机时 间片来访问介质，这就有效的避免了网络中的频繁碰撞。每一个节点发送前随 机的插入0 + n 个很小的时问片，因此网络中的任一节点在发送普通报文前平均 插入n 2 个随机的时间片，n 根据网络积压的参数( b a c k l o g ) 变化进行动态的 调整。 对照实验表明：3 6 个l o n w o r k s 节点互联，采用一般的p 坚持算法，当每 秒要传输的报文达到5 0 0 1 0 0 0 包时，碰撞率从1 0 上升到5 4 ，采用预测的 p 坚持算法时在每秒传输的报文为5 0 0 1 0 0 0 包时，碰撞率稳定在1 0 。 另外，各种协议的数据包包头的开销相对于信息而言是比较大的，例如基 金会现场总线的数据链路层为1 5 个字节，l o n w o r k s 总线的数据包头为2 5 个字 节。以太网与t c p i p 协议相结合，每一帧的开销为4 8 个字节，其中以太网的 报文的首部为1 8 个字节，4 0 个字节用于t c p i p 首部1 1 0 】。而在网络控制中控制 信息的有效数据仅仅为几十个字节，相对每一个信息包包头而言有效数据太少， 数据包的利用率低于5 0 甚至2 0 ，这将影响整个网络的应用效率。 当网络中存在较多数量的节点，尤其是当存在实时性要求比较高的几个节 点时，由于采样时间比较小，信息的发送频率比较高，网络将因为数据包个数 过多而处于重负载，使网络中数据碰撞增多，网络效率降低，此时使网络效率 较低的原因不是因为带宽已经被用完，而是因为数据包的个数太多，碰撞严重。 1 5 时间片数据打包思想的提出与局限 解决网络碰撞的方法可以从两个方面米考虑，一种采用更为高速的网络， 提高网络的传输能力，从硬件方面解决。另种就是减少删络的负载，即减少 数挢包的个数，从根源上解决数抛包碰撞问题。 第l 章绪论 在硬件方面，人们所采用的方法包括： a 1 采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路。 b 1 采用高速背板交换或微处理交换，响应时间则为确定的。 c 1 采用交换式l o o me t h e m e t ，光纤通信和屏蔽双绞线。 在减少网络负载方面，综合考虑上节所介绍的数据包碰撞与控制网络数据 包中有效数据太少的情况，人们提出了时间片数据打包方法，即将数据包合成， 将两个或者几个数据放在个数据包里面传输，降低数据包个数，减少网络碰 撞，使每个数据包的有效数据增多，网络的利用率得以提高。 时间片数据打包方法的思路为：改变采样控制中数据每采集一次就发送一 次的传统做法，采用采集数据n 次( 可以为1 ，2 ，3 等) 再利用一个数据包发 送，服务器在接收到此数据包经处理后，发出的控制量不是一个，而是在未来 一个时间片内的多个控制量。 具体流程为：在一个时间片中每个采样点，采集状态数据并发出相应的控 制量( 此时的控制量可能为及时的，也可能为非及时的) ，一个时间片完成后采 样数据打包并发送至服务器，服务器得到打包状态量，经过预测算法计算未来 一个时间片中不同时刻的多个控制量，打包发送至客户端，客户端得到这个打 包控制量后，会在下一个时间片内每个采样时刻采集数据并发出对应时刻的控 制量。因此在发送打包状态数据与接收打包控制量的采样时刻，发出的控制量 是及时的，对于整个时间片以后采样时刻的控制量，则不是及时的，而是通过 打包状态量预估后而得到的1 1 2 l 。 时间片数据打包控制实现的具体流程图如图1 1 所示： 尉f f 一1r ，f 肼+ 1y f + 1y f + 2 幽1 1 时间片数据打包流程图 如上所述，时叫片数据打包方法很好的减少了网络数据包，降低了网络碰 撞几率，提高了网络利用率。但数据打包所要付出的代价是部分数据被人为的 延迟，需要采用合理的预估算法与之配合，使系统的控制效果不必降低太多， 从而充分利用现有设备，取得更好的经济效益。由于网络具有矸i 确定性，导致 网络负载不断变化，有些时刻网络空闲，何些时刻网络j 抖j 挤。显然，在网络窄 第l 章绪论 闲的时刻( 网络有能力传输实时控制信息) 运用上述打包算法是不恰当的，而 在网络拥挤的时刻如何对传输的数据进行打包才是比较合理的，为了研究和解 决上述问题，本文采用决策分析的方法。针对网络控制系统所采取的时间片数 据打包算法，建立打包方案的多目标决策分析模型，运用决策分析的方法来分 析并确定最佳的打包方案，从而达到良好的网络控制效果。 1 6 论文的研究对象与内容安排 本文基于时间片数据打包算法在网络控制中的应用，重点进行了决策分析 系统在网络控制中对数据打包方案的选择的研究，以系统控制效果和网络利用 效率为评价准则，运用多目标决策分析的方法，建立数据打包问题的决策模型， 对不同打包方案进行分析，以确定符合目标的最优打包方案。具体工作如下： 第一章绪论 工业过程控制经历了人工控制、模拟仪表控制、计算机集散控制、现场总 线控制发展到现在的网络控制阶段。分析了当今流行的现场总线控制系统与近 来出现的网络控制系统，指出时间片数据打包算法在网络控制应用中的局限， 提出利用决策分析对数据打包方案进行选择的思想。 第二章决策分析系统的研究 决策分析理论是对整个决策过程中涉及方案目标选取、度量、概率值确定、 效用值计算，一直到最优方案和策略选取的有关科学理论。首先阐述了决策分 析系统的概念，决策分析的分类、原则和基本程序，然后介绍了多目标决策分 析及层次分析法。 第三章决策分析在网络控制中的应用 首先分析时间片数据打包算法在网络控制应用中存在的问题。然后建立打 包方案的决策分析模型，并讨论了运用层次分析法时的几个重要问题，包括评 价规则的量化处理，权系数的确定和层次分析法的计算问题。 第四章网络控制平台的软硬件组成 对整个系统所涉及到的软硬件作详细说明。硬件部分主要包括硬件系统概 述，控制平台的被控埘象( f e s t o 过程控制系统) 、数据采集、输出和网络服 务器三个部分的性能说明。软件部分主要包括系统概述，各主要模块即数据输 入输出模块、网络通信模块、数据处理模块和决策分析模块的详细描述。 第1 章绪论 第五章数据打包对比实验及其决策分析 利用搭建好的网络控制系统平台，用p i d 控制加线性插值的方法对f e s l d 的液位子系统进行控制，得到不同打包方案下的控制效果和近似网络利用效率。 然后利用层次分析法对建立好的打包问题模型进行决策分析，比较不同偏好的 决策者可能做出的打包方案决策，分析环境和不同偏好对决策分析的影响。 第六章总结与展望 总结本文的研究工作，并提出进一步研究的方向。 第2 章决策分析系统的研究 第2 章决策分析系统的研究 2 1 决策分析概述 决策分析理论是运筹学的一个分支，是- - i 1 新生的学科，开始于2 0 世纪 4 0 年代的统计决策理论。决策的基本含义是在几种可行方案中优选其一，犹如 入到多岔路口要决定走哪一条路一样。 称“拍板”，就是“做出决定”的意思。 这是对决策概念的狭义理解。在中国俗 实际上，任何人做出任何决定都包括明 确的问题和目标，提出解决问题和达到目标的各种可行方案，然后从中选择一 个最优方案的一系列选择过程，做出决定或拍扳仅是对各种方案进行抉择的这 一个活动，因此，从广义上讲，决策的概念是：“为实现某一特定目标，借助一 定的科学手段和方法，从两个或两个以上的可行方案中选择一个最优方案，并 组织实施的全部行为过程。”更简明扼要一点说：“决策是对目标和为实现目标 的各种可行方案进行抉择的过程。”【”】也就是说，决策分析理论是对整个决策过 程中涉及方案目标选取、度量、概率值确定、效用值计算，一直到最优方案和 策略选取的有关科学理论。 2 1 1 决策的分类 1 ) 按决策要解决问题所涉及的范围大小来分，可分为宏观决策、中观决 策和微观决策。 2 ) 按决策目标的多少，可分为单目标决策和多目标决策。 3 ) 根据决策环境的未来情况，可分为确定型决策、风险决策和不确定型 决策。 4 ) 根据决策的层次可分为单级决策和多级决策。 5 ) 根据决策人的多少可分为个人决策和群体决策。 6 ) 从管理层次上可分为战略决策、战术决策和业务决策。 7 ) 从决策问题的结构化程度上可分为结构化决策和非结构化决策等1 1 3 】。 决策在运筹学的决策论部分是根据决策环境的未来情况来区分的。构成 个决策】u j 题要具备四项基本条件： 1 1 有明确的目标。 2 ) 有若干个自然状忿，般用非窄集o = ( 日。，疗：，日，。) 表示。 第2 章决策分析系统的研究 3 ) 有若干个决策方案，用非空集a ；( n 。，a ：，a 。) 表示。 们己知在各自然条件下，决策人采用某种方案的后果。后果可以是价值 型的，用b ( o ，4 ) 表示；也可以是非价值型的。 确定型决策是指决策环境完全确定，做出的结果也是确定的；风险决策是 指决策的环境不是完全确定的，但其发生的概率是已知的；不确定型决策是指 决策者对于将发生的结果的概率一无所知，只能凭决策者的主观倾向进行决策。 但是实际中当决策者面临不确定型决策问题时，往往首先获取各有关事件的发 生信息，此时不确定决策问题会转化为风险决策。 2 1 2 决策的原则 现代决策问题具有系统化、综合化、定量化等特点，决策过程必须遵循科 学原则，并按严格程序进行【l s 】。 1 、信息原则。指决策中要尽可能调查、收集、整理一切有关信息，这是 决策的基础。 2 1 预测原则。即通过预测，为决策提供有关发展方向和趋势的信息。 3 ) 可行性原则。任何决策方案在政策、资源、技术、经济方面都要合理 可行。 4 ) 系统原则。决策时要考虑与问题有关的各子系统，要符合全局利益。 5 1 反馈原则。将实际情况变化和决策付诸行动后的效果，及时反馈给决 策者，以便对方案及时进行调整。 2 1 3 决策的基本程序 要进行科学的决策必须遵循科学的决策程序。按照系统工程的逻辑思维方 法，可以把决策过程按图2 1 的程序进行。图中右侧为决策程序，左侧为决策 过程中各阶段所使用的决策技术1 1 3 | 。 第2 章决策分析系统的研究 图2 1 决策程序与相关技术 1 ) 发现问题 这是决策的起点，是领导者的重要职责。 2 ) 确定目标 确定目标时要注意目标不能模糊，因此它应当是：可计量其成果的；可以 规定其时间的；可以确定其责任者的。 3 ) 价值准则 价值准则是确定目标和评价选择方案的基本判据。它包括三个方面： a ) 把目标分解为若干个层次的确定的价值指标。这些指标实现的程度是衡 量达到决策目标的程度。价值指标有学术价值、经济价值和社会价值三 类。每类又可分为多少项，每项又可分为多少条，而构成一个价值系统。 b ) 规定价值指标的丰次、轻蕈缓急及发生矛盾时的取舍原则。在人多数情 况卜- ，同时达到整个价值指标体系是不- q 能的，只能以“满意决策”作 为决策的目标。 第2 章决策分析系统的研究 c 1 指明实现这些指标的约束条件。确定价值准则的科学方法是环境分析， 即了解各种背景材料，包括问题的来龙去脉，国内外、历史上同类问题 的情况、现状等。 4 1 拟定方案 即寻找达到目标的各种可能途径。在拟定方案的方法中，多采用智囊技术， 如头脑风暴法、哥顿法和对演法等。 5 1 分析评估 即建立多方案的物理模型或数学模型，并求得各模型的解，对其结果进行 评估。评估时要运用各种决策技术、可行性分析、系统分析等。 6 1 方案选优 由领导去决断、权衡各方案的利弊，选其中之一。这里决策者要运用判断 理论。决策者在进行决断时，要注意以下几个问题： a 1 处理专家和领导者的关系。专家是参谋，但不能代替领导决策，领导者 永远是决策的主人，不能为专家所左右。 b ) 当专家提供各种背景材料和方案时，领导者要用科学的思维方法做出判 断。领导者要有系统的战略观点，根据起初确定的价值准则来审查方案。 c 1 研究决策者的素质对决策后果的影响。根据决策心理学、决策者对待风 险的态度一般分为三类：怕担风险的决策者，对利益反应迟钝，对损失 比较敏感；敢冒险的决策者，对利益比较敏感，对损失反应迟钝；中间 型的决策者，取中间态度。 7 1 试验验证 方案确定后，必须进行局部试验，以验证其方案运行的可靠性，进行试点 也必须科学地进行。 a ) 地点的选择，不能随便，但也不能给实验地点创造特殊的条件，让它得 天独厚，以证明决策的正确。选点必须是在全局情况下具有某些典型性 条件的地方。 b 1 严格按照决策的方案实施。 c 1 进行“盲试”。在不公开的情况下进行试点，以避免各种人为因素的干 扰。如试点成功则可进入全面普遍实施，如果不行，就必须反馈回去， 进行决策修正。 8 1 普遍实施 这是决策实施的最终阶段，此时要强调反馈工作，要有一套追踪检查的办 法，其要点是： 第2 章决策分析系统的研究 a ) 制定规章制度。 b ) 用规定制度来衡量执行情况。 c 1 随时纠正偏差。 2 1 4 决策分析系统的概念 决策系统包括信息机构、研究智囊机构、决策机构与执行机构，特别是智 囊机构在现代决策中的作用日趋重要。 一个完整的决策应包括：决策者；至少有两个以上可供选择的方案； 存在决策者无法控制的若干状态：可以测知各个方案与可能出现的状态相 对应的结果：衡量各种结果的价值标准。 决策分析是为了合理分析具有不确定性或风险性决策问题而提出的一套概 念和系统分析方法，其目的在于改进决策过程，从而辅助决策，但不是代替决 策者进行决策。实践证明，当决策问题较为复杂时，决策者在保持与自身判断 及偏好一致的条件下处理大量信息的能力将减弱，在这种情况下，决策分析方 法可为决策者提供强有力的工具【l ”。 2 2 多目标决策分析简介 在现实生活中，决策的目标往往有许多个。例如，对企业产品的生产管理， 既希望达到高利润，又希望优质和低消耗，还希望减少对环境的污染等。这就 是一个多目标决策的问题。又如选购一个好的计算机系统，似乎只有一个目标， 但由于要从多方面去反映，要用多个不同的标准来衡量，比如，性能要好，维 护要容易，费用要省。这些准则自然构成了多个目标，故也是一个多目标决策 问题。一般来说，多目标决策问题有两类：一类是多目标规划问题，其对象是 在管理决策过程中求解使多个目标都达到最满意结果的最优方案。另一类是多 目标优选问题，其对象是在管理决策过程中根据多个目标或多个准则衡量和得 出各种备选方案的优先等级与排序【i “。 在决策分析中，决策问题要达到的目的称为决策目标。用数值表示决策方 案实现某个目标程度的标准和法则，称为决策准则。多目标决策的关键，是合 理的选择和构造日标体系，从总体上对可行方案进行分析和优选。目标准则体 系的构建，是多目标决策的前提。在多目标问题中，有的目标u 以用一个或几 个决策准则直接进行评价和比较，有的目标难以直接评价，需要将这些难以卣 接评价的f 1 标，分解成若t 个级别较低的子目标，直到可以直接剧一个或几个 第2 章决策分析系统的研究 准则进行评价或比较为止1 2 2 j 。 多目标决策由于考虑的目标多，有些目标之间又彼此有矛盾，这就使多目 标问题成为一个复杂而困难的问题。但由于客观实际的需要，多1 7 1 标决策问题 越来越受到重视，因而出现了许多解决此类问题的方法。一般来说，其基本途 径是，把求解多目标问题化为求解单目标问题，其主要步骤是，先转化为单目 标问题，然后利用单目标模型的解法，求出单目标问题的最优解，以此作为多 目标问题的解。 多目标决策的应用很广泛，其主要方面有：国家发展战略规划、地区发展 规划、企业经营管理、工程项目管理、交通运输管理、科研管理、环境保护与 管理、工程设计与工艺设计、公共事业规划、军事国防事业等。 2 3 用层次分析法进行多目标决策 层次分析法a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ) 是美国运筹学家t l s a a t y 提出的一种多目标、多准则的决策分析方法。该方法被广泛应用于工程、经济、 军事、政治、外交等领域，解决了诸如系统评价、资源分配、价格预测、项目 选择等许多重要问题，是一种定量分析与定性分析相结合的有效方法【”】。用层 次分析法作决策分析，首先要把问题层次化。根据问题的性质和要达到的总目 标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互影响以及隶属关系将 因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。最终把系统分析 归结为最低层( 如决策方案) 相对于最高层( 总目标) 的相对重要性权值的确 定或相对优劣次序的排序问题，从而为决策方案的选择提供依据。 层次分析法大体分为六个步骤，即明确问题；建立层次结构模型； 构 造判断矩阵；层次单排序及其一致性检验；层次总排序； 层次总排序的 一致性检验。现分别说明如下【1 6 l ： 第一步：明确问题 为了运用a h p 进行系统分析，首先要对问题有明确的认识，弄清问题范围、 所包含的因素及其相互关系、解决问题的目的、是否具有a h p 所描述的特征。 第二步：建立层次结构 将问题中所包含的冈素划分为不同层次。对于决策问题，通常可以划分为 以卜几个层次： 最高层：表示解决叫题的目的，称为目标层。 中问层：表示采取某种措施或政策实现预定目标所涉及的中阳j 环节，一般 叉分为策略层、准则层等， 第2 章决策分析系统的研究 最低层：表示解决问题的措施或方案，称为措施层或方案层。 描述层次递阶结构和各因素从属关系的层次结构图，如图2 2 所示。 目标层 准则层 子准则层 方案层 厂 r 一一厂 l 方案1 方案2 i 方案n j 、j ! ，jj j 图2 2 层次结构图 第三步：构造判断矩阵 针对上一层次某元素，对每一层次各个元素的相对重要性进行两两比较， 并给出判断。这些判断用数值表示出来，写成矩阵形式，即所谓的判断矩阵。 假定a 层次中元素4 与下一层次元素b 。，b ，e 有联系，则构造的 判断矩阵为表2 1 的形式： 表2 1 判断矩阵 4 b 1b 2 玩 b lb l ib 1 2 b h b 2b 2 lb 2 2 b 2 。 ； 8 、b 。1b ，2 b 。 其中表示对于爿。而言，旦埘口，的相对重要性，通常取1 ，2 ，9 及它 们的倒数，其含义为： 1 表示b 与b ，相比，两者重要性桐川； 第2 章决策分析系统的研究 3 表示b i 比b ? 稍重要； 5 表示垦比占，重要； 7 表示马比曰，强烈重要； 9 表示马比b j 极端重要。 它们之间的数2 ，4 ，6 ，8 及各数的倒数有相应的类似意义。显然，对判断矩 阵有 = 】，- 1 b s , g ，= 1 ，2 ，n ) 因此，对于。阶判断矩阵，我们仅需对! 生掣个元素给出数值。 第四步：层次单排序及其一致性检验 所谓进行层次单排序，即把同一层次相应元素对于上一层次某元素相对重 要性的排序权值求出来。其方法是计算判断矩阵4 的满足等式4 一k 。；w 的最 大特征根九。和对应的特征向量，这个特征向量即是单排序权值。 可以证明，对于n 阶判断矩阵，其最大特征根j ；l 。；为单根，且a 。，n ， 。， 所对应的特征向量均由正数组成。特别的，当判断矩阵具有完全一致性时，有 a 。= ，l ，这里，所谓完全一致性是指对于判断矩阵来说，存在 = ( f ，女；1 ，2 ，n ) 为检验判断矩阵的一致性，