交通运输系统分析(第一至四讲).ppt

交通运输系统分析 一 系统的定义贝塔朗菲 处于一定相互联系中与环境发生关系的各组成部分的整体 综合各种观点反映系统属性的定义 系统是由若干个可以相互区别 相互联系而又相互作用的要素所组成 在一定的阶层结构形式中分布 在给定的环境约束下 为达到整目的而存在的有机集合体 二 系统的属性1 集合性2 目的性3 相关性 非迭加性 系统不可还原性4 阶层性 对整体的影响程度 相互作用形式不同5 整体性 系统 新质 整体对部分的约束作用6 环境适应性 说明 1 系统的功能及其要素 2 系统的环境及输入 输出 3 系统的结构 最好用框图表达 4 系统属性的表现 描述一个你熟悉的系统 第二节系统工程的概念 含义以大型复杂系统为研究对象 按一定目的进行设计 开发 管理与控制 以期达到总体效果最优的理论与方法 系统的定义 系统是由若干个可以相互区别 相互联系而又相互作用的要素所组成 在一定的阶层结构形式中分布 在给定的环境约束下 为达到整体的目的而存在的有机集合体 系统的属性 目的性集合性相关性阶层性整体性环境适应性 系统的分类 组成要素的性质 分为自然系统和人造系统从系统的状态与时间的关系看 静态系统与动态系统从系统与环境的密切程度看 封闭系统与开放系统按系统的形态分 实体系统 概念系统按反馈性分 开环系统与闭环系统按系统的规模大小和复杂程度 分为小系统 一般系统 和复杂系统 复杂巨系统 第四节系统工程方法论 系统工程方法论 系统工程思考问题和处理问题的方法 一般叫做系统方法论 它是在深入研究系统的概念 系统的基本构成及其各种形态的基础上 把分析对象作为整体系统来考虑 掌握 分析等的基本思想方法 美国学者H Hall最先提出了 三维结构体系 是系统工程方法论的基础 三维结构体系是由时间维 逻辑维和知识维组成的一个立体的 跨学科的体系 一 霍尔 Hall 三维结构方法论 知识维 K 运筹学控制论社会科学工程技术 逻辑维 L 规划阶段 设计阶段 研制阶段 生产阶段 安装阶段 运行阶段 更新阶段 时间维 T 明确问题 指标设计 方案综合 模型化 实施 最优化 决策 1 时间维 2 逻辑维 明确问题 分析环境对系统的要求 收集资料 1 问题的由来与背景 2 问题的性质与条件 提出者 决策者 目的 环境 资源分析 人 财 物 技术 时间3 性质与条件的匹配程度 4 调整达到两者平衡 设定问题的方法 直观经验法 预测法 结构模型法 统计分析法 系统指标设计 为了对建立的模型及对各个方案进行比较 必须有一个统一的标准 用统一的指标来衡量 即系统的指标体系 方法 效用理论 费用 效益分析 风险估计 二 切克兰德软系统方法论对于社会经济系统问题 与人有关 非结构问题 难以量化 两种方法论的比较相同点 问题导向 注重程序及阶段 不同点 研究对象或应用领域 基本方法 核心内容或关键点 推荐阅读书目 系统哲学引论 欧文 拉兹洛商务印书馆 一般系统论 贝塔朗菲社会科学文献出版社 系统论的思想与实践 切克兰德 系统思想的轮回 王诺大连理工大学出版社 系统生命周期的概念与阶段划分系统分析的概念 要素与步骤系统环境分析系统目标分析系统结构分析系统评价 第二章系统分析 第一节系统生命周期的概念与阶段划分 一 系统生命周期的概念系统从开始到终了的时间 开始 提出或改造一个系统终了 系统脱离运行并为新系统替代 二 阶段划分 系统问题的提出 系统设计 系统实施 系统运行 第二节系统分析的概念要素与步骤 一 系统分析 SA 的概念在选定的目标和准则下 分析构成系统的各部分的功能和相互关系 利用定量的方法提供可用的数据 借以制定可行方案 推断可能产生的效果 寻求系统整体效益最大化的策略 系统分析是系统工程的核心内容 分析过程和基本方法 二 作用承上 明确概念和目标 进一步探讨问题的实质启下 对系统设计实施的可行性评价 避免失误 保证设计最优 三 特点1 以整体为目标2 以特定问题为研究对象3 运用定量方法4 凭借价值判断 四 要素1945年兰德公司提出系统分析的方法1确定期望达到的目标 2调查研究 收集资料3分析达到期望目标所需要的技术与设备4分析达到期望目标的各种方案所需要的资源和费用5根据分析 找出目标 技术装备 环境资源等因素间的关系 建立方案的模型 6根据方案费用的多少和效果优劣 找出最优方案 1 目标 目的 系统的总目标 系统分析的根据和出发点要求 必要的 有根据的 可行的2 调查 收集资料3 替代方案性能 费用 效益 时间上互有优劣 能进行对比的方案 4 指标技术性能 适应性 费用与效益 时间5 模型与模拟系统分析的基本方法 测算指标的依据6 评价标准综合反映指标 费用效益比性能周期比费用周期比 交通运输系统指标体系 要求 明确性 尽量单一 全面衡量指标 可计量性 能够量化 敏感性 分主次优先顺序 7 决策原则 当前利益与长远利益相结合 局部利益与整体利益相结合 内部与外部条件相结合 定性与定量相结合 SA程序框图 问题与系统的界定 确定目标 提出方案 建立模型 系统评价 分析效果 确定可行方案 满意否 Y N SA程序图是SA的一般过程 也为全课程提供了基本的逻辑框架 因而十分重要 在对其理解和应用上应注意以下几点 1 重视做好初步SA5W1H What Why Who Where When How 是做好这段工作的基本线索 2 在规范分析中一般需 或尽可能 建立结构模型 数学模型或仿真模型 3 环境分析贯穿SA全过程 在SA中是十分重要和必不可少的 4 在应用SA过程中 并不一定要 或能 遍历并完成每一个具体过程 思考题一 1 说明系统一般属性的含义 并据此归纳出若干系统思想或观点 2 霍尔三维结构与切克兰德方法论有何异同点 3 什么是系统分析 它与系统工程关系如何 4 系统分析的要素有哪些 各自是何含义 5 系统分析程序中各组成环节的关系 第三节系统环境分析 一 系统环境分析的意义1 问题的来源2 系统分析的资料来源3 环境提供外部约束4 系统评价的基础 二 环境因素的分类1 物理和技术环境事物属性所产生的联系而构成的因素以及处理问题中的方法性因素 现存系统新系统与现存系统的并存性和协调性改进或新建系统的数据来源现存系统指标是改进 新建系统评价的基础利用现存系统推广新技术 技术标准遵循效能性标准 对系统分析和设计具有约束作用 科技发展因素是否 有可用的科技成果或新的发明出现是否 有新的加工技术或工艺方法出现是否 有新的维修 安装 操作方法出现 自然环境包括地理 矿产资源 气象 生态关系等 对交通运输系统的影响 线路港站的布局 线路港站的建设标准 投资 运营成本 2 经济和经营管理环境影响系统经营状态和经济过程的因素 外部组织机构 政策 政府 企业内部 政府作用 经营管理活动3 社会环境来自人或集团关系的因素包括 大范围的社会因素 人口潜能 城市形式小范围的社会因素 个体行为 价值分析 第四节系统目标分析 一 作用和目的系统目标是系统分析与系统设计的出发点 是系统目的的具体化 通过制定目标 把系统所应达到的各种要求落到实处 一是论证目标的合理性 可行性 经济性 层次性 一致性 二是获得目标分析的结果 目标集 二 系统目标分析的要求1制定的目标应是稳妥的2制定目标应注意到目标能起到的所有作用3应把各种目标归纳为目标系统4对于出现的目标冲突 要摆明矛盾 理清线索 不能隐藏矛盾 三 目标集的建立总目标 分目标 子目标逐层分解分目标的集合一定要保证总目标的实现 四 目标冲突与利害冲突 阻碍作用 促进作用 可兼容并存 绝对排斥 冲突目标中属于专业性质的称为目标冲突问题冲突目标中属于社会性质的称为利害冲突问题解决办法 目标冲突 剔除其一 转化为相容目标 使之并存 利害冲突 目标代表方之一放弃自己的利益 保持原目标 补偿受损方利益 协商调整目标系统 使之相容 等级评定法 等级评定法是最容易操作和普遍应用的一种绩效评估方法 这种评估方法的操作形式是 给出不同等级的定义和描述 然后针对每一个评价要素或绩效指标按照给定的等级进行评估 最后再给出总的评价 应用等级评定法时每个评价者对N件事物排出一个等级顺序 最小的等级序数为1 最大的为N 若并列等级时 则平分共同应该占据的等级 等级评定法 分目标权重分配法 权重 第五节系统结构分析 一 系统目标 功能 结构的关系 系统功能以满足系统目标为要求 由系统整体结构决定 系统结构是系统要素间相互联系相互作用的表现形式 取决于系统内部属性 集合性 相关性 阶层性和整体性 二 系统要素集分析1 根据已建立的系统目标集 确定要素 2 以系统构造成本最低进行选优 三 系统相关性分析相关关系描述 空间结构 排列顺序 时间序列 数量比例 信息传递方式 组织形式 操作程序等 以二元关系为基础 用0 1矩阵表示 四 系统阶层性分析1 内容 阶层数 层间关系 层内要素数量 要素分布等 2 解决的问题 系统分层及各层组成 规模合理性 合理性表现 传递物质信息能量的效率 质量 费用 功能单元的合理结合和归属问题 五 系统整体性分析 六 系统结构模型的建立ISM法 interpretativestructuralmodeling 解释结构模型法系统结构表达及分析方法理解系统结构的概念 构成系统诸要素间的关联方式或关系 两种常用的表达方式 有向图 节点与有向弧 和矩阵 可达矩阵等 例 某系统由7个要素 S1 S2 S7 组成 经过两两判断认为 S2影响S1 S3影响S4 S4影响S5 S7影响S2 S4和S6相互影响 这样 该系统的基本结构可用要素集合S和二元关系集合Rb来表达 其中 S S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 Rb S2 S1 S3 S4 S4 S5 S7 S2 S4 S6 S6 S4 邻接矩阵 S2 S1 S3 S4 S4 S5 S7 S2 S4 S6 S6 S4 设定问题 形成意识模型 找出影响要素 要素关系分析 关系图 建立可达矩阵 R 和缩减矩阵 R 矩阵层次化处理 RL 绘制多级递阶有向图 建立解释结构模型 分析报告 比较 F学习 初步分析 规范分析 综合分析 ISM方法原理图 1 有向连接图2 邻接矩阵 A3 可达矩阵 R4 系统结构的建立 可达矩阵的分解 系统级的划分 同级要素不连通集与强连通集的划分 强连通集中回路集的划分 作系统结构图 邻接矩阵 可达矩阵 系统级的划分 前因集 定义 可达集 对于最高级要素 同级要素的关系 不连通集与强连通集的划分 同级要素只存在两种关系 不连通I与强连通S强连通关系是指i j要素相互可达若Pi属于不连通子集 则有 强连通集中回路集的划分 强连通集中可存在多个回路集 回路集中任一要素可达其他要素 任两两要素可达 Ci中可达矩阵特征是全部元素为1将可达矩阵按级别重新排列 找回路集 N11 N12 N13 N21 N22 N23 N31 N32 N33 作系统结构图取回路集中任一元素为代表元素 将R缩减成R 可达集合与先行集合及其交集表 可达集合与先行集合及其交集表排除1 5后 可达集合与先行集合及其交集表继续排除2 4 6后 课堂练习 已知可达矩阵 求结构模型 可达集合与先行集合及其交集表 系统结构 课后练习 已知可达矩阵 求结构模型 第六节系统评价 一 系统评价概述1 系统评价的任务评价主体从根据具体情况所给定的 可能是模糊的评价尺度出发 对评价对象进行首尾一贯的 无矛盾的价值测定 以获得对多数人来说均可接受的评价结果 为正确决策提供所需的信息 2 系统评价的要素评价对象 评价主体 评价目的 评价时期 评价地点 评价尺度 评价方法等 评价尺度 绝对尺度间隔尺度顺序尺度名义尺度 二 系统评价的步骤 初步分析 规范分析 综合分析 系统评价程序图 1 评价目的使评价系统达到最优 对决策的支持 对决定行为的说明 问题的分析 2 评价系统范围的界定3 评价的立场系统使用者 开发者 第三者4 评价的时期初期 期中 终期 跟踪评价 三 评价指标权重的确定强制确定法 FD法 之0 10法过程 1 组成熟悉评价指标的专家组 2 各自评判 互不沟通 3 评分办法 指标两两比较 较重要的按程度计为9 8 7 6 相反计为1 2 3 4 同等重要的计为5分 4 权重计算 归一化处理 5 排序 去极端值 求中间值的平均数 某位 砖家 四 常用评价方法1 关联矩阵法 评价原理性方法 例 综合评价某市为减少交通事故制定的三项措施 A1 防事故栅栏 A2 人行道 A3 信号灯 评价指标 X1 死亡者的减少 X2 负伤者的减少 X3 经济损失的减少 X4 实施费用 权重计算结果 X1 0 4X2 0 3X3 0 1X4 0 2 替代方案的效果 得分基准 2 模糊评价法 多评价主体 逆向评价 先给出结果集 按最大隶属度选择结果 例 服装评价 设评价因素集 U 花色式样U1 耐穿程度U2 价格费用U3 评语集 V 很欢迎V1 较欢迎V2 不太欢迎V3 不欢迎V4 U1单因素评判向量U2单因素评判向量U3单因素评判向量 调查结果 可得单因素评判矩阵 设某类顾客对各因素赋权为 0 2 0 5 0 3 记为 则该类顾客的评判结果为 U 花色 式样 耐穿度 价格 舒适度V 很欢迎 较欢迎 不太欢迎 不欢迎 课堂练习 3 层次分析法 AHP法 评价因素多层次 1 核心思想将评价系统简化为有序递阶系统 运用简单的两两比较对被评对象的各种因素或属性进行比较判断 再将这种比较判断的结果进行综合计算处理 可得优劣顺序 2 主要步骤1建立层次结构模型对构成评价系统的目的 评价项目 准则 及替代方案 被评对象 等要素建立递阶层次结构 2构造判断矩阵对同一层次各要素关于上一层次各准则的重要性进行两两比较 据此建立判断矩阵 3层次单排序及一致性检验由判断矩阵计算出各要素的相对重要性权重 4层次总排序计算综合重要性权重 对方案排序5层次总排序的一致性检验 3 递阶层次结构 结构特点 自上而下呈顺序支配关系 层数不受限制 支配要素数不大于9 以层间纵向联系为主 层内要素联系较弱 类型 完全相关型 完全独立型 混合型 4 判断矩阵 判断尺度wi对上级准则C 定义 1Ai与Aj同等重要 3Ai比Aj稍重要一点 5Ai比Aj重要 7Ai比Aj重要许多 9Ai比Aj绝对重要 2 4 6 8介于上述各尺度间 若 wi wj 7 则 wj wi 1 7 判断矩阵AHP法的信息基础 判断矩阵为一非负反矩阵 令aij wi wj aij 0 aij 1 aji aii 1 5 单一准则权重计算解决两个问题 一是计算出同一层次n个要素相对于上一层次准则C的相对权重w1w2w3 二是对判断矩阵进行一致性检验 权重计算 A 和法 列归一化 求行平均值 B 根法 行向量求几何平均值 归一化 前例权重计算结果 和法 w1 0 2115 w2 0 5238w3 0 2115 w4 0 0532根法 w1 0 2118 w2 0 5252w3 0 2118 w4 0 0512 一致性检验一致性检验是为了检验各元素重要度之间的协调性 避免出现A比B重要 B比C重要 而C又比A重要这样的矛盾情况出现判断矩阵A的元素具有传递性 即aij ajk aik若所有元素均满足上式 称A为规范一致阵 A的最大特征值若A非规范一致阵 一致性检验指标 判断误差与矩阵阶数成正比 因此在进行一致性检验时应考虑n的影响 可使用随机性一致性指标C R R I 为平均随机一致性指标 按下表取值 前例的一致性检验 6 计算综合权重设A级有m个要素 关于总目标的综合权重为a1 a2 am 下级B有n个要素 B1 B2 Bn 关于Ai的相对权重为 则Bk相对于总目标的权重为 A B1 B2 C3 C4 C1 C2 D1 D2 D3 D4 课后练习 第七节决策分析 一 决策问题的特征与要素1 决策问题的特征 有明确的决策目标 存在几种自然状态 每种自然状态出现的概率可能是已知的 也可能是未知的 存在几个行动方案 每一行动方案在各种不同自然状态下的损益值可计算或预测出 2 决策要素自然状态 行动方案 损益值称为决策三要素 所谓决策就是根据可能取得的自然状态的信息 采取不同的方法 寻找出使得所求目标达到最优的行动方案 3 决策类型按决策问题的性质可分为 确定型 风险型和不确定型 二 确定型决策确定型决策问题具备以下四个条件 存在决策者希望达到的明确目标 存在一个确定的自然状态 存在可供决策者选择的两个或以上方案 不同方案在确定的自然状态下的损益值可以计算确定 某施工单位 本月天气状况良好 三 不确定型决策不确定型决策问题具备以下四个条件 存在决策者希望达到的明确目标 存在可供决策者选择的两个或以上方案 每个方案存在两种以上的自然状态 不同方案在不同自然状态下的损益值可知 四种决策准则 乐观主义准则 即maxmax准则 希望每个方案在不同的自然状态下都取得最大收益值并从中选取收益最大的方案作为满意方案 乐观主义准则计算公式 式中 表示i方案在j状态下的损益值 悲观主义准则 即maxmin准则 所谓 最可靠 万无一失 的决策准则 从最坏方案中选取最优方案 悲观主义准则计算公式 等可能准则 拉普拉斯准则 也称为最大平均收益法 假定各状态出现的概率均等 求各方案的平均收益或平均损失 选择最大平均收益值的方案 等可能准则计算公式 最小最大后悔值准则 这种方法先算出每一方案每一自然状态对应的后悔值 后悔值为该状态下最优方案损益值与其他方案损益值之差 求每一方案的最大后悔值 再从各方案的最大后悔值中选择最小值作为满意方案 也称为机会损失准则 最小最大后悔值准则计算公式 其中 后悔值 例 某企业按批生产某产品并按批销售 每件成品为30元 批发价为35元 若每月生产的产品当月销售不完 则每件损失1元 工厂每投产一批为10件 最大月生产能力是40件 决策者可选择的生产方案为0 10 20 30 40五种 假定决策对市场需求一无所知 应如何决策 不同方案在不同状态下的损益值 每件成品为30元 批发价为35元 每件损失1元 乐观主义准则 max 0 50 100 150 200 200选择方案5 悲观主义准则 max 0 10 20 30 40 0选择方案1 不生产 等可能准则 各方案损益值为 方案1 0 方案2 38 方案3 64 方案4 78 方案5 80max 0 38 64 78 80 80选择方案5 最小最大后悔值准则 后悔值计算结果见表 min maxrij 40选择方案5 四 风险型决策风险型决策问题具备以下五个条件 存在决策者希望达到的明确目标 存在可供决策者选择的两个或以上方案 方案中至少一个方案可能发生有两种以上的自然状态 每种自然状态的损益值可知 每种自然状态出现的概率可知 1 最大可能法2 期望值法对于风险型决策问题通常采用最大期望收益准则或最小机会损失准则进行决策 期望收益 或损失 值可按下式计算 式中 Pi为自然状态j出现的概率 例 某企业生产一产品 每销售一件可盈利30元 每积压一件损失30元 销售量与概率如下 如何决策使得收益最大 可供选择的生产方案有四种 生产10 11 12 13件 最优方案为生产12件 3 决策树法 1 决策节点 事件节点 结果节点 方案分枝 概率分枝 决策节点上方数字为决策后的效应期望值 事件节点上方数字为该方案的收益期望值 结果节点旁边数字为对应方案在相应状态下的收益期望值 决策方法 自右向左逐步分析 先根据结果节点损益值及概率分枝上的概率 计算某一方案的期望值 记在事件节点上方 比较各方案期望值大小 选出最佳分枝方案 将最佳分枝方案期望值记在决策节点上方 在被淘汰方案分枝上记切断符号 例 为生产一新产品拟