《系统工程导论复习》PPT课件.ppt

系统工程导论复习,浙江大学颜钢锋,系统-系统科学-系统工程,系统定义元素、特征、关联系统性质整体性层次性相关性目的性适应性涌现性,系统工程定义与研究特征,系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，系统工程是一门组织管理的技术。强调研究方法上的整体性强调技术方法应用的综合性强调管理工作的科学性整体性（系统性）：系统工程把研究对象看成一个整体系统，由若干元素或子系统有机结合。关联性（协调性）：系统各部分之间、各部分与整体之间的相互关系和作用直接影响或者制约了整体系统的性能。综合性（交叉性）：系统工程综合运用各门学科和技术领域的成果以达到整体最优化的目的。满意性（最优化）：系统工程并不追求构成系统的个别部分最优，而是通过协调系统各部分的关系，使系统整体目标达到最优。,系统科学理论基础,一般系统论、大系统理论、信息论、控制论、运筹学一般系统理论描述系统的整体性、有序性、层次性、动态性、开放性、演化、生长、竞争等等。一般系统理论对在现代科学中占支配地位的还原论观点和分析方法提出了批判，提出了按系统观点和方法来处理问题。大系统理论研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、模型的建立与求解等问题，称为大系统理论。信息论主要研究系统中的信息传输、变换和处理问题，所以信息论也是一种系统科学理论。控制论通过调节系统信息反馈过程，对系统的功能和行为实施控制，以实现系统的目的。运筹学是在实行管理的领域，运用数学方法，对需要进行管理的问题统筹规划，做出决策的一门应用科学。,系统思想和系统方法论,用自发的系统概念来考察自然现象是希腊哲学与古代中国思想的一个共同特征。去掉模糊与猜测的成分，加进了精确与实际的内容注重复杂系统的研究，将系统与非线性问题联系起来建立系统创生与演化的机制提出系统价值的概念突出应用层面与方法论性质总体思想最优思想组合思想分解和协调思想反馈思想,霍尔结构体系,时间维,逻辑维,知识维,霍尔管理矩阵,切而兰德的“调查学习”模式,不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”或者说是“学习”，从模型和现状比较中，学习改善现存系统的途径。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状进行说明。弄清与改善现状有关的各种因素及其相互关系。用结构模型或语言模型来描述系统的现状。随着分析的加深，进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。通过比较，找出符合决策者意图的而且可行的改革途径或方案。实施提出的改革方案。,处理复杂行为系统的定量方法,1986年1月开始，以钱学森为首的一批系统工程学者在北京组织了“系统学讨论班”1989年提出开放复杂巨系统概念以及科学方法论一从定性到定量综合集成方法(Metasynthesis）其实质是：专家体系、统计数据和信息资料、计算机技术三者有机结合，构成一个以人为主的高度智能化的人机结合系统，通过人机结合方式和人机优势互补实现综合集成各种知识，从定性到定量的功能。1992年钱学森提出了从定性到定量综合集成研讨厅体系(HallforworkshopofMetasyntheticEngineering）,物理一事理一人理（WSR）,顾基发教授提出物理一事理一人理（WSR）系统方法论1979年钱学森写信给在美国的著名系统工程专家李跃滋先生，李回信很同意物理和事理的提出，并建议再加“人理”（motivation）。1994年10-11月，顾基发在访问英国赫尔（Hull）大学研究中心时和朱志昌合作提出物理一事理一人理（WSR）系统方法论。WSR的遵循原则是：综合原则、集成原则、参与原则、可操作性原则、反复迭代原则，整体优化原则。,系统模型,是现实系统的抽象或模仿是由反映系统本质的主要因素构成的集中体现了这些主要因素之间的关系系统模型只是系统某一方面本质属性的描述，本质属性的选取完全取决系统工程研究的目的。所以，对同一个系统根据不同的研究目的，可以建立不同的系统模型,结构模型,适用于描述一些难以量化的系统，描述系统各组成部分之间关系、系统与环境之间关系，是概念模型到定量模型的中介结构模型的作用：用于测辨系统各要素间的关系。常用方法：InterpretativeStructuralModeling（ISM）,系统结构模型是在图论邻接矩阵(adjacencymatrix)的基础上建立起来的,ISM方法,创立时间：1973创始人：美国J华费尔持教授创立目的：分析复杂的社会经济系统有关问题方法特点：将复杂系统分解为若干子系统利用人们的经验、知识和直觉通过人机交互会话逐步明确若干各要素间的结构关系最终将系统构成一个多级递阶的结构模型,人机系统,系统动力学模型,概念该方法是一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为手段，通常用以研究复杂的社会经济系统的定量方法。本质带时间滞后的一阶差微分方程，建模时借助于“流图”。,动力学模型特点,与其他模型相比，特点如下：可用于研究处理社会、经济、生态和生物等一类高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变系统问题的学科研究对象主要是开放系统研究解决问题的方法是一种定性与定量结合，系统思考、系统分析、综合与推理的方法规范的模型系统动力学的建模过程便于实现建模人员、决策者和专家群众的三结合,系统动力学的基本概念,因果反馈积累流图延迟仿真语言,死亡率和人口总数的关系,出生率和人口总数的关系,动力学模型的建模步骤,矛盾与问题的分析:首先要明确客户的要求、目的和所要解决的问题系统的结构分析:主要任务在于处理系统信息，分析系统的反馈机制建立数学的规范方程和描述定性与半定性的变量关系模型模拟与政策分析:在模拟与分析的基础上更深入地分析系统的问题、寻找解决问题方案模型的检验与评估:通常在上述诸步骤中分散进行的,系统动力学流图,存量(Level)：是系统的某一状态，即系统的某一指标值速率(Rate)：是系统的存量变化的量度。实物流：连接速率和存量，表示速率控制存量的通道。源和汇：不规则闭曲线就表示源或汇，源就是对系统产生输入的外在环境，汇就是系统运行后所作用的外在环境。信息链：流图中用特有箭头的虚线表示，表示信息传递过程。辅助变量：在存量和速率的信息通道中起辅助作用。常数：在系统运行期间，保持值不变。表格函数：给出变量之间的非线性关系。,室温调节系统因果反馈图,室温调节系统流图,系统分析,系统分析就是从系统的观点出发，对事物进行分析综合，找出各种可行方案以供决策者进行选择。系统分析就是要把所研究的对象从周围环境中划分出来，弄清事物的外在与内部的互相之间的关系。分析What、Why、Who、When、Where和How，,系统分析方法的七要素,目标、可行方案、费用、效果、模型、评价准则、结论,系统分析准则,外部条件与内部条件相结合当前利益与长远利益相接合局部效益与宏观效益相结合定量分析与定性分析相结合,系统分析方法,定量分析：对于那些可以用物资的数量、单价、消耗数量等等数量指标进行衡量分析的叫做定量分析。定性分析：对于那些如政策、法规等等因素无法用数量指标进行分析，只能根据经验的“好与坏”，“可以或不可以”进行非主观判断的，叫定性分析。系统分析不但要进行定量分析，而且要进行定性分析，因为在有些问题中是某些定性因素起决定性作用。分析的方法可以按照“定性-定量-定性”的顺序进行。只有了解清楚系统的一些性质，才能进一步建立起定量关系的数学模型，做出定量分析最后把定性分析与定量分析结合起来进行综合分析，才能找出最优方案。,系统结构分析,系统结构分析是系统分析和系统设计的理论基础。系统结构是指系统的构成要素在时空连续区上的排列组合方式和相互作用方式。系统结构的普遍形式决定了系统的基本特征。,系统要素集分析,在己定的目标树基础上进行，对照目标树采用“搜索”的方法，集思广益，开拓创新。找出对应的能够实现目标的实体部分，即为要素集。对已得到的要素进行价值分析，这是因为实现某一目标可能有多种要素，因此存在着择优问题。,系统相关性分析,在相关关系集中，最基本的关系是二元关系，其它更为复杂的关系则是在二元关系基础上发展的。所以相关关系分析可分两步进行：第，先对系统进行二元关系分析，确定要素之间是否存在关系。具体作法可将系统要素列成方阵表，用Rij表示要素i和要素j的关系，并规定Rij只取1或0，即i与j之间存在关系Rij为1，反之取0。第二，对Rij取值为1的两个相关要素之间存在的具体关系进行分析，即确定属于何种关系，是物理的、化学的、机械的、还是经济的、组织的关系等等,系统整体性分析,综合要素集、关系集、阶层性分析结果，以整体最优为目的的协调，也就是使要素集、关系集、阶层分布达到最优结合、并取得系统整体的最优输出。一是为了衡量和分析系统的整体结合效果，需要建立评价指标体系，尽量建立反映系统整体性的要素集、关系集、阶层分布的结合模型，以定量分析系统整体结构的合理性和最优输出,系统整体性分析是结构分析的核心，是解决系统整体协调和优化的基础。系统要素集、关系集、阶层性分析只是在某种程度上研究了系统的一个侧面。它们各自的合理性或优化还不足以说明整体的性质。整体性分析是综合要素集、关系集、阶层性分析结果，以整体最优为目的的协调，也就是使要素集、关系集、阶层分布达到最优结合、并取得系统整体的最优输出。系统整体优化和取得整体的最优输出是可能的。,投入产出分析（InputOutputAnalysis）,投入产出指工业部门之间或工业部门与最终用户之间的产品与劳务流动情况投入产出分析就是借助投入产出表，查找、预测、评估最终用户或其它企业部门对产品、劳务需求情况的变化将对特定企业或部门产生何种影响。,投入产出分析系数,（1）直接消耗系数:指某一个部门在生产经营过程中单位总产出直接消耗各部门的货物或服务的数量。全部直接消耗系数组成的矩阵称为直接消耗系数矩阵。（2）完全消耗系数:是指某一部门每提供一个单位的最终产品，需要直接和间接消耗（即完全消耗）各部门的产品或服务数量。完全消耗系数是全部直接消耗系数和全部间接消耗系数之和。（3）影响力系数:是反映当国民经济某一部门增加一个单位最终使用时，对国民经济各部门所生产的生产需求波动及程度。（4）感应度系数:感应度系数反映国民经济各个部门增加一个单位最终使用时，某一部门由此而受到的需求感应程度，也就是需要该部门为其他部门的生产而提供的产出量。,系统层次分析（AnalyticalHierarchyProcess）,一种定性与定量相结合的决策分析方法。一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程将复杂问题分解为若干层次和若干因素根据方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。,AHP方法的特点,思路简单明了，将决策者的思维过程条理化、数量化，便于计算所需要的定量数据较少，对问题的本质，包含的因素及其内在关系分析得清楚可用于复杂的非结构化的问题，以及多目标、多准则、多时段等各种类型问题的决策分析,AHP方法基本步骤,明确问题建立层次结构构造判断矩阵层次单排序层次总排序一致性检验,设有n个物体A1，A2，An，它们的重量分别记为W1，W2，Wn。若以矩阵来表示各物体的这种相互重量关系：,若取重量向量W=W1，W2，WnT，则有：AW=kW（2）这就是说，W是判断矩阵A的特征向量，k是矩阵A的唯一非零的，也是最大的特征值，而W为其所对应的特征向量。,构造判断矩阵,判断矩阵表示针对上一层次中的某元素而言，评定该层次中各有关元素相对重要性的状况，其形式如下：其中，bij表示对于Ak而言，元素Bi对Bj的相对重要性的判断值。bij一般取1，3，5，7，9等5个等级标度，其意义为：1表示Bi与Bj同等重要；3表示Bi较Bj重要一点；5表示Bi较Bj重要得多；7表示Bi较Bj更重要；9表示Bi较Bj极端重要。,一般而言，判断矩阵的数值是根据数据资料、专家意见和分析者的认识，加以平衡后给出的。衡量判断矩阵质量的标准是矩阵中的判断是否具有一致性。如果判断矩阵存在（4）式关系，则称它具有完全一致性。,层次单排序：,目的是对于上层次中的某元素而言，确定本层次与之有联系的元素重要性次序的权重值。它是本层次所有元素对上一层次而言的重要性排序的基础。层次单排序的任务可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，即对于判断矩阵B，计算满足：BW=maxW（5）max为B的最大特征根，W为对应于max的正规化特征向量，W的分量Wi就是对应元素单排序的权重值。,当判断矩阵B具有完全一致性时，max=k。但是，在一般情况下是不可能的。为了检验判断矩阵的一致性，需要计算它的一致性指标：,一致性指标CI与同阶的平均随机一致性指标RI之比，称为判断矩阵的随机一致性比例，记为CR。满足（7）式时认为判断矩阵具有令人满意的一致性。,层次总排序。,利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言的本层次所有元素的重要性权重值，这就称为层次总排序。层次总排序需要从上到下逐层顺序进行。对于最高层，其层次单排序就是其总排序。若上一层次所有元素A1，A2，Am的层次总排序已经完成，得到的权重值分别为a1，a2，am与aj对应的本层次元素B1，B2，Bn得到的层次总排序见表6-2。,一致性检验：,为了评价层次总排序的计算结果的一致性，类似于层次单排序，也需要进行一致性检验。为此，需要分别计算下列指标：,同样，当CR0.10时，则认为层次总排序的计算结果具有令人满意的一致性；否则，就需要对本层次的各判断矩阵进行调整，从而使层次总排序具有令人满意的一致性。,（一）方根法,计算步骤如下：计算判断矩阵每一行元素的乘积计算Mi的n次方根将向量归一化计算最大特征根,和积法：,这一方法的计算步骤如下：将判断矩阵每一列归一化：对按列归一化的判断矩阵，再按行求和：计算W=W1，W2，WnT即为所求的特征向量。计算最大特征根：,系统预测分析,预测就是根据客观事物的过去和现在的发展规律，借助科学的方法和手段，对其未来的发展趋势和状况进行报述、分析，形成科学的假设和判断经济预测：是一种研究经济未来发展的活动以预测范围分类：宏观经济预测微观经济预测以预测期限分类：短期预测中期预测长期预测,预测基本原理及要素,预测原理可知性原理可能性原理相似性原理反馈性原理系统性原理,预测要素时间数据模型费用精度实用性,系统预测的步骤,明确所要研究的系统范围、课题及预测的目的鉴别、选择和确定预测元素确定逻辑关系，选择预测方法建立模型检验模型假定因素和条件以确定某些信息变化时对预测结果的影响程度分析和判断预测结果，提出预测报告和决策建议,系统优化,概念对所有可能的方案进行分析，从中选择一个最合理的方案系统优化不是一件简单的事情，其概念是相对的，绝对的最优化是不存在的。不是任何情况下都存在最优解。就大量的现实问题而言，优化常常是难以实现的。人们常常退而求其次，寻求系统的次优解或满意解；优化技术包括确定判别方案优劣的评价标准在给定条件下寻找最合理的方案,系统优化的标准,满足系统价值目标集的目标函数性能准则、收益函数等满足各方面对系统的制约因素人力、物力、财力的限制系统的形成过程受空间、时间的限制系统与环境的物质、能量交换受到物理性、技术性条件的约束系统对环境的污染受到法定允许量的限制等,优化方法的分类,有约束的最优化问题无约束最优化问题确定性最优化问题随机性最优化问题为静态最优化动态最优化,为泛函型的优化问题函数型的优化问题线性规划非线性规划多目标规划动态规划等,系统规划评价,系统规划是系统工程管理过程中的一个要素，是决定系统大局的必要阶段。因此，对它的评价必须慎重，只有评价很好，才能充分发挥系统工程学的作用。系统设计是系统工程管理的核心问题，通过对系统的有效性的评价，考察系统设计适合目标的情况，通过对系统功能和性能的评价。考察系统设计适合特性的情况，另外还有对系统结构和系统运用的评价等。,要保证评价的客观性，必须注意评价资料的全面性、可靠性和正确性。防止出现评价人员的倾向性，评价人员的组成要具有代表性等。要保证方案的可比性。评价指标要成系统，由若干个小评价指标组成的整体。它应当包括系统目标所涉及的一切方面，而且对定性问题要有恰当的评价指标，以保证评价不出现片面性。评价指标必须与国家的方针、政策、法令的要求一致。,系统评价的原则,基准不同的三种类型的评价：,X被评价系统（事物，项目、方案等）客观推理型评价。在这种类型的评价中，评价基准物已知，我们可以通过逻辑分析，确定x的属性及对参考系统的贡献，从而确定x在基准系统中的地位，明确x的价值。规范型评价。当我们对基准系统缺乏认识或基准系统不大确定时，我们只能直接对x进行评价。评价时，所选用的基准只能是我们所具有的规范。规范之所以能作为比较的基准、是因为它是人们实践经验的总结，是思维的结果，是理想的价值。政策评价一般具有这种性质。象征型评价。象征型评价是以象征物作为比较的基准，象征物来自事实或经验。象征性评价与规范性评价的区别就在于前者是经验的、感性的、没有上升理性的高度，后者则是理性化的结果。,系统评价的步骤,明确系统目标，熟悉系统方案。分析系统要素确定评价指标体系制定评价结构和评价准则评价方法的确定单项评价综合评价,评价指标的数量化方法,排队打分法体操计分法专家计分法两两比较法01打分法,04打分法,多比例打分法连环比率法,模糊综合评价方法,因素集、评定集和考核族概念：确定系统评价项目集F，并确定每一评价项目的评价尺度集E，评价项目集也可以是一个多级递阶结构的集合。根据专家们的经验，或通过像层次分析法等方法，确定各评价项目的权重集，考核集T如下:,素集内各元素的权数分配WF和考核集内各因素的权数分配WT,并规定,系统仿真,系统仿真概述连续系统仿真离散事件系统仿真系统动力学仿真,概述,系统仿真概念：是一种通过实验来求解问题的技术基础：分析系统各要素性质及其相互关系建立能描述系统结构和行为且具有一定逻辑关系和数学性质的仿真模型目的：根据仿真模型对系统进行试验和定量分析获得决策所需的信息,系统仿真的实质,是一种对系统问题求数值解的计算技术，能有效地处理复杂的无法建立数学模型系统并求解这类问题是一种人为的试验手段，是实际系统映像的系统模型在相应的“人造”环境下进行的可以对系统状态(或行为)在时间序列内的全过程进行描述，可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程仿真的求解和试验主要是在计算机上实现的,仿真方法优、缺点及应用场合,优点：可以采用与实际系统更为接近的模型，而不限于系统模型形式：如线性代数方程、线性微分方程等缺点：只能得到特解，而不是通解适用场合：在实际系统上进行试验有危险性、成本过高或周期过长。无法或难以在实际系统上进行试验系统模型比较复杂，又难以近似简化,系统仿真的类型,按应用领域分类：生产管理仿真、工程技术仿真、军事仿真、科学试验按结构形式分类简单式仿真、串联式仿真、扩展式仿真、分析式仿真按模拟实验的方法分类物理仿真法、数学仿真法按系统中事件出现的特性分类随机性仿真、确定性仿真按照系统中实体或活动的动态形式分类连续系统的仿真、离散系统的仿真按仿真的手段分类手工仿真、计算机仿真,系统仿真的一般步骤,问题描述与定义明确要解决的问题，以及实现目标建立仿真模型模型是本质属性的抽象描述和表达，是面向问题和过程的数据采集需要对真实系统的参数作必要的统计调查仿真模型的确认按照统一的标准对仿真模型的代表性进行衡量,系统仿真的一般步骤,仿真模型的编程实现与验证使仿真程序的运行结果能精确地代表仿真模型应当具有的性能仿真试验设计确定仿真试验的方案仿真模型的运行获得的所需实验结果和数据，掌握系统的变化规律仿真结果的输出与分析需要在仿真输出样本的基础上，进行必要的统计推断,离散事件系统仿真特点,扩大到非工程和非数值计算领域状态在时间上和空间上都是离散的面向事件的，时间指针由事件的推动而随机递进的系统变量是反映系统各部分相互作用的一些事件系统模型则是反映这些事件的数集仿真结果是产生处理这些事件的事件历程,仿真中的基本概念,实体临时实体：只存在一段时间的实体，永久实体：永久性地驻留在系统中的实体事件引起系统状态发生变化的行为必须建立事件表，实现对系统中的事件进行管理活动表示两个可以区分的事件之间的过程，标志着系统状态的转移进程由若干个事件及若干个活动组成，它描述了事件及活动之间的相互关系及时序关系仿真钟连续系统中，可以是定步长，也可以是变步长离散系统中，仿真钟的推进步长完全是随机的统计计数器一次运行得到的状态变化过程只是随机过程的一次取样，因此只有在统计意义下才有参考价值,离散事件系统建模与仿真方法,事件调度法(EventScheduling)时间控制程序选择具有最早发生时间的事件将仿真钟修改到该事件发生的时刻调用与该事件相应的程序模块，对事件进行处理，该事件处理完后返回时间控制程序任何条件的测试，均在相应的事件模块中进行是一种面向时间的仿真方法,离散事件系统建模与仿真方法,活动扫描法(activityScanning)系统由部件组成，部件包含活动活动是否发生由条件是否满足而定若条件满足，则激活相应部件的活动模块时间控制程序较之其它条件具有更高的优先级判断激活条件时首先判断该活动发生的时间是否满足，然后再判断其它条件若所有条件都满足，则执行该部件的活动子例程，然后再对其它部件进行扫描对所有部件扫描一遍后，又按同样顺序进行循环扫描,直到仿真终止,离散事件系统建模与仿真方法,进程交互法(Processinteraction)综合ES和AS的特点，采用两张事件表首先按一定分布产生到达实体并置于FEL中，实体进入排队等待然后对CEL进行活动扫描，判断各种条件是否满足将满足条件的活动进行处理，仿真钟推进到服务结束并将相应实体从系统中清除将FEL中最早发生的当前事件的实体移到CEL中，继续推进仿真钟，对CEL进行活动扫描，直到仿真结束,离散事件系统建模与仿真方法,在基于下一事件时间推进法的离散系统仿真模型中通用部件如下：系统状态：在某一特定时间描述系统所必须的状态变量的集合仿真钟：给出当前仿真时间值的变量事件表：包含有每一类事件将要发生的下一时间表统计计数器：用于保存系统性能的统计信息的变量初始化程序：在零时刻对仿真模型进行初始化、计时程序：由事件表确定下一事件，将仿真钟推进到该事件发生的时间子例程事件程序：在某一类型的事件发生时修改系统的状态报告产生程序：计算所希望的性能测量的估计值，仿真程序结束时打印报告主程序：调用计时程序以确定下一事件，然后将控制转移到相应的事件程序，以便适