系统分析及方法

第二章系统分析及方法,中国矿业大学管理学院,主要内容,系统分析的含义系统分析的原则系统分析的内容与过程系统分析方法分类系统分析方法论系统分析方法发展趋势,引言：系统分析的产生,20世纪40年代末，出现大量不确定性、竞争性复杂系统，如军事对抗、经济竞争。产生了面向系统整体目标的分析方法系统分析“系统分析”最早由美国兰德公司提出，用于的武器系统的费用与效果分析40年代末70年代存在两条发展路线在政府与企业，运用数学工具和经济学原理，研究军事、经济系统等。如PPBS方法（规划-计划-预算系统，Planning,Programming,BudgetSystem）在大学和科研机构，系统的思想和方法在一些研究领域逐步得到系统化、理论化，系统分析逐渐成为一种普遍的研究方法目前，系统分析发展成为一种有效的方法体系，广泛应用于社会、经济、能源、生态等诸多领域。,引言：相关研究机构,兰德公司（RAND，）非营利性研究组织，主要对国家安全和公共福利方面的各种问题进行系统跨学科的分析研究，在美国内外政策的制定方面起着重要作用斯坦福国际研究所（SRI，）美国最大、最著名的民间研究机构之一，为综合各学科的研究机构，主要为美国政府，尤其是国防部，以及工商企业从事范围广泛的研究，在美国国防、外交、经济、科研等方面都起着重要作用。国际应用系统分析研究所（IIASA，www.iiasa.ac.at）非政府研究机构，地处奥地利，重点研究与全球变化的人文维度相关的环境、经济、技术与社会问题,引言：相关研究机构,伦敦战略研究所（IISS，）世界上享有盛名的思想库和智囊团，专门从事国际关系和国际问题，素有“战略思想库”之称。其发表的关于世界各国军事力量的公开统计数字、评估和判断，在世界上享有很重要的权威地位。哈佛大学国际事务中心（）专门从事国际问题研究的机构，对世界根本问题进行高级研究，关注经济、社会和政治发展、超越国家范围的各种作用和国际秩序、以及科学技术和国际事务的关系等问题圣塔菲研究所（SFI，）一所私营、非营利、多学科结合的研究和教育中心,汇集一批各个领域卓越的科学家，专门从事复杂性科学研究，试图由此找到一条通过学科间的融合来解决复杂性问题的道路,1.系统分析的定义,1.1系统分析是运筹学的扩展1.2系统分析是研究系统规律的方法1.3系统分析是一种决策的辅助技术1.4系统分析的定义1.5系统分析与其他学科的关系,目录,1.1系统分析是运筹学的扩展,系统分析与运筹学对比：系统分析是运筹学应用的扩展，两者的关系犹如战略对于战术的关系。运筹学用于解决目标明确、变量关系简单的近期问题系统分析用于解决更为复杂和困难的远期问题,1.2系统分析是研究系统规律的方法,美国麦氏科学技术大百科全书：系统分析是运用数学手段研究系统结构和状态变化规律的理论和方法。理解：对研究系统建立一种数学模型，按照这种模型进行数学分析，然后将分析的结果运用于原系统。,1.3系统分析是一种决策的辅助技术,系统分析是一个有目的有步骤的探索和分析过程，它利用科学的分析方法和工具，对系统的目的、功能、结构、环境、费用与效益等问题进行分析和确定，为决策提供所需的科学依据和信息。具体地说，系统要明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定量相结合的分析，全面评价和优化可行方案，从而为领导者选择最优方案或满意方案提供可靠的依据。,1.4系统分析的定义,系统分析（SA）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，为决策者选择满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。出发点：系统论研究方法：多学科研究对象：系统要素相互关系，系统规律研究目的：协调、最优,1.5系统分析与其他学科的关系,系统分析与系统学系统分析与系统工程系统分析与运筹学,系统分析与系统学,系统分析是系统学科体系中的一门应用技术，属于工程技术,系统分析与系统工程,观点一：系统工程=系统分析+系统设计+系统实现+系统控制观点二：系统分析=系统工程观点三：系统方法=系统分析+系统工程+系统管理,系统分析与运筹学,两者形成和发展过程同步，初期的应用都着重分析军事和武器系统，实现有关确定最优选择、部署和控制现有操作系统等业务活动。20世纪50年代以后出现明显区别：复杂系统（如社会系统）由于没有适宜的分析技术或者数据形式而难以适合运筹学的具体技术要求，以致不能确切地表达和求得结果，于是必须借助模拟技术或系统分析等方法来解决。从现代的观点来看，运筹学是一种研究确定性现象的系统分析方法，常用于系统的优化决策建模。,子目录,2.系统分析的原则,2.1局部效益与总体效益相结合2.2递阶分解与综合协调相结合2.3内部因素与外部因素相结合2.4当前利益与长远利益相结合2.5定性分析与定量分析相结合,目录,2.1局部效益与总体效益相结合,局部的最优并不代表总体最优。总体的最优往往要求局部放弃最优而实现次优或次次优。进行系统分析必须着眼于系统的整体目标，坚持“系统总体效益最优、局部效益服从总体效益”的原则。系统分析时还应站在比所研究系统高一级的立场和角度来观察。,2.2递阶分解与综合协调相结合,大系统特别是复杂系统常可分解为若干子系统，因此分析时可以将大系统逐层分解，即所谓“化整为零”，使问题简约清晰，便于深入研究；然后根据系统整体与各层次目标，相互协调配合，将小系统“集零为整”，只有各子系统实现各自功能，并相互协调一致，才能实现整体目标并达到最优。,2.3内部因素与外部因素相结合,系统的内部因素往往是可控的，而外部因素往往是不可控的，系统的功能或行为不仅受到内部因素的作用，而且受到外部因素的影响和制约。因此，对系统进行分析，必须把内外各种有关因素结合到一起来考虑。通常的处理办法是，把内部因素选为决策变量，把外部因素作为约束条件，运用系统分析的方法建立它们之间的相互关系。,2.4当前利益与长远利益相结合,选择最优方案，不仅要从当前利益出发，而且还要同时考虑长远利益，要两者兼顾。如果两者发生矛盾，应该坚持当前利益服从长远利益的原则。,2.5定性分析与定量分析相结合,定量分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。因此，在系统分析中，定性分析不可忽视，必须与定量分析结合起来进行综合分析，或者交叉地进行，才能达到系统选优的目的。,子目录,3.系统分析的的内容与过程,3.1系统分析的内容3.2系统分析的过程3.3实例3.4小结,目录,3.1系统分析的内容,环境分析目标分析结构分析模型构造与仿真分析系统优化系统评价和决策,（1）环境分析,环境因素很多时，应分清主次和轻重。对可定量分析的环境因素，通常可用约束条件的形式列入系统模型中；对只能定性分析的因素，可用估值法评分，尽量使之达到定量和半定量化。,（2）目标分析,明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和经济性。当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，建立目标系统（或目标集）以便逐项落实与保证总体目标的实现。,（3）结构分析,（4）模型构造与仿真分析,模型是系统分析的主要工具。描述大系统内部主要关系时单靠一个模型有时很难满足，往往要构造一组模型构成模型体系。模型如何构造？如何求解？以及利用模型进行仿真试验是该部分的主要内容。,（5）系统优化,在给定环境约束条件下，使系统达到整体最优目标的过程，包括构造系统优化模型、选择优化算法、选取有关运算的参数和初始数据、以及优化结果的分析等。,（6）系统评价和决策,包括拟订策略和方案集，制定评价准则，综合分析，选择出可行的最优方案，供决策者选择等。,3.2系统分析的过程,3.3系统分析示例：废水管理问题,废水管理问题描述研究系统及目标建立模型系统优化,废水管理问题描述,精练厂产生的废物随工厂的废水排放；废水经过部分处理后，排入附近的河流。政府对该厂规定的废物排放标准为10万kg/周。问工厂最优的运行方式是什么？,金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表,（1）研究系统及目标系统界定,（2）研究系统及目标系统目标,系统目标：目标1工厂利润最大（美元/周）目标2排入河流的污染物达到政府对该厂规定的标准，即10万kg/周。系统的可控因素：可控因素1：废水处理量可控因素2：金属的产量,（3）建立模型变量,X工厂金属的产量（万kg/周）Y经处理的污染物量（万kg/周）,建立模型处理厂排出的污染物量计算,建立模型质量通量示意图,对系统目标1，工厂利润可表达为：1.3X-0.9X-0.2Y/2（万美元/周）或0.4X-0.1Y（万美元/周）对系统目标2，排入河流的污染量为，3X-Y+0.03Y2（万kg/周）,（4）系统优化,求解结果为X=4.5（万kg/周）Y=4（万kg/周）Z=1.4（万美元/周）,3.4小节,系统分析：从系统论的概念和思想出发，综合应用多学科的知识和方法，研究系统各要素的相互关系和系统整体变化规律，在此基础上对系统进行协调和综合，达到系统总目标最优的目的。系统分析方法：在对系统对象进行规划、设计、制造、运行管理等过程中所采取的具体技术、方法、理论。如预测技术、模拟仿真技术、计算分析技术、优化、评价、决策方法等。,子目录,4.系统分析方法分类,4.1按系统的特征划分4.2按系统分析用途（或步骤）划分4.3按方法本身特点划分4.4重点方法与软件,目录,4.1按系统特征划分,确定性现象：运筹学、牛顿力学定律随机性现象：概率统计方法灰色现象：灰色系统分析模糊现象：模糊数学非线性现象：非线性系统建模、混沌与分形网络现象：图与网络分析法等,4.2按方法的用途划分,系统评价：指标量化评估、模糊综合评估、层次分析法（AHP）系统预测：定性预测、回归预测、时间序列、马尔可夫预测、灰色系统预测、人工神经网络系统模拟：系统动力学、元胞自动机（CA）模型等系统优化：线性规划、动态规划、目标规划系统决策：不确定性决策、多目标决策、风险决策、层次分析法（AHP）,4.3按方法本身特点划分,统计分析：关联分析、回归分析、主成分分析、聚类分析运筹学：线性规划、排队论、对策论微分方程：系统动力学等后现代数学方法：分形几何学、混沌数学仿生学算法：人工神经网络、元胞自动机、遗传算法,4.4重点方法与软件,重点方法：回归分析、预测、主成分分析、聚类分析、系统评价、系统优化、系统动力学、人工神经网络等软件工具：SPSS、LINDO、Vensim、MATLAB等,子目录,5.系统分析方法论,5.1霍尔的“三维结构”模式5.2切克兰德的“调查学习”模式5.3并行工程5.4综合集成工程方法学,目录,系统分析方法论,系统分析是一种独特的思考问题和处理问题的方法，通常需要采用多种解决方案进行求解。这就是系统分析方法论。系统分析方法论除采用一般系统的数学描述方法和逻辑推理方法外，还涉及工程技术的规范和社会科学的艺术等。描述性、逻辑性、规范性、艺术性这些特点交织在一起，构成了系统分析独特的思想方法、理论基础、基本程序和方法步骤。在系统分析的研究和应用中，人们逐渐地探索、积累和总结出多种科学的工作方法和程序。20世纪六七十年代以来具有一定代表性的主要有美国的霍尔的“三维结构”模式、英国的切克兰德的“调查学习”模式。,5.1霍尔的“三维结构”模式,1969年美国工程师霍尔对系统工程的一般过程提出了一个“三维结构”模式，并作了比较清楚的说明。他将系统的整个管理过程分为前后紧密相连的六个阶段和七个步骤，并同时考虑到为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理技术知识。这一管理模式在公共管理中也是适用的。在此基础上提出了公共管理的“三维结构”模式。,霍尔三维结构图示,A.D.Hall1969系统工程活动矩阵：T-L,5.2切克兰德的“调查学习”模式,人们常常把所研究的系统分为良结构系统与不良结构系统两类。所谓良结构系统是指机理明显的系统，它可以用较明确的数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统的行为和最佳结果，霍尔的“三维结构”模式主要适用于解决良结构的系统。所谓不良结构系统是指机理尚不清楚的系统，它较难用数学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用定性的方法来处理问题，甚至要凭人的判断和直觉。因此，解决这类问题时难以求出最佳的定量结果，只能求出可行的满意解，并且有些结果因人而异、因人而定。到目前为止，解决不良结构的系统方法已提出一些，如专家调查法(德尔菲法)、情景分析法、冲突分析法等。但是，从系统分析方法论角度看，切克兰德的“调查学习”方法具有更高的概括性。,主要内容,切克兰德的“调查学习”模式的核心不是寻求“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。它包括：不良结构系统现状说明。通过调查分析，对现存的不良结构系统的现状加以说明。弄清关联因素。初步弄清、改善与现状有关的各种因素及其相互关系。建立概念模型。在不能建立数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。改善概念模型。随着分析的不断深入和“学习”的加深，进一步用更合适的模型或方法改进上述概念模型。比较。将概念模型与现状进行比较，找出符合决策者意图而且可行的改革途径或方案。实施。实施提出的改革方案。,切克兰德方法流程示意图,两种方法轮的比较,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、反馈机制、),5.3并行工程,并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）内各阶段的因素（如功能、制造、装配、作业调度、质量、成本、维护与用户需求等等），并强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间的有效的信息交流与通讯机制，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，并得到解决，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等方面的特性，最大限度地减少设计反复，缩短设计、生产准备和制造时间。,并行工程的研究范围一般包括：并行工程管理与过程控制技术，并行设计技术，快速制造技术。并行工程自20世纪80年代提出以来，美国、欧共体和日本等发达国家均给予了高度重视，成立研究中心，并实施了一系列以并行工程为核心的政府支持计划。很多大公司，如麦道公司、波音公司、西门子、IBM等也开始了并行工程实践的尝试，并取得了良好效果。,5.4综合集成工程方法学,综合集成有方法论层次上的和工程技术层次上的。著名科学家钱学森在研究解决开放的复杂巨系统问题时，提出了从定性到定量的综合集成法，简称综合集成(metasynthesis)。综合集成的实质是专家经验、统计数据和信息资料、计算机技术三者的有机结合，构成一个以人为主的高度智能化的人机结合系统，发挥这个系统的整体优势，去解决复杂的决策问题。对开放复杂巨系统的综合集成要以人类积累的全部知识为基础、，要在整个现代科学知识体系中作大的跳跃，集大成，得智慧，产生新思想、新知识、新方法，钱学森称其为大成智慧。在哲学上，就是要把经验与理论、定性与定量、人与机、微观与宏观、还原论与整体论辩证地统一起来。,这就是方法论层次上的综合集成，其要点如下。(1)直接诉诸实践经验，特别是专家的经验、感受和判断力，把这些经验知识和现代科学提供的理论知识结合起来。(2)专家的经验是局部的，多半是定性的，要通过建模计算把这些定性知识和各种观测数据、统计资料结合起来，使局部定性的知识达到整体定量的认识。(3)把人与计算机结合起来，充分利用知识工程、专家系统和电脑的优点，同时发挥人脑的洞察力和形象思维能力，取长补短，产生出更高的智慧。,如何进行综合集成，除方法论层次上的综合集成外，还应特别重视工程技术层次上的综合集成。包括以下基本步骤和要点：1)一个实际问题提出来后，研究者(或研究小组)首先要充分收集有关的信息资料，调用有关方面的统计数据，作为开展研究工作的基础性准备。这些数据资料中包含系统的定性、定量特征信息，没有它们就不可能实现从对系统的局部定性认识经过综合集成达到对系统的整体定量认识。2)研究者邀请各方面专家对系统的状态、特性、运行机制等进行分析研究，明确问题的症结所在，对系统的可能行为走向及解决问题的途径作出定性判断，形成经验性假设，明确系统的状态变量、环境变量、控制变量和输出变量，确定系统建模思想。,3)以经验性假设为前提，充分运用现有的