工业系统工程第八章 系统分析.ppt

1、2020/8/5,SE,1,第八章 系统分析,系统分析一词最早是第二次世界大战后由美国兰德公司开发的研究大型工程项目等大规模复杂系统问题的一种方法论而出现的。 从狭义上理解，系统分析的重要基础是霍尔三维结构中逻辑维的基本内容，并与切克兰德方法论等有相通之处；从广义上理解，有时把系统分析作为系统工程的同义语使用。,SE,2,2020/8/5,系统分析原理及应用,一、系统分析概念 二、系统分析的准则 三、阐明问题阶段 四、谋划被选方案 五、建模和预计后果 六、评比被选方案,SE,3,2020/8/5,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，

2、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。 SA是SE的基本方法。,一、系统分析概念,SE,4,2020/8/5,目的提高问题的清晰度 方法用系统的方法，定性、定量的工具分析结构和状态，提出方案并进行评价和协调 任务提供方案、评价标准以及建议,SE,5,2020/8/5,在进行系统分析时，系统分析人员对与问题有关的要素进行探索和展开，对系统的目的与功能、环境、费用与效果等进行充分的调查研究，并分析处理有关的资料和数据，据此对若干备选的系统方案建立必要的模型，进行优化计算或仿真实验，把计算、实验、分析的结果同预定的任务或目标进行比较和评价，

3、最后把少数较好的可行方案整理成完整的综合资料，作为决策者选择最优或满意的系统方案的主要依据。,SE,6,2020/8/5,系统分析的过程,阐明问题,谋划备选方案,预测未来环境,建模和预计后果,评比备选方案,原始 情况,约束 条件,备选 方案,目标,阐明问题,调整约束,分析研究,评价 指标,提供 分析 结果,评价比较,重新阐明问题,SE,7,2020/8/5,SA程序,阐明问题,分析研究,评价比较,SE,8,2020/8/5, 问题 目的及目标 方案 模型（结构、数学、仿真） 评价 决策者,SA要素：,SE,9,2020/8/5,(1) 问题 在系统分析中，问题一方面代表研究的对象，或称对象系统

4、。需要系统分析人员和决策者共同探讨与问题有关的要素及其关联状况，恰当地定义问题；另一方面，问题表示现实状况(现实系统)与希望状况(目标系统)的偏差，这为系统改进方案的探寻提供了线索。,SE,10,2020/8/5,(2) 目的及目标 目的是对系统的总要求，目标是系统目的的具体化。目的具有总体性和唯一性，目标具有从属性和多样性。目标分析是系统分析的基本工作之一，其任务是确定和分析系统的目的及其目标，分析和确定为达到系统目标所必须具备的系统功能和技术条件。目标分析可采用目标树等结构分析的方法，并要注意对冲突目标的协调和处理。,SE,11,2020/8/5,(3) 方案 方案即达到目标的途径。为了达

5、到预定的系统目的，可以制定若干备选方案。例如，改造一条生产线可以有重新设计、从国外引进和在原有设备的基础上改造等三种方案。通过对备选方案的分析和比较，才能从中选择出最优系统方案，这是系统分析中必不可少的一环。,SE,12,2020/8/5,(4) 模型 模型是由说明系统本质的主要因素及其相互关系构成的。模型是研究与解决问题的基本框架，可以起到帮助认识系统、模拟系统和优化与改造系统的作用，是对实际系统问题的描述、模仿或抽象。在系统分析中常常通过建立相应的结构模型、数学模型或仿真模型等来规范分析各种备选方案。,SE,13,2020/8/5,(5) 评价 评价即评定不同方案对系统目的的达到程度。它是

6、在考虑实现方案的综合投入(费用)和方案实现后的综合产出(效果)后，按照一定的评价标准，确定各种待选方案优先顺序的过程。进行系统评价时，不仅要考虑投资、收益这样的经济指标，还必须综合评价系统的功能、费用、时间、可靠性、环境、社会等方面的因素。,SE,14,2020/8/5,(6) 决策者 决策者作为系统问题中的利益主体和行为主体，在系统分析中自始至终具有重要作用，是一个不容忽视的重要因素。实践证明，决策者与系统分析人员的有机配合是保证系统分析工作成功的关键。,SE,15,2020/8/5,注意：,环境分析贯穿系统分析始终，具有重要作用： 认识问题阶段，只有正确区分出各种环境要素，才能划定系统边界

7、； 在探寻目标阶段，要根据环境对系统的要求建立系统的目标结构，以求得系统对环境的最优和最大输出； 综合方案阶段，要考虑到环境条件及其变化对方案可行性的影响，选择出能适应环境变化的切实可行的行动方案； 在模型化及其分析阶段，要充分而正确地考虑到各主要环境条件(如人、财、物、政策等)对系统优化的约束； 评价与决策阶段，要通过灵敏度分析和风险分析等途径，“减少”环境变化对最佳决策方案的影响，提高策略的相对稳定性和环境适应性。,SE,16,2020/8/5,注意：,并非对所有问题进行系统分析的过程都要完全履行上图所示的几个环节，而往往是根据实际问题的需要有所侧重或只涉及其中的一部分环节。但认识问题、综

8、合方案、系统评价等过程通常是必不少的。,SE,17,2020/8/5,SA程序,阐明问题,分析研究,评价比较,SE,18,2020/8/5,二、系统分析的原则,坚持问题导向 以整体为目标 方案模型分析和选优 定量分析与定性分析相结合 多次反复进行,SE,19,2020/8/5,1、坚持问题导向 系统分析是一种处理问题的方法，有很强的针对性，其目的在于寻求解决特定问题的最优或满意方案。系统分析人员要适应实际问题的需要，制定方案，选择方法，并通过适时调整使分析过程及结果对问题的不确定性变化具有较好的适应性。帮助决策者解决实际问题，这是系统分析的目的。,SE,20,2020/8/5,2、以整体为目标

9、 系统分析把问题作为一个整体来处理，全面考虑各主要因素及其相互影响，强调以最少的综合投入和最良好的总体效果来完成预定任务。系统各组成部分，都具有各自特定的功能和目标，只有相互分工协作，才能发挥出系统的总体效能。系统分析既要从系统整体出发，考虑系统中所要解决的各种问题及其多重因素，防止顾此失彼；又要注意不拘泥于细节，抓住主要矛盾及其方面，致力于提出解决主要矛盾的方法和措施，避免因小失大。以整体最优为核心的系统观点是系统分析的前提条件。,SE,21,2020/8/5,3、方案模型分析和选优 根据实际问题的需要和系统目标的要求收集各种信息，寻找多个方案，并对其进行模型化及优化或仿真计算，尽可能求得定

10、量化的分析结果，这是系统分析的核心内容。 在系统方案综合(设计)中应注意： 要搞多方案，但不要过多，通常以34个为宜； 方案要有基本的同目的性(可替代性)、能实现性(方案详细可分)、可识别性(能评价系统目的、功能的达成度或优劣)等要求； 方案产生过程中要注意采用各种创造性技术。,SE,22,2020/8/5,4、定量分析与定性分析相结合 系统分析采用定量分析与定性分析相结合的基本方法。分析中既要利用各种定量资料和模型化及优化或仿真计算的结果，使方案的优劣以定量分析为基础；又要在其同时充分利用分析者、决策者和其他有关人员的直观判断和经验，进行综合分析与判定。这是系统分析的基本手段。唯经验判断和唯

11、定量分析，都与系统分析的要求相违背。,SE,23,2020/8/5,5、多次反复进行 对复杂系统问题的分析，往往不是一次可以圆满完成的。它需要根据对象系统及其所处环境的可能变化，通过反复与决策者对话，适时、不断地修正分析的过程及其结果，形成分析过程中的多次及多重反馈，逐步得到与系统目标要求最接近、令决策者较为满意的系统方案。这是系统分析成功的重要保障。,SE,24,2020/8/5,三、阐明问题阶段,阐明问题阶段本身就是一项小规模的系统工程，需要分析研究目标结构、价值观念、约束条件、备选方案、方案后果及人们对后果的反应等。尽管分析的方法很粗略，甚至完全凭直观判断，但这些工作决定着今后的分析过程

12、，如构造什么模型，比较哪些备选方案，某种后果是否可行，等等。,SE,25,2020/8/5,主要是弄清各种相关联问题形成的问题域和它们的来龙去脉，即问题的结构、过程和势态。为此，系统工程人员必须广泛地和决策者、利益有关的人员以至各界人士进行对话。阐明问题阶段约占系统分析全过程时间的20%-25%。,SE,26,2020/8/5,在问题的设定方面学者们提出了许多行之有效的方法，这类方法中，比较知名的有头脑风暴法(Brain Storming)，5W1H法、KJ法、德尔菲法、 情景分析法、交叉影响法等等。这些方法的特点是总结人们的经验，集思广益，通过分散讨论和集中归纳，整理出系统所要解决的问题。,

13、SE,27,2020/8/5,5W1H法,SE,28,2020/8/5,这一阶段，其中目标、评价指标和约束条件是关键性的成果。,SE,29,2020/8/5,目标 系统工程人员作为决策者的智囊，归根结底是帮助决策者这到真正的目标并找出适当的途径。理想的做法应尽早明确目标。但在这些“软”问题上，人们很难听到决策者用清晰周密的语言表达他的真正目标。问题还在于，即使决策者在分析开始时就明确提出目标，也不能不加分析地采纳。,SE,30,2020/8/5,系统目标的确定,(1) 要有总体观点； (2) 要有长远观点； (3) 要有效果观点； (4) 要有鲜明性(最好能定量表示)； (5) 要考虑可行性；

14、 (6) 要有标准性； (7) 要有顺序性(分清主次)； (8) 要考虑适应性。,SE,31,2020/8/5,所以，系统工程人员需要全面分析目标结构，选择适当层次的目标。 目标太笼统，系统分析难度大；如太具体又容易以偏概全。至于选定何一层次目标，这恰恰是系统工程人员发挥技艺之处。,SE,32,2020/8/5,评价指标 为了衡量决策者对方案后果的满意程度，系统分桥需确定一个(一组)评价指标。根据各方案的指标状况，排出优先次序。但是，目标往往难以直接定量化，需要采用一种可定量的代用指标，例如，用婴儿死亡率来反映某地区的医疗状况。,SE,33,2020/8/5,约束条件 约束条件是对备选方案、后

15、果和目标的限制。只有不直接或间接违反约束条件的方案，后果和目标才能看做是可行的。约束条件限制了方案数量，它可能是物理定律、自然条件和资源的限制，也可能是组织体制、法律、道德观念等方面形成的界限。有些约束长期成立，不容破坏，如物理定律等，有些则随技术进步和社会发展而变化。,SE,34,2020/8/5,四、谋划备选方案,谋划备选方案包括方案的提出和筛选过程。 方案提出有多种渠道。决策人或问题提出入的意见和设想是渠道之一。系统工程人员在调查研究过程个可以收集到各种意见。再者，分析者本人也可提出若干备选方案。,SE,35,2020/8/5,然而，任何一种备选方案的提出和形成都有赖于系统工程人员的分析

16、和概括能力、想象力、创造力以及对现实的深刻了解。例如，关于减少育少年犯罪活动问题，教官、电影、电视内容、书刊管理、民警监督、住房、社会福利等各个方面采取的措施都可能单独地或相互组合地形成一个方案。在这里，没有一个固定模式，这需要分析者去探索和概括。,SE,36,2020/8/5,筛选过程中往往要采取专家评判的方法。系统工程小组(或专家组)一致同意则去比一致同意选取的做法更容易行得通，经过讨论将一些不可行的或太敏感的方案删去，在谋划备选方案阶段结束后提出少数几个(一般以3个为宜，不超过5个)方案供详细分析研究。同时，在分析过程中，自始至终要注意发掘新的更好的方案，分析者要谨慎从事，又要有勇气提出

17、创造性的建议。,SE,37,2020/8/5,总之，良好的备选方案是进行良好系统分析的基础而在系统分析过程中自始至终要意识到，需要而且可能发现新的更好的备选方案，这是得到出色分析结果的关键。,SE,38,2020/8/5,五、建模和预计后果,每种备选方案都相应有一系列后果。这些后果那是通过社会、经济、技术等方面的指标来衡量的，有的后果有助于达到目标，有的则是消极的，有些后果对选定的目标影响甚小，但涉及其它决策者和组织者的利害关系，有的后果满足近期目标，但其作用可延续较长时间并妨碍长期目标的实现。可见，系统分析者不能局限于某个决策者的具体目标，应从较广范围来考察后果。,SE,39,2020/8/

18、5,另一方面，由于系统工程人员受时间、精力和财力的限制，不可能全面考察在社会、经济、技术等方面的后果。因此，本阶段的首要“决策”便是确定应该预计哪些后果?其中哪一项最重要？后果的作用时期该考虑多久?,SE,40,2020/8/5,选定后果项目后，便可着手建立一个或多个模型预计行动和后果指标之间的关系。实际上，系统分析的其它阶段包括阐明问题、谋划备选方案及方案评比等，和预计后果一样往往都需要建立模型。建模成为反映系统分析特色的主体内容。然而，预计后果的模型较之其它阶段的模型要复杂和重要得多，人们往往把系统工程的模型只理解为本分析阶段的模型。,SE,41,2020/8/5,作为决策者智囊的系统工程

19、人员，总希望在决策前用左半脑的思维方式将一项行动的前因后果解释清楚，从技术角度来说，就是要建立清晰的逻辑推理模型，用表格、图形、数字、数学关系式或计算机程序来表达行动和后果之间的关系，通过精确计算，处理更多的信息。严格的逻辑推理可以得出直感判断难以得出的结果，其缘由、依据可以清楚地展现出来，便于其它人检验，讨论和判断。,SE,42,2020/8/5,值得指出的是，不能用自然科学中数学模型的概念来看待系统分析中的后果预副模型。自然科学模型是科学理论的数学表达式，可通过试验来验证。而系统工程中的模型很少有这类科学理论，多半是推测，难以试验，其精度也不能和它相提并论。系统工程人员很难说他预计的后果一

20、定可靠，因为无法排除不确定因素和未知因索。 但花费精力、财力去进行不精确的估计也是非常有必要的。有系统分析的帮助，比单纯的直感判断要好。尽管绝对精度不高，但用于方案的比较，选出一个较优方案还是有效的。,SE,43,2020/8/5,建模的方法和思路,（1）直接分析法：按研究者对问题内在机理的认识直接构造出模型。 如线性规划模型、动态规划模型、系统动力学模型；投入产出模型等。,SE,44,2020/8/5,（2）类比法：,有些问题可以用不同的方法构造出模型，而这类模型的结构性质是同类的，这就可以互相类比。 如物理学中的机械系统、气体动力学系统、水力学系统、热力学系统以及电路系统之间就有不少彼此类

21、同的现象。甚至有些经济、社会系统也可以用物理系统来类比。 在分析有些经济、社会问题时，不同国家之间也可以找出某些类比的现象。,SE,45,2020/8/5,（3）数据分析法：对有些问题的机理尚未了解清楚，若能收集到与此问题密切相关的大量数据，或者通过某些实验获得大量数据，这就可以利用统计分析的方法来建模。,（4）实验分析法:当有些问题的机理不清，又不能做大量的实验来获得数据时，这时只能通过做局部实验的数据加上分析来构建模型。,SE,46,2020/8/5,（5）想定 (构想)法（Scenario）,有些问题机理不清，缺少数据，又不能通过试验来获得数据（如社会、经济、军事问题），人们只能在己有的

22、知识、经验和某些研究的基础上，对于将来可能发生的情况给出逻辑上合理的设想和描述。然后用己有的方法构造模型，并不断修正完善，直至比较满意。,SE,47,2020/8/5,模型的一般形式,目标函数 : U=F(xi,yj,zk) 约束条件 : g(xi,yj,zk)0,xi为可控变量或决策变量; yj为状态变量或已知的参数; zk为随机因素。,SE,48,2020/8/5,系统的可行方案集,最优解：使目标函数达到最优值的解; 次优解：比最优解稍差，比其他解优越的解； 满意解：在目标难以数量化时，只得进行比较粗略的计算，得出较为满意的解。,SE,49,2020/8/5,六待选方案的评价与最优方案的确定,选择评价指标/指标体系时，一定要尊重科学。一个比较好的办法是充分尊重行业专家的意见，整理、归纳、综合得到评价问题的评价指标/指标体系，例如可以采取Delphi的方法来进行。,1 评价指标的选定,SE,50,2020/8/5,评价指标体系的分层,如果涉及到拟评价的问题过大或者是过于复杂时，可以将指标分层，即可以将指标分成不同的层次，最高一级的层次可能包含待评价方案三到五个方面的内容;在不同的内容底下，再将指标进行分解，如果问题复杂，可以将指标分成多个层次。反之，如果问题比较简单，只要一个评价层次也是可以的。,SE,51,2020/8/5,2 评价的方法,确定