《系統(tǒng)工程教學(xué)課件》第二章系統(tǒng)分析

1、第二章 系統(tǒng)分析,2.1 系統(tǒng)分析的概念 2.2系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容 2.3系統(tǒng)目標(biāo)分析 2.4系統(tǒng)環(huán)境分析 2.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 2.6系統(tǒng)建模與系統(tǒng)評價,概念： 系統(tǒng)分析（SA）是在對系統(tǒng)問題現(xiàn)狀及目標(biāo)充分挖掘的基礎(chǔ)上，運用建模及預(yù)測、優(yōu)化、仿真、評價等方法，對系統(tǒng)的有關(guān)方面進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的分析，為決策者選擇滿意的系統(tǒng)方案提供決策依據(jù)的分析研究過程。 SA是SE（系統(tǒng)工程）的核心內(nèi)容、分析過程和基本方法。,第一節(jié) 系統(tǒng)分析的概念, 問題 目的及目標(biāo) 方案 模型（結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)、仿真） 評價 決策者,SA要素：,2.1 系統(tǒng)分析的概念,2.1 系統(tǒng)分析的概念,2.1 系統(tǒng)分析的概念,（1）堅

2、持問題導(dǎo)向 （2）以整體為目標(biāo) （3）多方案模型分析和選優(yōu) （4）定量分析與定性分析相結(jié)合 （5）多次反復(fù)進(jìn)行,2.1 系統(tǒng)分析的概念,第2節(jié) 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,系統(tǒng)分析的一般過程,1,系統(tǒng)分析的主要活動內(nèi)容,2,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,五個環(huán)節(jié)，兩個注意：反復(fù)和交流,系統(tǒng)分析過程的邏輯結(jié)構(gòu),一闡明問題階段工作內(nèi)容： 本身就是一個小規(guī)模的系統(tǒng)工程，要在某種程度上研究目標(biāo)結(jié)構(gòu)、價值觀念、約束條件、備選方案、后果及相關(guān)人員的反應(yīng)。 1、問題剖析 包括兩部分：問題性質(zhì)和問題條件。 （ 5W1H：What, Why, When, Where, Who, How ） 檢視 利益相關(guān)者,2.2

3、系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,2、階段結(jié)果報告 包括：問題的由來和背景；重要性；可能采取行動的組織和個人；利益相關(guān)者的組織和人員；目標(biāo)、評價指標(biāo)、約束條件、備選方案的初步描述、建議等、 1）目標(biāo)：應(yīng)幫助決策者達(dá)到真正的目標(biāo)并找出適當(dāng)?shù)耐緩?2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,2）評價指標(biāo) 衡量決策者對方案后果的滿意程度，需要確定一組指標(biāo)。 也是綜合評價的基礎(chǔ)。 盡量量化，如醫(yī)療狀況，用嬰兒死亡率、預(yù)期壽命做指標(biāo)。 輸入不宜做指標(biāo)，垃圾清理系統(tǒng)的用戶繳納的清潔費。,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,3）約束條件 約束條件是對備選方案、后果和目標(biāo)的限制。 資源、技術(shù)、環(huán)境、時間、法律、制度,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和

4、內(nèi)容,二謀劃（提出）備選方案 都江堰，秦太守李冰父子，“魚嘴”分水工程，“飛沙堰”分洪 排沙工程，“寶瓶口”引水工程，120個附屬渠堰。,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析 普拉德霍灣油田美國本土 任務(wù)：每天運送200萬桶 環(huán)境：油田處于北極圈內(nèi)，海灣長年處于冰封階段；陸地長年冰凍，最低氣溫達(dá)零下50C。,三建模和預(yù)計后果 建模從直覺到科學(xué)的分析。 1、分析模型：分析模型通常用數(shù)學(xué)關(guān)系式表達(dá)變量之間的關(guān)系。如運籌學(xué)模型。 2、仿真模型：通過一系列“偽試驗”（一般用計算機(jī)），來預(yù)測結(jié)果。 蒙特卡洛仿真 圣吉的微世界模型 物流和交通仿真,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,3、

5、博弈模型 又叫對策論，在人類的互動行為中，結(jié)局依賴于兩個或更多的人們所采取的交互式的戰(zhàn)略。 如沖突分析 4、判斷模型 軟系統(tǒng)方法，會議法，Delphi法等,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,四預(yù)測未來環(huán)境 環(huán)境是決策人無法控制的自然、經(jīng)濟(jì)、社會和技術(shù)的未來狀態(tài)。 1、離開未來實施環(huán)境去談方案后果是沒有實際意義的。系統(tǒng)工程者向決策人后果信息只能這樣表述：在某種環(huán)境下采取某種行動將會導(dǎo)致什么結(jié)果。 2、行動方案從決策到實施有一段時間間隔，而未來狀態(tài)是不確定的，不確定是系統(tǒng)工程全過程的一個基本特點。,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,五評比備選方案 對備選方案排出優(yōu)先持續(xù)。方案評價是復(fù)雜的。 或?qū)溥x方案和

6、情景列于同一表格或圖表，如蘭德公司在為荷蘭三角灣防洪這項巨大工程所進(jìn)行的系統(tǒng)分析中，就將四種備選方案（建封閉水壩、建防風(fēng)浪水壩、修堤防和維持現(xiàn)狀）在投資、經(jīng)常費用、安全、生態(tài)、漁業(yè)、運輸、旅游、國民經(jīng)濟(jì)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)等方面的后果指標(biāo)值用不同顏色標(biāo)志登記在同一記分表格中，供決策者比較判斷。 在很大程度上，系統(tǒng)工程是決策支持，而非直接給出決策結(jié)果，涉及價值觀和效用函數(shù)。,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,六系統(tǒng)工程分析報告 包括三部分： 1、簡略報告，要點、依據(jù)、結(jié)論和行動方案的建議，提供給決策者。 2、主體報告，用非技術(shù)語言描述整個分析過程，包括背景分析、問題的闡明、分析的依據(jù)和設(shè)想、方案的篩選、分析過

7、程的關(guān)鍵問題、結(jié)論，提供給主管或?qū)嵤╉椖康挠嘘P(guān)決策者和管理人員。 3、技術(shù)報告，包括分析過程的技術(shù)內(nèi)容、數(shù)學(xué)模型、計算機(jī)程序及使用說明等，提供給審查分析報告的專家閱讀。 寫作順序一般為技術(shù)報告、主體報告到簡報。 還可能需要講解材料和答辯。,2.2 系統(tǒng)分析的步驟和內(nèi)容,目標(biāo)分析的主要內(nèi)容有： 論證系統(tǒng)總目標(biāo)的合理性、可行性和經(jīng)濟(jì)性，并確定建立系統(tǒng)的社會經(jīng)濟(jì)價值； 當(dāng)系統(tǒng)總目標(biāo)比較概括時，需要分解為各級分目標(biāo)，建立目標(biāo)系統(tǒng)（或目標(biāo)集）以便逐項落實與保證總目標(biāo)的實現(xiàn)；可以采用目標(biāo)手段系統(tǒng)圖（見下圖） 目標(biāo)分解過程有深度和寬度問題。寬度問題是指一個總目標(biāo)該用幾個子目標(biāo)來衡量，子目標(biāo)的增多雖然能使目標(biāo)

8、描述更為完整細(xì)致，但同時也增加了決策的難度；深度問題是指目標(biāo)層次數(shù)，這主要依賴于用這些層次來做什么和是否便于對各層次引入效用和屬性，從而對子目標(biāo)進(jìn)行度量來決定。,第三節(jié) 系統(tǒng)目標(biāo)分析,目標(biāo)手段分析法 目標(biāo)手段分析法就是將要達(dá)到的目標(biāo)和所需要的手段按照系統(tǒng)展開，一級手段等于二級目標(biāo)，二級手段等于三級目標(biāo)，依次類推，便產(chǎn)生了層次分明、相互聯(lián)系又逐漸具體化的分層目標(biāo)系統(tǒng)。 在分解過程中，要注意使分解的分目標(biāo)與總目標(biāo)保持一致，分目標(biāo)的集合一定要保證總目標(biāo)的實現(xiàn),2.3 系統(tǒng)目標(biāo)分析,2.3 系統(tǒng)目標(biāo)分析,1. 環(huán)境分析的意義 了解系統(tǒng)所處環(huán)境是解決問題的第一步。環(huán)境給出了系統(tǒng)的外部約束條件，系統(tǒng)分析的

9、資料要取自環(huán)境，一旦環(huán)境發(fā)生變換，將引出新的系統(tǒng)分析課題。 2環(huán)境因素的分類 系統(tǒng)的環(huán)境一般可以分為三個方面：自然地理環(huán)境、科學(xué)技術(shù)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境。 3環(huán)境分析的主要內(nèi)容是： 確定系統(tǒng)與環(huán)境的邊界 摸清環(huán)境對系統(tǒng)的影響程度，包括找出相關(guān)的環(huán)境因素集，確定各環(huán)境因素的影響范圍、程度和各因素間的相關(guān)程度，并在方案分析中予以考慮，分清主次。,第四節(jié) 系統(tǒng)環(huán)境分析,4.未來環(huán)境預(yù)測 未來環(huán)境預(yù)測是根據(jù)所掌握的信息和數(shù)據(jù)對環(huán)境因素的發(fā)展變化，對系統(tǒng)壽命周期內(nèi)未來環(huán)境的可能狀態(tài)以及對系統(tǒng)可能產(chǎn)生的后果進(jìn)行估計。 情景分析法是未來環(huán)境預(yù)測常用的一種方法。 情景分析法對于每種方案都確定幾組未來實施環(huán)境的特

10、征和條件。如對市場：好、持平、差。一般需要給出每種情景的可能性，好：30；持平：40；差30，比較方案的期望后果。,2.4 系統(tǒng)環(huán)境分析,1.概念 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)保持整體性和使系統(tǒng)具備必要的整體功能的內(nèi)部依據(jù)，它反映系統(tǒng)內(nèi)部元素之間的相互聯(lián)系、相互作用的形式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析就是系統(tǒng)組成元素集，元素之間的相互關(guān)系集以及它們在層次分布上的最優(yōu)組合，并使系統(tǒng)得到最優(yōu)的或滿意的系統(tǒng)輸出。 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的因果關(guān)系圖方法 因果關(guān)系：因果關(guān)系是表示兩個因素（變量）之 間的關(guān)系。它構(gòu)成所研究的系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的影響機(jī)制。因果分析，首先從系統(tǒng)內(nèi)部實際運行機(jī)制出發(fā)，找出系統(tǒng)要素，畫出因果關(guān)系圖。,第五節(jié) 系統(tǒng)

11、結(jié)構(gòu)分析,因果鏈極性：每條因果鏈都具有極性，或者為正(+)或者為負(fù) （-）。極性是指當(dāng)箭尾端變量變化時，箭頭端變量會如何變化。極性為正是指兩個變量的變化趨勢相同，極性為負(fù)指兩個變量的變化趨勢相反。,2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容 系統(tǒng)要素集的確定。 相關(guān)關(guān)系分析。對于復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，常 可將其簡化為二元或多元關(guān)系。 首先要根據(jù)分目標(biāo)的要求明確系統(tǒng)要素間必須存在或不應(yīng)存在的關(guān)系； 其次了解二元關(guān)系的性質(zhì)及其變化對系統(tǒng)分目標(biāo)或總目標(biāo)的影響，即相關(guān)性的靈敏度； 最后按照需要加以綜合。相關(guān)關(guān)系分析具體內(nèi)容見第3章。,2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析, 系統(tǒng)的層次性（階層性）分析。主要解決系統(tǒng)分層

12、和各層規(guī)模的合理性問題?？蓮膬蓚€方面考慮：一是傳遞物質(zhì)、能量和信息的效率、費用和質(zhì)量；二是功能單元的合理結(jié)合與歸屬。 系統(tǒng)整體性分析。綜合上述分析成果，從整體最優(yōu)上進(jìn)行概括和協(xié)調(diào)，著重解決三個問題： 建立評價指標(biāo)體系，用以衡量和分析系統(tǒng)的整體結(jié)合效果； 建立反映系統(tǒng)的集合性、相關(guān)性、階層性等特定的結(jié)合模型； 建立結(jié)合模型的優(yōu)選程序。,2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,1.模型的概念 一切客觀存在的事物及其運動形態(tài)統(tǒng)稱為實體，模型是對實體的特征及其變化規(guī)律的一種抽象或者表征，而且往往是對實體中那些所要研究的特定的特征的抽象。 模型是把對象實體通過適當(dāng)?shù)倪^濾，用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)規(guī)則描繪的簡潔的模仿品。 模型建立是以

13、模型與原型之間的相似性為基礎(chǔ)的，這里的相似可以是外表的相似，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相似或僅為功能的相似。 模型可以是定量的，也可以是定性的，或是兩者的結(jié)合模型,第六節(jié) 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,2 系統(tǒng)模型的特征 它是現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象或模仿； 它是由反映系統(tǒng)本質(zhì)或特征的主要因素構(gòu)成； 它集中體現(xiàn)這些主要因素之間的關(guān)系。 3模型的分類 實體模型和抽象模型兩大類 實體模型：實物模型（如城市規(guī)劃模型、作戰(zhàn)沙盤等）和模擬模型（地圖、電路圖、電路模擬機(jī)械運動） 抽象模型：也稱為符號模型，模型中豐富多彩的部分，包括數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)模型、仿真模型,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,4 建模的原則 （1

14、）現(xiàn)實性：把本質(zhì)的東西和關(guān)系反映進(jìn)去，非本質(zhì)的東西去掉，而又不影響反映現(xiàn)實的真實程度。 （2）簡明性：模型既要精確，又要簡明。 （3）適應(yīng)性：在運算分析方面、適應(yīng)問題的變化、操作方面等具有適應(yīng)性。 （4）完整性 （5）規(guī)范性：盡量借鑒標(biāo)準(zhǔn)形式。 一般處理原則：力求達(dá)到真實性，在真實的基礎(chǔ)上達(dá)到簡明性，最后盡可能達(dá)到適應(yīng)性要求。,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,5 系統(tǒng)建模方法與步驟 （1） 系統(tǒng)建模方法 1)推理法“白箱”系統(tǒng) 常用的三種數(shù)學(xué)模型為： 微分方程，建立的主要方法是機(jī)理分析法（演繹法） 傳遞函數(shù)，建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)的主要方法是拉氏變換法 狀態(tài)空間模型，系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型可以在演繹法的基

15、礎(chǔ)上，通過適當(dāng)選取系統(tǒng)的狀態(tài)變量來建立 2)辨識法（實驗法）“黑箱”或“灰箱”系統(tǒng)，允許做實驗的系統(tǒng)，通過實驗的方法測量其輸入和輸出，然后按照一定的辨識方法，建立系統(tǒng)模型,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,3)統(tǒng)計分析法對于那些屬于“黑箱”，但又不允許直接進(jìn)行實驗觀察的系統(tǒng) 4)模擬法通過建立計算機(jī)仿真模型，來模擬實際系統(tǒng)的行為。例如系統(tǒng)動力學(xué)模型Vensim軟件等 5)混合法大部分系統(tǒng)模型的建造往往是上述幾種方法綜合運用的結(jié)果 對信息已知的部分采用演繹法； 對信息未知的部分采用歸納法，或者根據(jù)已知的物理和結(jié)構(gòu)特性建立某種程度的數(shù)學(xué)模型 利用經(jīng)過統(tǒng)計處理的輸入輸出數(shù)據(jù)來修正模型,2.6 系統(tǒng)的建模

16、與系統(tǒng)評價,6.系統(tǒng)評價與模型的優(yōu)化 系統(tǒng)評價對系統(tǒng)開發(fā)提供的各種可行方案，從社會、政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的觀點予以綜合考察，全面權(quán)衡利弊得失，從而為系統(tǒng)決策選擇最優(yōu)方案提供科學(xué)的依據(jù)。,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,系統(tǒng)評價的原則 1保證評價的客觀性。評價是決策的前提，評價的質(zhì)量影響著決策的正確性。因此，必須注意評價資料的全面性和可靠性，同時要防止評價人員的傾向性，注意評價人員的代表性和各類專家的組成。 2保證方案的可比性。替代方案在實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能上要有可比性和一致性，評價指標(biāo)也應(yīng)基本相同。 3評價指標(biāo)要成體系。評價指標(biāo)應(yīng)能全面反映被評價問題的主要方面，在基本能滿足評價要求和給出決策所需信息的

17、前提下，應(yīng)盡量減少指標(biāo)個數(shù)，在可能的情況下，盡量定量化，以減少評價過程中的主觀性和片面性。 4評價方法和手段的綜合性。系統(tǒng)評價要對系統(tǒng)的各個側(cè)面，運用多種方法和工具進(jìn)行全面綜合評價，充分發(fā)揮各種方法和手段的綜合優(yōu)勢，為系統(tǒng)的綜合評價提供全面分析的手段。,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,常用的系統(tǒng)評價指標(biāo)數(shù)量化方法主要有：排隊打分法、體操計分法、專家評分法、兩兩比較法、連環(huán)比率法等。 1. 排隊打分法 如果指標(biāo)（例如汽車的時速、油耗，工廠的產(chǎn)值、利潤、能耗等等）已有明確的數(shù)量表示，就可以采用排隊打分法。 設(shè)有m種方案，則可采取m級記分制：最優(yōu)者記m分，最劣者記1分，中間各方案可以等步長記分（步長為

18、1分），也可以不等步長記分，靈活掌握；或者各項指標(biāo)均采用10分制，最優(yōu)者滿分為10分,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,2、體操計分法 體育比賽中許多計分方法也可以用到系統(tǒng)評價工作中來。例如，體操計分法是請6位裁判員各自獨立地對表演者按10分制評分，然后舍去最高分和最低分，將中間的4個分?jǐn)?shù)取平均，就得到表演者最后的得分?jǐn)?shù)。,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,3、專家評分法 這是一種利用專家經(jīng)驗的感覺評分法。例如，要對多臺設(shè)備操作性進(jìn)行評價，可以請若干專家，即有經(jīng)驗的實際操作者來試車，專家們根據(jù)主觀感覺和經(jīng)驗，對每臺設(shè)備按一定的記分制來打分，再將每臺設(shè)備的得分相加，最后將和數(shù)除以操作者的人數(shù)，就得到了各臺設(shè)備的得分?jǐn)?shù)。,2.6 系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)評價,4 連環(huán)比率法 連環(huán)比率法是一種確定得分系數(shù)或加權(quán)系數(shù)的方法，用表來說明。,此方法可分成以下三個步驟進(jìn)行: 1）填寫暫定分