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1.系统分析的含义2.系统分析的原则3.系统分析的内容与过程4.系统分析方法分类5.系统分析方法论6.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，）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，属于工程技术基础学科数学系统学技术学科运筹学控制论信息科学计算机科学等应用技术系统分析系统学科体系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。确定各环境因素的影响范围、程度确定系统的边界找出影响系统的环境因素（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）结构分析要素识别剖析系统的组成要素集相关分析确定要素间的相互联系阶层性分析系统分层和各层规模的合理性系统整体性分析建立指标评价体系；建立反映系统集合性、相关性和阶层性的结合模型（图）（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系统分析的过程界定研究的系统及目标确定系统的结构拟订策略与方案集，制定评价标准识别系统的组成要素和环境要素，明确系统的目标与功能构造模型，模拟、预测与仿真分析系统优化综合评价决策分析识别组成要素的相关关系和层次关系，以及环境与系统的耦合关系（系统输入与输出）根据策略与方案，确定系统的可控要素建立系统要素的定量关系，研究系统的变化规律考虑系统目标和环境约束，进行优化分析系统评价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？工厂废水处理厂精练金属废水处理后废水河流金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表生产能力5.5万kg/周生产成本0.9美元/kg金属生产情况金属售价1.3美元/kg单位产量污染物排放量3kg/kg废物排放情况污染物浓度2kg/m3废水处理能力7万m3/周处理费用0.2美元/m3废水处理量W万m3/周废水处理情况废水处理效率1-0.06W废物排放标准10万kg/周a.废物排放量与生产水平有关，与工厂精练金属产量成正比；b.废水处理效率与处理量成反比（1）研究系统及目标——系统界定工厂处理厂精练金属废水处理过的废水河流未处理的废水系统边界（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）工厂处理厂X河流Y建立模型——处理厂排出的污染物量计算表1-2处理厂排出的污染物量计算表计算项目计算值经处理的污染物量（万kg/周）Y经处理的污染水量（万m3/周）Y/2污水处理效率e1-0.06×Y/2=1-0.03Y处理厂排出的污染物量Y-Y(1-0.03Y)=0.03Y2建立模型——质量通量示意图工厂处理厂X河流3XY3X-Y0.03Y2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0.1Y-0.4XmaxZ0Y0X0Y-3X14.0Y5.5X100.03Y2Y-3Xs.t.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