系統(tǒng)工程教案

目錄-PAGEII-PAGEI目錄TOC\o"1-3"\h\z第1章系統(tǒng)的概念及特點(diǎn) 2§1.1系統(tǒng)的概念 2§1.2系統(tǒng)的特性 6第2章系統(tǒng)理論 10§2.1一般系統(tǒng)論 10§2.2控制論 11§2.3信息論 14第3章系統(tǒng)工程概述 17§3.1系統(tǒng)工程的基本概念 17§3.2系統(tǒng)工程方法論 20第4章系統(tǒng)分析與系統(tǒng)模型 26§4.1系統(tǒng)分析的概念、原則和步驟 26§4.2系統(tǒng)分析的方法 27§4.3系統(tǒng)模型 28§4.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化基礎(chǔ) 34§4.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的建立 45第5章系統(tǒng)預(yù)測 52§5.1系統(tǒng)預(yù)測概述 52§5.2德爾菲法(Delphi) 57§5.3定量預(yù)測方法 59§5.3.1簡單算術(shù)平均法 59§5.3.2時間序列預(yù)測 61§5.3.3平滑預(yù)測 61§5.4回歸分析預(yù)測法 64§5.4.1線性回歸模型 64§5.4.2非線性回歸法 68第6章網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃 72§6.1網(wǎng)絡(luò)圖（賦權(quán)圖） 72§6.2繪制網(wǎng)絡(luò)圖的基本規(guī)則 73§6.3繪制網(wǎng)絡(luò)圖的步驟 74§6.4結(jié)點(diǎn)的時間參數(shù)與計(jì)算 77§6.5作業(yè)的時間參數(shù) 77第7章系統(tǒng)評價 83§7.1.1系統(tǒng)評價的概念、目的 83§7.1.2評價的內(nèi)容及分類 84§7.1.3系統(tǒng)評價的步驟 85§7.4模糊評價法 91§7.5、層次分析法（AHP） 97第8章系統(tǒng)決策 109§8.1決策概述 109§8.2風(fēng)險型決策方法 116§8.3不確定型決策 124河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE8PAGE9河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第1章系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)的概念和系統(tǒng)一些相關(guān)的概念教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的要素系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的整體特性授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的整體特性舉例說明你所熟悉的一個系統(tǒng)系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)§1.1系統(tǒng)的概念在自然界和人類社會中，可以說任何事物都是以系統(tǒng)的形式存在的，每個所要研究的問題對象都可以被看成是一個系統(tǒng)。人們認(rèn)識事物和改造客觀事物，要用綜合分析的思維方式看待事物，根據(jù)事物內(nèi)在的、本質(zhì)的、必然的聯(lián)系，從整體的角度進(jìn)行分析和研究，這類事物就被看成為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)思想的形成及演變古代樸素的系統(tǒng)思想人類在與自然界作斗爭的過程中，靠自己的聰明才智逐步地認(rèn)識、掌握自然界發(fā)展和變化的規(guī)律，并不斷地向大自然索取所需要的衣、食、住、行等物品。然而人類在改造自然界的同時也在改造自己。他們從失敗中吸取教訓(xùn)，在成功中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使自己的頭腦更加聰明，并增強(qiáng)了認(rèn)識世界和改造世界的能力。于是便逐步形成了一套科學(xué)的方法。古代天文學(xué)家在發(fā)展原始農(nóng)牧業(yè)的勞動中就是開始關(guān)心天象的變化，把宇宙作為一個超系統(tǒng)，探討了宇宙的結(jié)構(gòu)、變化和發(fā)展，揭示了天體運(yùn)行與季節(jié)變化的聯(lián)系，編制出歷法和指導(dǎo)農(nóng)事活動的二十四節(jié)氣。中國人做事善于從天時、地利、人和中進(jìn)行整體分析，主張“大一統(tǒng)”“和為貴”。中醫(yī)看病講究形、氣、色。人們吃飯講究色、香、味、鮮為一體。軍事方面，公元前6世紀(jì)，中國古代著名的軍事家孫武，在他的《孫子兵法》中，闡明了不少樸素的系統(tǒng)思想和運(yùn)籌方法?！秾O子兵法》共十三篇，講究打仗要把道義、天時、地利、將才、法制等五個要素綜合起來考慮。在古代的建筑上，都江堰最具有代表性和系統(tǒng)性。都江堰于公元前256年由蜀郡太守李冰父子組織建造。都江堰工程包括魚嘴（岷江分流）、飛沙堰（分洪排沙）和寶瓶口（引水）等三大設(shè)施組成。整個工程體現(xiàn)了總體目標(biāo)最優(yōu)化、選址最優(yōu)和自動分級排沙、利用地形自動調(diào)節(jié)水量、就地取材及經(jīng)濟(jì)方便等特點(diǎn)?？茖W(xué)系統(tǒng)思想的形成古代樸素的系統(tǒng)思想具有“只見森林”和比較抽象的觀點(diǎn)。15世紀(jì)下半葉以后，力學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等相繼從哲學(xué)的統(tǒng)一體中分離出來，形成了自然科學(xué)。這時的系統(tǒng)思想具有“只見樹木”和具體化的特點(diǎn)。到了19世紀(jì)自然科學(xué)得到了巨大發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化、細(xì)胞學(xué)說、進(jìn)化論三大發(fā)現(xiàn)，使人類對自然過程相互聯(lián)系的認(rèn)識有了質(zhì)的飛躍，為辨證唯物注意的科學(xué)系統(tǒng)觀奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。這個階段的系統(tǒng)思想具有“先見森林，后見樹木”的特點(diǎn)。總之，系統(tǒng)思想在辯證唯物注意那里取得了哲學(xué)的表達(dá)形式，在運(yùn)籌學(xué)和其他學(xué)科中取得了定量的表達(dá)方式，并在系統(tǒng)工程應(yīng)用中不斷充實(shí)自己實(shí)踐的內(nèi)容，系統(tǒng)的思想方法從一種哲學(xué)思維逐步形成為專門的科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)。系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的概念來源于人類的長期社會實(shí)踐。早在1886年，恩格斯就曾在《路德維希.費(fèi)爾巴哈和德國古典哲學(xué)的終結(jié)》一文中指出：“一個偉大的基本思想，既認(rèn)為世界不是一成不變的事物的集合體，而是過程的集合體。”恩格斯所講的“集合體”就是我們現(xiàn)在講的“系統(tǒng)”及其特征，而他所強(qiáng)調(diào)的“過程”就是系統(tǒng)中各個組成部分的相互作用和整體的發(fā)展變化。因此，系統(tǒng)思想是辯證唯物注意的重要組成內(nèi)容。韋氏大辭典中的定義是：“系統(tǒng)是有組織和被組織化了的整體；結(jié)合著的整體所形成的各種概念和原理的綜合；由有規(guī)則的相互作用、相互依賴的形式組成的諸要素集合等。美國的生物學(xué)家貝塔郎菲，他是這樣認(rèn)為系統(tǒng)的，“系統(tǒng)是相互作用的諸要素的綜合體?！毕到y(tǒng)的定義：“系統(tǒng)是由兩個以上有機(jī)聯(lián)系、相互作用的要素所組成，具有特定的功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的整體。系統(tǒng)及其要素。系統(tǒng)是由兩個以上要素組成的整體，構(gòu)成這個整體的各個要素可以是單個事物（要素），也可以是一群事物組成的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)等。系統(tǒng)與要素是一組相對的概念，取決于所研究的具體對象及其范圍。系統(tǒng)和環(huán)境。任一系統(tǒng)又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分，并與相互作用，保持較為密切的輸入輸出關(guān)系。系統(tǒng)連同其環(huán)境一起形成系統(tǒng)總體。系統(tǒng)與環(huán)境也是兩個相對的概念。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在構(gòu)成系統(tǒng)的諸要素之間存在著一定的有機(jī)聯(lián)系，這樣在系統(tǒng)的內(nèi)部形成一定的結(jié)構(gòu)和秩序。結(jié)構(gòu)即組成系統(tǒng)的諸要素之間相互關(guān)聯(lián)的方式。系統(tǒng)的功能。任何系統(tǒng)都應(yīng)有其存在的作用與價值，在其運(yùn)作的具體目的，也即都有其特定的功能。圖1-1系統(tǒng)的基本概念圖例如，汽車是一個系統(tǒng)。它是由輪胎、發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)、車體等相互聯(lián)系和彼此影響的部件組成的一個整體。這些部件組成在一起可以去完成交通運(yùn)輸?shù)奶囟üδ?。又如某個城市是一個系統(tǒng)。它是由交通系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、商業(yè)系統(tǒng)、市政系統(tǒng)、衛(wèi)生系統(tǒng)等相互作用著的部件組合而成的一個整體，通過系統(tǒng)的各個部件相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)去完成城市生活和發(fā)展的特定目標(biāo)。它與農(nóng)村以及其它城市存在著界限，通過邊界在物質(zhì)、信息、人員等方面進(jìn)行交流。系統(tǒng)的分類按形成的原因劃分自然系統(tǒng)。是由自然物（礦物、植物、動物、海洋等）形成的系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是自然形成的。例：生態(tài)系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)等人造系統(tǒng)。是為了達(dá)到人類所需要的目的而由人類設(shè)計(jì)和建造的系統(tǒng)。例如工廠系統(tǒng)等。人造系統(tǒng)都存在于自然界之中，同時人造系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間存在著重要的聯(lián)系。特別是一些人為改造的自然系統(tǒng)關(guān)系就更為密切?？梢哉f，我們生活的世界就是由自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)組成的。例：在埃及的尼羅河上建設(shè)的阿斯旺水庫是人造系統(tǒng)影響自然系統(tǒng)的典型例子之一。當(dāng)巨大的水壩建成之后，該人造系統(tǒng)對尼羅河地區(qū)的自然系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的影響。雖然避免了尼羅河洪水泛濫，但由于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化而使魚類遭受厄運(yùn)，使水庫周圍大片土地鹽堿化加重。所以說在解決重大問題時，要用系統(tǒng)觀點(diǎn)考慮人造系統(tǒng)對自然系統(tǒng)帶來的影響，以便能更有效的解決問題。按形態(tài)分實(shí)體系統(tǒng)。是用一些實(shí)物和有形部件構(gòu)成的系統(tǒng)。例：機(jī)械系統(tǒng)概念系統(tǒng)。是用一些思想、規(guī)劃、政策等概念或符號來反映系統(tǒng)的部件及其屬性組成系統(tǒng)。例：軟件系統(tǒng)按所處的狀態(tài)分靜態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)的要素不隨時間的變化而變化的系統(tǒng)。例如江河上的橋梁就代表一個靜態(tài)系統(tǒng)。動態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)的要素隨時間的變化而變化的系統(tǒng)。例如學(xué)校系統(tǒng)，這是由校舍、學(xué)生、教師、書以及各門課程等組成的有活動性的動態(tài)系統(tǒng)。按與環(huán)境的關(guān)系分封閉系統(tǒng)。與環(huán)境很少發(fā)生物質(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。實(shí)際上世界上根本不存在封閉系統(tǒng)。只是為研究方便，有時人為地把一個系統(tǒng)當(dāng)作封閉系統(tǒng)來處理。開放系統(tǒng)。與環(huán)境經(jīng)常發(fā)生能量、物質(zhì)、信息交換的系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)與環(huán)境的聯(lián)系切斷，就會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，而使系統(tǒng)遭到破壞?！?.2系統(tǒng)的特性整體性整體性是系統(tǒng)最基本、最核心的特性，是系統(tǒng)性最集中的體現(xiàn)。系統(tǒng)的整體性主要表現(xiàn)為系統(tǒng)的整體功能，系統(tǒng)的整體功能不是各組成要素功能的簡單疊加，也不是由組成要素簡單地拼湊，而是呈現(xiàn)出各組成要素所沒有的新功能，可概括地表達(dá)為“系統(tǒng)整體不等于其組成部分之和”，而是“整體大于部分之和”，即式中：Fs為系統(tǒng)的整體功能；Fi為各要素的功能，i=1,2,…,n系統(tǒng)是由各個相互聯(lián)系和彼此影響的部件結(jié)合而成的。系統(tǒng)是作為一個統(tǒng)一的整體存在著的，各部件的獨(dú)立機(jī)能和相互關(guān)系只能統(tǒng)一和協(xié)調(diào)于系統(tǒng)的整體之中。如果一個部件脫離開整體，即使這個不見具有良好的功能，但絕不能具有整體所反映出來的功能。相反，如果有若干個部件，即使功能不很完善，但是通過系統(tǒng)整體的綜合統(tǒng)一，很可能成為具有良好功能的系統(tǒng)。相關(guān)性系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間存在著相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的關(guān)系。它們通過特定的關(guān)系結(jié)合在一起，形成一個具有特定性能的系統(tǒng)。貝踏朗菲用一組獨(dú)立微分方程描述了系統(tǒng)的相關(guān)性，即式中：Q1,Q2,…,Qn分別為1，2，…，n個要素的特征；t為時間；f1,f2,…,fn表示相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。公式表明，系統(tǒng)任一要素隨時間的變化是系統(tǒng)所有要素的函數(shù)，即任一要素的變化會引起其他要素的變化以至整個系統(tǒng)的變化。目的性系統(tǒng)活動本身都具有明確的目的。系統(tǒng)各部件就是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的即定目標(biāo)而協(xié)調(diào)于一個整體之中，并為此進(jìn)行活動。系統(tǒng)活動的輸出響應(yīng)就是系統(tǒng)目的性的反映。由于復(fù)雜系統(tǒng)是具有多目標(biāo)和多方案的，當(dāng)組織規(guī)劃這個錯綜復(fù)雜的大系統(tǒng)時，常采用圖解方式來描述目的與目的之間的相互關(guān)系，這種圖解方式稱為目的樹。從圖中可以看出，要達(dá)到目的1，必須完成目的2和目的3；要達(dá)到目的2，必須完成目的4、目的5和目的6；依次類推。這可明顯地看出在一個復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)所包括的各項(xiàng)目的，即從目的1到目的17，層次鮮明，次序明確，相互影響，而又相互制約。通過圖解，可以對目的樹各個項(xiàng)目的目的進(jìn)行分析、探討和磋商，統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)。目的樹環(huán)境適應(yīng)性任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境之中，都與外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換。一個系統(tǒng)要能生存和具有活力，就必須適應(yīng)外部環(huán)境的變化。例如，建國時期我國實(shí)行閉關(guān)鎖國政策，經(jīng)濟(jì)蕭條，人民生活貧困。改革開放以后，使我國在經(jīng)濟(jì)、政治、文化等各方面得到了發(fā)展，全國上下充滿了生機(jī)勃勃的形象。河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第2章系統(tǒng)理論教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)的理論?！袄先摗焙汀靶氯摗?。教學(xué)基本內(nèi)容：一般系統(tǒng)論控制論信息論新三論教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：一般系統(tǒng)論控制論授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑。作業(yè)與思考題：簡述控制論對系統(tǒng)工程方法論的啟示系統(tǒng)工程與系統(tǒng)科學(xué)的聯(lián)系和區(qū)別是什么？信息概念的特點(diǎn)有哪些？系統(tǒng)理論現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)體系錢學(xué)森教授于1981年構(gòu)造設(shè)計(jì)出現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)體系。系統(tǒng)科學(xué)體系按錢學(xué)森教授的構(gòu)想，現(xiàn)代科學(xué)結(jié)束體系縱向可分為四個層次：哲學(xué)、基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)和工程技術(shù)。錢學(xué)森教授認(rèn)為，在系統(tǒng)科學(xué)中，直接與改造客觀世界的社會實(shí)踐相聯(lián)系的是一類新的工程學(xué)—系統(tǒng)工程、自動化技術(shù)和通信技術(shù)，它們屬工程技術(shù)層次的科學(xué)，這類工程技術(shù)的共同理論是一般系統(tǒng)論、控制論和信息論，它們屬技術(shù)科學(xué)層次的科學(xué)。系統(tǒng)理論在系統(tǒng)科學(xué)中，構(gòu)成系統(tǒng)學(xué)的幾個基本理論是：一般系統(tǒng)理論、運(yùn)籌學(xué)、控制論、信息論、協(xié)同論、突變論和耗散結(jié)構(gòu)等。其中一般系統(tǒng)理論、控制論和信息論稱為“老三論”；協(xié)同論、突變論和耗散結(jié)構(gòu)稱為“新三論”?！?.1一般系統(tǒng)論歷史背景1937年美籍奧地利生物學(xué)家馮.貝塔朗菲在對生物學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)把生物分解的越多，反而會失去全貌，對生命的理解和認(rèn)識反而越來越少。因此就開始了理論生物學(xué)研究，創(chuàng)立了一般系統(tǒng)論。1945年《關(guān)于一般系統(tǒng)論》的發(fā)表，成為系統(tǒng)論形成的標(biāo)志。含義和宗旨一般系統(tǒng)論是貝塔朗菲創(chuàng)立的邏輯和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)，其目的是為了要建立適用于系統(tǒng)的一般原則。一般系統(tǒng)論起源于機(jī)體論，它是一種與機(jī)械論相對立的生物學(xué)理論。機(jī)械論的三個基本錯誤：簡單分解，簡單相加的原理機(jī)械觀點(diǎn)被動反應(yīng)觀點(diǎn)馮.貝塔朗菲提出適用于系統(tǒng)的一般原則：整體性原則就是一切有機(jī)體都是一個整體——系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)原則就是系統(tǒng)各組成部分之間都是相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、相互作用的。有序性原則就是一切有機(jī)體都是按嚴(yán)格的等級組織起來的動態(tài)原則就是一切有機(jī)體本身都處于積極的運(yùn)動狀態(tài)之中。貝塔朗菲從理論生物學(xué)的角度總結(jié)了系統(tǒng)思想，運(yùn)用類比、同構(gòu)的方法建立起開放系統(tǒng)的一般系統(tǒng)論，提出生命現(xiàn)象的有組織性、有目的性和有序性。如果我們把研究對象當(dāng)作一個系統(tǒng)——有機(jī)整體，就完全可以用貝塔朗菲的系統(tǒng)論?！?.2控制論控制論發(fā)展的歷史第一階段：從20世紀(jì)40年代末到50年代，經(jīng)典控制理論時期。1948年維納《控制論》提出科學(xué)思想、系統(tǒng)思想。1954年錢學(xué)森《工程控制論》工程實(shí)踐。主要的研究對象是單因素控制系統(tǒng)，重點(diǎn)是反饋控制。只解決單輸入和單輸出系統(tǒng)的控制問題。第二階段：60年代，現(xiàn)代控制理論時期美國科學(xué)家卡爾曼(kalman)將量子力學(xué)內(nèi)容引入到控制論中。研究對象是多輸入和多輸出系統(tǒng)的非線性控制系統(tǒng)。重點(diǎn)是研究最優(yōu)控制。第三階段：進(jìn)入70年代以后，大系統(tǒng)理論控制時期研究對象是因素眾多的大系統(tǒng)，重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級遞階控制，借助的工具是電子計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)和智能機(jī)器，應(yīng)用領(lǐng)域主要為社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)分類按控制任務(wù)分類定值控制程序控制隨動控制最優(yōu)控制按控制方式簡單方式補(bǔ)償控制反饋控制遞階控制控制論對系統(tǒng)工程方法論的啟示黑——灰——白箱法控制論的創(chuàng)始人維納在《模型在科學(xué)中的作用》中認(rèn)為，所有的科學(xué)問題都是作為“閉盒”問題開始的。若干可選擇的結(jié)構(gòu)被密封在“閉盒”中，研究它們的唯一途徑是利用閉盒的輸入和輸出。這里的閉盒就是黑箱。所謂黑箱方法，就是采用不打開系統(tǒng)的“活體”，僅從系統(tǒng)的整體聯(lián)系出發(fā)，通過系統(tǒng)的輸入和輸出關(guān)系來研究，去認(rèn)識和把握系統(tǒng)的功能特性，探索其結(jié)構(gòu)和機(jī)理的研究方法。比如中醫(yī)看病，通過“望、聞、問、切”等外部觀測作出診斷，開出處方。這種從人體輸入和輸出的“辯證施治”，就是把病體視為黑箱。白箱則指系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)都是十分清楚的系統(tǒng)，如某種氧氣發(fā)生器，其內(nèi)部的成分和反映機(jī)理都是十分清楚的?；蚁涞姆椒▌t指對系統(tǒng)有部分的認(rèn)識，但不夠完全。而對于人類來說，事物總是從黑箱到灰箱，最后變成白箱的過程，這反映了人類認(rèn)識的不同階段。所謂打開黑箱，在任何場合也只是打開其中的某一層次。事物本質(zhì)的層次性，決定了事物的黑箱總是一層套一層，永遠(yuǎn)不會完結(jié)。黑箱永遠(yuǎn)有，白箱永不白。這就是說，在任何時候，人總得采用不打開黑箱的方法研究事物，解決問題。功能模擬法功能模擬法就是以功能和行為的相似性為基礎(chǔ)，用模型模仿原型的功能和行為的一種方法。形式化、數(shù)量化、最優(yōu)化方法控制論的提出促使人們對系統(tǒng)采用形式化加以抽象，進(jìn)行數(shù)量化加以定量描述，并求系統(tǒng)的最優(yōu)化。§2.3信息論歷史和意義十九世紀(jì)人們開始研究信息1948年美國數(shù)學(xué)家申農(nóng)（C.E.Shannon）發(fā)表了《通信的數(shù)學(xué)理論》正式提出了信息論。信息的概念“情報(bào)”“知識”“消息”是信息的載體“信號”Hartly：是在通信符號中選擇符號的具體方式維納：信息不是物質(zhì)也不是能量，在信息與物質(zhì)、能量之間劃了一條界限；信息是控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)活動時，與外界相互作用、相互交換的內(nèi)容；信息是系統(tǒng)的組織性的量度。申農(nóng)：信息是事物運(yùn)動轉(zhuǎn)臺存在方式的不確定性的描述。信息=通信前的不確定性-通信后的不確定性。通信問題的模型信息的度量令P記可能消息A發(fā)生的概率I記可能消息攜帶信息量特征P小I大，P大I小I=f(P)可加性I(AB)=I(A)+I(B)定義單個可能消息的信息量為比特（bit）信息熵設(shè)有一個實(shí)驗(yàn)A（隨機(jī)事件）有n個可能結(jié)局的事件：x1,x2,…,xn,每個事件出現(xiàn)的概率分別是p1,p2,…,pn且滿足下列條件定義信息熵公式熵是系統(tǒng)紊亂程度的表征，系統(tǒng)越“亂”，熵就越大；系統(tǒng)越有序，熵就越小。信息是表示系統(tǒng)不確定性的減少。一個系統(tǒng)不確定性越大，則系統(tǒng)越無序；不確定性消除了，系統(tǒng)也就穩(wěn)定了。一個系統(tǒng)所獲信息量越大，系統(tǒng)就越有序，熵就越小。反之，所獲信息量越小，系統(tǒng)越無序，熵就越大。由此可知，信息與熵是互補(bǔ)的。它們的這種互補(bǔ)關(guān)系，表現(xiàn)在計(jì)算公式上僅差一個負(fù)號。它表明負(fù)熵與熵描述的是同一事物的兩個相反方向。正象有些科學(xué)家指出的那樣，“熵的獲得永遠(yuǎn)意味著信息的丟失，而不是別的。”河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE17-河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第3章系統(tǒng)工程方法論教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)工程的概念和特點(diǎn)。掌握系統(tǒng)工程的方法論——霍爾三維結(jié)構(gòu)法。教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)工程的概念系統(tǒng)工程的特點(diǎn)霍爾三維結(jié)構(gòu)法教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：系統(tǒng)工程的特點(diǎn)霍爾三維結(jié)構(gòu)法授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：系統(tǒng)工程的概念系統(tǒng)工程的特點(diǎn)畫出霍爾三維結(jié)構(gòu)法的簡圖系統(tǒng)工程概述現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為系統(tǒng)思想的定量化創(chuàng)造了條件，它為系統(tǒng)思想的定量化提供了數(shù)學(xué)理論和強(qiáng)有利的計(jì)算工具——電子計(jì)算機(jī)，并推動了系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展。到20世紀(jì)60年代，系統(tǒng)思想的定量化已發(fā)展成既有理論指導(dǎo)，又有科學(xué)方法和實(shí)踐內(nèi)容的新的工程技術(shù)學(xué)科——系統(tǒng)工程(SystemsEngineering)。SE§3.1系統(tǒng)工程的基本概念系統(tǒng)工程的定義系統(tǒng)工程作為一門學(xué)科問世以來，僅僅50多年的時間，在各行各業(yè)、各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，收到了良好的效果，同時系統(tǒng)工程的實(shí)踐也促進(jìn)了本學(xué)科的繼續(xù)發(fā)展與完善。到目前為止，關(guān)于系統(tǒng)工程的定義國內(nèi)外學(xué)者觀點(diǎn)齊說不一。錢學(xué)森：“系統(tǒng)工程是組織和管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種針對所有系統(tǒng)具有普遍意義的可行方法?！薄跋到y(tǒng)工程是一門組織管理的技術(shù)?！敝袊蟀倏迫珪骸跋到y(tǒng)工程是從整體出發(fā)，合理地開發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)用系統(tǒng)的工程技術(shù)。”日本的JIS：“系統(tǒng)工程是為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目的，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動和控制機(jī)構(gòu)等進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的技術(shù)?！本C上所述，系統(tǒng)工程是從總體出發(fā)，合理開發(fā)、運(yùn)行和革新一個大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需思想、理論、方法論、方法與技術(shù)的總稱，屬于一門綜合性的工程技術(shù)。它是按照問題導(dǎo)向的原則，根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要，按自然科學(xué)、社會科學(xué)、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、工程技術(shù)等領(lǐng)域的相關(guān)思想、理論、方法等有機(jī)地綜合起來，應(yīng)用定量分析和定性分析相結(jié)合的基本方法，采用現(xiàn)代信息技術(shù)等技術(shù)手段，對系統(tǒng)的功能培植、構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響、信息交換、反饋控制、行為特點(diǎn)等進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終達(dá)到使系統(tǒng)合理開發(fā)、科學(xué)管理、持續(xù)改進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。系統(tǒng)工程的特點(diǎn)研究對象廣泛系統(tǒng)工程不同于一般的工程技術(shù)學(xué)科。一般工程技術(shù)學(xué)科，如水利工程、機(jī)械工程等都與形成實(shí)物的實(shí)體的對象有關(guān)，國外稱這類工程為“硬”工程，而系統(tǒng)工程的研究對象除了這類“硬”工程之外，還包括這種工程的組織與經(jīng)營管理一類，國外被稱之為“軟”科學(xué)的各種內(nèi)容。一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科（交叉學(xué)科）系統(tǒng)工程涉及各種學(xué)科，各個領(lǐng)域的各種內(nèi)容。把一個工程項(xiàng)目作為系統(tǒng)來處理，必須涉及其他工程技術(shù)的內(nèi)容。如果我們把一般工程學(xué)科作為一條代表專業(yè)的縱線，則系統(tǒng)工程是跨越各條縱線的一條橫線。它通過橫向的綜合，提出解決問題的方法和步驟，因此它是跨越不同學(xué)科的綜合性科學(xué)。如建筑工程是專業(yè)技術(shù)工程學(xué)科，它主要研究建筑、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。而建筑系統(tǒng)工程則市綜合社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及其他工程技術(shù)系統(tǒng)等進(jìn)行城市的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與管理、建筑物的設(shè)計(jì)、施工組織等問題，開展以規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及管理為主線，以社會學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)、工業(yè)工程學(xué)、電子學(xué)等為基礎(chǔ)的采用定量分析、定性分析相結(jié)合的方法馬克思曾明確指出，一種科學(xué)，只有當(dāng)他成功地應(yīng)用了數(shù)學(xué)的時候，才能達(dá)到完善的地步。數(shù)學(xué)方法已成為解決系統(tǒng)工程問題的主要方法。在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行定量分析，定量分析必須以定性分析為前提。只進(jìn)行定性分析，不能準(zhǔn)確地說明一個系統(tǒng)，只有進(jìn)行了定量分析之后，對系統(tǒng)的認(rèn)識才能達(dá)到一定的深度，結(jié)論才能另人信服。然而沒有定性分析做指導(dǎo)，定量分析就失去了依據(jù)，就會成為“數(shù)學(xué)游戲”。因此，在處理問題時，一定要在定性分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，建立模型，進(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)化的目的。系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史第一階段美國發(fā)展與研究廣播電視系統(tǒng)正式提出系統(tǒng)方法的概念美國（Bell）貝爾電話公司開發(fā)微波通信系統(tǒng)正式使用系統(tǒng)工程一詞第二階段第二次世界大戰(zhàn)期間英、美等國的反空襲等軍事行動產(chǎn)生軍事運(yùn)籌學(xué)小組（MilitaryOperationalResearch）20世紀(jì)40年代美國研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”運(yùn)用系統(tǒng)工程，并推動了其發(fā)展。美國空軍建立研究與開發(fā)機(jī)構(gòu)（RAND）提出系統(tǒng)分析概念。第三階段40年代后期到50年代初期運(yùn)籌學(xué)的廣泛運(yùn)用與發(fā)展、控制論的創(chuàng)立與應(yīng)用、電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為系統(tǒng)工程奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。第四階段1957年H.Good和R.E.Machol發(fā)表第一部《系統(tǒng)工程》著作系統(tǒng)工程學(xué)科形成的標(biāo)志1958年美國研制北極星導(dǎo)彈潛艇提出PERT（網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)）這是較早的系統(tǒng)工程技術(shù)1965年美國自動控制學(xué)家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念為現(xiàn)代系統(tǒng)工程奠定了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)1961年~1972年美國實(shí)施“阿波羅”登月計(jì)劃使用多種系統(tǒng)工程方法，其成功地提高了系統(tǒng)工程的地位第五階段1972年國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）在維也納成立系統(tǒng)工程的應(yīng)用重點(diǎn)開始從工程領(lǐng)域進(jìn)入到社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域70年代系統(tǒng)工程的廣泛應(yīng)用在國際上達(dá)到高潮§3.2系統(tǒng)工程方法論系統(tǒng)工程方法論（Methodology）就是分析和解決系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)行及管理實(shí)踐中的問題所應(yīng)遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法。它是系統(tǒng)工程思考問題和處理問題的一般方法和總體框架。霍爾三維結(jié)構(gòu)法霍爾三維結(jié)構(gòu)是由美國貝爾電話公司（A.D.Hall）霍爾等人在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，于1969年提出的，其內(nèi)容反映在可以直觀展示系統(tǒng)各項(xiàng)工作內(nèi)容的三維結(jié)構(gòu)圖中?；魻柸S結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了系統(tǒng)工程方法的系統(tǒng)化、綜合化、最優(yōu)化、程序化和標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)，是系統(tǒng)工程方法論的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。霍爾把工作進(jìn)程或工作階段叫時間維；把在系統(tǒng)各階段中的思維過程叫做邏輯維；把每個思維過程中所涉及的專業(yè)知識叫做專業(yè)維。這就組成包括時間、邏輯、專業(yè)的三維結(jié)構(gòu)空間。時間維霍爾把任一系統(tǒng)由規(guī)劃設(shè)計(jì)起到更新為止的整個壽命周期劃分為7個階段：規(guī)劃階段。根據(jù)總體方針和發(fā)展戰(zhàn)略制定規(guī)劃。設(shè)計(jì)階段。根據(jù)規(guī)劃提出具體計(jì)劃方案。分析或研制階段。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的研制方案，分析、制定出較為詳細(xì)而具體的生產(chǎn)計(jì)劃。生產(chǎn)階段。運(yùn)籌各類資源及生產(chǎn)系統(tǒng)所需要的全部“零部件”，并提出詳細(xì)而具體的實(shí)施和“安裝”計(jì)劃。安裝階段。把系統(tǒng)“安裝”好，制定出具體的運(yùn)行計(jì)劃。運(yùn)行階段。系統(tǒng)投入運(yùn)行，為預(yù)期用途服務(wù)。更新階段。改進(jìn)或取消舊系統(tǒng)，建立新系統(tǒng)。模型化模型化方案綜合知識維（K）運(yùn)籌學(xué)控制論社會科學(xué)工程技術(shù)……邏輯維（L）規(guī)劃階段設(shè)計(jì)階段分析階段運(yùn)籌階段實(shí)施階段運(yùn)行階段更新階段時間維(T)實(shí)施計(jì)劃擺明問題系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)劃實(shí)施決策最優(yōu)化邏輯維擺明問題（問題的闡述）主要包括對系統(tǒng)系統(tǒng)性質(zhì)的認(rèn)識，了解系統(tǒng)的環(huán)境、目的、系統(tǒng)的各組成部分及其聯(lián)系等。該階段就是把系統(tǒng)的一切情況闡述清楚，屬于定性地對系統(tǒng)進(jìn)行研究的階段。該步對任一系統(tǒng)，任一工作階段都必須首先進(jìn)行的，它是為進(jìn)一步分析和研究奠定基礎(chǔ)的關(guān)鍵階段。問題闡述清楚與否，將直接影響系統(tǒng)的分析、綜合、優(yōu)化，以至今后的決策。如日本曾對打開坤表的銷路進(jìn)行研究，他們通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)婦女戴表的目的，不僅是為了計(jì)時，而且講究時髦和漂亮。因此改變了習(xí)慣上的從計(jì)時準(zhǔn)確、堅(jiān)固耐用方面對手表功能進(jìn)行改進(jìn)的方法，而在便宜、漂亮、式樣新穎上下功夫，結(jié)果打開了銷路。目標(biāo)的選擇在問題闡述之后，面臨的問題就是制定改進(jìn)方案，在制定改進(jìn)方案之前，要確定評價方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，以便以此為根據(jù)對方案進(jìn)行選擇。目標(biāo)選擇的正確與否是至關(guān)重要的?；魻栐赋觯骸斑x擇一個正確的目標(biāo)比選擇一個正確的系統(tǒng)重要的多，選擇一個錯誤的目標(biāo)等于解決一個錯誤的問題，選擇一個錯誤的系統(tǒng)，只不過是選擇一個非最優(yōu)化的系統(tǒng)?！比绲诙问澜绱髴?zhàn)時期，由于德軍的轟炸，使美英商船受到威脅，有人建議在商船上安裝高射炮來保護(hù)商船，但有人認(rèn)為，商船安裝高射炮，飛機(jī)擊落率為4%，故反對安裝。但有人指出，以飛機(jī)擊落率為目標(biāo)是錯誤的，商船安裝高射炮的目的是保護(hù)商船，應(yīng)以商船被擊沉率為目標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，商船安裝高射炮后，擊沉率有原來的25%下降到10%，故以安裝為宜。系統(tǒng)的綜合在目標(biāo)選定之后即可擬訂方案。該階段需根據(jù)問題的性質(zhì)和所確定的目標(biāo)提出幾套方案并確定每套方案的參數(shù)，以便從中選擇較好的方案。在提出方案的時候要打破傳統(tǒng)觀念，要集思廣益，群策群力，盡量挖掘?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的所有可能方案。系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析是對系統(tǒng)綜合中所有備選方案進(jìn)行模型化的過程，即把每個方案的參數(shù)與目標(biāo)結(jié)合起來建立模型的過程，通過比選，進(jìn)行方案選擇的過程。最優(yōu)化最優(yōu)化過程是處理模型的過程，是對所建立的模型求解，為決策者提供決策依據(jù)的過程。該過程經(jīng)常使用各種單目標(biāo)或多目標(biāo)最優(yōu)化方法。決策一般地說，最優(yōu)化過程即可得到最優(yōu)化方案作為決策。但事實(shí)上，任何定量過程都不會十全十美，在處理問題時，設(shè)計(jì)大量人的因素、社會因素和各種不確定因素，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的條件下，有些因素尚不能準(zhǔn)確定量，因此就要決策者發(fā)揮自己的決策能力，在充分考慮定性因素的情況下，參考最優(yōu)解，做出最后決定。計(jì)劃實(shí)施決策之后，需要把方案的詳細(xì)實(shí)施步驟的內(nèi)容，變成切實(shí)可行的計(jì)劃，然后下達(dá)執(zhí)行。知識維該維的內(nèi)容表征從事系統(tǒng)工程所需要的知識（工程、醫(yī)藥、建筑、商業(yè)、法律、管理、社會科學(xué)和藝術(shù)等）。也可反應(yīng)系統(tǒng)工程的專門應(yīng)用領(lǐng)域（如企業(yè)管理系統(tǒng)工程、社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程、工程系統(tǒng)工程等）?；魻柸S結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)明確目標(biāo)，核心內(nèi)容最優(yōu)化，并認(rèn)為現(xiàn)實(shí)問題基本上都可歸納成工程系統(tǒng)問題。應(yīng)用定量分析手段，求得最優(yōu)解。該方法論具有研究方法上的整體性（三維）、技術(shù)應(yīng)用上的綜合性（知識維）、組織管理上的科學(xué)性（時間維與邏輯維）和系統(tǒng)工程工作的問題導(dǎo)向性（邏輯維）等突出特點(diǎn)。切克蘭德方法論進(jìn)入70年代以來，系統(tǒng)工程越來越多地用于研究社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略和組織管理問題，涉及的人、信息和社會因素相當(dāng)復(fù)雜，使得系統(tǒng)工程的對象系統(tǒng)軟化，許多因素難以用邏輯的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量描述，只能用定性的方法，或定性、定量相結(jié)合，通過比較得出滿意的可行解。80年代中期有英國蘭卡斯特大學(xué)P.切克蘭德（P.Chekland）提出“軟系統(tǒng)方法論”。切克蘭德方法論的核心是“比較”與“探尋”，它強(qiáng)調(diào)從“理想”模式與現(xiàn)實(shí)狀況的比較中，探尋改善現(xiàn)狀的途徑，使決策者滿意化。三階段法日本開發(fā)的，該方法把系統(tǒng)的研究分為三個階段系統(tǒng)開發(fā)階段系統(tǒng)建造階段系統(tǒng)運(yùn)行階段最最優(yōu)化河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE26PAGE25河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第4章系統(tǒng)模型與模型化（1）教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)模型、系統(tǒng)分析的概念。教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)模型的概念系統(tǒng)分析的概念系統(tǒng)分析的原則系統(tǒng)分析的步驟教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：系統(tǒng)模型的概念系統(tǒng)分析的基本過程授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：系統(tǒng)分析的概念系統(tǒng)分析的基本步驟河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE32PAGE33系統(tǒng)分析與系統(tǒng)模型§4.1系統(tǒng)分析的概念、原則和步驟系統(tǒng)分析的概念定義：系統(tǒng)分析是一種決策輔助技術(shù)。它采用系統(tǒng)方法，對研究的問題提出各種可行方案或策略，進(jìn)行定性分析和定量分析、評價和協(xié)調(diào)，幫助決策者提高對所研究的問題認(rèn)識的清晰程度，以便決策者選擇行動方案。系統(tǒng)分析的要素目的可行的方案費(fèi)用和效益模型評價基準(zhǔn)系統(tǒng)分析的目的是幫助決策者對所要決策的問題逐步提高清晰度。系統(tǒng)分析的方法是采用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，用定性和定量的工具，對所研究的問題進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)狀態(tài)的分析，提出各種可行方案和替代方案，并進(jìn)行比較、評價和協(xié)調(diào)。系統(tǒng)分析的任務(wù)是向決策者提供系統(tǒng)方案和評價意見，以及建立新的系統(tǒng)的建議。系統(tǒng)分析的原則內(nèi)部因素和外部因素相結(jié)合當(dāng)前利益和長遠(yuǎn)利益相結(jié)合局部效益和總體效益相結(jié)合定性分析和定量分析相結(jié)合系統(tǒng)分析的步驟系統(tǒng)目的分析和確定模型化系統(tǒng)的最優(yōu)化系統(tǒng)的評價§4.2系統(tǒng)分析的方法目標(biāo)——手段分析方法目標(biāo)——分解——多個目標(biāo)——手段例：因果圖法（魚刺圖）因果圖又稱石川圖或魚刺圖，是用來分析引起問題原因的工具。特點(diǎn)最好以一個小組來利用因果圖工具利用頭腦風(fēng)暴法分析尋找可能引起問題的各種因素，利用小組成員的智慧，無約束地找出各種可能的原因步驟選定研究的一個目標(biāo)列入框圖中，由集體研究問題產(chǎn)生的原因及其層次按產(chǎn)生問題的原因?qū)哟畏诸?，逐步分解產(chǎn)生的原因?qū)γ總€原因進(jìn)行核實(shí)，分析其產(chǎn)生的影響、發(fā)生的條件和時間，排除不可能的原因。例：阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析美國曾對從阿拉斯加?xùn)|北部的普拉德霍灣油田向美國本土輸送原油進(jìn)行系統(tǒng)分析。輸油系統(tǒng)地處北極圈內(nèi)，氣溫在零下50度，200萬桶/天，氣候條件惡劣。在上述特定的環(huán)境下，如何經(jīng)濟(jì)、可靠地向美國本土輸送原油的問題，對于決策來說，原本是一個存在許多模糊不清和不可知信息的決策問題。通過系統(tǒng)分析人員應(yīng)用各種專業(yè)知識，將不可知信息范圍逐步縮小，直至決策者能夠進(jìn)行決策為止。正常的油船運(yùn)送問題：破冰船、建油庫、安全問題、費(fèi)用問題油管、加溫問題：沿途設(shè)置若干加熱站，3倍價格高于地埋管油加入10%~20%NaCl的海水，原油可在低溫下呈乳狀液體，從管道中運(yùn)送。不用加熱站。天然氣轉(zhuǎn)換后的甲醇代替海水，效果更好，避免輸送無用海水。省去天然氣管道。顯然這一研究和分析的結(jié)果為當(dāng)時的決策者提供了極為有用的信息，使決策者能夠下決心采取決策行動。就這在當(dāng)時條件下，這已是當(dāng)時可能更好的方案了?！?.3系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型的定義系統(tǒng)模型是一個系統(tǒng)某一方面本質(zhì)屬性的描述，它以某種確定的形式提供關(guān)于該系統(tǒng)的知識。模型的特征是現(xiàn)實(shí)世界部分的抽象或模仿反映了系統(tǒng)本質(zhì)或特征的主要因素構(gòu)成集中體現(xiàn)了主要因素之間的關(guān)系系統(tǒng)模型的必要性系統(tǒng)開發(fā)的需要系統(tǒng)工程的研究對象是工程技術(shù)、社會、經(jīng)濟(jì)和生命等諸因素交織在一起的人、設(shè)備和過程的統(tǒng)一體，其中很多因素是難以定量的，因此必須需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的模擬就必須建立模型。經(jīng)濟(jì)因素經(jīng)濟(jì)性是評價系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，應(yīng)用模型化的方法可以達(dá)到少花錢、多辦事的目的，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約。模型化的方法還可在各種不同的系統(tǒng)參數(shù)中選擇最優(yōu)的參數(shù)，在各種不同的方案中選擇最優(yōu)方案而不必對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，從而達(dá)到以較少的費(fèi)用可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的目的。安全可靠某些系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行蘊(yùn)藏著危險性，這使系統(tǒng)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和研究難度加大。用模型化的方法可避免各種危險而提出各種可靠的數(shù)據(jù)，為決策提供依據(jù)。可操作性某些系統(tǒng)，如生態(tài)系統(tǒng)、國民經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)是不允許實(shí)驗(yàn)的，為了探索這類系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，只能靠模型化的方法。系統(tǒng)模型的分類按形態(tài)可將模型分為實(shí)體模型和抽象模型實(shí)體模型把實(shí)體系統(tǒng)的工程和結(jié)構(gòu)，以原型作為要素進(jìn)行描述使其與系統(tǒng)原型基本相似的模型。它是系統(tǒng)原型幾何尺寸的放大或縮小，從而體現(xiàn)系統(tǒng)的某些特性的模型。如教學(xué)用的原子模型、汽車模型、地形的沙盤模型等。抽象模型用概念、原理、方法等非物質(zhì)形態(tài)對系統(tǒng)進(jìn)行描述得到的模型。用數(shù)學(xué)方法描述的數(shù)學(xué)模型、用邏輯關(guān)系描述的框圖模型、用類比方法描述的類比模型等。這類模型的特點(diǎn)是從模型的表面上已看不出系統(tǒng)原型的形象，模型只反映系統(tǒng)的本質(zhì)特征，只是與系統(tǒng)在本質(zhì)上相似。系統(tǒng)建模的要求現(xiàn)實(shí)性要有代表性，有指導(dǎo)意義，適用面廣，不能脫離實(shí)際。精度要保證足夠的精度。模型是系統(tǒng)的代表，要求模型所反映的本質(zhì)與系統(tǒng)的本質(zhì)特征誤差很小。標(biāo)準(zhǔn)化盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的模型和借鑒已有成功的模型。建立模型是一件復(fù)雜的創(chuàng)造性勞動，標(biāo)準(zhǔn)化的模型和有成功經(jīng)驗(yàn)的模型中凝集了前人和同行的心血和勞動，采用標(biāo)準(zhǔn)化模型和借鑒并發(fā)展有成功經(jīng)驗(yàn)的模型既可節(jié)約勞動，又可豐富模型化的理論和方法。建模的基本方法分析方法分析解剖問題，深入研究客體系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)（如結(jié)構(gòu)形式，函數(shù)關(guān)系等）從公理、定律導(dǎo)出系統(tǒng)模型。整理得實(shí)驗(yàn)方法通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察、分析，利用邏輯歸納法導(dǎo)出系統(tǒng)模型。例如，通過對大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，核武器殺傷力（K）與其命中精度（C）、威力（y）的關(guān)系為，這樣就構(gòu)造了核武器殺傷力模型。實(shí)驗(yàn)方法基本包括三類：模擬法、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)分析綜合方法這種方法既重視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又承認(rèn)理論價值，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論推導(dǎo)統(tǒng)一于建模之中。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論不可分。沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就建立不了理論，沒有理論指導(dǎo)難以得到有用的數(shù)據(jù)。在實(shí)際工作本方法是最常用的方法。通常利用演繹方法從已知定理導(dǎo)出模型，對于某些不詳之處，則利用實(shí)驗(yàn)方法來補(bǔ)充，再用歸納法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中搞清關(guān)系，建立模型。七系統(tǒng)的數(shù)量模型數(shù)量模型是用數(shù)學(xué)方程和算式把系統(tǒng)的特性反映出來。根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條件的性質(zhì)，數(shù)量模型大致有線性模型和非線性模型、確定性模型和概率模型、靜態(tài)模型和動態(tài)模型、集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型、模糊模型等。線性模型和非線性模型線性模型是用線性方程表示的模型，即所有約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是線性的。非線性模型用非線性方程表示，即部分或全部約束條件或目標(biāo)函數(shù)是非線性的。例線性方程非線性方程確定性模型和概率模型在任何給定條件的組合下，確定性模型或模型因子的各個變量和參數(shù)都可以在指定一個有限的固定值或一系列值。在概率模型中，引入不確定性原理，此時描述輸入輸出關(guān)系和約束結(jié)構(gòu)的變量或參數(shù)都不能確切知道。例x具有90%的概率的數(shù)值為(a-b,a+b),是指在分析的系列中，有10%的x值可能大于(a+b)或小于(a-b)。靜態(tài)模型和動態(tài)模型靜態(tài)模型是不明顯地考慮、時間變量的模型，是系統(tǒng)在相對靜止平衡狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型。動態(tài)模型一般是包含有差分或微分方程的模型（動態(tài)規(guī)劃）。河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第4章系統(tǒng)模型與模型化（2）教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解系統(tǒng)模型化的基礎(chǔ)。教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集合表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有向圖表達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的矩陣表達(dá)可達(dá)陣的求解教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的三種表達(dá)方式的轉(zhuǎn)換可達(dá)陣的求解方法授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表達(dá)的三種方式，并指出它們的不同之處。簡述結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE50PAGE49§4.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型的定義任何系統(tǒng)都是由兩個以上有機(jī)聯(lián)系、相互作用的要素所組成的，是具有特定功能與結(jié)構(gòu)的整體。結(jié)構(gòu)即組成系統(tǒng)諸要素之間相互關(guān)聯(lián)的方式，包括現(xiàn)代企業(yè)在內(nèi)的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)具有要素及其層次眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和社會性突出等特點(diǎn)。在研究和解決這類系統(tǒng)問題時，往往要通過建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，以求得對問題全面和本質(zhì)的認(rèn)識。結(jié)構(gòu)模型是定性表示系統(tǒng)構(gòu)成要素以及它們之間存在著的本質(zhì)上相互依賴、相互制約和關(guān)聯(lián)情況的模型。結(jié)構(gòu)模型化即建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的過程。結(jié)構(gòu)分析是一個實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化并加以解釋的過程。其具體內(nèi)容包括：對系統(tǒng)目的——功能的認(rèn)識；系統(tǒng)構(gòu)成要素的選??；對要素間的聯(lián)系及其層次關(guān)系的分析；系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的確定及其解釋。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化是結(jié)構(gòu)分析的基本內(nèi)容。結(jié)構(gòu)分析是系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)優(yōu)化分析、設(shè)計(jì)與管理的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型反映的是系統(tǒng)中各組成部分（可能是實(shí)物，也可能是一個抽象因素）之間的關(guān)系，更多地反映了系統(tǒng)中功能之間的關(guān)系。系統(tǒng)是由單元組成的，各單元之間又存在著大量的相互作用關(guān)系。研究一個系統(tǒng)，需要了解這些關(guān)系，特別是先要了解各單元之間關(guān)系的存在與否。這就是說，先要了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本表達(dá)方式要素及其關(guān)系形成結(jié)構(gòu)集合、有向圖、矩陣等三種相互對應(yīng)的方式表達(dá)系統(tǒng)的某種結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的集合表達(dá)設(shè)系統(tǒng)由n(n≥2)個要素（S1，S2，…，Sn）所組成，其集合為S，則有：S={S1,S2,…,Sn}二元關(guān)系：是根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)和研究的目的所約定的一種需要討論的，存在于系統(tǒng)中的兩個要素（Si,Sj）之間的關(guān)系Rij（記為R）。關(guān)系：有影響關(guān)系、因果關(guān)系、包含關(guān)系、隸屬關(guān)系以及各種可以比較的關(guān)系（如大小、先后、輕重、優(yōu)劣等）。Si與Sj間有某種二元關(guān)系R，即SiRSj;Si與Sj間無某種二元關(guān)系R，即SiSj;Si與Sj間無某種二元關(guān)系R，即SiSj;傳遞性：若SiRSj、SjRSk，則有SiRSk（Si、Sj、Sk）為系統(tǒng)的任意構(gòu)成要素。間接聯(lián)系，可記作(t為傳遞次數(shù))，如將SiRSk記作SiSk強(qiáng)連接：若SiRSj，又有SjRSi，相互關(guān)聯(lián)二元關(guān)系集合Rb例1：某系統(tǒng)由7個要素(S1，S2，…S7)組成。經(jīng)過兩兩判斷認(rèn)為：S2影響S1，S3影響S4，S4影響S5，S7影響S2、S4和S6相互影響。請用要素集合S和二元關(guān)系Rb來表達(dá)，其中：S={S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}Rb={(S2,S1),(S3,S4),(S4,S5),(S7,S2),(S4,S6),(S6,S4)}系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有向圖表達(dá)有向圖（D）是由節(jié)點(diǎn)和連接各節(jié)點(diǎn)的有向?。€）組成的，可用來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。具體方法：用節(jié)點(diǎn)表示系統(tǒng)的各構(gòu)成要素，用有向弧表示要素之間的二元關(guān)系。從節(jié)點(diǎn)(Si)到(Sj)的最少有向弧數(shù)稱為D中節(jié)點(diǎn)間的通路長度（路長），也即要素Si與Sj間二元關(guān)系的傳遞次數(shù)。呈強(qiáng)連接關(guān)系的要素節(jié)點(diǎn)間具有雙向回路。例：給出的系統(tǒng)要素及其二元關(guān)系的有向圖如圖所示。其中S3到S5、S3到S6和S7到S1的路長均為2。另外S4和S6間具有強(qiáng)連接關(guān)系，S4和S6相互到達(dá)，在其間形成雙向回路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的矩陣表達(dá)（1）鄰接矩陣：是表示系統(tǒng)要素間基本二元關(guān)系或直接聯(lián)系情況的方陣。在一般情況下，如果系統(tǒng)S有n個單元，則鄰接矩陣為：1，SiRSj1，SiRSj0，SiSjaij=0，SiSj例1例1：如圖是一個混合器示意圖。料液從上面流入的流量為qv1,qv2為流出的料液流量，液面高度為h,容器內(nèi)氣體的密度為，壓力為p。液面高度h影響流出的料液流量qv2。液面高度h和氣體密度都會影響壓力p。用矩陣（鄰接矩陣）表示：例2：鄰接矩陣在一般情況下，如果系統(tǒng)S有n個單元，則鄰接矩陣其中各個元素為1，當(dāng)Si對Sj有影響時1，當(dāng)Si對Sj有影響時aij=0，當(dāng)Si對Sj無影響時0，當(dāng)Si對Sj無影響時鄰接矩陣的元素只能是0或1，所以它屬于布爾矩陣。布爾矩陣的運(yùn)算（邏輯和運(yùn)算U、邏輯乘運(yùn)算）基礎(chǔ)是布爾代數(shù)中的基本運(yùn)算。布爾矩陣C是階布爾矩陣鄰接矩陣A具有的性質(zhì)如下：a鄰接矩陣和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖是一一對應(yīng)的。有了圖，鄰接矩陣就唯一確定了，反之亦然。bA轉(zhuǎn)置后得到矩陣是結(jié)構(gòu)模型圖所有箭頭反過來之后的圖所對應(yīng)的鄰接矩陣。c在A中如有一列元素全為0，（第i列），則Si是系統(tǒng)的輸入，如果有一行元素全為0（第k行），則Sk是系統(tǒng)的輸出。d從Si出發(fā)，經(jīng)過k段路到達(dá)Sj，則Si與Sj間有長度為k的通路存在，計(jì)算得出階方陣中各元素表示的便是相應(yīng)各單元間有無長度為k的通路存在。（2）可達(dá)陣所謂可達(dá)陣，就是表示系統(tǒng)要素之間任意次傳遞性二元關(guān)系或有向圖上兩個節(jié)點(diǎn)之間通過任意長路徑可以達(dá)到的方陣。從某一單元Si出發(fā)能達(dá)到哪一些單元，則可以把A連乘有時為了方便起見，認(rèn)為單元Si到它本身也是可以達(dá)到的，這樣應(yīng)再加一單位陣當(dāng)時，則長度為r的通路存在。若，且在無回路條件下的最大路長或傳遞次數(shù)為r，則可達(dá)矩陣的定義式為：其中I為與A同階次的單位矩陣（主對角線元素全為“1”（3）縮減陣根據(jù)強(qiáng)連接要素的可替換性，將具有強(qiáng)連接關(guān)系的一組要素看作一個要素，刪掉其余要素及其在的行和列。（4）骨架矩陣對于給定系統(tǒng)，A的可達(dá)矩陣M是唯一的，但實(shí)現(xiàn)某一可達(dá)矩陣M的鄰接矩陣有多個。把實(shí)現(xiàn)某一可達(dá)矩陣M具有最小二元關(guān)系個數(shù)（“1”元素最少）的鄰接矩陣叫做R的最小實(shí)現(xiàn)二元關(guān)系矩陣或稱之為骨架矩陣。記A′。例表明h,qv2間繞圈子，當(dāng)k增大，Ak形成一定的周期性重復(fù)情況。所以r=2河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第4章系統(tǒng)模型與模型化（3）教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解建立遞階結(jié)構(gòu)模型的規(guī)范化方法。教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的區(qū)域劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的級位劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的提取骨架陣有向圖的繪制教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：建立遞階結(jié)構(gòu)模型的四個基本步驟授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：根據(jù)可達(dá)陣求解遞階結(jié)構(gòu)模型§4.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的建立一、建立遞階結(jié)構(gòu)模型的規(guī)范方法：建立反映系統(tǒng)問題要素間層次關(guān)系的遞階結(jié)構(gòu)模型，在可達(dá)矩陣M的基礎(chǔ)上進(jìn)行，要經(jīng)過區(qū)域劃分、級位劃分、骨架矩陣提取和多級遞階有向圖繪制等四個階段。1、區(qū)域劃分區(qū)域劃分即將系統(tǒng)的構(gòu)成要素集合S，分割成關(guān)于給定二元關(guān)系R的相互獨(dú)立的區(qū)域的過程。首先以可達(dá)矩陣M為基礎(chǔ)，劃分與要素Si(I=1,2,…,n)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)要素的類型，找出在整個系統(tǒng)中有明顯特征的要素。可達(dá)集R(Si)。系統(tǒng)要素Si的可達(dá)集是在可達(dá)矩陣或有向圖中由Si可到達(dá)的諸要素所構(gòu)成的集合，記為R(Si)。其定義為：R(S1)={S1},R(S2)={S1,S2},R(S3)={S3,S4,S5,S6},R(S4)R(S6)={S4,S5,S6},R(S5)={S5},R(S7)={S1,S2,S7}.先行集A(Si)。系統(tǒng)要素Si的先行集是在可達(dá)矩陣或有向圖中可到達(dá)Si的諸要素所構(gòu)成的集合，記為A(Si)。其定義為：A(S1)={S1,S2,S7}，A(S2)={S2,S7}，A(S3)={S3}，A(S4)=A(S6)={S3,S4,S6}，A(S5)={S3,S4,S5,S6}，A(S7)={S7}共同集C(Si)。系統(tǒng)要Si的共同集是Si在可達(dá)集和先行集的共同部分，即交集，記為C(Si)。其定義為：C(S1)={S1}，C(S2)={S2}，C(S3)={S3}，C(S4)=C(S6)={S4，S6}，C(S5)={S5}，C(S7)={S7}。起始集B(S),終止集E(S)系統(tǒng)要素集合S的起始集是在S中只影響到達(dá)，而不受其他要素影響的要素所構(gòu)成的集合，記B(S)，定義為：只有箭線流出，而無箭線流入，是系統(tǒng)的輸入要素。BS)={S3，S7}終止集E(S)只有箭線流入，而無箭線流出，是系統(tǒng)的輸出要素?？蛇_(dá)集、先行集、共同集和起始集例表SiR(Si)A(Si)C(Si)B(Si)111,2,7121,22,7233,4,5,633344,5,63,4,64,6553,4,5,6564,5,63,4,64,671,2,7777因?yàn)锽S)={S3，S7}，且有R(S3)∩R(S7)={S3,S4,S5,S6}∩{S1,S2,S7}=φ所以S3及S4、S5、S6，S7與S1、S2分別是兩個獨(dú)立的區(qū)域，即有Π(S)=P1，P2={S3,S4,S5,S6}，{S1,S2,S7}2、級位劃分區(qū)域內(nèi)的級位劃分，即確定某區(qū)域內(nèi)各要素所處層次地位的過程。是建立多級遞階結(jié)構(gòu)模型的關(guān)鍵工作。設(shè)P是由區(qū)域劃分得到某區(qū)域要素集合，若用L1,L2,…,Ll表示從高到低的各級要素集合，則級位劃分的結(jié)果可寫成：Π(P)=L1，L2，…，Ll。要素集合最高級即系統(tǒng)的終止集要素。方法：找出最高級要素（終止集要素）后，將它們?nèi)サ簦偾笫Ｓ嗟淖罡呒?，依次類推，直至確定出最低一級要素集合。設(shè)L0=φ（最高級要素集合為L1，沒有零級要求）。則有：對P1={S3,S4,S5,S6}進(jìn)行級位劃分要素集合SiR(S)A(S)C(S)C(S)=R(S)Π(P1)P1-L033,4,5,633L1={S5}44,5,63,4,64,6553,4,5,65√64,5,63,4,64,6P1-L0-L133,4,5,633L2={S4，S6}44,5,63,4,64,6√64,5,63,4,64,6√P1-L0-L1-L23333√L3={S3}級位劃分結(jié)果為：Π(P1)=L1，L2，L3={S5}，{S4，S6}，{S3}同理對P2={S1，S2，S7}進(jìn)行級位劃分Π(P2)=L1，L2，L3={S1}，{S2}，{S7}可達(dá)陣變?yōu)?、提取骨架矩陣提取骨架矩陣，是通過對可達(dá)陣M(L)的縮約和檢出，建立起M(L)的最小實(shí)現(xiàn)矩陣，即骨架矩陣A′方法：第一步檢查各層次中的強(qiáng)連接要素，建立可達(dá)矩陣M(L)的縮減矩陣M′(L).（去掉S6）第二步去掉矩陣M′(L)中已具有鄰接二元關(guān)系的要素間的越級二元關(guān)系，得到經(jīng)進(jìn)一步簡化后的新矩陣M″如：已有第二級要素(S4,S2)到第一級要素(S5,S1)和第三級要素(S3,S7)到第二級要素(S4,S2)的鄰接二元關(guān)系。即S4RS5、S2RS1和S3RS4、S7RS2。故去掉第三級要素的越級二元關(guān)系“S4R2S5”和“S7R2S1”。即將M′(L)中和的“1”改為“0”。得“第三步，去掉M″(L)中自身到達(dá)的二元關(guān)系，即減去單位矩陣，即主對角線上的“1”全變?yōu)椤?”。繪制多階段遞階有向圖D(A′)第一步，分區(qū)域從上到下逐級排列系統(tǒng)的要素。第二步，同級加入被刪掉的與其要素有強(qiáng)連接關(guān)系的要素及表征它們相互關(guān)系的有向弧。第三步，按A′所示的鄰接二元關(guān)系，用級間有向弧連接成有向圖D(A′)。遞階結(jié)構(gòu)模型二、遞階結(jié)構(gòu)模型建立過程示意圖河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE52PAGE51河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第5章系統(tǒng)預(yù)測（1）教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解預(yù)測的基本概念和步驟。教學(xué)基本內(nèi)容：系統(tǒng)預(yù)測的概念系統(tǒng)預(yù)測的分類系統(tǒng)預(yù)測的一般步驟教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：系統(tǒng)預(yù)測的基本步驟授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：系統(tǒng)預(yù)測的概念系統(tǒng)預(yù)測的分類系統(tǒng)預(yù)測的基本步驟是什么？預(yù)測技術(shù)有哪些種類？河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE56PAGE55系統(tǒng)預(yù)測內(nèi)容：介紹預(yù)測的概念、預(yù)測技術(shù)的種類、各種定性與定量預(yù)測方法（德爾菲法、簡單算術(shù)平均法、平滑預(yù)測法、回歸分析法等）。要求：學(xué)生應(yīng)掌握上述概念與方法，并能應(yīng)用上述方法解決實(shí)際問題。嫦娥奔月是我國古代勞動人民對飛往月球、探索月球奧秘的一種幻想，體現(xiàn)出古人對未知事物的探求，但這不是預(yù)測。三國時期，諸葛亮“未出茅廬已定三分天下”，是他根據(jù)當(dāng)時的社會形勢對社會發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識，是在分析天時、地利、人和的基礎(chǔ)上，對社會發(fā)展的一種推測，這雖算簡單預(yù)測但不能叫科學(xué)預(yù)測?！?.1系統(tǒng)預(yù)測概述預(yù)測概念充分分析理解規(guī)律減少不確定性預(yù)測分析：在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上對事物的未來進(jìn)行科學(xué)的分析，研究其發(fā)展變化的規(guī)律性?！A(yù)測理論預(yù)測技術(shù)：預(yù)測分析中采用的方法和手段稱為預(yù)測技術(shù)?！A(yù)測方法。預(yù)測：就是對尚未發(fā)生或目前還不確切的事物進(jìn)行預(yù)先的估計(jì)和推斷，是現(xiàn)時對事物將要發(fā)生的結(jié)果進(jìn)行探討和研究。系統(tǒng)預(yù)測：應(yīng)用預(yù)測理論和預(yù)測方法對系統(tǒng)的未來進(jìn)行分析估計(jì)。系統(tǒng)預(yù)測是以系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)以往舊系統(tǒng)或類似系統(tǒng)的歷史統(tǒng)計(jì)資料，運(yùn)用某些科學(xué)的方法和邏輯推理，對系統(tǒng)中某些不確定因素或系統(tǒng)今后發(fā)展趨勢進(jìn)行推測和預(yù)計(jì)，并對此做出評價，以便采取相應(yīng)的措施，揚(yáng)長避短，使系統(tǒng)沿著有利的方向發(fā)展。預(yù)測原理預(yù)測是在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上對事物未來發(fā)展變化的規(guī)律進(jìn)行研究的理論和方法的總稱，預(yù)測的基本原理是：整體性原理事物是由若干部分相互關(guān)聯(lián)而成的有機(jī)整體，事物發(fā)展變化的過程也是一個有機(jī)整體。因此，以整體性為特征的系統(tǒng)理論是預(yù)測的基本理論?？芍栽碛捎谑挛锇l(fā)展過程的統(tǒng)一性，即事物發(fā)展的過去、現(xiàn)在和將來是一個統(tǒng)一的整體，所以人類不但可以認(rèn)識預(yù)測對象的過去和現(xiàn)在，而且也可以通過過去到現(xiàn)在的發(fā)展規(guī)律，推測將來的發(fā)展變化?？赡苄栽眍A(yù)測對象的發(fā)展有各種各樣的可能性，預(yù)測是預(yù)測對象發(fā)展的各種可能性的一種估計(jì)。如果認(rèn)為預(yù)測是必然的結(jié)果，則失去了預(yù)測的意義。相似性原理把預(yù)測對象與類似的已知事物的發(fā)展變化規(guī)律進(jìn)行類比，可以對預(yù)測對象進(jìn)行描述。反饋原理預(yù)測未來的目的是為了更好地指導(dǎo)當(dāng)前，因此應(yīng)用反饋原理不斷地修正預(yù)測，才會更好地指導(dǎo)當(dāng)前工作，為決策提供依據(jù)。預(yù)測方法定性預(yù)測定性預(yù)測技術(shù)是以預(yù)測者的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，判斷發(fā)展趨勢、探討發(fā)展變化規(guī)律的方法。它適用于缺乏數(shù)據(jù)資料的情況下對事物的預(yù)測。定性預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)是簡便、靈活。實(shí)踐中，有時即使有充足的數(shù)據(jù)資料，也采用定性預(yù)測技術(shù)，其原因是把定性預(yù)測的結(jié)論與定量預(yù)測的結(jié)果相比較可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，同時在定性預(yù)測的指導(dǎo)下進(jìn)行定量預(yù)測尚可起到定量預(yù)測起不到的作用。主要有專家調(diào)查法、市場調(diào)查法、主觀概率法、交叉概率法、領(lǐng)先指標(biāo)法、類推法等較常用的方法。定量預(yù)測所謂定量，就是確定未來事件可能出現(xiàn)的具體結(jié)果（數(shù)據(jù)），從數(shù)量上來描述事件的發(fā)展趨勢。主要有時間序列法、因果法、回歸分析法、經(jīng)濟(jì)計(jì)量法、投入產(chǎn)出法、系統(tǒng)動力學(xué)方法等。預(yù)測的一般步驟明確預(yù)測目的確定預(yù)測對象，提出預(yù)測目的和目標(biāo)，明確預(yù)測要求等。只有目的明確，才能根據(jù)預(yù)測目的去收集必要的資料，決定適當(dāng)?shù)墓ぷ鞑襟E，選用合適的方法，這樣才能收到好的效果。收集、整理資料資料要齊全，資料的質(zhì)量要高，最好是第一首資料。資料的收集工作是由預(yù)測的具體目的所決定的。一般來說，資料的收集要求完整、準(zhǔn)確、實(shí)用。選擇預(yù)測方法根據(jù)預(yù)測的目的和要求、資料的可靠性和完整性，來合理地選擇效果較好的、既經(jīng)濟(jì)又方便的一種或幾種預(yù)測方法對不同的預(yù)測對象應(yīng)當(dāng)采取不同的預(yù)測方法。選擇預(yù)測方法時，主要考慮預(yù)測對象的種類和性質(zhì)、對預(yù)測結(jié)果精度的要求、現(xiàn)已掌握資料的可靠性和完整性，以及現(xiàn)實(shí)條件等，經(jīng)分析，合理選擇預(yù)測效果好、經(jīng)濟(jì)又方便的預(yù)測方法。在可能情況下，最好能對同一預(yù)測對象采用不同的預(yù)測方法進(jìn)行預(yù)測，以便比較分析。建立預(yù)測模型建立預(yù)測模型是預(yù)測的關(guān)鍵工作，它取決于所選擇的預(yù)測方法和所收集到的數(shù)據(jù)。建立模型的過程分為建立模型和模型的檢驗(yàn)分析兩個階段。目前一部分人建立預(yù)測模型時，只建立模型，不進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣的預(yù)測是不令人信服的。只有通過檢驗(yàn)的模型，才能用于預(yù)測。預(yù)測的核心是建立符合客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。利用模型預(yù)測所建立的模型是在一定假設(shè)條件下得到的，因此也只適用一定條件和一定預(yù)測期限。只有在確認(rèn)模型符合預(yù)測要求時，才可利用模型進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測實(shí)施與結(jié)果分析利用預(yù)測模型所得的預(yù)測結(jié)果并不一定與實(shí)際情況符合。因此在建立模型時，往往有些因素考慮不周或因資料缺乏以及處理系統(tǒng)問題時的片面性等使預(yù)測的結(jié)果與實(shí)際情況偏離較大，故需從兩個方面進(jìn)行分析。一用多種預(yù)測方法預(yù)測同一事物，將預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比分析、綜合研究之后加以修正和改進(jìn)；二應(yīng)用反饋原理及時用實(shí)際數(shù)據(jù)修正模型，使預(yù)測模型更完善。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，規(guī)劃政策和行動。在組織預(yù)測的過程中，需注意以下幾點(diǎn)：加強(qiáng)預(yù)測工作的領(lǐng)導(dǎo)；依靠集體的力量；協(xié)調(diào)預(yù)測人員的認(rèn)識；注意積累資料；采用先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)——計(jì)算機(jī)河南科技大學(xué)教案首頁課程名稱系統(tǒng)工程計(jì)劃學(xué)時2授課章節(jié)第5章系統(tǒng)預(yù)測（2）教學(xué)目的和要求：在本講中，使學(xué)生了解幾種定性預(yù)測和定量預(yù)測的方法。教學(xué)基本內(nèi)容：德爾菲法一元線性回歸法二元線性回歸預(yù)測法平滑預(yù)測法移動平均法教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：二元線性回歸預(yù)測法、平滑預(yù)測法授課方式、方法和手段：板書為主，同時加以作業(yè)和答疑作業(yè)與思考題：舉例說明德爾菲法經(jīng)濟(jì)預(yù)測的程序一般有哪幾個步驟？二元線性回歸法的應(yīng)用河南科技大學(xué)系統(tǒng)工程講義PAGE69-§5.2德爾菲法(Delphi)德爾菲法(Delphi)是美國蘭德公司研究人員黑爾莫(O.Helmet)和達(dá)凱(N.Dalkey)于20世紀(jì)40年代開發(fā)的一種預(yù)測方法。目前該方法已廣泛用于軍事預(yù)測、人口預(yù)測、醫(yī)療保健衛(wèi)生預(yù)測、經(jīng)營和需求預(yù)測、教育預(yù)測以及方案評價的決策分析等領(lǐng)域。特點(diǎn)匿名性。它采用調(diào)查表，以通信的方式征集專家意見。專家彼此不發(fā)生聯(lián)系。反饋性。由專門小組對每一輪的預(yù)測結(jié)果做出統(tǒng)計(jì)，并把預(yù)測結(jié)果反饋給每一位專家，專家可以修改上一輪的意見。收斂性。多次征詢意見之后，專家們的意見最后趨向一致。專家選擇10~15人為宜。專家人數(shù)的確定依據(jù)所預(yù)測問題的復(fù)雜性和所需知識面的寬窄。預(yù)測問題的提出例：預(yù)測計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢（目標(biāo)——手段調(diào)查法）總目標(biāo)：當(dāng)人類在所有領(lǐng)域內(nèi)都采用計(jì)算機(jī)人機(jī)聯(lián)系計(jì)算機(jī)智能提高單臺效率過程三輪——協(xié)調(diào)——一致原則充分說明目的、任務(wù)、方法。問題具體、有針對性。避免組合事件。用詞確切。問題數(shù)量25個以下。報(bào)酬。預(yù)測結(jié)果的處理中位數(shù)法中位數(shù)法是將專家預(yù)測結(jié)果從小到大依次排列，然后把數(shù)列二等分，則中分點(diǎn)值稱為中位數(shù)，表示預(yù)測結(jié)果的分布中心，即預(yù)測的較可能值。例：預(yù)測數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)值到哪一年達(dá)到機(jī)床總產(chǎn)值的50%。主觀概率法主觀概率法是對市場調(diào)查預(yù)測法、專家評估法的不同定量估計(jì)，進(jìn)行集中整理的常用方法。主觀概率是指在一定條件下，個人對某一事件在未來發(fā)生或不發(fā)生可能性的估計(jì)，反映個人對未來事件的主觀判斷和信任程度。主觀概率也必須符合概率論的基本公理，即每一事件發(fā)生的概率大干等于零，小于等于1；必然發(fā)生的事件概率等于1，必然不發(fā)生的事件概率等于零；兩個互斥事件之和的概率等于它們的概率之和。例如，要預(yù)測某一事件發(fā)生可能性的大小，可以調(diào)查一組專家的預(yù)測概率，然后相加求平均值，得出某事件的預(yù)測概率，即式中：為事件預(yù)測概率平均值，為每一位專家主觀預(yù)測概率，n為專家人數(shù)?？陀^概率，是指某一隨機(jī)事件經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后，出現(xiàn)的相對次數(shù)，也就是對某一隨機(jī)事件發(fā)生的可能性大小的客觀度量。如擲一枚硬幣，出現(xiàn)國徽面和出現(xiàn)數(shù)字面的客觀概率各為1/2?？陀^概率與主觀概率的根本區(qū)別在于，客觀概率具有可檢驗(yàn)性，主觀概率則不具有這種可檢驗(yàn)性。德爾菲法的具體步驟選擇專家。專家人數(shù)的確定依據(jù)所預(yù)測問題的復(fù)雜性和所需知識面的寬窄，一般以10人——15人。所選擇的專家彼此不發(fā)生聯(lián)系，只用書信的方式與預(yù)測人員直接發(fā)生聯(lián)系。編制并郵寄“專家應(yīng)答表”。首次交往需向?qū)＜医榻B預(yù)測的目的，提供現(xiàn)有的相關(guān)資料，并郵寄“專家應(yīng)答表”。為避免浪費(fèi)專家的時間，“專家應(yīng)答表”應(yīng)力求簡練，只需專家用“是”、“否”之類簡單詞句或符號給予簡單的評分。分析整理“專家應(yīng)答表”。收集專家的意見和反應(yīng)，整理“專家應(yīng)答表”，進(jìn)行綜合、分析、歸納等工作。與專家反復(fù)交換意見。將整理、分析、歸納和綜合的結(jié)果反饋給各專家并進(jìn)一步提供有關(guān)資料，讓專家修訂自己的意見，填寫“專家應(yīng)答表”，如此反復(fù)進(jìn)行直至得出預(yù)測結(jié)論。將最終預(yù)測結(jié)論函告各專家并致謝。采用德爾菲法的好處是：可以消除召開專家討論會所出現(xiàn)的隨身附和、崇拜專家、固持已見和有顧慮等弊病。可使意見迅速集中。§5.3定量預(yù)測方法§5.3.1簡單算術(shù)平均法簡單算術(shù)平均法是：設(shè)變量x有n個樣本值x1,x2,…,xn,求出這些樣本值的簡單算術(shù)平均數(shù)，作為預(yù)測值,即誤差的表示：或式中為樣本均方差，為母體均方差，n為樣本數(shù)，為母體均值。例，已知某農(nóng)業(yè)企業(yè)1~10月份銷售額（萬元）情況如下：321，372，330，382，320，317，341，345，331，329?，F(xiàn)預(yù)測全年銷售額為多少？解：分析前10月銷售額情況，可認(rèn)為數(shù)列較為平穩(wěn)，可用算術(shù)平均法進(jìn)行預(yù)測。首先預(yù)測11月、12月銷售額，再預(yù)測全年銷售額，即于是預(yù)測11月、12月兩個月銷售額均為338.8萬元，則全年銷售額為338.8*12=4065.6萬元，其均差為對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析：當(dāng)樣本為正態(tài)分布時，預(yù)測值發(fā)生在，即在范圍內(nèi)的可能性有68%；如果在，即在范圍內(nèi)的可能性有95.4%；發(fā)生在，即在范圍內(nèi)的可能性有99.7%。所以11月、12月銷售額在的可能性在95.4%，全年銷售額發(fā)生在即(3563.52,4567.68)之間的可能性有95.4%。將(3563.52,4567.68)這個范圍稱為置信區(qū)間，其概率值為95.4%?！?.3.2時間序列預(yù)測時間序列的定義系統(tǒng)中某一個變量或指標(biāo)的數(shù)值或統(tǒng)計(jì)觀測值按時間順序排成一個數(shù)值序列，x1,x2,…,xn稱為時間序列。特征——長期趨勢的變化，序列隨時間呈現(xiàn)的傾向性變化。——季節(jié)變化，序列在一年中隨季節(jié)呈現(xiàn)有規(guī)律性的周期性變化?！h(huán)變化，序列以不固定的周期呈現(xiàn)出的波動性變化。——隨機(jī)變化，各種不確定因素作用下的無規(guī)則變化?！?.3.3平滑預(yù)測平滑預(yù)測法的概念平滑預(yù)測法也稱趨勢外推法，是一種簡單而使用面很廣的確定時間序列預(yù)測技術(shù)，是研究預(yù)測對象自身時間過程演變規(guī)律及其未來趨勢的一種方法。特點(diǎn)：根據(jù)過去的演變特征來預(yù)測未來。短期預(yù)測較準(zhǔn)確。移動平均法設(shè)時間序列x1,x2,…,xn對其連續(xù)N(N<n)個數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到t時刻的移動平均值。采用移動平均值作為預(yù)測值例，某商場1~6月份銷售額，用N=5進(jìn)行移動平均，預(yù)測6月份、7月份的銷售額。解：指數(shù)平滑法設(shè)時間序列x1,x2,…,xn用全部歷史數(shù)據(jù)加權(quán)平均有且取，(j=0,1,2,…,t-1)，，極限為1。當(dāng)當(dāng)令取，為平滑系數(shù)。為t時刻的一階指數(shù)平滑值。二次平滑一次平滑序列S0,S1,S2,…,St。根據(jù)得出三次平滑二次平滑序列根據(jù)公式，例，某地區(qū)1964~1978工業(yè)產(chǎn)值如下表，預(yù)測1979年~1988年產(chǎn)值。，年年人均Xt00114.5114.5114.519641134.4118.46115.29114.719652197815441.6334.72260.44205.8先根據(jù)公式求出每年的平滑預(yù)測值。1979年§5.4回歸分析預(yù)測法§5.4.1線性回歸模型一、一元線性回歸模型表達(dá)式如果已知樣本(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)滿足(i=1,2,…,n)若假設(shè)是服從正態(tài)分布且相互獨(dú)立最小二乘法估計(jì)參數(shù)確定模型參數(shù)a,b值假設(shè)有n對觀測值(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),要設(shè)法建立一個直線方程，使所有觀測點(diǎn)距離這條直線的偏差平方和達(dá)到最小，這就是最小二乘法原則。假設(shè)這條直線方程的表達(dá)式為那么，每一個觀察點(diǎn)距離這條直線的偏差為式中：為實(shí)際觀測值，為估計(jì)值。將等式兩邊平方再求和，得應(yīng)使偏差最小，對其求偏導(dǎo)數(shù)將以上兩個公式進(jìn)一步簡化可得式中為x與y的乘積的平均數(shù)；為的平均數(shù)；為x和y的平均數(shù)。求出a,b后，即可建立直線模型進(jìn)行預(yù)測。例，某地區(qū)1990—2000年糧食產(chǎn)量及其各項(xiàng)