系统科学与系统工程

第二章系统科学与系统工程的理论基础



§2.1概述

·依据系统思想建立完整科学体系称为系统科学

·系统科学研究系统演化、发展的一般规律

·系统科学的基本理论是系统学,它的技术基础是运筹学、控制论、信息论等，它的应用技术是系统工程。

·系统科学的研究对象和其他学科不同，它不是研究某一特定形态的具体系统，它研究的是一般系统，反应的是自然界中各门科学、各个领域中共同的东西。

·系统科学的研究内容是一般系统所具有的概念，系统所具有的共同性质和系统演化的一般规律，具体内容有：

（1） 一般系统的概念

系统的定义、元素与结构、物性与系统性，实现与层次、系统与环境、行为与功能、存在与演化、状态与过程、系统与信息、系统分类、模型方法与系统描述等。

（2） 简单系统理论：

线性系统理论、信息论、控制论、大系统理论、运筹学、灰色系统理论、黑箱方法等。

（3） 开放系统理论：

开放与封闭的概念，可逆与不可逆，有序与无序，熵及其应用、平衡无序、平衡有序、非平衡有序、生命系统理论等。

（4） 非线性系统理论（一）

连续动力学模型、轨道、初态与终态、暂态与空态、运动稳定性、结构稳定性、吸引子、系统相图、分叉与多样性、突变与奇异性、连续混沌、瞬态特性与过程。

（5） 非线性系统理论（二）

离散动力学模型、离散映射、元胞自动机、布尔网络、神经网络、离散混沌等。

（6） 随机系统理论

随机过程与随机涨落、估计理论、主方程、朗之万方程，福克－普朗克方程、随机稳定性、随机系统定态解、随机控制。

（7） 自组织理论

自组织概念，自组织与他组织、自组织结构、支配原理序参量方程、自适应、自复制、自瓦解、自创性等。

（8） 简单原系统

熵与信息，统计综合，反应扩散模型，非线性振荡模型、微扰方法、时间均值分析、混沌的控制。

（9）复杂适应系统理论

适应产生的复杂性、内部结构、内部模型、遗传算法echo模型、混沌边缘与复杂性、AN方法。

（10）开放的复杂原系统

定性与定量相结合的综合集成法，从定性到定量的综合集成工程。



§2.2 一般系统论

一、一般系统论的产生

背景：本世纪初，物理学、力学、化学等已得到深入发展、学科体系已趋于完整。

生物学却仍处于一种想象，试验的阶段。例如，生命的起源、生命的本质等问题，就存在两种激烈争论的观点

机械论与活力论

机械论：认为生物体应像机械体一样服从物理学、化学所阐明的各种规律，也就是说，把生命问题简化为物理和化学问题，纯粹用物理原因和化学原因来说明一切生命的生理现象和心理过程。

所以无法说明生命体的统一性.

活力论：认为不能把生命现象简单地归结为物理与化学过程，但却用“超自然的活力”来解释生命现象，认为有机界和无机界之间有一道不可逾越的鸿沟，支配生物体的是一种超物质力量。

美藉奥地利生物理论专家贝塔朗菲等人不满于机械论和活力论的解释，提出有有机体概念，强调要从整体关联角度看问题。

后来，“有机体”概念被进一步发展为“一般系统论”。

观点：一般系统论坚决反对活力论与机械论

1、 反对简单相加的观点，认为系统不是简单地等于各部分之和；

2、 反对机械观点，认为有机整体各部分的关系不能用机械关系来解释；

3、 反对被动反应观点，即生物活动不是受环境刺激作出简单信息，而是具有自调功能的活动，机体对于环境的干扰具有调节能力。



二、一般系统论的原则

1、 系统观点，即有机整体性原则

认为一切有机体都是一个开放的系统，都是一个有机整体。

2、 动态观点，即自组织性原则

认为一切生命现象本身都处于积极的活动状态，是自组织开放系统。

3、 组织等级观点

认为事物存在着不同组织等级和层次，各自的组织能力不同，并具有自身目的的性和自身调节性。



三、一般系统的内容

一般系统论包括三个方面

1、 系统科学理论――原理部分

2、 系统哲学――系统的哲学基础和哲学意义

3、 系统技术――应用技术



四、一般系统论的适用范围

不仅适合于有机体，而且也适合于经济、社会和科学技术等一切系统。



§2.3 大系统理论

2.3.1 什么是大系统？

大系统的例子：

·工程技术大系统

大型工业企业，大型电力系统，交通运输系统，大型能源系统，大型建设工程

·社会经济系统

国家行政管理系统，国民经济管理系统，商业系统，卫生医疗系统，教育系统

·生物生态系统

人体控制系统，环境保护系统

大系统的特征：

①规模庞大，构成大系统的要素本身就是一个完整系统，如：大型钢铁联合企业往往由炼铁厂、炼钢厂、轧钢厂等要素组成，而这些工厂本身就自成一个系统。

②结构复杂，各要素（子系统）之间存在多级递阶的复杂结构。

③影响因素众多

大系统一般都是多目标、多输入、多输出、多变量、多干扰的复杂系统，因此大系统往往具有不确定性（如模糊性、随机性等），并且由于信息不足，从而造成不确知性。同时，正因为对大系统的影响因素众多，所以大系统的数学模型往往是高维的、高阶的、系统分析和设计的工作量随维数增大即迅速增长，导致“维数灾”。

大系统往往是由不同质的要素构成的

工艺设备、人、管理条例、计算机



2.3.2大系统理论的研究内容

·大系统结构方案的研究

·大系统稳定性研究

·大系统的最优化问题研究

·大系统模型简化的研究



2.3.3 大系统的结构方案

从结构上考虑，大系统一般分为递阶控制方案和分散控制方案



一、递阶控制

·“递阶”是“等级”的含义

·递阶控制的特点：下级决策单元只接受上级决策单元的命令，上级决策单元不逾越下级决策单元而直接控制被控大系统。

·整个递阶系统有一个总目标，各决策单元和谐地工作以实现总目标的优化。

·递阶控制有两种控制方式：



1、 多层控制



多层控制按照总任务和各层的任务目标进行分解、分层，各层运行的周期不同，愈到上层，运行周期愈长，解决总是愈复杂。

多层控制常用于工业企业的生产安排和管理上。

第一层是直接控制层，根据上层的决策（设定）直接控制大系统的运行过程或状态，处理经常发生的、变化快的外部扰动。

第二层是优化层，根据上层给定的各项技术经济指标和约束条件，以及提供的资源等，建立优化模型以实现大系统的最优控制，并及时调节因条件变化而引起的扰动。

第三层是决策层，例如根据市场供销情况来调节生产计划、修正营销策略等。

2、 多级控制

将总目标分解成局部目标，并利用各级局部决策单元进行控制和协调。

多级控制常用于经济管理组织机构，下级机关将劳动力组织到生产岗位上，上级机关指挥与协调各下级机关的工作。每一级却力求有效地管理其下一级，同时又紧跟其上一级的指挥，以保证整个组织机构高效率工作，并完成总任务。





二、分散控制





分散控制实际上是一种两级递阶控制的特例

分散控制可以减少集中控制或递阶控制时在信息传输方面的技术困难和设备费用，但只能得到一个次优解。



2.3 大系统的稳定性

大系统的稳定性分为多级递阶稳定性

分散控制稳定性

多级递阶稳定性：研究如果各子系统稳定，则其相互关联满足什么条件时，大系统也是稳定的。

分散控制稳定性：研究利用局部（各子系统）的输出加以反馈至各局部控制器，并寻找相应的控制规律，来保证整个大系统的稳定。



2.3大系统的模型简化

简化大系统模型

方法：集结法：通过一个常量的集结矩阵，以低维状态空间描述来简化原是高维的系统，但却保留原系统的主要模式。

线性化法



2.3 大系统优化

大系统优化分为静态优化和动态优化

大系统优化的主要任务是：

按大系统的最优化目标和总体系统和各子系统之间的关系，以及各子系统之间的关系，最优地分配各子系统的子目标，并以此来控制子系统，从而使总体系统达到最优化。

例：企业在现有人力、物力和财力的条件下，如何合理安排生产计划，如何开发新产品，如何提高产品质量和劳动生产率等等。



大系统优化的主要方法：分解协调方法

由于大系统的总目标和各个子系统的目标未必一致，或有矛盾，所以不能仅仅对大系统进行简单分解成若干子系统，而后对各子系统分别优化，最后加起来求得总目标优化，而必须采用特定的分解与协调方法，即把可分的大系统分解为若干互不相关的子系统，但这些互不相关的子系统又都是与大系统有关的，各子系统将性能反馈给大系统，用总目标衡量后，再将指示下达给各子系统，这就是大系统分解与协调的基本思想。

·静态优化方法：Dantzig-Wolf大线性规划









·动态优化方法





进行各自子系统优化





各子系统优化规律综合为大系统优化









§2.4 运筹学

运筹学是用数学方法研究系统最优化问题的学科，运筹学着重于发挥现有系统的效能，通过建立系统的数学模型，求出合理运用人力、物力和财力的最优方案。

一、运筹学的起源

运筹学最早出现于1938年，当时纳粹德国经常派轰炸机越过英吉利海峡轰炸英国本土，为了预警，英国人沿海岸线建立了雷达系统。雷达系统由密布的雷达站组成雷达系统的预警信息传至防空指挥中心，使高射炮和战机能提前准备迎敌。

为了最大效用地发挥防空系统的作用，当时提出了一个问题：对整个防空系统进行研究，以解决各雷达站之间和雷达站与整个防空系统之间应如何协调配合才能有效地防备德国飞机入侵的问题。该项研究导致了运筹学的产生。

后来，美国参与进来，开展了诸如护航舰队的规模、反潜水艇战、组织有效的对敌轰炸等研究，均属于运筹学范畴。

二战后，运筹学的研究和应用转入到民用，如石油企业制订生产计划等，再后来进入到经济管理，服务性行业等。



二、运筹学方法

应用运筹学处理问题时，首先要求从系统观点出发分析。

问题：不仅要求提出需要解决的问题和希望达到的目标，而且还要弄清问题所片的环境条件，以及问题中主要因素与各种环境条件之间的因果关系和其他逻辑关系，以使应用有关科学方法对问题寻求最优解答。

应用运筹学处理问题的一般步骤：









明确需要解决的问题、目标及其所处环境和约束条件。





对问题进行数学描述，然后据此来建立相应的数学模型。





确定与数学模型有关的各种系数，选择求解方法，求出最优解答。



根据系统评价准则对所得解进行评价，并据此修正有关参数的值。





提供决策信息。



三、运筹学内容

多分支应用科学，主要分支有：

线性规划非线性规划整数规划

动态规划图论和网络理论排队论

决策论对策论存贮论



四、线性规划

数学描述：在一组线性约束条件下寻求一个线性目标函数的极值问题。



工程含义：用一组线性的等式不等式的代数方程去描述和求解在一定的资源条件下，如何合理地运用这些资源来达到产量（利润）最大或成本（费用）最小的目标的数学方法。



例：某厂生产A、B两种产品，其单件所需原材料及工时的消耗定额和利润如表











A

B 资源限制 原料(kg)

工时（小时） 4

7 5

3 200

150 利润（元／件） 40 30

问如何安排A，B产品的生产计划，使该厂获得利润最大？

解：设x1，x2分别A，B产品的产量，则该问题的线性规划模型

目标函数：maxZ=40x1+30x2

约束条件：4x1＋5x2≤200

7x1＋3x2≤150

非负条件：x10x20

非负条件是指A、B充其量不生产x1＝0，x2＝0，但不能为负值，线性规划的应用：下料问题，生产计划安排问题、运输问题、分配问题，……



五、非线性规划

非线性规划是指目标函数或约束条件不全是线性方程的规划问题。实际问题中碰到的一般都是非线性规划问题。



例：某公司经营两种设备，第一种设备每件售价30元，第二种设备每件售价450元。根据统计售出一件第一种设备所需的营业时间平均0.5小时，第二种设备是（2＋0.25x2）小时，其中x2是第二种设备的售出数量。已知该公司在这段时间内总营业时间为200小时，试决定使其营业额最大的营业计划。

解：设该公司经营第一种设备x1件，第二种设备x2件，则营业额最大的目标函数为

maxz=30x1+450x2

营业时间限制：0.5x1+(2+0.25x2)x2≤800

非负性约束：x1≥0x2≥0

其中营业时间约束0.5x1+2x2+0.25x2≤800



六、动态规划

·将系统运行过程分为若干相继的阶段，而在每个阶段都要作出决策的过程，就称――多段决策过程。

·多段决策过程的每一段的结束状态就是下一段的初始状态。单从某一段来看，其决策是最优的，但对于下一段却未必最有利，所以多段决策过程的策略选择要通盘考虑。

·选定一个策略使多段决策问题总体的目标函数达到最优，就是多段决策过程的最优化问题。

·多段决策过程的最优问题应用动态规划来求解。

·动态规划由美国数学家贝尔曼于50年代提出，其中的思想为“最优性原则”：

用一个基本的递推关系式，从整个问题的终点出发，由后向前使过程连续递推，直至到达过程终点，直到找到最优解。

例：最短路线问题





···





··





···





欲从S点出发到达目的地G，使总距离最短。

图上的数字代表距离。



解：用动态规划方法解此类问题时，首先把从S到G所经历的地点划分为若干阶段，然后

从最后一个阶段开始讨论最优化路线。

按图所示，划分四个阶段：G,





,S





C１

第四阶段G

C２

C１到G的最短距离为4，填入C１的圈中

C２到G的最短距离为3，填入C２的圈中为0

B１C１

第三阶段

B２C２

B１到G的最短距为4，填入B１圈中

B２到G的最短距为5，填入B２圈中



A１B１

第二阶段

A２B２

A１到G的最短距为10，填入A１圈中

A２到G的最短距为8，填入A２圈中





A１

第一阶段S

A２

S到G的最短距为13，填入S圈中



所以S到G的最短距为13，路径为双线所示





其方法为：从最后阶段起，依次决定某阶段到终点的最短距，而计算本阶段最短距时，只与下阶段到终点的最短距有关。

动态规划的应用：

资源分配问题：有限资源分给若干使用单位，使最后获得的总收益为最大。

库存问题：合理制定各时期库存量，一方面满足各时期需求，一方面总库存费用最少。

设备更新问题

④排序问题



七、排队论

研究排队现象的统计规律性，指导随机服务系统的最优设计和最优经营策略。



例：超市服务台



○○○···○○



○○○···○○



·

·

·





顾客到达时间：随机服务占用时间：随机设几个服务台最好？

因素：

排队长度（过长，失去顾客）

服务台投资（设备、人员）

随机空闲率…











8、 对策论

研究对抗性的竞争局势的数学模型，探索最优对抗策略（又称博奕论）

例：下棋、打牌

齐王赛马：上、中、下三种多

齐王、田忌、孙膑



9、 存贮论



最优存贮策略



例：工厂生产原料





十、图论、决策论





§2.6 信息论

一、信息论的基本思想

·信息论是一门研究信息传输和信息处理一般规律的学科。

·信息论起源于通讯理论，是美国科学家香农（Shannon）在1948年创立的

·信息论的基本思想和方法完全撇开了物质、能量等各种具体客观形态，而把任何通讯和控制系统都看作是一个信息的传输和加工处理系统，把系统有目的运动抽象为信息变换过程，通过系统内部的信息交流使系统维持正常的有目的的运动。

所以系统，在信息论的框架中，是一个进行信息变换和信息处理的机构。



二、什么是信息

香农对信息的定义：不确定性的减少

即：信息量是把某种不确定性趋向于确定的一种度量，信息量的大小取决于消息的不确定减少程度，不确定减少程度越大，则信息量越大；不确定减少程度小则信息量越少。

消息与信息：消息是信息的携带者，但并非每条消息都带有信息，或带有同等信息量的信息。

例：到会场找人

消息A：某人在会场里

消息B：某人在会场的偶数排

显然，对找到该人这一目的来说，消息B所含的信息量比消息A大，因为消息B更容易减少不确定性。



三、信息的度量――信息熵

设描述某一事件的消息源可能发出的消息分为

x=(x１,x２…xn)

而各可能消息是否会发出的概率为p１,p２,…pn，并满足归一性条件：

p１＋p２＋…＋pn＝1

按以上概率从消息源中随机地发送消息，形成一个消息序列。

设该消息列中包含的消息总数为N，N非常大。

在统计意义上，该序列N中包含消息xi的数目为piN个。

定义一：以概率p≠0发生的可能消息所包含的信息量等于概率p的倒数的对数



其中，取对数是为了运算方便（乘法可加性：取倒数是为了信息量大于零（因为p1），所以，所有xI包含的信息量为



将序列N中所有消息包含的信息量之和除以N得到序列中每个可能信息xi的平均信息为



所以，H是可能消息集合X的整体平均信息量，亦即单位消息的信息量，信息论中把H称为信息熵。

定义二：可能消息集合X的整体平均信息量称为信息熵，简称为熵。

信息熵的特性

（1）非负性H≥0

等号只有在某个XI为必然事件，其余为不可能事件时才成立。

（2） 对称性

H只与概率分布（p1p2……pn）有关，与pi序无关。

（3） 极值性

信息熵在等概率分布（均匀分布）下取最大值，即

若

则

其余任意组合p1……pi

最大熵定理

说明：概率分布越均匀，熵越大，

概率分布越不均匀，熵越小（极端情况下，消息集合中只有一个必然消息，其余为不可能消息，则熵为0）。

（4） 联合性

任给两个消息集合X、Y，则有



H（XY）为联合熵，两个消息集合的联合熵不大于这两个消息集合之熵的和

等于只有当XY相互独立时成立



四、信息与系统的关系

·信息是系统的一种重要特征

·不存在与系统无关的信息，也不存在没有信息的系统

·有系统内部、系统与环境之间的相互作用，就有信息的产生和交换

·系统的形成，发展，运行都离不开信息的活动。

·普利高律把信息概念引入耗散结构理论

·哈肯出版专著《信息与自组织》试图推广信息概念，按信息原理阐述一般自组织过程，用信息概念定义复杂性。

·艾根认为生命的起源过程存在信息危机，所超循环看作克服信息危机必须的系统机制。

·系统科学的各个层面无一不充斥着信息的概念。



§2.7 管理科学

一、传统管理模式

19世纪后期

自由资本主义向垄断资本主义过渡

工业生产规模日益扩大

生产方式：家庭手工业、作坊式社会化机器生产众多工作聚在一起进行既有分工又有合作的生产劳动。



一切一切，需要有人专门从事生产活力的组织和管理工作



出现了管理层，



管理的方式：传统管理模式

特点：一切按照业主的经验办事，听从老板的安排

例如：一项生产任务如何分工、规定多少时间完成，产品质量的鉴定，产品成本的核算等等。

全凭业主或老板主观经验来安排、估计和判断，经常是缺乏科学依据，缺乏科学指导，带有很强的主观性和盲目性，制约了生产力发展。

随着经济、社会、政治、技术的发展



传统管理模式已远远不能适应生产力发展的需要



导致了科学管理模式的产生



科学管理模式的总结、升华、成为科学管理论。



二、科学管理论

美国工程师Taylor（泰罗）在米德维尔钢铁厂采用科学管理模式，提高了工作效率，减少了劳动人员，取得了很好的效果。

例如：厂里的生产操作业多种多样，但工人使用的工具――铁铲的大小形状却是同样的。

所以，挖一满铲的煤仅重3.5磅，工人很轻松就能操作，但每控一次仅此一点重量，明显效率太低，无用功与耗时太多。

挖同样一铁铲的铁矿石却重达38磅，工作往往挥之不动，只好随机性不满铲，有时多、有时少，同样效率太低。

所以，各种铲挖作业的负重相差如此大，显然用同样大的铁铲是不合理的。

Taylor经多次试验，确定一生产最理想的重量是21.5码，为此设计了能适应不同生产控作业的各种铁铲，并仔细研究了工人的操作方法、劳动强度和时间消耗。



经过这样的改进，这个厂的生产控生产率有了显著提高，使从事铲挖作业的工人人数从500名减少到140名。



这就是科学管理方式的巨大作用。

现代科学管理的重要作用。



三、Taylor的科学管理的主要内容

1、 科学管理的中心问题和目的是提高劳动生产率，提高经济效益。

例：Taylor选择合适而技术熟练的工人，记录其中一天的劳动消耗时间，据此来判定一个工人“合理的日工人量”

即“工作定额原理”。

2、参与每项工作的工人应在“不损害其健康的情况下能维持很长年限的工作速度”为标准，据此判定工作定额。

操作标准化，工具标准化、作业环境标准化



标准化原理



造就工作的熟练

建立一种鼓励性的计件工资报酬制度

工人和雇主双方都必须认识到提高劳动生产率对双方都有利益，应互相协作，共同为提高生产率而努力。

把管理和执行分开

推行“职能制”，按专业分工设置各职能部门和主管领导。

组织机构上的管理控制机制、层次化管理、责任到位。



四、Taylor科学管理理论的贡献与局限性

从以上内容看，Taylor受时代和科技、社会、生产力发展水平的限制，提出的管理科学理论所解决的还是生产作业等方面的问题，近来注意到管理组织和管理职能之间的相互关系，所采用的方法较之现代科学管理还非常幼稚，但毕竟为二十世纪中期以后发展起来的现代化、系统化管理准备了条件，奠定了基础。



五、法约尔经营管理理论

法国采矿工程师法约尔（同泰罗同时代）全面总结了他任法国某矿冶公司总经理的经营管理经验，形成了一套比较完整的经营管理理论，并于1916年发表了《工业管理和一般管理》一书，指出企业的整个经营管理活动应包括六个方面：

①技术活动生产、制造、加工

②商业活动采购与销售

③财务活动资本筹集和运用

④安全活动财产和人员安全

⑤会计活动货物盘存、资产负债表、成本考核、统计

⑥管理活动规划、组织、指挥、协调、控制



就管理活动来说，有14条原则

分工：劳动专业化是提高组织机构工作效率的必需手段。

权力与责任：权力与责任相当一致，因为因果

纪律：纪律的实质是遵守企业内部各方面达成的协议，纪律执行的好坏主要取决于领导人能否以身作则，赏罚分明。

命令的统一：受雇人员只能接受上级的命令

指挥的统一：为达到同一目标而进行的集体活动，只能有一个领导和一项计划。

个人利益服从整体利益

职工的报酬：报酬及支付方式要公平，给雇主和雇员以最大满足。

集权：集权程度随不同情况而变。

管理层次：企业内部权力应由上而下逐级下放，以形成一个多级递阶的管理结构。

秩序：企业要秩序化运行。

⑾公正：主管人员对下属要公正，可以使下属忠于职守。

⑿保持人员稳定

⒀发挥职工的主动精神和创造精神

⒁集体与协作精神：在企业内形成良好的工作气氛



六、现代管理科学

当今社会正处于“信息化”“多样化”“复杂化”“协作化”和“最优化”的社会之中，企业经营的特点是：

1、企业已经从单纯的“生产型企业”转变为“经营开发型企业”。企业管理的范围已日益扩大，企业管理不仅要重视生产组织活动，而且要重视产品的销售和市场动态研究，更要重视技术和企业人才的开发，把满足市场和用户需要、适应市场变化作为搞好企业管理的基本出发点。因此，“经营开发型企业”不仅要搞好企业的微观控制和管理，还要对诸如企业今后的改造和发展等重大战略问题进行宏观的规划和战略决策。

2、从系统观点分析，现代工业企业是一个组织化的复杂大系统，它由技术、生产、计划、销售、财务、会计、人事等子系统所组成，这些子系统存在着相互支持又相互制约的关系。

３、行为科学，新的组织理论等的形成及其在企业管理中的应用，促进企业管理重视人的因素，重视各级管理组织的取、责、权、利的合理划分和相互关系的协调。

现代化管理的基本内容

·经营决策的科学化

·管理方法的最优化

·管理工具的现代化

·管理体制的合理化



§2.8系统科学的若干重要研究领域和进一步发展方向

系统科学产生几十年来，众多科学家持续不断地努力，取得了很多理论性成果。目前，学术界一致公认的重要研究领域有：

耗散结构理论

协同学

突变理论

混沌与分叉理论

自组织系统

超循环理论

有序与无序

本课对这些理论不作介绍，有兴趣着以后可加深研究

尽管系统科学的研究已经取得了很大成功，但仍有许多方面的工作有待深入进行，主要有：

复杂系统的一般性质和行为规律

复杂系统演化规律的研究，复杂系统研究的方法论，非线性动力学系统、不确定性、突变、分叉、混沌、稳定性。

复杂系统的建模和描述方法

面向对象的方法，形式化方法，数学模型

复杂性科学应用研究

金融系统的复杂性，社会经济系统的复杂性，生物系统的复杂性，资源环境系统的复杂性。

复杂性科学理论研究

复杂系统的演化、复杂系统研究的方法论等。

复杂系统的模拟与行为预则

计算机模拟方法、数值计算

特定类型复杂系统的研究

经济系统、社会系统、生态系统、军事系统……

对系统生长、演化的组织以及人工生命进行深入研究，建立适应社会、经济、生态、军事等系统的自创性、自适应、自复制、自瓦解的理论体系。

在开放的复杂原系统概念的基础上，建立开放的复杂原系统的方法论，结合具体应用、实现真正意义上定性与定量的综合集成。

系统科学与人工智能的相互交叉

开放的复杂原系统与人工智能相结合，建立人－机智能系统。

10、有关工具、平台、软件的研究

11、系统哲学分支

认识的界限问题，复杂性属于本体论还是认识论

12、建立适合所有层次的一般系统的数学理论，对一般系统的层次结构进行统一描述。

13、对一般系统论、耗散结构、协调学等广泛学科成就进行全面总结，发展系统科学理论。







系统工程方法论

§3.1系统工程与传统工程

系统工程的任务

系统工程的任务，一方面是在开发新的系统（如太空飞船系统、地铁系统、新型工程系统……）过程中，解决系统的最优设计、最优管理、最优控制、最优制造等一系列问题，这些问题多属于工程技术系统。

另一方面的任务，是用系统的思想和方法重新评价、预测、分析和规划现有的系统，使其充分挖掘潜力，具有新的功能，或找出改进完善的方向，一般称之为“系统化”。

“硬技术”与“软技术”、“软科学”

·“系统工程”与传统工程，如“机械工程”“化学工程”“电力工程”等是有很大差异的。

·传统工程侧重于对能量、物质进行变换，完成各种“硬件”生产任务称为“硬技术”。

·系统工程侧重于信息聚集、加工、处理和变换，完成各种“软件”生产任务，生产出各种无形产品，如“规划”“设计”、“决策”“制度”、程序“等，因此系统工程称为“软技术”，系统科学称为“软科学”。

·对于一个大型的工作任务或系统来讲，既需要“硬技术”也需要“软技术”。

内容的明确性

·传统工程

目的，约束条件

解决问题的方法一清二楚称“内容明确的问题”

评价方法

·系统工程

目的，约束条件

解决问题的方法不明确称“内容不明确的问题”

评价方法不甚明确

目标层次性

系统工程大目标是抽象的大目标具体化

评价方法是抽象的评价方法具体化



系统目标多方面、多层次的目标分解、层次化

评价方法多方面、多层次的

解决系统工程问题的工具

系统工程涉及到：技术、社会、经济、政治、环境……多领域

所以系统工程问题的理论和方法涉及到多种学科知识·



§3.2系统思想

处理系统工程问题要由系统思想来指导，系统思想表现在：

总体思想

·直接要开发的对象系统――内部系统

围绕该对象系统的各种环境条件和其他因素――外部系统“内部系统”＋“外部系统”＝总体系统

·“外部系统”对“内部系统”在功能、费用、工期、规模等方面提出要求，并在资金投入、原材料、技术、劳动力、环境保护等方面提出约束，或施加一定干扰。

要求＋约束＋干扰对内部系统的“输入”

·“内部系统”对“外部系统”也有要求、影响、干扰内部系统的“输出”

如：资源供应、运输保证、对社会带来的正面影响、负面影响，是否带来技术的提高，国际声誉、能源紧张、环境污染。









·系统工程的总体思想：从系统总体出发，充分考虑“输入”和“输出”的各种因素开发内部系统

3.2.2最优思想

·系统工程的目标和约束往往是多方面、多层次的，且随社会、经济、全球化、技术、市场等多种因素不断变化，所以要追求系统的总体最优，不是局部最优。

·系统工程的主要任务是开发整体（综合）最优系统，包括：

最优设计、最优管理、最优性能、最优控制……

·为达到系统整体最优建立目标体系和评价体系

目标体系和评价体系要注重定量和定性方法相结合。

3.2.3组合思想

·系统是由具有一定功能的要素组合而成

·组合思想即：合理选择要素，既能满足系统目标、又没有不必要的要素

·选择要素的原则：尽可能选已有要素、尽可能选标准化、规格化、通用化的要素。

例：建大厦，要素为砖、水泥、钢筋、木材等

不同水平的建筑师却可以建出不同水平的房子来，原因在于组合思想的水平不同。



分解和协调思想

·大系统一般结构复杂

·复杂的大系统可以分解为结构相对简单的若干子系统，简化处理

例：大工厂分解为分厂，分厂分解为车间，车间分解为工段

·同一级的子系统相互关联，要求相互之间密切配合，协调完成大系统的任务――是为协调

汽车制造厂：

·一般来说，目标分解，功能协调

反馈思想

·反馈的信息用来分析、评价、决策支持

市场调查、民意测验

§3.3系统工程方法

一般来说，解决一个系统工程问题有六个过程：

·问题界定

·目标确定

·方案汇总

·模型建立

·评价决策

·实施管理

问题界定

问题界定即系统工程的需求分析，或明确系统工程问题的性质，划定总是的涉及范围。

问题界定包括：系统边界确定，系统环境分析

一、系统边界

·系统边界就是属于系统的要素和不属于系统的要素之间的分界线，即确定系统边界就是确定什么因素属于系统要素的范围。

例：某企业经济活动作为一个系统，相关的因素有：劳动力、资金、厂房、设备、原材料、用户、合作者、竞争对手……

哪一些因素应划归系统

·确定系统边界（或划归系统）的原则

对所研究的问题或系统具有举足轻重的影响

具有可控制性（由系统的设计或系统运营进行控制调节）

对系统行为产生直接影响

·系统越复杂，归入系统的要素越多



二、系统与环境

·对所研究的系统能产生作用或影响，但不属于系统因素的，划归为环境。

·系统要素具有限的，作为一个有限的存在，都有其外界或环境。

·环境通常是指存在于系统外的物质量、能量的、信息的相关因素的总称。

·系统与环境相互作用，之间通常有物质、能量和信息交换。

·环境对系统产生输入作用，系统反过来对环境产生输出作用。



三、系统环境分析

·系统环境分析即为了解影响系统的环境因素及这些因素与系统之间的关系。

·系统环境分为三大类：

物理技术环境：科技、自然环境……

经济管理环境：组织、政策、政府作用、产品、市场、经营……

社会人际环境：国家、文化、人群、集团、队……

例：上海新港建设（选址）

港址选择涉及：政治、经济、地理、技术、交通、城市设施……

１、政策环境

党和国家总方针国民经济要求改革开放要求

物理技术环境

气候条件（风级、浪高），航道（现状、稳定性、增得可能性）

岸滩河势，回淤（游积量，清淤条件）

地质条件（软土层、岩层）主要港口建筑物（围堰、码头、防波堤）

规模（泊位数、船型）运行与维修（航行、装卸、运行、维修）

经济与经营环境

投资额、建设周期、投资回收期、每年可创利税

对农业、渔业、副业、服务业、航运业、工业、上海市、长江流域，全国经济国际贸易的影响。

对周边城市及地区的规划与发展影响

与全国交通网络的联系

资源环境：是否符合国家能源政策，对上海能源的影响，需投入的能源（煤、油等），电力供应，征用的土地及可能性，淡水供应能力，建材供应，施工能力，副食品供应。

环境保护

废水排放、废气排放，对生态影响，对风景区，名胜古迹影响。

每周内重大工程关系

南水北调三峡工程

军事

与军港建设的关系对社会治安、国家安全的关系



目标确定

·目标是系统期望达到的结果

·目标的确定关系到整个工程的方向、范围、投资、周期、人员分配等决策，目标不正确会延缓系统工程的进行，甚至带来损失。

例：二战时期，美国商船安全问题

有限的高射炮装在陆地上，船上（各建一部分）

目标：高射炮命中率陆：15％船：4％

高船安全率陆：75％船：90％



一、目标分类方法

根据来源分类

第一类与外部环境有关的目标：生产目标、市场目标、发展目标

第二类与内部环境有关的目标：成本目标、效率目标、质量目标

根据设计要求分类

第一类是运行目标：技术目标

第二类是经济目标：总产值、投资回收期

第三类是社会目标：扩大就业率，有利社会安定

第四类是环境目标：防止污染、减少公害

考虑目标的着眼点：

政治、国防、社会、技术、经济、生态、资源



二、确定目标的原则和方法

原则：

·长远性――选择有重大影响的事项为目标

·总体性――着眼于总体效果，不要偏重于局效益

·可行性（可操作性）――所确定的目标应是可以达到或经过努力能够达到的，不能不顾具体条件的限制去制定无法达到的目标。

·单义性――目标含义要清楚，对目标只能有一种理解，含义不能模糊，似是而非。

·具体性――目标必须具体，内涵应清楚。

·标准性――有衡量达到目标及程度的客观明确标准。

·一致性――如有多个,必须综合，协调、统一。

·有序性――如有多个目标，应排出先后，轻重次序

方法

·比较法

·分析法

·随机观察法

·专家法

方案汇总

一、方案

·方案是实现系统目标（集）的办法和方式，也就是说，当系统目标确定后，实现目标的途径、方法、方式和措施的总称。

·当实现系统目标有多种方案时，应进行方案汇总，评价决策，选出最佳方案。

二、制定方案的原则

目的性：方案应服从于目标

可行性：方案应满足客观约束条件

详尽性：方案应是多样的，应把所有备选方案列举出来

排斥性：方案之间应该是相互排斥的，不允许某一方案包含在另一方案之中。

可比性：方案之间应是可以比较的，并有明确的比较指标。

三、制定方案的方法

系统的类型多种多样，系统的功能多种多样

系统的目标多种多样，所以系统的方案多种多样

常用的制定方案的方法：

目标－手段考察法，形态结构分析法

会议法……

模型建立

一、模型的定义

·系统的模型就是对系统特征的概括和描述

·模型是对系统这一实体的抽象

·系统模型帮助人们对系统加深理解，进行评价、决策

二、模型的分类

形象模型

·实体模型――系统本身

当系统较小、易得、廉价、安全时，可以把系统本身作为模型直接加以研究

例：自行车性能实验，直接用自行车进行实验

·比例模型――对系统按一定比例放大或缩小后得出的实体

例：飞机模型、船模、战争沙盘、试验田，教学中的分子模型各种照片

模拟模型

利用相似性原理，找出另一种具有相同或相似特征的系统作为所研究系统的模型。

例如：机械学上的质量――阻尼――弹簧系统可用

电路上的电阻――电感――电容系统作为模型

数学模型

用数学原理或方法描述系统要素或变量之间相互作用和因果关系的模型称为数学模型。

按所采用的数学方法不同，分为

·解析模型：用解析的数学公式表示

较难

有些问题数学关系十分复杂，无法确知

·网络模型：用网络图的形式来描述系统要素及其关系模型目录树结构

·图表模型：用图形或表格形式来描述系统

例：某企业产值模型





年 1997 1998 1999 2000 万元 1000 1900 2400 5000

·逻辑模型：用逻辑关系表达的模型

A=~B

·仿真模型：无法用精确的数学表达式给出，只能模仿实际情况一步工地进行计算和分析的模型。

例：洲际导弹飞行过程中遇到气流变化时其飞行姿态的适应性。



三、模型的作用

便于了解系统的整体结构

便于研究系统的特征

便于预测未来趋势

便于对方案进行评价

用安全、节省、快速的方法得到系统的特征性结论



四、建立系统模型的方法

直接分析法

利用自然科学或社会科学的已知规律直接分析系统要素间的结构关系。

数据分析法

利用反映系统功能或特征的某些数据，经过分析后揭示系统要素间的未知结构关系，再进一步建立系统模型。

例：数理统计中的回归分析方法

比拟思考法

寻找与所研究系统有本质共性的另一系统,把后者作为模型的方法称比拟思考法。

例：前述的机械系统质量－阻尼－弹簧和电系统电阻－电感－电容



评价决策

一、评价

评价是对各方案实现系统目标的优劣程度的判定，评价是一项技术性工作，由与系统有关的各学科、各方面的专家来完成，评价是决策的前提和依据。

二、决策

决策是根据评价结果从众多方案中选出一种最佳的方案。

决策是由领导者完成的，决策是评价的目的。

三、评价的前提

评价的前提是目标分析，尤其是指标的数量化、统一化、有序化、一致化，例如：

·对没有明确的数量表示的指标，如美观度、舒适度、方便度等给出数量表示；

·对不统一量纲的指标给予量纲统一；

·对不同重要程度的指标，例如安全、省油……各定各自的权重。

四、评价的方法

对于能够用精确的数学表达式表达优劣的指标到直接评价。

对于无法直接表述的数量化指标可采用专家经验打分法等方法，如体操打分法。



实施管理

本课程不做介绍

·····

§3.4霍尔结构体系

1969年，美国工程师霍尔提出“三维结构”，概括了系统工程的一般过程。他将系统工程的合部过程按性质分为三个维：时间维、逻辑维和知识维，并按时间维划分为前后紧密相联的七个步骤，逻辑维划分为相互联系的六个阶段，在知识维上考虑为完成这些阶段和步骤的工作所需的各种专业管理知识。





一、时间维

时间维表示从规划到更新，按时间顺序排列的系统工程全过程共六个阶段：

规划阶段

调查研究明确目标提出设计思想初步方案制定系统工程活动的方针、政策、规划

方案阶段



研制阶段



生产阶段

生产计划生产各类部件形成整个系统

运行阶段

系统安装调试投运按预定目标运行

更新阶段

系统评价改进、更新系统系统更有效工作进入下个研制周期



二、逻辑维

明确问题

尽可能全面地收集资料、了解问题，包括实地考察、测量、调研、需求分析、市场预测。

选择目标

对所解决的问题，提出应达到的目标，制定衡量是否达标的准则。

系统综合

综合达到预期目标的方案，并对每一种方案进行必要说明。

系统分析

应用系统工程方法技术，将各种方案系统地进行比较、分析，建立数学模型、仿真、优化、理论计算。

方案优化

对各种结果进行评价，找出最佳方案

作出决策

确定最佳方案

付诸实施

方案执行，完成各阶段管理工作。



三、知识维

在逻辑维中各个步骤所需要的各种专业知识和管理知识，如：科学学、工程技术、经济学、法律、数学、管理学、环境科学、计算机技术等……



四、霍尔矩阵

运用系统工程原理，把六个时间阶段和七个逻辑步骤结合起来形成霍尔矩阵









1

明确

问题 2

选择

目标 3

系统

综合 4

系统

分析 5

方案

优化 6

作出

决策 7

付诸

实施 1、规划阶段 a11 a12 a13 a14 a15 a16 a17 2、方案阶段 a21 a22 a23 a24 a25 a26 a27 3、研制阶段 a31 a32 a33 a34 a35 a36 a37 4、生产阶段 a41 a42 a43 a44 a45 a46 a47 5、运行阶段 a51 a52 a53 a54 a55 a56 a57 6、更新阶段 a61 a62 a63 a64 a65 a66 a67

·矩阵中的每一个元素aij(i=1…6,j=1…7)代表时间维的某阶段和逻辑维的某一步聚所对立的一项具体活动。

·矩阵中各项活动相互影响，紧密相关，要从整体上达到最优效果，必须使各阶段、步骤反复进行。

·系统工程过程的每一阶段都有自己的管理内容和管理目标，每一步骤都有自己的管理手段和管理方法，彼此相互联系，再加上具体的管理对象，组成一个有机整体。

·把以上系统工程方法用于大型工程项目，尤其是搜索性强、技术复杂、投资大、周期长的大型研究项目，可以减少决策上的失误和计划实施过程中的困难。



§3.5切克兰德的“调查学习”模式

一、良性结构系统和不良性结构系统

·良性结构系统：偏重工程

机理明显

明确的数学模型描述

定量方法计算系统行为，最佳结果

·解决良性结构系统的方法称“硬方法”，霍尔方法主要适用于良性结构系统

·不良性结构系统：偏重于社会

机理不清楚

相当程度的人的判段和直觉

很难用数学模型描述

只能用半定量、半定性或只能用定性方法

·解决不良性结构系统的方法称为“软方法”。“软方法”解决问题时不像硬方法可以求出最佳的定量结果，只能得到满意解，并且有些结果因人、因时、因地而异，切克兰得的“调查学习”方法适用于不良性结构系统。



二、“调查学习”方法的本质

不是寻求“最优化”，而是“调查、比较”，或者“学习”，从模型和现状的比较中，学习改善现存系统的途径，有很强的反馈调节思想。

流程：

问题现状说明

弄清关联因素

建立概念模型



比







较



实







施

改善观念模型

























三、说明

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进行说明

弄清关联因素

初步弄清、改善与现状有关的各种因素及相互关系。

建立概念模型

在不能建立精确数学模型的情况下，用结构模型或语言模型来描述系统的现状。

改善观念模型

随着分析的深入和“学习”的加深，进一步用更合适的方法或模型改善上述模型。

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方案或途径。

实施

实施提出的改革方案。



系统工程的应用范例

范例1、现代企业经营战略研究

一、什么是企业经营战略

企业经营战略是指为了实现企业长期的、全局的经营目标，有效地组织利用企业内部和外部各种资源和力量，使之适应外部环境条件，指导整个企业经营活动的总谋略和总方针。

企业经营战略的工作内容

制订企业经营战略，要求企业在把握环境变化趋势和对自身各种能力进行充分分析的基础上，确定正确的经营战略思想，进行科学的战略决策，确立企业发展的指导方针、经营目标、产品结构、市场方向等，实现企业环境、企业能力与经营目标的动态平衡与统一，达到预期的经营效益。

企业经营战略的基本要素

产品结构与市场规模

业务活动范围：研制开发、生产制造、流通销售、修理服务。

企业经营资源，即企业自身各种能力的综合：技术储备、资金周转、设能水平、销售服务网络。

四、企业经营战略的基本要素

日本汽车打入美国和欧洲市场

70年代初，日本预见到能源危机，生产节能型汽车

80年代初，世界能源危机，日本车一举打入

美国、欧车商缺乏战略研究，耗油大的豪华车立遭灭顶。

钟表、端士为钟表王国



企业经营战略的步骤

明确企业的发展目标、定位

对过去战略的总结

企业经营现状分析

企业经营的未来预测

市场战略态势的确定

综合形成新的企业经营战略

进行战略评价

进行战略实施

六、企业经营战备的制定

企业环境分析



目标：进行企业环境因素分析

利用有利因素

避免不利因素

定义：企业环境是与企业经营活动有关的外部因素的总和



·主体环境因素：与企业的经营活动有利害关系的个人和集团组成，股东，顾客，竞争对手，金融机构，管理部门……

·一般环境因素：由社会的政治因素、经济因素、文化因素和科学技术因素等构成。如国家的各项方针、政策、法律、法规，国民经济发展规划、经济增长速度、产品政策、文化普及程度、教育水平、消费水平、消费心理、国际和平状况等……

·地域环境因素：某些特定的心理位置造成的原因，气候、交通条件、运输造价、进出口政策……



进行环境分析时：

针对特定企业确定特定的环境内容分析各种环境因素的因果关系预测环境的变化趋势对环境分析结果归纳总结企业经营战略决策支持





2、企业能力分析

·企业能力结构





经营政策



综合活动能力经营战略



经营组织



经营计划



公共关系

经营评价

研究开发

直接活动能力

市场营销



产品制造







人区劳务管理

间接活动能力

资金财务管理



行政总务管理





·企业能力分析体系

对上述各图中的各种能力分别进行分析，最后综合而成完整的企业能力分析体系

研发能力分析

生产能力分析

销售能力分析

市场宣传能力分析

资金能力分析

计划能力分析

………



·企业能力评价

评价项目

经营集团因素 组织因素 产品战略因素 经营基础因素 总经理社会地位

总经理专业特长

最高决策机构

最高决策机构成员的

业务分工及专长

经营会议的开会频率

高层次决策方法

经营目标

长期计划

经营多角化

海外战略

预测体系 组织的动态化

战略研究机构

战略研究机构的人员

构成

新产品设想论证的组织

合理化研究

成本管理

部门核算制度

作业标准化

投资论证

人员能力开发制度

职工凝聚力

企业文化环境

教育训练机制

工资水路

调动职工积极性的措施

职工素质

职务人事制度

奖惩制度 主产品特性

主产品优势

新产品比率

产品的生命周期

产品价格体系

质量管理体系

主产品的技术创新性

国内外同类产品比照

研究费比例

技术人员比例

研究开发基准目标

新产品开发体制

技术装备的先进性

设备开工状况

产品的质量检验 厂址选择

生产形态

外协依存状况

销售渠道

系列关系

股东构成

银行信用

筹资渠道

财务报表体系

企业环境

劳资协议制度 3、企业业绩分析

企业在环境分析和能力分析的基础上进行业绩分析。

即：企业现有能力不变的状态下，预测在末来变化的经营环境中所能取得的成果。

企业业绩分析程序

设定时人











企业对环境变化的适应能力，把握机遇，认清潜在危机

4、企业经营战略的研究

确定战略目标

实现战略目标的途径

运行保证体制



七、市场战略制定

占领市场、拓展市场、稳固市场的策略

市场战略的组成

·市场划分：国际市场、城市市场、农村市场、老年人市场、青年人市场、儿童市场、高收入市场、低收入市场、中收入市场，……

·市场定位：企业如何选择目标市场，把本企业产品投放到那些市场中去的问题。

·市场经营组合：从市场需要出发，对产品设计、制造、包装、定价、销售渠道、广告宣传、信息反馈、售后服务等一系列活动作出决策以达到企业预期目标。

·进入市场：打入市场的时机、时间、地点。

市场战略的类型

·扩张战略与收缩战略

潜在需求市场扩张

市场收缩

·成长战略、维持战略、撤退战略

企业逐步增长

保持良好的经营水平

市场作有序撤出，避免动荡与积压

·市场渗透战略、市场发展战略、多角化战略

逐步渗透，扩张市场

市场发展，产品发展

多角化发展

市场战略环境

·间接环境（客观环境）

企业在实施市场战略时，无法直接加以控制的因素

人口、经济、天然资源、技术水平、政治、社会文化、气候

·直接环境（主观环境）

企业在实施市场战略时，能直接进行控制的因素

顾客、批发商、代理商、经纪人、服务商、供给产业、竞争企业

市场研究

·市场调查

运用科学方法系统地收集、整理和分析市场购买力、购买对象、顾客习惯、顾客行为、用户反馈意见等市场情况的资料，弄清市场的现行状况和未来潜势，摸清用户需要及意见，了解竞争对手的产品及市场情况，为企业决策提供依据。

市场调查内容：

√市场需求调查

√用户群调查与购买力调查

√产品调查：品种、规格、型号、质量、外观、维修、服务、技术……

√销售调查：销售渠道、经销商、代理商、产品储运成本、产品运输路线……

√广告调查

·市场预测

长期预测（3－5年）

中期预测（1－3年）

短期预测（1年以内）

市场预测步骤：

确定预测目标和预测内容



制定预测计划



收集分析历史数据



选择预测方法



建立预测模型



进行预测



对预测结果评价



预测修正



范例二：洞庭湖治理问题

洞庭湖形势图

将洞庭湖、长江、周边区域、周边水系视为一个系统

系统存在的问题

洞庭湖由盛至衰的演变

森林植被破坏严重，森林覆盖率不断减少。

长江、湘江、资、源、澧带入洞庭湖泥沙大量增加。

洞庭湖地理环境值易于沉积泥沙。

河床、湖底不断提高。

围垦造田。

寻至：

洞庭湖对长江调蓄洪水能力大大减弱。

泄洪能力大大减弱。

荆江北岸、江汉平原的安全受到威协。

对工农业生产和人民生命、财产造成更大损失。



系统的研究目标（治理目标）

总目标：从整体上研究、比较各种工程和非工程措施，延长湖泊寿命，增强调蓄功能，减少洪水危害。

具体内容：

研究在四水源，长江上游植树造林和种草，提高森林覆盖率，减少水土流失，延长湖泊寿命的作用。

研究在四水源上游处设调控水库削减、减轻洪水压力的作用。

研究在松滋口建闸，控制入湖流量，对减少泥沙淤积的作用，以及在四水源洪峰时关闭闸门或调节闸门大小对减轻洪水压力的作用。

研究在域陵矶至毛螺山疏挖泥沙，提高出湖泄量，对降低湖床，提高可蓄容积、消减洪峰滞留时间，减轻洪水危害的作用。

研究加高，加固堤坝，用挖泥船疏挖泥沙，填塘围基，提高标准化大堤比例对减轻洪水危害和减少灾害损失的作用。

综合研究各种工程和非工程措施，对于延长湖泊寿命，提高湖泊调蓄能力，削减洪水水位，减轻洪水压力，减少灾害损失的综合作用。

方案评价指标：

泥沙淤积量，调蓄容积，最高洪水位，灾害损失等。



系统分析结果

系统结构分析

防洪指导思想：以泄为主，调蓄兼顾。

疏挖泥沙

扩展洪道保证泄洪道畅通

拆除阻水障碍物洪水及时排出湖外



加高加固堤坝

提高标准大堤比例提高抗洪能力

投石护坡



建设控制性水库削减洪峰，减少入湖泥沙

洞庭湖治理战略

在四水系上游植树造林和种草，提高森林覆盖率，进行水土保持减少入湖泥沙。

分析预测结果：

治理后泥沙淤积总量比冶理前减少量

23.878亿吨2.264亿吨

长江上游植树造林和种草，提高森林覆盖率，减少长江来沙量，分析预测结果

治理后泥沙淤积总量比冶理前减少量

19.311亿吨6.831亿吨

松滋口建闸，控制泥沙入湖量

分析预测结果

治理后泥沙淤积总量比治理前减少量

21.098亿吨5.044亿吨

增加挖沙船，并采取洲上烧砖、控湖控田、取肥于湖等。

冶理后泥沙淤积总量比冶理前减少量

22.685亿吨3.457亿吨

结论：长江上游植树造林、种草对治沙效果最好，其次是松滋口建闸。

但植树造林的见效周期较长，因此松滋口建闸和增加挖沙船作为短期快建方案，植树造林作为长期根治方案，采取两相结合的综合措施，既兼顾了短期目标，又考虑了长远目标，效果非常明显。

四水源上游修建江垭、皂市水库，源水上游修建五加溪水库，削减洪峰，减轻灾情。

修筑防洪堤坝，提高标准大堤比例，减轻灾害损失。

城陵矶到毛螺山段疏挖泥沙，提高出湖泄量。

以上 多种治理措施，进行以后的仿真研究结果和不采取任何冶理措施的仿真结果相比：

泥沙淤积总量减少14.302亿吨。

调蓄容积增加9.5亿立方米。

灾害损失量平均减少5.3381亿元。

最高洪水水位降低1.944m，2.282m,3.011m。



范例三：美军F－10B型轰炸机载武器选型



需求问题

美军为适应现代战争需要，决定为8个中队（共192架）的F－10B型轰炸机增加武装，提高轰炸威力。



备选方案

方案一：空对地导弹

飞机需增加发射架及控制装置，每架飞机为此需增加30万美元，每枚导弹10年总成本为7000美元。

方案二：500磅炸弹

飞机需增加一个炸弹架，每架飞机为此需增加2.5万美元，炸弹已有大量库存，每枚炸弹10年总成本100美元。

空军主张方案二，造价低。

陆军希望方案一，威力大，给地面部队强有力支援。

为此，需分析并决策。



原始资料

计量资料

摧毁目标的期望程度为90％。

为摧毁一个目标需2枚导弹或6枚炸弹。

武器命中概率为：导弹70％，炸弹32％。

每架飞机每次升空飞机时间2小时。

导弹每枚购置费6500美元，10年存贮成本500美元。

炸弹购置成本不计，每枚10年存贮成本100美元。

F－10B飞机资料

每架成本240万美元，加装导弹发射系统后270万美元，加装炸弹架后242.5万美元。

攻击速度600~1200km/h。

对地面支援作战时，飞机被击中概率每飞行小时1％。

每一飞行小时的飞行成本为800美元。

武器装载量：导弹6枚，炸弹10枚。

其它资料（略）

定量分析

目标：用经济有效的方法摧毁目标

摧毁一个目标的武器成本C0

C0＝摧毁一个目标的武器数量×每枚武器的费用

导弹：C0＝2×（6500＋500）＝14000美元

炸弹：C0＝6×（0＋100）＝600美元

摧毁一个目标的投射成本Cd

Cd＝摧毁目标所需量／每一架次的携带量×每一架次的平均飞行时间×每一飞行小时成本

导弹：Cd＝2／6×2×800＝533美元

炸弹：Cd＝6／10×2×800＝960美元

摧毁每一目标的损耗成本Cd

Ca=飞行小时／摧毁目标个数×飞机损耗率×每架飞机成本

导弹：Ca＝2／（6／2）×0.01×2700000＝18000美元

炸弹：Ca＝2／（10／6）×0.01×2425000＝29100美元

摧毁每一目标总成本Tc

Tc＝Co＋Cd＋Ca

导弹：Tc＝14000＋533＋18000＝32533美元

炸弹：Tc＝600＋960＋29100＝30660美元

评价

单从成本考虑，每摧毁一个目标，导弹成本高出1873美元。

使用导弹，其精确度高，可减少陆军伤亡。

使用导弹，飞机摧毁目标多：

以飞机完好率80％计，每天飞机一架次，则8个中队3天内可摧毁目标数：

导弹：192×80％×3×3＝1382个

炸弹：192×80％×1.7×3＝783个

之比为56.6%

使用导弹后，飞行高度提高，防空武器的火力命中率低，被击落概率降低。

因此，每摧毁一个目标，使用导弹虽较炸弹成本高出1873美元，但有三个优点：

减少地面部队伤亡；

增加摧毁目标潜力；

降低飞机损失。

决策：

安装导弹



范例四区域人口与经济协调发展规划

问题描述

某县，地处汉中盆地西部，北结秦岭，南临巴山，中部为汉江流域平原。

总面积：2398.7平方公里

1982年人口：39.33万

其中农业人口占86％，劳动适龄人口占总人口59％，劳动力资源充沛。

山地占全县总面积46.8%，丘陵地占31.8%，平川占21.4％。

气候：温和，雨量适中，适应南方、北方多种经济作物生长。

矿藏：缺乏

问题：按目前（1985年）人口、经济结构，到2000年很难达到产值翻两番。



系统构成与分析



人口、经济实体＋环境资源→系统分析所需的原始数据评价体系→模型运行的评价准则

原始数据＋评价结果→

多目标优化人口与经济协调发展模型

人口发展预测

经济分析结果







进行决策















人口目标确定及人口预测

百年以后人口数量目标：25万~35万人，即每年出生人数保持在3500~5000人。

到2000年：

人口数量目标：保持在45~46万人

平均期望寿命：男67.83岁，比目前提高约5岁。

女69.59岁，比目前提高约5岁。



经济结构分析

目前工农业生产总值中，农业占70.82%，其中种植业占78.92%，而粮食生产又占种值业的66.13%。



→粮食生产比例过高→全部经济收入显著不足→→→→→→→



农业发展战略目标

农业发展战略的多目标决策模型























→4个方面14个发展准则来衡量8个部门的发展水平

→多目标决策

















































农业结构平衡优化决策模型（线性规划）

8个部门预测2000年产值有限资源下协调发展

总产值最大



目标：max∑WiXI(1)

约束（投入产出约束，资源能力约束）

(2)



(3)



(4)



Rij’≤CijXj≤Rij”i=1,2……5，j=1……8（5）



式中：Xi――各部门2000年产值；

Wi――各部门发展权重；

式（2）为8个部门的投入产出关系方程

A――投入产出等数短阵

aij――第j个部门生产单位产值的需第I个部门的投入

yI――国民经济对各部门的最低要求。

式（3）为资源制约方程，考虑了土地、劳动力、能源、资金和科学技术共5大因素。

bi――资源最大供应量

cij――第j个部门每生产单位产值所需能耗的第j种资源量。

式（4）表示各部门的产值发展限制

式（5）表示每个部门对各种资源可占用量的限制。



范例五城市公共交通系统工程

城市公共交通系统工程研究与实施的重要性。

城市公共交通是现代城市生活的主动脉、生命线

是衡量城市经济发达程度、科技水平、都市规划、城市建设、精神文明重要标志

我国大中城市交通拥挤、市民“乘车难”

公共交通的有效性、经济性、安全性、可靠性，直接影响整个城市工作效率、经济效益、人民生活、社会安定。

城市公共交通发展受到的制约因素

城市结构、经济发展水平、环境保护、文物古迹保护、文化教育、生活条件、传统习俗。

公共交通系统与社会经济大系统中其他子系统的关系。





占据一个核心地位

城市公共交通系统工程的三大要素



人、车、路

城市公共交通系统的主要特点与研究方法

主要特点：

多变量

有多个输入影响系统的状态，系统对环境的输出影响也是多方面的。

多目标

社会经济系统的目标是多重的，各目标之间还会出现矛盾,要保持系统持续稳定地发展，就要兼顾所有目标，不能顾此失彼。

多功能

大系统由若干子系统构成，每个子系统各有功能，这些功能交错重迭，相辅相成，体现了整体中的多功能性。

多属性

大系统属多重反馈系统，具有多级递阶结构，各级之间经存在多个信息通道，它的子系统有着分散的，不完全一致的信息结构。这种信息结构的差异性决定着大系统知识上的多学科性。

多措施

大系统的控制一般是在“折衷”意义下的最优，采取的手段经要权衡利弊，这意味着要同时采用多种措施。

公共交通系统工程的研究，要做到“长短结合”（长期规划与短期措施相结合），“软硬兼施”（软科学与硬技术相结合）。



长沙市公共交通系统工程

“乘车难”曾经是长沙市“六大难题”之一，为解决这问题，在湖南省科委的领导下，组织了在长沙市的高等院校、科研机构、公共交通营运单位和省科协、省系统工程学会等五十多位专家和科技人员参加，成立了“长沙市公共交通系统工程优化总指挥部”，从1983年开始进行研究并实施。

指导思想

运用控制论、信息论、运筹学、大系统理论、数理统计等现代科学方法，强调从省情和市情出发，理论与实践相结合。

以计算机为重要手段

自然科学、社会科学与系统科学相结合

软科学与硬技术相结合

定性分析与定量分析相结合

“智力”与“权力”相结合

近期目标与长远规划相结合

基本观点：

整体综合的观点

相互联系的观点

动态的观点

优化的观点

信息的观点

价值的观点

目标与任务

总目标：为乘客提供安全、方便、迅速、准点、舒适的乘车条件，最大限度地发挥现有公共交通设施的营运能力，节约全社会的总乘车出行时间。

近期目标：现有条件和状况下改善公交系统的服务

中期目标：达到公交系统本身的局部优化，引入计算机，做到离线动态调度优化。

远期目标：全面利用现代计算机手段，建立全市或主要线路传感器网、分布网终端机，自动交通控制信息、自动交通优化管理。

整个工程分三期：第一期83．元－84．元

第二期84．元－85．9

第三期85．10－90．

长沙市公共交通系统工程的工作范围

系统改造

城市规划

交通政策

交通管理

长沙市公交系统工程的评价体系



实施过程



分四个步骤：

现状调查与分析

把长沙市多个较小的单元（如区域、小区、地带、地段……）共41个

↓

研究小单元中人流、物流、车流的结构、分布、生成、运动规律

↓

进行“居民出门调查”

↓

搜集资料：现有出行方式的资料

现有交通设施的资料

各种相关因素资料

↓

长沙市公共交通工程原始资料集



未来状态的预测、分析和综合

构建各类数学模型

↓

进行预测： √经济发展预测

√城市发展总体规划

√人口、能源和环境预测

√教育、文化、、、、





模型体系































扰动



设定



校正



控制



总任务



第一层



第二层



第三层



被控大系统



直接控制层



优化层



决策层



总任务



局部决策单元



输出



输入



……



……



子系统

n



子系统

2



子系统

1



局部决策单元



局部决策单元



协调级



………



输出



输入



……



子系统

n



子系统

2



子系统

1



局部控制器n



局部控制器2



局部控

制器1



分解



拉格朗日乘子法

法



模型协调计算



决策



解的评价



最优化



模型建立



提出问题



单件定额



资源



产品



G



S



|第一阶段||第二阶段||第三阶段||第四阶段|



C2



B2



A2



C2



B2



A2



G



C1



B1



A1



G



C2



C1



B2



2



1



B1



3



C2



4



G



C1



4



4



5



0



3



0



3



5



8



4



4







0



3



4



5



4



S



0



3



4



5



8



4



S1



S2



Sn



输出



外部系统



输入



内部系统







产值



付诸实施



作出决策



方案优化



系统分析



系统综合



选择目标



明确问题



更新阶段



运行阶段



生产阶段



研制阶段



方案阶段



规划阶段（方法步骤）



时间维



逻辑维



知识维（科学技术）



环境科学

社会科学

工程技术

计算机科学

管理科学

经济

法律

·



影响



输入数据



选择变量



系统划分



设定目标



建立模型



预测末来



模型运算



评价体系



经济分析模型



人口模型



人口经济实体



决策模型



环绕资源



数据收集



经济优化模型



逐年投资量

投资方向

产出

消费

积累

人口增长





农业→乡镇企业

粮食种植→二次加工，森林资源开发





农业划分为7大部门林业

林产品加工

粮食生产

养殖业

渔业

农产品乡镇企业

果园业

经济作物



果园



乡镇企业



渔业



养殖业



粮食生产



经济作物



林产品加工



林业



自然资源利用



农业发展战略



经济评价



劳动力资源占用



现有结构影响



结构变化时滞



传统习惯



投资



能源消耗



耕地占用



科学技术



劳动力资源



水域



丘陵



平川



山区



环境保护



经济效益



经济结构平衡



消费



科学技术



其他部门



环境



流通



城市公共

交通



人口



生产



精神文明



文化教育



能源



地铁

自行车

拖拉机

摩托车

货车

出租车

公交电车



车



支道

次干道

主干道

快速干道



其他人员

行人

乘客

管理人员

维修人员

乘客

驾驶员



路



人



城市公共交通系统



评价指标系统



文明性指标



社会心理



技术水平



设施质量



群众反映



文明社貌



服务态度



安全性指标



环境污染指标



行车事故率



营运事故率



交通事故率



经济性指标



客运总量



节日客流量



社会经济总效益指标



公司成本指标



社会主义能指标



运营费用指标



能源消耗指标



有效性指标



舒适性指标



方便性指标



快速性指标



乘客密度



留乘率



中转率



出行在途时间



等待时间



平均乘车时间



编辑部



工程技术组



模型计算组



系统分析组



调查统计组



办公室



综合协调组



市交通大队



市交系统工程优化总指挥部



市公汽公司



市科委



省科委



省系统工程学会



市城建局



市建委



市政府



省科协



城市公交系统仿真模型



路口信号灯控制模型



线路网络微波调度模型



交通量检测模型



管理信息系统模型



系统控制模型



系统评价模型



弹性系统模型



统计学模型



卡尔曼滤波模型



GPS3模拟调度模型



线路车辆调度模型



线路网络优化模型



事故分析模型



最小方差预报决策模型



系统环境模型



过程系统模型



系统调查模型



组织网络模型



系统结构模型



系统投资对策模型



系统预测模型



系统分析模型



系统状况模型



目标集模型



系统概念开发模型



长沙市公共交通优化总体模型