系统工程第4版 教学PPT 作者 汪应洛 西安交通大学 主编 第3章　系统模型与模型化1教材课程.ppt

经济管理学院1第三章第三章系统模型与模型化系统模型与模型化系统工程系统工程课程建设团队课程建设团队20092009年年1111月月2 2第三章第三章 系统模型与模型化系统模型与模型化第一节：概述第一节：概述第二节：系统结构模型化技术第二节：系统结构模型化技术第三节：系统工程模型技术的新进展第三节：系统工程模型技术的新进展3 3第一节第一节 概述概述一、模型及模型化的定义一、模型及模型化的定义 模型有三个特征：模型有三个特征： 1.1.它是现实世界部分的抽象或模仿；它是现实世界部分的抽象或模仿； 2.2.它是由那些与分析的问题有关的因素构成；它是由那些与分析的问题有关的因素构成； 3.3.它表明了有关因素间的相互关系；它表明了有关因素间的相互关系； 模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法式（数学、图像等）表达系统实体的方法5 5实验实验、分析分析实际系统实际系统结论结论模型模型现实意义现实意义模型化模型化解释解释比较比较图图 系统模型（化）的作用与地位系统模型（化）的作用与地位第一节第一节 概述概述6 6三、模型的分类三、模型的分类模型模型类比仿真仿真形象形象符号符号概念概念图像图像物理物理数学数学图示图示字句字句描述描述思维思维图图 模型分类模型分类第一节第一节 概述概述7 7四、构造模型的一般原则四、构造模型的一般原则 1.1.建立方框图建立方框图 2.2.考虑信息相关性考虑信息相关性 3.3.考虑准确性考虑准确性 4.4.考虑结集性考虑结集性五、建模的基本步骤五、建模的基本步骤 明确建模的目的和要求明确建模的目的和要求 以便使模型满足以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差；实际要求，不致产生太大偏差； 对系统进行一般语言描述对系统进行一般语言描述 因为系统的语言因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础；描述是进一步确定模型结构的基础；第一节第一节 概述概述8 8五、建模的基本步骤五、建模的基本步骤弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系）系和函数关系） 以便使模型准确表示现实系统；以便使模型准确表示现实系统；确定模型的结构确定模型的结构 这一步决定了模型定量方面的内容；这一步决定了模型定量方面的内容；估计模型的参数估计模型的参数 用数量来表示系统中的因果关系；用数量来表示系统中的因果关系；实验研究实验研究 对模型进行实验研究，进行真实性检验，以对模型进行实验研究，进行真实性检验，以检验模型与实际系统的符合性；检验模型与实际系统的符合性；必要修改必要修改 根据实验结果，对模型作必要的修改。

根据实验结果，对模型作必要的修改 第一节第一节 概述概述9 9六、模型化的基本方法六、模型化的基本方法 1.1.分析方法；分析方法； 2.2.实验方法；实验方法； 3.3.综合法；综合法； 4.4.老手法；老手法； 5.5.辩证法；辩证法；七、模型的简化七、模型的简化 减少变量，减去次要变量；减少变量，减去次要变量； 改变变量性质；改变变量性质； 合并变量（集结）；合并变量（集结）； 改变函数关系；改变函数关系； 改变约束条件；改变约束条件；第一节第一节 概述概述1010一、系统结构模型化基础一、系统结构模型化基础 结构分析的概念和意义结构分析的概念和意义 结构结构结构模型结构模型结构模型化结构模型化结构分析结构分析 结构分析是一个实现系统结构模型化并加以结构分析是一个实现系统结构模型化并加以解释的过程解释的过程 结构分析是系统分析的重要内容，是系统优结构分析是系统分析的重要内容，是系统优化分析、设计与管理的基础化分析、设计与管理的基础第二节第二节 系统结构模型化技术系统结构模型化技术1111 理解系统结构的概念理解系统结构的概念 （构成系统诸要素间的关联方式或关系）及其（构成系统诸要素间的关联方式或关系）及其有向图（节点与有向弧）和矩阵（可达矩阵等）有向图（节点与有向弧）和矩阵（可达矩阵等）这两种常用的表达方式。

这两种常用的表达方式 比较有代表性的系统结构分析方法有：比较有代表性的系统结构分析方法有： 关联树（如问题树、目标树、决策树）法、解关联树（如问题树、目标树、决策树）法、解释结构模型化（释结构模型化（ISMISM）方法、系统动力学（）方法、系统动力学（SDSD）结）结构模型化方法等构模型化方法等 二、系统结构表达及分析方法二、系统结构表达及分析方法 第二节第二节 系统结构模型化技术系统结构模型化技术1212三、三、 ISMISM实用化方法原理实用化方法原理 设定问题、形成意识模型找出影响要素要素关系分析（关系图）建立可达矩阵(M)和缩减矩阵（M/）矩阵层次化处理(ML/)绘制多级递阶有向图建立解释结构模型分析报告比较/F 学习第二节第二节 系统结构模型化技术系统结构模型化技术1313四、小结该方法的核心该方法的核心是对系统要素间的关系（尤其是因果是对系统要素间的关系（尤其是因果关系）进行层次化处理，最终形成具有多级递阶关关系）进行层次化处理，最终形成具有多级递阶关系和解释功能的结构模型（图）系和解释功能的结构模型（图） 第第1 1步：步： 找出影响系统问题的主要因素，通过方格图判找出影响系统问题的主要因素，通过方格图判断要素间的直接（相邻）影响关系；断要素间的直接（相邻）影响关系； 第第2 2步：步： 考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间关系的可达矩阵（该类矩阵属反映逻辑关系的布尔矩阵）关系的可达矩阵（该类矩阵属反映逻辑关系的布尔矩阵）； 第第3 3步：步： 考虑要素间可能存在的强连接（相互影响）关考虑要素间可能存在的强连接（相互影响）关系，仅保留其中的代表要素，形成可达矩阵的缩减矩阵；系，仅保留其中的代表要素，形成可达矩阵的缩减矩阵；1414 第第4 4步：步： 缩减矩阵的层次化处理，分为两步：缩减矩阵的层次化处理，分为两步：（1 1）按照矩）按照矩阵每一行阵每一行“ “1 1” ”的个数的少与多，从前到后重新排列矩阵，此矩的个数的少与多，从前到后重新排列矩阵，此矩阵应为严格的下三角矩阵；（阵应为严格的下三角矩阵；（2 2）从矩阵的左上到右下依次找）从矩阵的左上到右下依次找出最大单位矩阵，逐步形成不同层次的要素集合。

出最大单位矩阵，逐步形成不同层次的要素集合 第第5 5步：步：作出多级递阶有向图作图过程为：作出多级递阶有向图作图过程为： （1 1）按照每个最大单位子矩阵框定的要素，将各要素按）按照每个最大单位子矩阵框定的要素，将各要素按层次分布；层次分布； （2 2）将第）将第3 3步被缩减掉的要素随其代表要素同级补入，并步被缩减掉的要素随其代表要素同级补入，并标明其间的相互作用关系；标明其间的相互作用关系； （3 3）用从下到上的有向弧来显示逐级要素间的关系；）用从下到上的有向弧来显示逐级要素间的关系； （4 4）补充必要的越级关系补充必要的越级关系 第第6 6步：步：经直接转换，建立解释结构模型经直接转换，建立解释结构模型 ISMISM方法的特色和局限性方法的特色和局限性1515一、系统定量分析模型一、系统定量分析模型状态空间模型： 研究动态系统的行为，有两种既有联系也有区别的方法：输入输出法和状态变量法输入输出法又称端部法，它只研究系统的端部特性，而不研究系统的内部结构系统的特性用传递函数来表示 1616 状态变量法在60年代才得到推广使用它仍然是处理系统的输入和输出间的关系但是在这些关系中，还附加另一组变量，称为状态变量。

在物理系统中，典型的变量有：位置（与势能有关）、速度（与动能有关）、电容上的电压（与它们存储的电能有关）、电感上的电流（与它们存储的磁能有关）、温度（与热能有关）状态变量法可用于线性的或非线性的、时变的或时不变的及多输入、多输出的系统，并且更适合仿真和使用计算机的目的，故得到广泛应用一、系统定量分析模型一、系统定量分析模型1717 随着系统工程理论的发展和应用不断深入，随着系统工程理论的发展和应用不断深入，系统工程所研究的问题越来越多地涉及复杂系系统工程所研究的问题越来越多地涉及复杂系统、非线性系统，传统的模型方法已经不能适统、非线性系统，传统的模型方法已经不能适应这种研究的需要，规划论、应这种研究的需要，规划论、“ “硬硬” ”的优化技术的优化技术已经很难应对这种局面已经很难应对这种局面 随着信息技术和计算机智能化的发展，针对随着信息技术和计算机智能化的发展，针对这种情况，这种情况，ZadehZadeh提出了一种新的方法提出了一种新的方法软计软计算算(soft computing)(soft computing) 第三节第三节 系统工程模型技术的新进展系统工程模型技术的新进展1818软计算不是一个单独的方法论，而是一个软计算不是一个单独的方法论，而是一个方法的集合，在这个集合中的主要成员包括模方法的集合，在这个集合中的主要成员包括模糊逻辑控制糊逻辑控制(fuzzy logic control)(fuzzy logic control)、神经网络、神经网络(neural network)(neural network)、近似推理以及一些具有全、近似推理以及一些具有全局优化性能且通用性强的局优化性能且通用性强的meta-heuristicmeta-heuristic算法算法，如遗传算法，如遗传算法(genetic algorithms, GA)(genetic algorithms, GA)、模、模拟退火算法拟退火算法(simulated annealing, SA)(simulated annealing, SA)、禁忌、禁忌搜索算法搜索算法(taboo search, TS)(taboo search, TS)、蚁路算法、蚁路算法(ant (ant system, AS)system, AS)等。

这些方法的特点是他们更多地等这些方法的特点是他们更多地借鉴了生物原理和人的思维，因此有人也称之借鉴了生物原理和人的思维，因此有人也称之为为“ “拟人拟人” ”方法更适应于解决管理、经济和复方法更适应于解决管理、经济和复杂的工程大系统问题杂的工程大系统问题 第三节第三节 系统工程模型技术的新进展系统工程模型技术的新进展1919蚁群算法 蚁群算法（蚁群算法（Ant Colony Optimization, ACOAnt Colony Optimization, ACO）由）由ColorniColorni，DorigoDorigo和和ManiezzoManiezzo在在19911991年提出，它是通过年提出，它是通过模拟自然界蚂蚁社会的寻找食物的方式而得出的一种仿模拟自然界蚂蚁社会的寻找食物的方式而得出的一种仿生优化算法自然界种蚁群寻找食物时会派出一些蚂蚁生优化算法自然界种蚁群寻找食物时会派出一些蚂蚁分头在四周游荡，如果一只蚂蚁找到食物，它就返回巢分头在四周游荡，如果一只蚂蚁找到食物，它就返回巢中通知同伴并沿途留下中通知同伴并沿途留下“ “信息素信息素” ”（pheromonepheromone） 作为作为蚁群前往食物所在地的标记。

蚁群前往食物所在地的标记 信息素会逐渐挥发，如果信息素会逐渐挥发，如果两只蚂蚁同时找到同一食物，又采取不同路线回到巢中两只蚂蚁同时找到同一食物，又采取不同路线回到巢中，那么比较绕弯的一条路上信息素的气味会比较淡，蚁，那么比较绕弯的一条路上信息素的气味会比较淡，蚁群将倾向于沿另一条更近的路线前往食物所在地群将倾向于沿另一条更近的路线前往食物所在地2020蚁群算法蚁群算法( (续续) ) ACOACO算法设计虚拟的算法设计虚拟的“ “蚂蚁蚂蚁” ”，让它们摸索不同路线，让它们摸索不同路线，并留下会随时间逐渐消失的虚拟，并留下会随时。