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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,Institute of Systems Engineering,HUST,.All Right Reserved,200,6,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第二单元 系统工程的基础理论与方法论,曾伟 博士,华中科技大学,2007,系统最优化理论,线性规划,整数规划,非线性规划,动态规划,多目标规划,控制理论,控制论的创始人是美国的维纳,(1894,1964),，他把控制论定义为：关于在动物和机器中控制和通信的科学。,控制论提炼出的基本概念,诸如目的、行为、通信、信息、输入、输出、反馈、控制以及在这些概念基础上的控制论系统模型，即输入,输出反馈控制模型，具有广泛的普适意义，并且紧密联系着基础理论和应用技术两头。因此，从一定意义上说，半个世纪以来，系统科学的发展在总体上是和控制论的发展紧密相关的。,大系统理论,大系统一般是指规模庞大（维数很高）、结构复杂（多层次、多关联）、目标众多（目标间往往有冲突）、时标各异（同一系统中有多个时标）、位置分散，并常常具有随机性和不确定性的复杂系统。,特征：结构复杂，多为递阶结构和分散结构,大系统理论,递阶结构：,多层递阶结构：按照对系统施加作用的复杂性来分级,把复杂的决策问题纵向分解，按任务的复杂性分成若干子决策层。,大系统理论,多级递阶结构：考虑各子系统的关联性，把决策问题横向分解。,决策单元处在不同级别，只有上下级才能交换信息，同级之间不交换信息，目标之间的冲突通过上一级协调解决。,大系统理论,分散结构,各子系统独立工作，整个系统不存在协调器，个子系统只拥有局部系统，只能通过各自系统之间的信息交换来调整总体目标。,大系统理论,由于大系统本身的复杂性，建立精确模型不仅困难，而且计算复杂，因此，需要对大系统的数学模型进行简化。,集结法：把原系统中众多的状态变量按线性组合成数量较少的新状态变量的方法。简化模型保持原模型的主导特征值，使简化模型的动态特性与原模型无很大差异。,信息论,信息论，是关于系统的信息传递和处理的科学理论，不仅是香农的信息论，还包括电子计算机理论。,香农的信息论提炼出了包括信源、信宿、信道的信号传输的普适模型，定义了信息量，提出了信源编码定理等重要定理，为一般意义上的信息传输奠定了理论基础。,信息论,香农把信息定义为“两次不确定性之差”，即“不确定性的减少”,。,信息的度量就是对不确定性的度量。,信息量,I,是概率,p,的函数,I=f(p),单个可能消息的信息量,多个可能消息的信息量,信息论,信息熵性质：,对称性,非负性,确定性,最大熵原理,系统工程方法论,方法论：,某领域（学科）思考问题、解决问题的基本思想、方法和步骤等。,系统工程方法论的背景：,系统工程的研究对象,复杂大系统,其中包含：,“,硬件,”,因素、,“,软件,”,因素,要求：数学描述、逻辑推理、工程技术规范、人文艺术等等,系统工程方法论的基本特点：,研究方法强调整体性；,技术应用强调综合性；,管理决策强调科学性,系统工程的方法论,霍尔三维结构,以钱学森为代表的从定性到定量综合集成研讨厅体系,1969,年，霍尔发表了,系统工程的三维结构,。在这篇论文中，霍尔提出了系统工程的结构和活动矩阵。,霍尔三维结构,规划阶段,设计阶段,研制阶段,生产阶段,运行阶段,更新阶段,知识维（领域知识）,时间维（时间进程）,明确问题,确定目标,系统综合,系统分析,方案优化,作出决策,付诸实践,环境科学,社会科学,工程技术,管理科学,经济法律等,逻辑维,(,方法步骤,),霍尔三维结构,时间维（时间进程）,对系统工程一般过程的粗结构描述,对一个具体的工程项目，从规划工作开始起一直到系统更新的全过程可分为六阶段,霍尔三维结构,(1),规划阶段：,系统调研；明确目标；设计思想；初步方案；制定方针、政策、规划,(2),设计阶段：,可行性分析（社会、经济、技术等方面）；提出方案；优化方案,(3),研制阶段,：,实现研制方案（围绕总目标，注重人财物的结合）；拟订生产计划,(4),生产阶段：,部件（子系统）的生产、开发、研制；总系统的协调集成等,(5),运行阶段：,安装、调试、运行；完成系统目标,(6),更新阶段：,评价、改进、更新,霍尔三维结构,逻辑维（方法和步骤）,对系统工程过程的细结构描述；是每一个工作阶段例行做的几个工作步骤。,它集中反映了运用系统工程方法进行思考、分析和解决问题时应该遵循的一般程序。,根据系统工程思想，将时间维的每一个阶段展开，都可以划分为,7,个逻辑步骤：,(1),明确问题,(2),确定目标,(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.,明确问题,由于,系统工程,研究的对象复杂，包含自然界和社会经济各个方面，而且研究对象本身的问题有时尚不清楚，如果是半结构性或非结构性问题，也难以用结构模型定量表示。因此，系统开发的最初阶段首先要明确问题的性质，特别是在问题的形成和规划阶段，搞清楚要研究的是什么性质的问题，以便正确地设定问题，否则，以后的许多工作将会劳而无功，造成很大浪费。,国内外学者在,问题的设定,方面提出了许多行之有效的方法：,(1),直观的经验方法。这类方法中，比较知名约,有头脑风暴法,(Brain Storming),，又称智暴法、,5W1H,法,、,KJ,法,等，日本人将这类方法叫做,创造工程法,。这一方法的特点是总结人们的经验，集思广益，通过分散讨论和集中归纳，整理出系统所要解决的问题。,(2),预测法。系统要分析的问题常常与技术发展趋势和外部环境的变化有关，其中有许多末知因素，这些因素可用打分的办法或,主观概率法,来处理。预测法主要有,德尔菲法,、,情景分析法,、,交叉影响法,、,时间序列法,等。,(3),结构模型法。复杂问题可用分解的方法，形成若干相关联的相对简单的子问题，然后用,网络图,方法将问题直观地表示出来。常用的方法有,解释结构模型法,(ISM,法,),、,决策实验室法,(DEMATEL,法,),、,图论法,等。其中，用图论中的关联树来分析目标体系和结构，可以很好地比较各种替代方案，在问题形成、方案选择和评价中是很有用的。,(4),多变量统计分析法。用,统计理论方法,所得到的多变量模型一般是非物理模型，对象也常是非结构的或半结构的。统计分析法中比较常用的有,因子分析法,、,主成份分析法,等，,成组分析,和,正则相关分析,也属此类。此外，还有利用行为科学、社会学、,一般系统理论,和,模糊理论,来分析，或几种方法结合起来分析，使问题明确化。,2.,建立价值体系或评价体系,评价体系要回答以下一些问题：评价指标如何定量化，评价中的主观成分和客观成分如何分离，如何进行综合评价，如何确定价值观问题等。行之有效的价值体系方法有以下几种：,(1),效用理论,。该理论是从公理出发建立的价值理论体系，反映了人的偏好，建立了效用理论和效用函数，并发展为多属性和多隶属度效用函数。,(2),费用,/,效益分析法,。多用于经济系统评价，如投资效果评价、项目可行性研究等。,(3),风险估计,。在系统评价申，风险和安全性评价是一个重要内容，决策人对风险的态度也反映在效用函数上。在多个目标之间有冲突时，人们也常根据风险估计来进行折衷评价。,(4),价值工程,。价值是人们对事物优劣的观念准则和评价准则的总和。例如，要解决的问题是否值得去做，解决问题的过程是否适当，结果是否令人满意等。以生产为例，产品的价值主要体现在产品的功能和质量上，降低投入成本和增加产出是两项相关的准则。价值工程是个总体概念，具体体现在设计、制造和销售各个环节的合理性上。,3,、系统分析,不论是工程技术问题还是社会环境问题，系统分析首先要对所研究的对象进行描述，,建模方法和仿真技术,是常采用的方法，对难以用数学模型表达的社会系统和生物系统等，也常用定性和定量相结合的方法来描述。系统分析的主要内容涉及以下几方面：,(1),系统变量的选择,。用于描述系统主事状态及其演变过程的是一组状态变量和决策变量，因此，系统分析首先要选择出能反映问题本质的变量，并区分内生变量和外生变量，用灵敏度分析法可区别各个变量对系统命题的影响程度，并对变量进行筛选。,(2),建模和仿真。在,状态变量,选定后，要根据客观事物的具体特点确定变量间的相互依存和制约关系，即构造状态平衡方程式，得出描述系统特征的数学模型。在系统内部结构不清楚的情况下，可用输入输出的统计数据得出关系式，构造出系统模型。系统对象抽象成模型后，就可进行仿真，找出更普遍、更集中和更深刻反映系统本质的特征和演变趋势。现已有若干实用的大系统仿真软件，如用于随机服务系统的,GPSS,软件，用于复杂社会经济系统仿真的,系统动力学,(SD),软件等。,(3),可靠性工程,。系统可靠性工程是研究系统中元素的可靠性和由多个元素组成的系统整体可靠性之间的关系。一般讲，可靠的元件是组成可靠系统的基础，然而，,局部的可靠性和整体可靠性间并非简单的对应关系,，系统工程强调从整体上来看问题。在,40,年代，冯,诺依曼,(Von Neumann),开始研究用重复的不那么可靠的元件组成高度可靠系统的问题，并进行了可靠性理论探讨。钱学森也提出，现在大规模集成电路的发展便元器件的成本大大降低，如何用可靠性较低的元器件组成可靠性高的系统，是个很有现实意义的问题。近年来，己采用的可靠性和安全性评价方法有,FTA,或,ETA,等树状图形方法。,4,、系统综合,系统综合是在给定条件下，找出达到预期目标的手段或系统结构。一般来讲，按给定目标设计和规划的系统，在具体实施时，总与原来的设想有些差异，需要通过对问题本质的深入理解，作出具体解决问题的替代方案，或通过典型实例的研究，构想出系统结构和简单易行的能实现目标要求的实施方案。系统综合的过程常常需要有人的参与，计算机辅助设计,(CAD),和,系统仿真,可用于系统综合，通过人机的交互作用，获取人的经验知识，使系统具有推理和联想的功能。近年来，,知识工程,和,模糊理论,已成为系统综合的有力工具。,5,、系统方案的优化选择,在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下，可用最优化方法选择便目标值最优的控制变量值或系统参数。所谓优化，就是在约束条件规定的可行域内，从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解。实践中要根据问题的特点选用适当的最优化方法，目前应用最广的仍是,线性规划,、,动态规划,、,非线性规划,、大系统优化的,分解协调算法,。,组合优化,适用于离散变量，,整数规划,中的,分枝定界法,，,逐次逼近法,等的应用也很广泛。,多目标优化,问题的最优解处于目标空间的非劣解集上，可采用人机交互的方法处理所得的解，最终得到满意解。多目标问题也可用加权的方法转换成单目标来求解，或按目标的重要性排序，逐次求解，例如目标规划法。,6.,决策,决策就是管理,，,决策就是决定,，人类的决策管理活动面临着被决策系统的日益庞大和日益复杂。,决策又有个人决策和团体决策、定性决策和定量决策、单目标决策和多目标决策之分。,战略决策,是在更高层次上的决策。在系统分析和系统综合的基础上，人们可根据主观偏好、主观效用和主观概率做决策。,决策的本质反映了人的主观认识能力，因此，就必然受到人的主观认识能力的限制。近年来，,决策支持系统,受到人们的重视，系统分析者将各种数据、条件、模型和算法放在决策支持系统中，该系统甚至包含了有推理演绎功能的知识库，便决策者在做出主观决策后，力图从决策支持系统中尽快得到效果反应，以求得到主观判断和客观效果的一致。决策支持系统在一定条件下起到决策科学化和合理化的作用。,但是，
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