系统工程学：第二章 系统分析

1、第二章 系统分析 2.1 系统分析的概念 2.2系统分析的步骤和内容 2.3系统目标分析 2.4系统环境分析 2.5系统结构分析 2.6系统建模与系统评价 概念： 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。 SA是SE（系统工程）的核心内容、分析过程和基本方法。第一节 系统分析的概念1 问题 目的及目标 方案 模型（结构、数学、仿真） 评价 决策者 SA要素：2.1 系统分析的概念 SA程序22.1 系统分析的概念认识问题探寻目标综合方案模型

2、化优化或仿真分析系统评价决策（分析）NY2.1 系统分析的概念（1）坚持问题导向（2）以整体为目标（3）多方案模型分析和选优（4）定量分析与定性分析相结合（5）多次反复进行2.1 系统分析的概念3系 统 分 析 的 特 点第2节 系统分析的步骤和内容系统分析的一般过程1系统分析的主要活动内容22.2 系统分析的步骤和内容五个环节，两个注意：反复和交流系统分析过程的逻辑结构一阐明问题阶段工作内容： 本身就是一个小规模的系统工程，要在某种程度上研究目标结构、价值观念、约束条件、备选方案、后果及相关人员的反应。 1、问题剖析 包括两部分：问题性质和问题条件。（ 5W1H：What, Why, Whe

3、n, Where, Who, How ）检视利益相关者2.2 系统分析的步骤和内容 2、阶段结果报告 包括：问题的由来和背景；重要性；可能采取行动的组织和个人；利益相关者的组织和人员；目标、评价指标、约束条件、备选方案的初步描述、建议等、 1）目标：应帮助决策者达到真正的目标并找出适当的途径2.2 系统分析的步骤和内容 2）评价指标 衡量决策者对方案后果的满意程度，需要确定一组指标。也是综合评价的基础。尽量量化，如医疗状况，用婴儿死亡率、预期寿命做指标。输入不宜做指标，垃圾清理系统的用户缴纳的清洁费。2.2 系统分析的步骤和内容 3）约束条件 约束条件是对备选方案、后果和目标的限制。资源、技术

4、、环境、时间、法律、制度2.2 系统分析的步骤和内容二谋划（提出）备选方案都江堰，秦太守李冰父子，“鱼嘴”分水工程，“飞沙堰”分洪 排沙工程，“宝瓶口”引水工程，120个附属渠堰。2.2 系统分析的步骤和内容阿拉斯加原油输送方案的系统分析普拉德霍湾油田美国本土任务：每天运送200万桶环境：油田处于北极圈内，海湾长年处于冰封阶段；陆地长年冰冻，最低气温达零下50C。方案优点主要问题1：海路油船运输45艘超级油轮天需破冰船引航；起终点需建造大型油库；海上风暴影响2：陆路带加温系统油管输送利用成熟的管道输油技术沿途设加温站；管理、运输和供给燃料；一半管道需底架支撑和保温处理三建模和预计后果建模从直觉

5、到科学的分析。1、分析模型：分析模型通常用数学关系式表达变量之间的关系。如运筹学模型。2、仿真模型：通过一系列“伪试验”（一般用计算机），来预测结果。蒙特卡洛仿真圣吉的微世界模型物流和交通仿真2.2 系统分析的步骤和内容3、博弈模型又叫对策论，在人类的互动行为中，结局依赖于两个或更多的人们所采取的交互式的战略。如冲突分析4、判断模型软系统方法，会议法，Delphi法等2.2 系统分析的步骤和内容四预测未来环境 环境是决策人无法控制的自然、经济、社会和技术的未来状态。1、离开未来实施环境去谈方案后果是没有实际意义的。系统工程者向决策人后果信息只能这样表述：在某种环境下采取某种行动将会导致什么结果

6、。2、行动方案从决策到实施有一段时间间隔，而未来状态是不确定的，不确定是系统工程全过程的一个基本特点。2.2 系统分析的步骤和内容 五评比备选方案 对备选方案排出优先持续。方案评价是复杂的。 或将备选方案和情景列于同一表格或图表，如兰德公司在为荷兰三角湾防洪这项巨大工程所进行的系统分析中，就将四种备选方案（建封闭水坝、建防风浪水坝、修堤防和维持现状）在投资、经常费用、安全、生态、渔业、运输、旅游、国民经济及区域经济等方面的后果指标值用不同颜色标志登记在同一记分表格中，供决策者比较判断。 在很大程度上，系统工程是决策支持，而非直接给出决策结果，涉及价值观和效用函数。2.2 系统分析的步骤和内容

7、六系统工程分析报告包括三部分：1、简略报告，要点、依据、结论和行动方案的建议，提供给决策者。2、主体报告，用非技术语言描述整个分析过程，包括背景分析、问题的阐明、分析的依据和设想、方案的筛选、分析过程的关键问题、结论，提供给主管或实施项目的有关决策者和管理人员。3、技术报告，包括分析过程的技术内容、数学模型、计算机程序及使用说明等，提供给审查分析报告的专家阅读。写作顺序一般为技术报告、主体报告到简报。还可能需要讲解材料和答辩。2.2 系统分析的步骤和内容目标分析的主要内容有： 论证系统总目标的合理性、可行性和经济性，并确定建立系统的社会经济价值； 当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，

8、建立目标系统（或目标集）以便逐项落实与保证总目标的实现；可以采用目标手段系统图（见下图） 目标分解过程有深度和宽度问题。宽度问题是指一个总目标该用几个子目标来衡量，子目标的增多虽然能使目标描述更为完整细致，但同时也增加了决策的难度；深度问题是指目标层次数，这主要依赖于用这些层次来做什么和是否便于对各层次引入效用和属性，从而对子目标进行度量来决定。第三节 系统目标分析目标手段分析法 目标手段分析法就是将要达到的目标和所需要的手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相互联系又逐渐具体化的分层目标系统。 在分解过程中，要注意使分解的分目标与总目标保持

9、一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现2.3 系统目标分析2.3 系统目标分析1. 环境分析的意义 了解系统所处环境是解决问题的第一步。环境给出了系统的外部约束条件，系统分析的资料要取自环境，一旦环境发生变换，将引出新的系统分析课题。2环境因素的分类系统的环境一般可以分为三个方面：自然地理环境、科学技术环境和社会经济环境。3环境分析的主要内容是： 确定系统与环境的边界 摸清环境对系统的影响程度，包括找出相关的环境因素集，确定各环境因素的影响范围、程度和各因素间的相关程度，并在方案分析中予以考虑，分清主次。第四节 系统环境分析4.未来环境预测 未来环境预测是根据所掌握的信息和数据对环境因素的发

10、展变化，对系统寿命周期内未来环境的可能状态以及对系统可能产生的后果进行估计。 情景分析法是未来环境预测常用的一种方法。 情景分析法对于每种方案都确定几组未来实施环境的特征和条件。如对市场：好、持平、差。一般需要给出每种情景的可能性，好：30；持平：40；差30，比较方案的期望后果。2.4 系统环境分析1.概念系统结构是系统保持整体性和使系统具备必要的整体功能的内部依据，它反映系统内部元素之间的相互联系、相互作用的形式。系统结构分析就是系统组成元素集，元素之间的相互关系集以及它们在层次分布上的最优组合，并使系统得到最优的或满意的系统输出。2.系统结构分析的因果关系图方法因果关系：因果关系是表示两

11、个因素（变量）之 间的关系。它构成所研究的系统内部各因素之间的影响机制。因果分析，首先从系统内部实际运行机制出发，找出系统要素，画出因果关系图。第五节 系统结构分析因果链极性：每条因果链都具有极性，或者为正(+)或者为负 （-）。极性是指当箭尾端变量变化时，箭头端变量会如何变化。极性为正是指两个变量的变化趋势相同，极性为负指两个变量的变化趋势相反。2.5 系统结构分析3.系统结构分析的主要内容 系统要素集的确定。 相关关系分析。对于复杂的相关关系，常 可将其简化为二元或多元关系。 首先要根据分目标的要求明确系统要素间必须存在或不应存在的关系； 其次了解二元关系的性质及其变化对系统分目标或总目标

12、的影响，即相关性的灵敏度； 最后按照需要加以综合。相关关系分析具体内容见第3章。2.5 系统结构分析 系统的层次性（阶层性）分析。主要解决系统分层和各层规模的合理性问题。可从两个方面考虑：一是传递物质、能量和信息的效率、费用和质量；二是功能单元的合理结合与归属。 系统整体性分析。综合上述分析成果，从整体最优上进行概括和协调，着重解决三个问题： 建立评价指标体系，用以衡量和分析系统的整体结合效果； 建立反映系统的集合性、相关性、阶层性等特定的结合模型； 建立结合模型的优选程序。2.5 系统结构分析 1.模型的概念一切客观存在的事物及其运动形态统称为实体，模型是对实体的特征及其变化规律的一种抽象或

13、者表征，而且往往是对实体中那些所要研究的特定的特征的抽象。模型是把对象实体通过适当的过滤，用适当的表现规则描绘的简洁的模仿品。模型建立是以模型与原型之间的相似性为基础的，这里的相似可以是外表的相似，内部结构的相似或仅为功能的相似。模型可以是定量的，也可以是定性的，或是两者的结合模型第六节 系统的建模与系统评价 2 系统模型的特征它是现实系统的抽象或模仿；它是由反映系统本质或特征的主要因素构成；它集中体现这些主要因素之间的关系。 3模型的分类实体模型和抽象模型两大类实体模型：实物模型（如城市规划模型、作战沙盘等）和模拟模型（地图、电路图、电路模拟机械运动）抽象模型：也称为符号模型，模型中丰富多彩

14、的部分，包括数学模型、结构模型、仿真模型2.6 系统的建模与系统评价2.6 系统的建模与系统评价 4 建模的原则（1）现实性：把本质的东西和关系反映进去，非本质的东西去掉，而又不影响反映现实的真实程度。（2）简明性：模型既要精确，又要简明。（3）适应性：在运算分析方面、适应问题的变化、操作方面等具有适应性。（4）完整性（5）规范性：尽量借鉴标准形式。一般处理原则：力求达到真实性，在真实的基础上达到简明性，最后尽可能达到适应性要求。2.6 系统的建模与系统评价 5 系统建模方法与步骤（1） 系统建模方法 1)推理法“白箱”系统 常用的三种数学模型为： 微分方程，建立的主要方法是机理分析法（演绎法

15、） 传递函数，建立系统传递函数的主要方法是拉氏变换法 状态空间模型，系统的状态空间模型可以在演绎法的基础上，通过适当选取系统的状态变量来建立 2)辨识法（实验法）“黑箱”或“灰箱”系统，允许做实验的系统，通过实验的方法测量其输入和输出，然后按照一定的辨识方法，建立系统模型2.6 系统的建模与系统评价3)统计分析法对于那些属于“黑箱”，但又不允许直接进行实验观察的系统4)模拟法通过建立计算机仿真模型，来模拟实际系统的行为。例如系统动力学模型Vensim软件等5)混合法大部分系统模型的建造往往是上述几种方法综合运用的结果 对信息已知的部分采用演绎法； 对信息未知的部分采用归纳法，或者根据已知的物理

16、和结构特性建立某种程度的数学模型 利用经过统计处理的输入输出数据来修正模型2.6 系统的建模与系统评价 6.系统评价与模型的优化 系统评价对系统开发提供的各种可行方案，从社会、政治、经济、技术的观点予以综合考察，全面权衡利弊得失，从而为系统决策选择最优方案提供科学的依据。2.6 系统的建模与系统评价系统评价的原则 1保证评价的客观性。评价是决策的前提，评价的质量影响着决策的正确性。因此，必须注意评价资料的全面性和可靠性，同时要防止评价人员的倾向性，注意评价人员的代表性和各类专家的组成。 2保证方案的可比性。替代方案在实现系统的基本功能上要有可比性和一致性，评价指标也应基本相同。 3评价指标要成

17、体系。评价指标应能全面反映被评价问题的主要方面，在基本能满足评价要求和给出决策所需信息的前提下，应尽量减少指标个数，在可能的情况下，尽量定量化，以减少评价过程中的主观性和片面性。4评价方法和手段的综合性。系统评价要对系统的各个侧面，运用多种方法和工具进行全面综合评价，充分发挥各种方法和手段的综合优势，为系统的综合评价提供全面分析的手段。2.6 系统的建模与系统评价常用的系统评价指标数量化方法主要有：排队打分法、体操计分法、专家评分法、两两比较法、连环比率法等。1. 排队打分法 如果指标（例如汽车的时速、油耗，工厂的产值、利润、能耗等等）已有明确的数量表示，就可以采用排队打分法。 设有m种方案，

18、则可采取m级记分制：最优者记m分，最劣者记1分，中间各方案可以等步长记分（步长为1分），也可以不等步长记分，灵活掌握；或者各项指标均采用10分制，最优者满分为10分2.6 系统的建模与系统评价 2、体操计分法 体育比赛中许多计分方法也可以用到系统评价工作中来。例如，体操计分法是请6位裁判员各自独立地对表演者按10分制评分，然后舍去最高分和最低分，将中间的4个分数取平均，就得到表演者最后的得分数。2.6 系统的建模与系统评价3、专家评分法 这是一种利用专家经验的感觉评分法。例如，要对多台设备操作性进行评价，可以请若干专家，即有经验的实际操作者来试车，专家们根据主观感觉和经验，对每台设备按一定的记分制来打分，再将每台设备的得分相加，最后将和数除以操作者的人数，就得到了各台设备的得分数。2.6 系统的建模与系统评价4 连环比率法 连环比率法是一种确定得分系数或加权系数的方法，用表来说明。方案暂定分数修正分数fi得分系数fjA12.04.50.33A20.52.250.16A33.04.500.33A41.51.500.11A51.01.000.0713.751.00此方法可分成以下三个步骤进行: 1）填写暂定分数列（由上而下）对比A1与A2，设A1的优越性是A2的两倍，则对应于A1填写2.0；对比A2与A3，设A2的优越性仅为A3的一半，则对应于A2填写0.5；