系统分析方法课件

系统分析方法秦华鹏北京大学深圳研究生院环境与城市学院Office:E414Tel:26035291(O)Mobile13691793197Email:qinhuapeng@

系统分析方法秦华鹏1第1讲系统分析方法概论一系统分析的概念

二系统分析的原则

三系统分析的内容与过程

四系统分析示例：污水管理问题

五课程安排第1讲系统分析方法概论一系统分析的概念2一

系统分析的概念

1.1系统的基本概念

1.2环境与地理学研究的系统

1.3系统分析的产生与发展

1.4系统分析方法的定义一系统分析的概念1.1系统的基本概念31.1系统的基本概念系统是由相互关联的若干组成成分所构成的，具有某种特定功能的有机整体。系统的基本特征：系统由若干（通常是大量）的元素组成；元素间相互作用、相互依存；系统作为整体具有特定功能。1.1系统的基本概念系统是由相互关联的若干组成成4系统基本概念图元素、结构、环境、边界输入、输出、开放系统、封闭系统状态、变量、过程、功能等系统基本概念图元素、结构、环境、边界51.2环境与地理学研究的系统实例一：生态系统

实例二：水资源系统

实例三：城市系统

1.2环境与地理学研究的系统实例一：生态系统6实例一：简单陆地生态系统系统各成分以各种各样的方式相互支持、相互竞争，各种成分通过能量流、营养物质循环、信息流等过程来耦合。实例一：简单陆地生态系统系统各成分以各种各样的方式相互支持、7实例二：水资源供需系统

水资源系统具有多方案替代的特征；水资源系统与自然、社会、经济、环境、生态等因素密切相关；水资源系统是一个受众多因素影响并相互制约的复杂大系统实例二：水资源供需系统水资源系统具有多方案替代的特征；8实例三：城市系统示意图

城市结构可以看成个人活动（住房+工作+各种服务）、团体活动（狭义上=经济活动）、以及支持它们的实体基础设施和运输系统。各子系统之间有着强烈的依存关系。

实例三：城市系统示意图城市结构可以看成个人活动9小结

地理学与环境科学的许多系统具有“涉及因素众多”、“结构和过程复杂”、“相互依存影响”等特征，因此常把这些系统归类为“复杂的巨系统”此外，这些系统及其组成部分常常与地理空间分布有关，即系统具有区位特征这些系统中存在许多矛盾因素和不确定因素，只有通过系统分析才能认识和协调因素间的关系，实现系统整体最优。

小结 地理学与环境科学的许多系统具有“涉及因素众多”、“结构101.3系统分析的产生与发展

（1）系统分析的产生（2）相关研究机构（3）环境/区域/城市系统分析的发展1.3系统分析的产生与发展（1）系统分析的产生11（1）系统分析的产生

20世纪40年代，美国兰德（RAND）咨询公司发展了一套解决复杂问题的步骤和方法，称为“系统分析方法—SystemAnalysis”。早期用于武器系统的成本和效益分析。之后，系统分析推广到其他政府部门，并陆续被民间机构采用，以改进交通、通讯等设施效率和效能。目前已广泛应用于社会、经济、资源、生态、环境、城建、医疗等问题。

（1）系统分析的产生

20世纪40年代，美国兰德（RAND）12（2）相关研究机构（2）相关研究机构13相关研究机构相关研究机构14（3）环境系统分析的发展

20世纪中叶，由环境污染引起的公害事件频频发生，美国洛杉矶光学烟雾事件，英国伦敦烟雾事件，日本的水俣事件等等。这些事件在时间和空间上都非常广泛的综合性效应。只有调动社会各个领域的力量，协同配合，才能解决这些问题。美、日、英等主要工业国先后建立了全国性的科研机构和管理机构，展开了综合性的全国或区域的环境污染防治。环境问题的全局性、复杂性和综合性的特点，为系统分析方法的应用提供了广阔的领域，世界上很多著名的环境污染防治工程的研究和实施都应用了系统分析方法（3）环境系统分析的发展20世纪中叶，由环15（3）区域/城市系统分析的发展产业革命和新技术革命推动下，社会经济的高速发展，城市规模、结构及行为日益复杂，由此而生的各种现象和问题越来越复杂，迫切要求城市研究人员和工作人员要从系统科学的方法论中去寻找解决问题、协调矛盾的钥匙，从战略高度去重新认识城市化及城市系统。在这种背景之下，区域和城市系统分析逐步发展起来，并在区域和城市规划中得到广泛应用。（3）区域/城市系统分析的发展产业革命和新技术革命推161.4系统分析与系统分析方法系统分析：从系统论的概念和思想出发，综合应用多学科的知识和方法，研究系统各要素的相互关系和系统整体变化规律，在此基础上对系统进行综合评价和协调，达到系统总目标最优的目的。系统分析方法：在对系统对象进行规划、设计、制造、运行管理等过程中所采取的具体技术、方法、理论。如预测技术、模拟仿真技术、计算分析技术、优化、评价、决策方法等本课程讲述的系统分析方法除了包括应用系统学科体系中通用的技术与方法，还要讨论环境科学和地理学的理论和方法在系统分析中的应用。1.4系统分析与系统分析方法系统分析：从系统论的概念和思想17二

系统分析的原则

2.1局部效益与总体效益相结合

2.2递阶分解与综合协调相结合

2.3内部因素与外部因素相结合

2.4当前利益与长远利益相结合

2.5定性分析与定量分析相结合

二系统分析的原则2.1局部效益与总体效益相结合182.1局部效益与总体效益相结合

局部的最优并不代表总体最优。总体的最优往往要求局部放弃最优而实现次优或次次优。进行系统分析必须着眼于系统的整体目标，坚持“系统总体效益最优、局部效益服从总体效益”的原则。系统分析时还应站在比所研究系统高一级的立场和角度来观察。

2.1局部效益与总体效益相结合局部的最优并不代表总体最优。19深圳河（湾）流域水环境综合治理深圳河（湾）流域水环境综合治理202.2递阶分解与综合协调相结合

大系统特别是复杂系统常可分解为若干子系统，因此分析时可以将大系统逐层分解，即所谓“化整为零”，使问题简约清晰，便于深入研究；然后根据系统整体与各层次目标，相互协调配合，将小系统“集零为整”，只有各子系统实现各自功能，并相互协调一致，才能实现整体目标并达到最优。

2.2递阶分解与综合协调相结合大系统特别是复杂系统常可分解212.3内部因素与外部因素相结合

系统的内部因素往往是可控的，而外部因素往往是不可控的，系统的功能或行为不仅受到内部因素的作用，而且受到外部因素的影响和制约。因此，对系统进行分析，必须把内外各种有关因素结合到一起来考虑。通常的处理办法是，把内部因素选为决策变量，把外部因素作为约束条件，运用系统分析的方法建立它们之间的相互关系。

2.3内部因素与外部因素相结合系统的内部因素往往是可控的，222.4当前利益与长远利益相结合

选择最优方案，不仅要从当前利益出发，而且还要同时考虑长远利益，要两者兼顾。如果两者发生矛盾，应该坚持当前利益服从长远利益的原则。2.4当前利益与长远利益相结合选择最优方案，不仅要从当前利232.5定性分析与定量分析相结合

定量分析是指采用数学模型进行的数量指标的分析，但是一些政治因素与心理因素、社会效果与精神效果目前还无法建立数学模型进行定量分析，只能依靠人的经验和判断力进行定性分析。因此，在系统分析中，定性分析不可忽视，必须与定量分析结合起来进行综合分析，或者交叉地进行，才能达到系统选优的目的。

2.5定性分析与定量分析相结合定量分析是指采用数学模型进行24三

系统分析的内容与过程

3.1系统分析的内容

3.2系统分析的过程

三系统分析的内容与过程3.1系统分析的内容253.1系统分析的内容

（1）环境分析

（2）目标分析

（3）结构分析

（4）模型构造与仿真分析

（5）系统优化

（6）系统评价和决策

3.1系统分析的内容（1）环境分析26（1）环境分析

环境因素很多时，应分清主次和轻重。对可定量分析的环境因素，通常可用约束条件的形式列入系统模型中；对只能定性分析的因素，可用估值法评分，尽量使之达到定量和半定量化。

（1）环境分析环境因素很多时，应分清主次和轻重。27（2）目标分析

明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和经济性。当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，建立目标系统（或目标集）以便逐项落实与保证总体目标的实现。（2）目标分析明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和28（3）结构分析

（3）结构分析29（4）模型构造与仿真分析

模型是系统分析的主要工具。描述大系统内部主要关系时单靠一个模型有时很难满足，往往要构造一组模型构成模型体系。模型如何构造？如何求解？以及利用模型进行仿真试验是该部分的主要内容。

（4）模型构造与仿真分析模型是系统分析的主要工具。描述大系30（5）系统优化

在给定环境约束条件下，使系统达到整体最优目标的过程，包括构造系统优化模型、选择优化算法、选取有关运算的参数和初始数据、以及优化结果的分析等。

（5）系统优化在给定环境约束条件下，使系统达到整体最优目标31（6）系统评价和决策

包括拟订策略和方案集，制定评价准则，综合分析，选择出可行的最优方案，供决策者选择等。

（6）系统评价和决策包括拟订策略和方案集，制定评价准则，综323.2系统分析的过程

3.2系统分析的过程33四

系统分析示例：废水管理问题

4.1废水管理问题描述4.2研究系统及目标4.3建立模型

4.4系统优化

四系统分析示例：废水管理问题4.1废水管理问题描述344.1废水管理问题描述

精练厂产生的废物随工厂的废水排放；废水经过部分处理后，排入附近的河流。政府对该厂规定的废物排放标准为10万kg/周。问工厂最优的运行方式是什么？4.1废水管理问题描述精练厂产生的废物随工厂的废35金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表

金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表364.2研究系统及目标——系统界定4.2研究系统及目标——系统界定374.2研究系统及目标——系统目标系统目标：目标1——工厂利润最大（美元/周）目标2——排入河流的污染物达到政府对该厂规定的标准，即1万kg/周。系统的可控因素：可控因素1：废水处理量可控因素2：金属的产量4.2研究系统及目标——系统目标系统目标：384.3建立模型——变量X——工厂金属的产量（万kg/周）Y——经处理的污染物量（万kg/周）4.3建立模型——变量X——工厂金属的产量（万kg/周）394.3建立模型——处理厂排出的污染物量计算4.3建立模型——处理厂排出的污染物量计算404.3建立模型——质量通量示意图对系统目标1，工厂利润可表达为：1.3X-0.9X-0.2Y/2（万美元/周）或0.4X-0.1Y（万美元/周）对系统目标2，排入河流的污染量为，3X-Y+0.03Y2（万kg/周）4.3建立模型——质量通量示意图对系统目标1，工厂利润可414.4系统优化

求解结果为X=4.5（万kg/周）Y=4（万kg/周）Z=1.4（万美元/周）4.4系统优化求解结果为42五

课程内容及参考文献

五课程内容及参考文献43五

课程内容及参考文献1系统分析方法概论（1）2系统评价（2）3系统预测（2）4系统模拟（2）5系统优化（3）6系统决策（1）7城市与环境系统模型专题（2）8应用软件（2）五课程内容及参考文献1系统分析方法概论（1）44系统评价（2）指标量化评估模糊综合评估层次分析法（AHP）关联分析聚类分析主成分分析系统评价（2）指标量化评估45系统预测（2）定性预测回归预测时间序列马尔可夫预测灰色系统预测人工神经网络

系统预测（2）定性预测46系统模拟（2）系统动力学自组织模型元胞自动机（CA）模型基于agent建模（agent-basedmodeling）系统模拟（2）系统动力学47系统优化（3）线性规划动态规划非经典优化

系统优化（3）线性规划48系统决策（1）不确定性决策风险决策多目标决策层次分析法（AHP）系统决策（1）不确定性决策49城市与环境系统模拟专题（2）环境数学模型城市空间相互作用模型投入产出模型城市与环境系统模拟专题（2）环境数学模型50应用软件（2）SPSSLINDOMatlabVensim应用软件（2）SPSS51参考书目（1）蔡运龙

译，R.J.Wilson著，《地理学与环境：系统分析方法》,商务印书馆,1997徐建华，《现代地理学中的数学方法》，高等教育出版社，2002程建权《城市系统工程》武汉测绘科技大学出版社,1999程声通等《环境系统分析》，高等教育出版社,1990(美)海思(Haith,D.A.)著，《环境系统最优化》，中国环境科学出版社,1987郑彤，陈春云，《环境系统数学模型》，北京科学技术出版社，2003参考书目（1）蔡运龙译，R.J.Wilson著，《地理52参考书目（2）汤兵勇，《环境系统工程方法》，中国环境科学出版社,1990汪树玉，刘国华，《系统分析》浙江大学出版社，2002顾培亮，《系统分析与协调》，天津大学出版社，1998谭跃进等，《系统工程原理》，国防科技大学出版社，1999汪应洛，《系统工程理论、方法与应用》，高等教育出版社，1998王其藩，《系统动力学》，清华大学出版社，1994董肇君，《系统工程与运筹学》，国防工业出版社，2003参考书目（2）汤兵勇，《环境系统工程方法》，中国环境科学出版53系统分析方法秦华鹏北京大学深圳研究生院环境与城市学院Office:E414Tel:26035291(O)Mobile13691793197Email:qinhuapeng@

系统分析方法秦华鹏54第1讲系统分析方法概论一系统分析的概念

二系统分析的原则

三系统分析的内容与过程

四系统分析示例：污水管理问题

五课程安排第1讲系统分析方法概论一系统分析的概念55一

系统分析的概念

1.1系统的基本概念

1.2环境与地理学研究的系统

1.3系统分析的产生与发展

1.4系统分析方法的定义一系统分析的概念1.1系统的基本概念561.1系统的基本概念系统是由相互关联的若干组成成分所构成的，具有某种特定功能的有机整体。系统的基本特征：系统由若干（通常是大量）的元素组成；元素间相互作用、相互依存；系统作为整体具有特定功能。1.1系统的基本概念系统是由相互关联的若干组成成57系统基本概念图元素、结构、环境、边界输入、输出、开放系统、封闭系统状态、变量、过程、功能等系统基本概念图元素、结构、环境、边界581.2环境与地理学研究的系统实例一：生态系统

实例二：水资源系统

实例三：城市系统

1.2环境与地理学研究的系统实例一：生态系统59实例一：简单陆地生态系统系统各成分以各种各样的方式相互支持、相互竞争，各种成分通过能量流、营养物质循环、信息流等过程来耦合。实例一：简单陆地生态系统系统各成分以各种各样的方式相互支持、60实例二：水资源供需系统

水资源系统具有多方案替代的特征；水资源系统与自然、社会、经济、环境、生态等因素密切相关；水资源系统是一个受众多因素影响并相互制约的复杂大系统实例二：水资源供需系统水资源系统具有多方案替代的特征；61实例三：城市系统示意图

城市结构可以看成个人活动（住房+工作+各种服务）、团体活动（狭义上=经济活动）、以及支持它们的实体基础设施和运输系统。各子系统之间有着强烈的依存关系。

实例三：城市系统示意图城市结构可以看成个人活动62小结

地理学与环境科学的许多系统具有“涉及因素众多”、“结构和过程复杂”、“相互依存影响”等特征，因此常把这些系统归类为“复杂的巨系统”此外，这些系统及其组成部分常常与地理空间分布有关，即系统具有区位特征这些系统中存在许多矛盾因素和不确定因素，只有通过系统分析才能认识和协调因素间的关系，实现系统整体最优。

小结 地理学与环境科学的许多系统具有“涉及因素众多”、“结构631.3系统分析的产生与发展

（1）系统分析的产生（2）相关研究机构（3）环境/区域/城市系统分析的发展1.3系统分析的产生与发展（1）系统分析的产生64（1）系统分析的产生

20世纪40年代，美国兰德（RAND）咨询公司发展了一套解决复杂问题的步骤和方法，称为“系统分析方法—SystemAnalysis”。早期用于武器系统的成本和效益分析。之后，系统分析推广到其他政府部门，并陆续被民间机构采用，以改进交通、通讯等设施效率和效能。目前已广泛应用于社会、经济、资源、生态、环境、城建、医疗等问题。

（1）系统分析的产生

20世纪40年代，美国兰德（RAND）65（2）相关研究机构（2）相关研究机构66相关研究机构相关研究机构67（3）环境系统分析的发展

20世纪中叶，由环境污染引起的公害事件频频发生，美国洛杉矶光学烟雾事件，英国伦敦烟雾事件，日本的水俣事件等等。这些事件在时间和空间上都非常广泛的综合性效应。只有调动社会各个领域的力量，协同配合，才能解决这些问题。美、日、英等主要工业国先后建立了全国性的科研机构和管理机构，展开了综合性的全国或区域的环境污染防治。环境问题的全局性、复杂性和综合性的特点，为系统分析方法的应用提供了广阔的领域，世界上很多著名的环境污染防治工程的研究和实施都应用了系统分析方法（3）环境系统分析的发展20世纪中叶，由环68（3）区域/城市系统分析的发展产业革命和新技术革命推动下，社会经济的高速发展，城市规模、结构及行为日益复杂，由此而生的各种现象和问题越来越复杂，迫切要求城市研究人员和工作人员要从系统科学的方法论中去寻找解决问题、协调矛盾的钥匙，从战略高度去重新认识城市化及城市系统。在这种背景之下，区域和城市系统分析逐步发展起来，并在区域和城市规划中得到广泛应用。（3）区域/城市系统分析的发展产业革命和新技术革命推691.4系统分析与系统分析方法系统分析：从系统论的概念和思想出发，综合应用多学科的知识和方法，研究系统各要素的相互关系和系统整体变化规律，在此基础上对系统进行综合评价和协调，达到系统总目标最优的目的。系统分析方法：在对系统对象进行规划、设计、制造、运行管理等过程中所采取的具体技术、方法、理论。如预测技术、模拟仿真技术、计算分析技术、优化、评价、决策方法等本课程讲述的系统分析方法除了包括应用系统学科体系中通用的技术与方法，还要讨论环境科学和地理学的理论和方法在系统分析中的应用。1.4系统分析与系统分析方法系统分析：从系统论的概念和思想70二

系统分析的原则

2.1局部效益与总体效益相结合

2.2递阶分解与综合协调相结合

2.3内部因素与外部因素相结合

2.4当前利益与长远利益相结合

2.5定性分析与定量分析相结合

二系统分析的原则2.1局部效益与总体效益相结合712.1局部效益与总体效益相结合

局部的最优并不代表总体最优。总体的最优往往要求局部放弃最优而实现次优或次次优。进行系统分析必须着眼于系统的整体目标，坚持“系统总体效益最优、局部效益服从总体效益”的原则。系统分析时还应站在比所研究系统高一级的立场和角度来观察。

2.1局部效益与总体效益相结合局部的最优并不代表总体最优。72深圳河（湾）流域水环境综合治理深圳河（湾）流域水环境综合治理732.2递阶分解与综合协调相结合

大系统特别是复杂系统常可分解为若干子系统，因此分析时可以将大系统逐层分解，即所谓“化整为零”，使问题简约清晰，便于深入研究；然后根据系统整体与各层次目标，相互协调配合，将小系统“集零为整”，只有各子系统实现各自功能，并相互协调一致，才能实现整体目标并达到最优。

2.2递阶分解与综合协调相结合大系统特别是复杂系统常可分解742.3内部因素与外部因素相结合

系统的内部因素往往是可控的，而外部因素往往是不可控的，系统的功能或行为不仅受到内部因素的作用，而且受到外部因素的影响和制约。因此，对系统进行分析，必须把内外各种有关因素结合到一起来考虑。通常的处理办法是，把内部因素选为决策变量，把外部因素作为约束条件，运用系统分析的方法建立它们之间的相互关系。

2.3内部因素与外部因素相结合系统的内部因素往往是可控的，752.4当前利益与长远利益相结合

选择最优方案，不仅要从当前利益出发，而且还要同时考虑长远利益，要两者兼顾。如果两者发生矛盾，应该坚持当前利益服从长远利益的原则。2.4当前利益与长远利益相结合选择最优方案，不仅要从当前利762.5定性分析与定量分析相结合

定量分析是指采用数学模型进行的数量指标的分析，但是一些政治因素与心理因素、社会效果与精神效果目前还无法建立数学模型进行定量分析，只能依靠人的经验和判断力进行定性分析。因此，在系统分析中，定性分析不可忽视，必须与定量分析结合起来进行综合分析，或者交叉地进行，才能达到系统选优的目的。

2.5定性分析与定量分析相结合定量分析是指采用数学模型进行77三

系统分析的内容与过程

3.1系统分析的内容

3.2系统分析的过程

三系统分析的内容与过程3.1系统分析的内容783.1系统分析的内容

（1）环境分析

（2）目标分析

（3）结构分析

（4）模型构造与仿真分析

（5）系统优化

（6）系统评价和决策

3.1系统分析的内容（1）环境分析79（1）环境分析

环境因素很多时，应分清主次和轻重。对可定量分析的环境因素，通常可用约束条件的形式列入系统模型中；对只能定性分析的因素，可用估值法评分，尽量使之达到定量和半定量化。

（1）环境分析环境因素很多时，应分清主次和轻重。80（2）目标分析

明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和经济性。当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，建立目标系统（或目标集）以便逐项落实与保证总体目标的实现。（2）目标分析明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和81（3）结构分析

（3）结构分析82（4）模型构造与仿真分析

模型是系统分析的主要工具。描述大系统内部主要关系时单靠一个模型有时很难满足，往往要构造一组模型构成模型体系。模型如何构造？如何求解？以及利用模型进行仿真试验是该部分的主要内容。

（4）模型构造与仿真分析模型是系统分析的主要工具。描述大系83（5）系统优化

在给定环境约束条件下，使系统达到整体最优目标的过程，包括构造系统优化模型、选择优化算法、选取有关运算的参数和初始数据、以及优化结果的分析等。

（5）系统优化在给定环境约束条件下，使系统达到整体最优目标84（6）系统评价和决策

包括拟订策略和方案集，制定评价准则，综合分析，选择出可行的最优方案，供决策者选择等。

（6）系统评价和决策包括拟订策略和方案集，制定评价准则，综853.2系统分析的过程

3.2系统分析的过程86四

系统分析示例：废水管理问题

4.1废水管理问题描述4.2研究系统及目标4.3建立模型

4.4系统优化

四系统分析示例：废水管理问题4.1废水管理问题描述874.1废水管理问题描述

精练厂产生的废物随工厂的废水排放；废水经过部分处理后，排入附近的河流。政府对该厂规定的废物排放标准为10万kg/周。问工厂最优的运行方式是什么？4.1废水管理问题描述精练厂产生的废物随工厂的废88金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表

金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表894.2研究系统及目标——系统界定4.2研究系统及目标——系统界定904.2研究系统及目标——系统目标系统目标：目标1——工厂利润最大（美元/周）目标2——排入河流的污染物达到政府对该厂规定的标准，即1万kg/周。系统的可控因素：可控因素1：废水处理量可控因素2：金属的产量4.2研究系统及目标——系统目标系统目标：914.3建立模型——变量X——工厂金属的产量（万kg/周）Y——经处理的污染物量（万kg/周）4.3建立模型——变量X——工厂金属的产量（万kg/周）924.3建立模型——处理厂排出的污染物量计算4.3建立模型——处理厂排出的污染物量计算934.3建立模型——质量通量示意图对系统目标1，工厂利润可表达为：1.3X-0.9X-0.2Y/2（万美元/周）或0.4X-0.1Y（万美元/周）对系统目