系统分析方法教学课件PPT-1 概论

系统分析方法秦华鹏办公室:E414电话:26035291手机mail:qinhuapeng@.cn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四系统分析方法分类五系统分析方法发展趋势六课程安排一

系统分析的概念

系统的基本概念

环境与地理学研究的系统

系统分析的产生与发展

系统分析的定义

系统分析与其他学科的关系1.1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：系统由若干元素组成多元性元素间相互作用、相互依存关联性系统作为整体具有特定功能整体性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1.2环境与地理学研究的系统例1生态系统

例2水资源系统

例3城市系统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（水量、水质）

城市系统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。

环境与地理学研究系统的特征涉及因素众多结构和过程的复杂性与相互依存个体具有能动性和适应性系统不断进化系统及其组成部分与地理空间分布有关，具有区位特征；与社会经济相关，具有社会特征

复杂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复杂的巨系统1.3系统分析的产生与发展

系统分析的产生相关研究机构环境/区域/城市系统分析的发展系统分析的产生

20世纪40年代末，出现大量不确定性、竞争性复杂系统，如军事对抗、经济竞争。产生了面向系统整体目标的分析方法——系统分析“系统分析”最早由美国兰德公司提出，用于的武器系统的费用与效果分析40年代末~70年代存在两条发展路线在政府与企业，运用数学工具和经济学原理，研究军事、经济系统等。如PPBS方法（规划-计划-预算系统，Planning,Programming,BudgetSystem）在大学和科研机构，系统的思想和方法在一些研究领域逐步得到系统化、理论化，系统分析逐渐成为一种普遍的研究方法

目前，系统分析发展成为一种有效的方法体系，广泛应用于社会、经济、能源、生态等诸多领域。相关研究机构兰德公司（RAND，）

非营利性研究组织，主要对国家安全和公共福利方面的各种问题进行系统跨学科的分析研究，在美国内外政策的制定方面起着重要作用

斯坦福国际研究所（SRI，）

美国最大、最著名的民间研究机构之一，为综合各学科的研究机构，主要为美国政府，尤其是国防部，以及工商企业从事范围广泛的研究，在美国国防、外交、经济、科研等方面都起着重要作用。国际应用系统分析研究所（IIASA，www.iiasa.ac.at）

非政府研究机构，地处奥地利，重点研究与全球变化的人文维度相关的环境、经济、技术与社会问题相关研究机构伦敦战略研究所（IISS，）

世界上享有盛名的思想库和智囊团，专门从事国际关系和国际问题，素有“战略思想库”之称。其发表的关于世界各国军事力量的公开统计数字、评估和判断，在世界上享有很重要的权威地位。哈佛大学国际事务中心

（）

专门从事国际问题研究的机构，对世界根本问题进行高级研究，关注经济、社会和政治发展、超越国家范围的各种作用和国际秩序、以及科学技术和国际事务的关系等问题圣塔菲研究所（

SFI，）

一所私营、非营利、多学科结合的研究和教育中心,汇集一批各个领域卓越的科学家，专门从事复杂性科学研究，试图由此找到一条通过学科间的融合来解决复杂性问题的道路

系统分析与环境问题

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系统分析与区域/城市规划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。系统分析已在区域和城市系统规划领域得到广泛应用，如区域综合发展规划、布局规划、资源利用规划、投资规划，城市规划、城市生态系统分析等1.4系统分析的定义

系统分析是运筹学的扩展系统分析是研究系统规律的方法系统分析是一种决策的辅助技术本课程采用的定义系统分析是运筹学的扩展系统分析与运筹学对比：系统分析是运筹学应用的扩展，两者的关系犹如战略对于战术的关系。运筹学——用于解决目标明确、变量关系简单的近期问题系统分析——用于解决更为复杂和困难的远期问题系统分析是研究系统规律的方法

美国《麦氏科学技术大百科全书》：系统分析是运用数学手段研究系统结构和状态变化规律的理论和方法。理解：对研究系统建立一种数学模型，按照这种模型进行数学分析，然后将分析的结果运用于原来系统。系统分析是一种决策的辅助技术

系统分析是一个有目的有步骤的探索和分析过程，它利用科学的分析方法和工具，对系统的目的、功能、结构、环境、费用与效益等问题进行分析和确定，为决策提供所需的科学依据和信息。具体地说，系统要明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定量相结合的分析，全面评价和优化可行方案，从而为领导者选择最优方案或满意方案提供可靠的依据。本课程采用的定义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协调和综合，达到系统总目标最优的目的。出发点：系统论研究方法：多学科研究对象：系统要素相互关系，系统规律研究目的：协调、最优1.5系统分析与其他学科的关系

系统分析与系统学系统分析与系统工程系统分析与运筹学系统分析与系统学

系统分析是系统学科体系中的一门应用技术，属于工程技术

系统分析与系统工程

观点一：系统工程=系统分析+系统设计+系统实现+系统控制观点二：系统分析=系统工程观点三：系统方法=系统分析+系统工程+系统管理系统分析与运筹学

两者形成和发展过程同步，初期的应用都着重分析军事和武器系统，实现有关确定最优选择、部署和控制现有操作系统等业务活动。20世纪50年代以后出现明显区别：复杂系统（如社会系统）由于没有适宜的分析技术或者数据形式而难以适合运筹学的具体技术要求，以致不能确切地表达和求得结果，于是必须借助模拟技术或系统分析等方法来解决。从现代的观点来看，运筹学是一种研究确定性现象的系统分析方法，常用于系统的优化决策建模。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

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。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。

深圳河（湾）流域水环境综合治理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。

2.3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。

2.4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。2.5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。

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3.3系统分析示例：废水管理问题3.4

小节

3.1系统分析的内容

环境分析

目标分析

结构分析

模型构造与仿真分析

系统优化

系统评价和决策

（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。

（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。（3）结构分析

（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。

（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。

（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。

3.2系统分析的过程

3.3系统分析示例：废水管理问题废水管理问题描述研究系统及目标建立模型系统优化废水管理问题描述

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？金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表

（1）研究系统及目标——系统界定（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（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）建立模型——处理厂排出的污染物量计算建立模型——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）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）3.4小节系统分析：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协调和综合，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四系统分析方法分类按系统的特征划分按系统分析用途（或步骤）划分按方法本身特点划分4.1按系统特征划分确定性现象：运筹学、牛顿力学定律…随机性现象：概率统计方法…灰色现象：灰色系统分析…模糊现象：模糊数学…非线性现象：非线性系统建模、混沌与分形…空间现象：空间引力模型…网络现象：图与网络分析法…等…4.2按方法的用途划分

系统评价：指标量化评估、模糊综合评估、层次分析法（AHP）系统预测：定性预测、回归预测、时间序列、马尔可夫预测、灰色系统预测、人工神经网络系统模拟：系统动力学、元胞自动机（CA）模型、水质模型等系统优化：线性规划、动态规划、目标规划系统决策：不确定性决策、多目标决策、风险决策、层次分析法（AHP）

4.3按方法本身特点划分

统计分析：关联分析、回归分析、主成分分析、聚类分析运筹学：线性规划、排队论、对策论微分方程：水质模型、系统动力学后现代数学方法：分形几何学、混沌数学仿生学算法：人工神经网络、元胞自动机、遗传算法五系统分析方法发展趋势复杂系统的分析方法模型非参数化发展各类模型的融合各种模型的时空结合复杂系统分析方法数学方法在解决线性问题方面取得了巨大成就，但在处理复杂的非线性系统方面，却长期无能为力。近年来，致力于解决复杂非线性问题的数理工具正在逐步成长起来。目前比较通用的模型有元胞自动机、复杂网络等。按照建模方式有：自下而上(BottomUp)：人工生命、神经网络、人工社会、多智能体自上而下(Top2Down)：人工智能、综合集成法从中间到两端模型非参数化发展当前应用广泛系统分析模型大多基于数理统计方法建立，模型多是参数化的，如回归、相关、规划的模型，已经基本成熟

现代复杂系统的分析模型向非参数化、智能学习型发展，非参数化方法如人工神经网络遗传算法元胞自动机支持矢量机等各类模型的融合不同模型各有特点，融合后可以提高模拟复杂系统的能力，如以人工神经网络为核心有模糊神经网络遗传神经网络混沌神经网络分形神经网络…各种模型的时空结合环境、地学问题具有时空耦合的特征，时空耦合模型也是系统分析发展方向。时空模型的建模方式：时间为主：时空马尔可夫链模型空间为主：区位的时间演化时空平行：元胞自动机模型六课程特点与安排课程特点课程内容课程要求参考文献6.1课程特点文理交叉实用性突出重点点面结合结合专业需求方法+软件+实践6.2课程内容共15周（授课＋考试）,45学时，3学分内容安排概论（1）统计类系统分析（3）规划类系统分析（3）系统模拟（2）仿生学类系统分析（2）系统评价与决策（1）环境与城市系统模型专题（2）

统计类系统分析（3）系统预测：关联分析、回归分析、时间序列分析系统分类与模式识别：主成分分析、因子分析、聚类分析上机：SPSS软件与应用规划类系统分析（3）线性系统