第13章 环境规划决策支持系统

1第一节决策支持系统概述一、DSS的定义和功能特点1971年ScottMorton在《管理决策系统》中第一次指出计算机对决策的支持作用，DSS已经得到迅速的发展。DSS定义：凡能对决策提供支持的计算机系统，这个系统充分运用可供利用的、合适的计算机技术，针对半结构化或非结构化的决策问题，通过人机交互方式帮助和改善管理决策制定的有效性的系统。

第13章环境规划决策支持系统

2023/2/42DSS的基本特征可以归纳为5个方面：1、支持但不是代替高层决策者制定决策。2、针对上层管理人员经常面临的结构化程度不高，说明不充分的问题。3、易于非计算机专业人员以互交回话的方式使用。4、强调对环境及用户决策方法的灵活性及适应性。5、把模型或分析技术与传统的数据存取技术及检索技术结合起来。1、DSS的组成按库的种类和个数，可以把DSS划分为如下类型：二库结构：包含数据库和模型库；三库结构：包含数据库、模型库和方法库；四库结构：包含数据库、模型库、文本库和规则库；五库结构：包含数据库、模型库、方法库、文本库和规则库。五库子系统之间有一种层次顺序联系：文本库－数据库－模型库－方法库－知识库。（IDSS的框架结构）2、DSS的分类1、按系统智能化程度划分：传统DSS和智能DSS。2、按系统输出对行为影响的程度划分：文件柜系统，数据分析系统，分析信息系统、会计模型、表达模型、优化模型和建议模型。3、按系统结构划分：网络型、桥型、分层型和塔型。4、按用户情况划分：个人支持、群体支持和组织支持。5、按使用DSS的最终用户或操作模式划分：个人型(DSS)、执行系统(EIS)、群体决策支持系统(GDSS)、分布式决策支持系统(DDSS)。2023/2/45

二、DSS的产生和发展过程1、DSS的产生计算机在管理中的应用可分为电子数据处理系统(EDPS)、管理信息系统(MIS)和决策支持系统(DSS)三个主要发展阶段。1、电子数据处理(EDP)；2、管理信息系统(MIS)；3、决策支持系统(DSS)。二、DSS的定义和功能特点用构成决策支持系统的部件来表述DSS的结构特征：1、数据库及其管理系统；2、模型库及其管理系统；3、交互式计算机硬件及软件；4、图形及其他高级显示装置；5、对用户友好的建模语言。2、DSS的发展及趋势DSS是随着计算机软硬件技术及管理和决策领域的理论发展而产生，且以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础的信息系统技术。与DSS集成的AI技术主要有：(一)、自然语言处理和语音处理技术(二)、专家系统ESDSS与ES的集成系统又叫决策专家系统。它将DSS和ES各自独特的优点结合起来。DSS为决策者提供信息获取、信息评估和最后决策的完全控制权，但可能受人们判断和观点的偏见的影响。ES可为特殊领域提供智能、作出尝试性决策且不受人们偏见的影响，二者结合摆脱了受ES领域狭窄的限制。(三)、人工神经网络ANN人工神经网络能自动对系统的逻辑输入产生逻辑输出，具有自我完善能力，推理时具有对不精确性的自然处理。ANN与ES是互补的，二者集成起来形成神经专家系统，如果将神经专家系统与DSS系统进一步集成，可以产生更加智能的DSS转化。此外，数据库技术和3S技术的发展也未DSS开拓出更广阔的发展空间，为DSS的进一步发展提供补充和完善。一、DSS的数据库及其管理系统

1、基本概念数据库技术最早研究是20世纪60年代BatchmanCW

提出的数据图。70年代CoddEF

提出了关系数据库理论和模型。数据库的发展经历了层次、网络和关系的两个时代。关系数据库基于严密的理论基础、体现出简明的结构、使用了非过程数据操纵语言，具有高度的数据独立性、友好和明确的用户接口，并真正具有实用价值而迅速走进市场，成为广泛实用的一代数据库。InmonWH在《建立数据仓库》对数据库的定义：数据仓库是面向主题的、集成的、稳定的和不同时间的数据集合，用以支持经营管理中的决策制定的过程。第二节决策支持系统的基本构成数据库是建立DSS的基础，它应包含DSS用于决策的内部和外部数据。数据库管理系统(DBMS)提供了对数据库的维护和控制功能，简化了DSS和数据之间的接口。具有以下优点：1、实现数据共享；2、减少数据冗余；3、数据的独立性；4、数据实现集中控制；5、数据一致性和可维护性，以确保数据的安全性和可靠性；6、故障恢复。2、DSS的数据模型和数据库设计数据模型是指一种表示、组织、存储和处理数据的方法。DSS数据库系统可包括多个数据模型，一个数据模型应由以下三个部分组成：1、数据结构；2、数据操作；3、数据约束。DSS的数据库系统包括多个数据模型，一个数据模型由数据结构的集合、对数据操作的集合、数据统一性和完整性的集合三个部分组成。DSS的数据模型主要有记录模型，分层模型、关系模型、规则模型和网络模型。DSS的数据模型可分为三个不同水平，即外部模型，概念模型和内部模型。数据库的逻辑设计是描述数据库的组织结构、生成数据库模型。最常用的方法是E－R模型(实体－联系模型)。1、实体：用来表示一个实在或抽象事情的集合，该集合中的每个事物必需具有相同的属性和特征。2、属性：用来标识实体的特征或性质。3、关系：指实体之间的连接关系，关系可以是一对一、一对多或者是多对多。数据库的逻辑设计最常用的方法是E－R模型，该模型首先分析现实世界的各个实体，研究其属性，然后再将它们相互联系在一起，讨论这些联系的性质，从而得到整个系统的E－R图。在完成数据库的逻辑设计后，下一步是数据库的物理设计，或称为数据库的物理实现。在创建数据库之后，还需要考虑数据库的完整性、数据的安全性等要求。数据的完整性是指数据的正确性、有效性和相容性。数据仓库的体系结构包括数据源、数据抽取和转换公交，数据建模工具、数据仓库的目标数据库、核心仓储、数据仓库管理工具、前端数据访问和分析工具等7个主要组成部分。其中数据仓库的目标数据库是数据仓库的最核心组成部分。在数据仓库工程实践中，设计数据库时要注意4个方面：1、如何设计一个简明的数据模式，2、如何保证数据的一致性；3、如何提高查询处理速度；4、如何提高数据装载效率。二、DSS的模型库及其管理系统

1、模型与模型库的基本概念模型是对现实事物、现象、过程或系统的抽象描述。在DSS中，模型是决策者在决策中的基本工具。模型具有如下特征：1、模型的语义性；2、模型表示的多样性；3、模型的可编程行；4、模型的可构造性。模型由方法构成，一般有方法嵌套和方法并列。一个模型定义包括模型规范和模型实现两个部分。模型规范中登记模型各种信息，模型名、所属模型库、模型描述、模型接口、关键字引用的子模型、模型动态链接等内容。模型规范可以是函数、子程序，也可实现为一个完整的程序。模型实现是使用具体的程序语言，按照一定的算法对模型规范的具体实现。决策问题类型多样易变，要求模型具有多种形式，并能根据不同的输入条件，从不同的角度分析处理问题。模型与模型管理是DSS的重要核心，DSS中的数据需求大多是有模型加以确定的，也是DSS区别于其他管理系统的特征之一。DSS的模型库具有以下功能：1、可快速方便的生成新模型；2、具有依据知识将模型进行并联的能力。3、具有支持各层次用户利用模型对问题进行分析的能力；4、具有存取、集成和管理模型的能力；模型分类1、规划模型线性和非线性规划模型、目标规划模型等。2、推理模型演绎推理模型、归纳推理模型、类比推理模型等，适用于景物分析识别、施工分析推理等方面。3、预测模型回归预测、概率预测和相关分析等，用于预测生产规模、市场趋势，辅助决策者制定发展战略。4、分析模型盈亏平衡分析模型、数理统计模型、投入产出分析模型等；适用于经济计量分析、质量管理和产品检测。

5、模拟试验模型博弈论、排队论、系统模拟法和灵敏度分析法等模型。用于产品设计、市场预测、物资管理、运输设计和分析企业活动等方面。6、优化模型线性规划、动态规划、多目标规划和决策树法等。适用于投资效益分析、物资分配和项目投资管理等。7、评判模型专家评判法、模糊评判法、分配模型、主因素分析法、层次分析法和加权分析法等。可以用于经济效益分析、新方案选择和作业过程分析等。(三)、模型的创建与表达对于模型的表达，通常有一些特定的要求：1、应独立于数据而存在；2、应独立于算法而存在；3、应留接口便于参数的传递；4、应便于生成新的、更高层次的模型。模型的表示方法很多，很多研究人员在研究后，提出了子程序模型表示法、谓词模型表示法、关系模型表示法和抽象模型类型等多种模型表示方法。面向对象的程序设计方法被用来表示模型。该方法把系统中的所有资源都看成对象，每个对象把一组数据和一组过程封装在一起，使得这组过程了解对这组数据的处理。这种方法，设计人员可以按照自己的需要创建自己的对象，并将问题反映在对象上。面向对象方法包含两个主要因素：数据和行为。数据是对象的状态，行为是关于对象的动作程序。把面向对象与模型的表示相结合，得到面向对象模型表示的几个含义：模型类、具体模型、模型类的继承、模型被封装起来。在面向独享模型表示方法中，模型表示和算法是相互独立。模型是模型类、数据、方法三者的结合体。3、模型库管理系统模型库管理系统是为了生成模型和管理模型而提供一个用户优化环境的计算机软件系统，使用户可以通过此系统随时、方便的访问、更新、生成和使用模型。模型库管理系统是联系决策问题、数据与模型的桥梁。1、模型维护和集成技术可以扩展模型库的适用范围，应能构造出符合问题条件的混合模型。2、模型表示方法可以将模型分解成基本单元，并能以知识形式存在，使得模型成为系统的一组共享资源。3、存储技术适用整个管理过程，并与数据库管理及时和知识表示技术兼容。4、能依据问题性质和环境条件选择适当的模型，模型应用规则能保证用户在模型库中正确地适用模型。5、模型生成技术应为用户提供足够的建模知识和算法，在交互过程中完成对新问题性质和条件的建模。通过模型库管理系统把模型库与数据库、知识库和人机界面连接起来。这样可以使模型库从数据库单元中获得有关的数据，并把模型运算的结果送到人机界面，以便与用户进行交互，知识库能提供建立模型和使用模型的背景和知识。根据知识的推理，帮助用户完成模型的生成、连接和评价。新一代的模型管理系统应考虑三种类型用户和三个组成部分。模型管理系统的结构也是三个层次：外部模式，逻辑结构和物理计算层。外部模式作为决策者的信息用户提供关系型的外部模式，逻辑结构层反映了模型的结构。建模者和用户一般最关心的就是逻辑层；工具建造者主要设计物理计算层。模型管理系统和DSS其他组成部分之间需要接口，主要是模型库－数据库联接、模型库－用户接口联接、模式－模型联接和模型－工具联接。模型库数据库用户接口元素模型－数据联接模型－模型联接模型－工具联接外部模式逻辑结构计算工具用户接口MDLMML用户接口建模者工具创造者图10-1模型管理系统的层次和接口外部模式反应信息用户的视图是输入到输出的逻辑表示可以用两个关系表示模型：Input(模型名，输入名)Output(模型名，输出名)这种关系模式的优点是：1、可以简化模型检索和存储，又可以优化模型库和数据库的结合；2、高度模块化，减少影响；3、用户甚至可以不知道模型名就可以输出信息和结果。外部模式和逻辑结构的联接有一个提示模块，建模者用自然语言为每个模型加上相应的解释说明。逻辑结构逻辑结构层对模型的处理需要两种语言，模型定义语言(MDL)和模型操纵语言(MML)逻辑计算顺序中用到的工具或联接的模型发生任何变化，都不会影响外部信息用户获得的模式。物理计算结构中最底层是物理计算层，其中存放计算工具库，每个工具都被看成子程序，建模者只需一条命令use就可以使用它们。接口接口在不同层之间起着重要的连接作用，一般有两个重要的接口。一个是模式－模型接口，踏实外部模式和逻辑结构之间的结构，一般具有如下功能：1、基于模型的逻辑结构来建立模型的外部模式，并存储在模式库中，2、在模式库中检索到某外部模式并执行命令时，运行该模式的逻辑结构；3、变换两层之间的数据和命令；4、作为两层在之间的缓冲，保持各自的独立性。一个是模式－模型接口，踏实外部模式和逻辑结构之间的结构。另一个是模型－工具接口，它是逻辑结构和计算工具之间的接口，具有如下功能：1、当模型调用时，执行相应的工具；2、变换两层的数据和命令；3、作为两层在之间的缓冲，保持各自的独立性。三、DSS的知识库和推理机1、基本概念在半结构和非结构的问题，难以用定量方法解决，至少不能完全解决，需要综合利用知识库，数据库和定量计算结果进行推理和问题求解的推理机。知识是多个信息之间的关联，可以分维事实、规则和规律。包括知识的真实性，相对性、不完全性、模糊性和可表示性等。同时还可以引出知识的另外三个属性：可存储性、可传递性和可处理性。常见的推理方法：演绎法、归纳法、联想和类比等等。知识库的概念是数据库概念在知识处理领域的延伸。智能DSS要吸收专家系统的特点，即拥有知识库，但又不同于一般的专家系统特点，DSS知识库的特点是：1、DSS不仅具有定性的知识推理能力，还有定量的计算功能，并能将两种功能有机的结合起来；2、智能DSS的知识库更为广泛；3、DSS推理机制不仅具有对不同结构特点的知识推理，而且要与定量计算结果综合起来以加权辅助决策的有效性。知识库的建立设计人员、领域专家以及大量的实例和问题构成了开发和改进知识库的系统三个基本要素，开发知识库系统时要遵循以下原则：1、保持知识库系统的在DSS内部的相对独立性，便于知识库系统的内容管理。为知识库的不断扩充和修改提供保证；2、知识库和推理机应该分开，使得解释功能和知识获取功能得到实现；3、在一个知识库中尽量使用一种表示方法，从而使系统中的知识易于处理、解释和管理。4、推理机尽量简单，以便减少解释和知识获取的工作量；5、利用知识的冗余，知识冗余是指获得和利用各具不同优点的多来源知识解决问题；6、知识库的开发应与DSS整个系统的开发相协调。目前，尚缺乏开发知识库的规范化步骤。知识库的建立开发知识库系统的步骤：1、准备阶段2、系统分析阶段3、建立原型阶段4、扩充和改进知识库系统5、知识库的维护2、推理机在决策支持系统中，推理是知识库系统不可缺少的功能。在知识集合上进行各种推理是知识运用最重要的一种形式，它主要特征表现为前提和结论之间的逻辑关系，前提给结论提供理由或证据。推理是运用各种推理规则的过程，按推理进行的方向分：正向推理、反向推理和正向反向混合推理三种。大致有4中推理类型：基于知识的推理，不精确推理，非单调推理和形式推理。推理就是基于知识推理的计算机实现，其主要任务是选择知识和应用知识。一般情况下是搜索法或其他方法进行，有时可能无法实现推理结果，知识的选择(搜索)是一个关键的问题。四、DSS的人机界面1、人机界面概述人机界面是构成DSS的三个主要的技术组成部分之一，将DSS输出提供给用户，并且把用户的输入收集起来提供给DSS。面前DSS人机界面的研究主要是以下方面：1、关于DSS人机界面中人体工程学和人机界面理论的探讨；2、DSS界面表示方法的研究；3、界面开放工具及用户接口管理系统；4、智能化DSS人机界面的评价。良好的人机界面满足以下要求：1、多样性，支持不同用户需要；2、容错，有较好的错误修复能力；3、有效性，完成某一任务仅需较少的努力；4、便利性，通过友好的访问路径；5、柔性，有多种路径进行某个操作；6、一致性，最少的用户培训；7、帮助，提供完整的帮助和提示信息。1、人机界面概述把用户界面管理系统（UIMS）引入DSS人机界面中的设计，将DSS人机界面看作一个独立的，有工具支持的问题是一个新的探讨领域。2、DSS的人机界面组成人机界面由人、计算机和界面三部分组成。DSS人机界面是由决策者、计算机硬件配置和对话部件组成。决策者是DSS的最终用户，是评价DSS人机界面设计质量和水平的最权威的代表。人机界面应该具有如下功能：1、在规定的领域内理解用户的问题和要求；包括对自然语言的理解能力；2、向用户提供DSS中的现有模型状态，并促使新的模型产生；3、给用户提示，启发用户顺利使用DSS为决策服务；4、当多种模式并存时，可以给出必要的提示或帮助；5、给用户提供一个对话的环境，并利于用户作出决策；6、需要时，可以按佣书的要求，输出图形、表格和运算结果，及推理结论和依据等。3、DSS的人机界面设计人机界面设计分为四个阶段：1、嵌入式界面设计2、过程化界面设计3、工具箱技术4、用户界面管理系统一个完整的DSS的UIMS应该提供多方面的功能：1、支持多种硬件设备；2、具有丰富的图形系统，并且与硬件无关；3、支持多种互交形式；4、支持恢复、帮助和出错信息；5、允许用户按总结的设计，由UIMS生成界面或界面源程序。一、环境规划决策支持系统概述环境规划是环境保护体系的重点，但环境规划常伴随有大量结构化、半结构化、非结构化并存的决策问题。计算机决策系统对环境规划的作用是有限的，人最终在环境规划中起着主导作用。环境问题的决策一般可分为三个不同的层次。第一层次为环境战略决策。环境战略决策的任务是要协调环境保护与外部条件之间的关系。第二层次环境战术决策。是在战略决策结果指导下进行，任务是在确定环境明白的前提下，寻求最佳环境战略目标的实现。第三层次技术决策。是战术决策结果的指导下进行，任务是为实现战术决策所确定的方案选择和确定最佳的技术措施。三者是由上而下的一个过程，是相互联系又相互独立的单元。第三节环境规划DSS1、环境规划DSS的组成环境规划DSS由规划决策者、环境系统、DSS软件（数据库、模型库、方法库及其管理系统等）、DSS硬件（计算机、数字化仪、打印机和绘图仪等）和用户系统界面等5部分组成。本质上讲，环境规划DSS在于人对作为客观实体的环境系统的规划，是对人地关系在区域范围内的协调。图10-2环境规划决策支持系统组成模型库数据库管理系统DBMS规划专家环境信息系统对话界面管理系统计算机系统属性数据库空间数据库数据库方法库数据库管理系统DBMS数据库管理系统DBMS查询2、环境规划DSS的设计环境规划DSS由是一个空间信息和非空间信息集成的系统。系统的设计目标是建立环境规划的信息系统和处理，信息分析和存储，信息评价和预测，信息决策和管理的实用性工具，同时也是面向对象，面向空间和面向用户的智能型支持系统。为环境规划提供快速、多层次、高质量的信息服务的规划辅助决策手段。在环境规划DSS设计中，基本的指导思想是可持续发展思想。2、环境规划DSS的总体设计环境规划内容不仅包括规划单元的空间归属、单元的属性特征，还包括基于专业知识的对数据的处理方法。环境规划DSS中至少包括：数据述而编辑与数据库子系统，模型库子系统，方法库子系统和制图与输出子系统四个子系统。信息的转运需要经过5个基本阶段：数据采集－数据输入－数据处理－数据分析－数据输出。模型库及其管理系统的研制是环境规划决策支持系统的核心部分。模型库系统为决策者在工作中进行分析活动提供基本工具。方法库作为对建模活动的基本支持，它存储一些通用的、规范的算法模块，以方便用户进行模型组合、更新和提取等操作。二、环境规划DSS的开发1、开发步骤和方法开发DSS大致需要4个阶段。1、制定计划制定计划阶段最终要的任务是确定系统目标和界定系统范围。2、系统分析初步确定数据库、模型库等外部模型，形成人机界面，输出系统分析报告。3、系统设计通常采用原型法进行。通过反复交流，不断地修改原型，从而明确数据库、模型库的逻辑结构和相互调用关系，在此基础上确定知识的表示和推理的方式。4、系统实施根据系统设计方案，建立人机界面并进行优化，使之更加利于决策者的使用。典型的系统开发过程中最重要的几步－－分析、设计、实施、运行－－合并成一个反复修改的过程。从一般方法论的角度来看，DSS开发方法具有以下要点：A、交互设计；B、用户参与；C、结合决策风格；D、开发时间；E、基于生成系统的积木式设计；F、学习和创造；2、开发工具决策支持系统工具DSST是DSS结构中最基础的一个层次。DSST包括硬件共和软件工具。DSS是三个基本功能：模型管理、数据管理和对话管理。实际上都是对数据的加工和解释。DSS软件工具用来生成和修改这些解释程序或有关数据文件，具体可以分为两大类：1、支持解释程序生成工具；2、支持数据生成的工具。DSS系统的开发设计以现代科学技术的发展是密不可分的，特别是地理信息系统（GIS）和数据仓库及OLAP工具等的出现都为DSS系统的发展提供了基础。我国的环境规划DSS在重视评价和规划模型的同时，基本建立在GIS的基础上，并对人机界面进行不断优化的前提下实现的。一、国际环境管理辅助决策支持系统国家环境管理辅助决策系统（NEMDSS）是为我国环境管理与决策部门服务的，具有多种环境管理和决策功能的大型计算机辅助决策支持系统。第四节环境规划DSS实例(一)开发背景NEMDSS系统的研究目的是为国家研制开发出具有多种环境管理与决策功能的环境管理辅助决策支持系统。根据用户需求，研究过程按5个子系统进行：1、国家环境宏观管理决策支持系统（NEMMDSS）;2、国家环境质量决策支持系统（NEQDS）；3、城市生态系统质量评价系统（UEQDS）；4、社会环境数据库（SEDB）；5、环境污染质量费用数据库（EPTCDB）。(二)研制方法根据DSS的特性和NEMDSS为高层决策者提供辅助决策的需求，要求NEMDSS在使用上具有方便、灵活、友好的用户界面，对环境变化有较大的适应性。因而采用了适用一般决策支持系统开发的快速原型法进行。同时，NEMDSS还引入了其他方法，如用独特的模型管理技术来管理模型，在开发过程中始终坚持面向用户、系统开放性一级建立友好。灵活、方便的用户界面等设计思想。(三)NEMDSS结构NEMDSS系统的结构功能主要由系统的应用功能与维护管理功能两大类功能组成应用系统主要包括基础数据查询与检索，国家环境宏观管理决策、国家环境质量决策