系统工程简明教程（第三版） 汪应洛课件 第二章 系统工程基本分析方法

第二章系统工程基本分析方法第一节系统工程方法论引例第二节系统分析原理第三节系统评价方法第四节决策分析方法第五节分析实例——某特区S机场选址第一节 系统工程方法论引例引例1：柔性制造系统规划问题引例2：A机电设备制造公司运营效率诊断引例1：柔性制造系统规划问题 某纺织机械设备制造公司以制造喷气织机为主营业务，产品位居全国高档喷气织机市场份额的前三位。随着浙江、广东个体纺织业的发展，喷气织机的需求由原来的标准化逐步转向个性化，为适应产品多品种、小批量的特点，企业决定引进柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）来满足制造上的要求。如何设计一个满足本企业要求的柔性制造系统是摆在该企业工程规划人员面前亟待解决的问题。 柔性制造系统是在自动化制造的背景下的一种制造模式，适应于单件小批量生产，其特点是，自动化程度很高，系统可以灵活适应产品的变化，但设备价格昂贵。相关概念规化是指根据需求选择合适的设备型号和数量，并做相应的布置柔性制造系统是自动化制造的背景下的一种制造模式，其特点是自动化程度很高（无人工厂），设备昂贵

设计柔性制造系统首先需要了解柔性制造系统的构成。柔性制造系统包括若干加工中心，刀库、缓冲站（Buffer）、装卸工件的机器人、运送工件的自动导引小车（AGV）以及运输轨道系统构成。

柔性制造系统构成实例设计环境零件不确定零件工艺不同在不同机床上进行不同加工依照不同次序，零件到达分布规律是随机的，但符合某种分布，零件加工的过程相当于排队网如何设计制造系统？设计过程需求分析初步设计与成本规格确定机床数量零件流刀具流夹具操作工最终设计实施UserSupplier引例2：A机电设备制造公司运营效率诊断

A机电设备制造有限公司（以下简称A公司）系中国某机电设备制造公司与日本某机电株式会社合资组建的合资公司，其产品主要为电器设备。该公司系全国先进制造技术试点网点单位，其设备完全采用日本公司所提供自动化加工中心和数控机床，并配备先进的全自动立体仓库。公司管理信息系统采用德国的SAPR/3MRPII（制造资源规划）系统。 公司人力资源来自中日双方合资母公司。由于日方更关注产品质量能否达到其本国标准，因而公司制造部部长由日方出任，日方的另外一名员工是候任总经理，由于合资双方各占50%的股份，总经理由中日双方轮流担任，每4年更换一次总经理，由中方首先派出总经理。公司组织结构图总经理管理部长制造部长行政财务供销装配加工NC技术计划操作层ABCDEFGHIJK日本人分析问题：

诊断并设计新的组织结构

“人人有事干，事事有人干”方法论研究：从哪里开始着手解决问题？如何设计解决问题的过程？如何最终完成企业提出的问题？小结 上述两个问题分别属于两类问题，柔性制造系统规划与设计属于工程系统问题，霍尔方法论可以很好的解决类似的硬问题。 企业组织效率与工作系统设计属于社会经济系统一类的软问题，切克兰德方法论适合于解决该类问题。第二节 系统分析原理概念系统工程是研究大规模复杂问题的思想、方法（论）、程序与技术的总称“程序”即指系统分析过程，就是常说的解决问题的“套路”系统分析是用科学或数量的方法对系统进行研究的一种方法广义系统分析就等同于系统工程狭义的系统分析是指运用建模、优化、仿真、评价等技术对系统的各个方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程系统分析过程可分为阐明问题、分析研究与评价比较三个阶段系统分析程序系统分析过程一、阐明问题二、谋划被选方案三、建模与预计后果四、预测未来环境五、评比被选方案六、系统工程报告一、阐明问题几个概念提出问题与解决问题硬问题与软问题决策者，提出问题者，委托人与SA人员阐明阶段的工作内容问题的性质问题的条件阐明阶段的工作内容问题的性质问题提出者？决策者？他们的目的？相关问题？环境？问题的条件（约束）大体资源？人力？物力？财力？技术？时间？其他约束？二、谋划备选方案案例：美国阿拉斯加原油运输方案谋划方案技术头脑风暴法Delphi法635法类比法矩阵法三、建模与预计后果

常见模型：结构模型、数学模型、仿真模型国防科技大学的杜玠教授将模型分为：原样模型相似模型逻辑模型数学模型西安交通大学李怀祖教授将模型分为：分析模型仿真模型博奕模型判断模型此外，还有许多其他模型分类方法，如按模型量化的程度分定性模型（递阶结构模型）、定量模型（状态空间方程）以及定性定量行相结合模型（系统动力学）等。四、预测未来环境每项系统工程都需要预测各种备选方案的后果，而每种后果都与将付诸实施时的环境有关通常使用“情景分析法”解决方案的未来环境问题五、评比被选方案评价方法关联矩阵法逐对比较法古林法AHP法模糊评价法六、系统工程报告系统工程报告分类简略报告（给决策人）主体报告（给委托人）技术报告（给专家，学位论文）第三节 系统评价方法系统评价要素系统评价工具—关联矩阵逐对比较法古林法层次分析（AHP

）法模糊综合评价法一、系统评价要素系统评价是多方面要素（5W1H）所构成的问题复合体评价对象（What）评价主体（Who）评价目的（Why）评价时期（When）评价地点（Where）评价方法（How）认识评价问题(5W1H)搜集、整理、分析资料方案准则主体选择评价方法、建立评价模型

分析、计算评价值综合评价决策关联矩阵法（原理性方法）层次分析法（评价要素多层次分布）模糊综合评判法（多评价主体）程序和方法

二、关联矩阵法关联矩阵是常用的系统综合评价工具，它主要是用矩阵的形式来表示各替代方案有关评价指标及其重要度与方案关于具体指标的价值评定量之间的关系Ai是某评价对象的m个替代方案；Xj是评价替代方案的n个评价指标或评价项目；ωj是n个评价指标的权重；Vij是第i个替代方案Ai的关于指标Xj的价值评定量（其中i=1~m,j=1~n）Vi

X1X2

…Xn

XjVijAiA1A2Am…………………...逐对比较法、古林法

Vij

=?三、逐对比较法例

某农业县为提高其土地产值决定从市场上购进一批高效化肥，现有A1、A2、A3三种类型的化肥采购方案可供选择。通过权威部门及人士讨论决定评价指标为五项。它们分别是：①亩产量x1/kg；②每百斤产量费用x2/元；③每亩用工x3/工日；④每亩纯收入x4/元；⑤土壤肥力增减级数x5根据专业人士的预测和估计，实施这三种方案后关于五个评价项目的结果如下表所示x1/kgx2/元x3/工日x4/元x5A114004.1221154A218004.8351254A321506.552902方案能达到的指标值逐对比较法步骤一：用逐对比较法，求出各评价指标的权重评价指标比较次数累计得分权重12345678910x1111030.3x2011020.2x3000000x4001010.1x5111140.4评价的指标及其权重逐对比较法评价值x1/kgx2/元x3/工日x4/元x552200以上3以下20以下140以上641900-22003-420-30120-140531600-19004-530-40100-120421300-16005-640-5080-100311000-13006-750-6060-80201000以下7以上60以上60以下1步骤二：由评价主体确定评价尺度，如下表方案的评价尺度逐对比较法步骤三：根据评价尺度表及方案指标值表，对各替代方案的进行综合评定对替代方案A1有

V1=0.3*2+0.2*3+0.1*3+0.4*3=2.7对替代方案A2有

V2=0.3*3+0.2*3+0*3+0.1*4+0.4*3=3.1对替代方案A4有

V3=0.3*4+0.2*1+0*1+0.1*2+0.4*1=2.0逐对比较法x1x2/元x3/工日x4/元x5Vi0.30.200.10.4A1234332.7A2333433.1A3411212.0关联矩阵例表步骤三：将以上计算结果用关联矩阵表示四、古林法步骤一：确定评价指标的重要度Rj

序号评价项目RjKjWj1土壤肥力增减级数x53180.5802亩产量x11.560.1943每百斤产量费用x2240.1294每亩纯收入x4220.0655每亩用工x3—10.032合计311.000关联矩阵例表古林法步骤二：Rj的基准化处理

设基准化处理的结果为Kj，以最后一个评价指标作为基准，令其K值为1，自下而上计算其他评价项目的K值步骤三：Kj的归一化处理

将Kj列的数值相加，分别除以各行的K值，所得结果即分别为各评价项目的权重Wj古林法序号（j）评价项目替代方案RjKjVij1亩产量x1A1A2A30.7780.837—0.6510.83710.2620.3360.4022每百斤产量费用x2A1A2A31.1711.354—1.5861.35410.4020.3440.2543每亩用工x3A1A2A31.5911.486—2.3641.48610.4880.3060.2064每亩纯收入x4A1A2A30.9201.389—1.2781.38910.3480.3790.2735土壤肥力增减叙述x5A1A2A31.0002.000—2.0002.00010.4000.4000.200步骤四：对各替代方案逐项进行评价

古林法求Vij例表古林法x1x2/元x3/工日x4/元x5Vi0.1940.1290.0320.0650.580A10.2620.4020.4880.3480.4000.373A20.3360.3440.3060.3790.4000.376A30.4020.2540.2060.2730.2000.251步骤五：综合关联矩阵例表和Vij例表的结果，即可计算三个替代方案的综合评定结果关联矩阵例表基本原理产生与发展基本思想和实施步骤基本方法举例——供应商评价AHP一般方法建立评价系统的递阶层次结构构造两两比较判断矩阵要素相对权重或重要度向量W的计算方法

五、层次分析法

产生与发展

许多评价问题的评价对象属性多样、结构复杂，难以完全采用定量方法或简单归结为费用、效益或有效度进行优化分析与评价，也难以在任何情况下做到使评价项目具有单一层次结构。需要首先建立多要素、多层次的评价系统，并采用定性与定量有机结合的方法或通过定性信息定量化的途径，使复杂的评价问题明朗化 美国运筹学家、匹兹堡大学教授T.L.萨迪于20世纪70年代初提出了著名的AHP（AnalyticHierarchyProcessing，解析递阶过程，通常意译为“层次分析”）方法

基本原理基本原理基本思想

AHP方法把复杂的问题分解为各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中诸因素的相对重要性，然后综合有关人员的判断，确定各备选方案相对重要性的总排序。实施步骤分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构对同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较判断矩阵，并进行一致性检验由判断矩阵计算被比较要素对于该准则的相对权重计算各层要素对系统目的（总目标）的合成（总）权重，并对各备选方案排序。基本方法举例——供应商评价一、建立该供应商评价问题的递阶结构

基本方法举例——供应商评价二、建立各阶层的判断矩阵，并进行一致性检验判断矩阵标度定义标度含义1两因素相比，具有同等重要程度3两因素相比，前者比后者稍重要5两因素相比，前者比后者明显重要7两因素相比，前者比后者强烈重要9两因素相比，前者比后者极端重要2，4，6，8取上述两相邻判断中的中值倒数两个要素相比，后者比前者的重要性标度基本方法举例——供应商评价AB1B2B3WiWi0λmiB11231.8170.5283.054B21/2131.1450.3323.054B31/31/310.4810.1403.053B1C1C2C3WiWi0λmiC1151/31.1860.2873.094C21/511/60.3220.0783.093C33612.6210.6353.095三、判断矩阵及重要度计算和一致性检验的过程和结果基本方法举例——供应商评价B2C1C2C3WiWi0λmiC111/381.3870.3003.105C231930.6483.107C31/81/910.2400.0523.111B3C1C2C3WiWi0λmiC11583.4200.7333.094C21/5140.9280.2003.095C31/81/410.3150.0673.094三、判断矩阵及重要度计算和一致性检验的过程和结果基本方法举例——供应商评价B1B2B30.5280.3320.140C10.2870.3000.7330.354C20.0780.6480.2000.284C30.6350.0520.0670.362四、求各方案的总重要度方案总重要度计算例表结果表明，三个方案的优劣顺序为：C3、C1、C2，故S3优于S1，S1优于S2 一、建立评价系统的递阶层次结构三个层次最高层中间层最底层三种结构形式完全相关结构。完全独立结构——树形结构。混合结构（包括带有子层次的混合结构）。两种建立递阶层次结构的方法分解法解释结构模型化方法（ISM法）AHP一般方法AHP一般方法 二、构造两两比较判断矩阵判断矩阵的性质两两比较判断的次数定量指标的处理一致性检验方法计算一致性指标C.I.查找相应的平均随机一致性指标R.I.计算一致性比例C.R. 三、要素相对权重或重要度向量W的计算方法求和法（算术平均法）方根法（几何平均法）特征根方法最小二乘法AHP一般方法引例——医院健康状况会诊的系统评价主要步骤及有关概念理论与方法基础六、模糊综合评价法医院健康状况会诊的系统评价良好一般差很坏x1气色（0.2）7210x2力气（0.1）5410x3食欲（0.3）4411x4睡眠（0.2）3502x5精神（0.2）4321综合评价医院健康状况会诊的原始表格及10名医生对某人健康状况评价意见的统计结果如图所示医院健康状况会诊的系统评价良好（90）一般（70）差（50）很坏（30）说明x1（0.2）0.70.20.10该隶属度是表2-14中评价结果占总人数的比重，即由表2-14每行数值除以10得到的结果x2（0.1）0.50.40.10x3（0.3）0.40.40.10.1x4（0.2）0.30.500.2x5（0.2）0.40.30.20.1综合隶属度0.450.360.100.09综合评价结果综合得分73.40经分析计算得到的综合评价结果如下主要步骤及有关概念1、确定因素集F和评定（语）集E

因素集F即评价项目或指标的集合，评定集或评语集E即评价等级的集合

2、统计、确定单因素评价隶属度向量，并形成隶属度矩阵

所谓隶属度rij，是指多个评价主体对某个评价对象在fi方面做出ej评定的可能性大小（可能性程度）

3、确定权重向量WF等

WF为评价项目或指标的权重或权系数向量

4、按某种运算法则，计算综合评定向量S（综合隶属度向量）及综合评定值（综合得分）理论与方法基础模糊数学的产生和发展模糊子集最大隶属（度）原则第四节 决策分析方法一、决策的概念二、决策问题的基本模型和常见类型三、几类基本决策问题的分析一、决策的概念决策是管理的重要职能，它是决策者对系统方案所作决定的过程和结果，是决策者的行为和职责决策分析的过程：问题分析、诊断及信息活动对目标、准则及方案的设计活动对非劣备选方案进行综合分析、比较、评价的抉择或选择活动将决策结果付诸实施并进行有效评估、反馈、跟踪、学习的执行或实施活动。二（1）、决策问题的基本模型决策问题的基本模式为：Wij=f(Ai,θj),i=1,2,……m，j=1,2,……n

Ai——决策者的第i种策略或第i种方案，属于决策变量，是决策者的可控因素；

θj——决策者和决策对象（决策问题）所处的第种j环境条件或第j种自然状态，属于状态变量，是决策者不可控制的因素；

Wij——决策者在第j种状态下选择第i种方案的结果，是决策问题的价值函数，一般叫益损值、效用值。二（2）、决策问题的常见类型三、几类基本决策问题的分析确定性决策条件：存在决策者希望达到的明确目标（收益大或损失小等）存在确定的自然状态存在着可供选择的两个以上的行动方案不同行动方案在确定状态下的益损值可以计算出来方法：在方案数量较大时，常用运筹学中规划论等方法来分析解决，如线性规划、目标规划案例：EOQ模型几类基本决策问题的分析风险性决策条件存在决策者希望达到的明确目标（收益大或损失小等）存在两个以上不易决策者主观意志为转移的自然状态，但决策者或分析人员根据过去的经验和科学理论等可以预先估算出自然状态的概率值存在着两个以上可供决策者选择的行动方案不同行动方案在确定状态下的益损值可以计算出来方法期望值决策树法几类基本决策问题的分析不确定性决策条件存在决策者希望达到的明确目标（收益大或损失小等）自然状态不确定，且其出现的概率不可知存在着两个以上可供决策者选择的行动方案不同行动方案在确定状态下的益损值可以计算出来方法乐观法悲观法等概率法后悔值法第五节 分析实例——某特区S机场选址一、问题的背景二、决策影响因素三、备选方案的特征分析四、解决机场选址问题步骤五、结论一、问题的背景项目背景

上世纪80年代初，S市的领导班子根据区域发展规划，决定建设一个国际机场备选方案谋划

通过对HT、BS、CA、HD、NL、TL等6个场址做调查研究，进行可行性研究和初步筛选后，决定在HT和BS场址之间选择最终方案

二、决策影响因素地理位置距离城镇的距离与城市发展相协调净空问题环保问题飞机噪声污染预防鸟击飞机污水便于排除效益问题三、备选方案的特征分析方案一：HT选址场址位于该市与某特区之间，位置适中，货运方便，而且可以争取到更多的国际客源方案二：BS选址客源主要来自内陆地区，不会影响城市的发展，便于飞机安全飞行，地域广阔、净空条件好、噪声影响也不大、供水供电都容易解决四、解决机场选址问题步骤本案例运用AHP方法进行分析决策的步骤如下：(1)分析评价系统中各基本要素之间的关系，建立系统的递阶层次结构(2)对同一层次的各要素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，构造判断矩阵（专家调查法）(3)由判断矩阵计算被比较要素对于该准则的相对权重（方根法）(4)计算各层要素相对于系统目的（总