系统工程的基本方法.ppt

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1、 在在第第一一章章中中，我我们们比比较较详详尽尽地地介介绍绍了了系系统统的的概概念念、系系统统工工程程的的基基本本知知识识、系系统统工工程程发发展展简简史史和和农农业业系系统统工工程程等等内内容容，这这对对于于建建立立系系统统的的观观点点，进进而而正正确确地地进进行行思思维维和和工工作作是是十十分分重重要要的的。但但是是，只只有有系系统统观观点点、整整体体优优化化的的目目标标还还只只是是空空中中楼楼阁阁，要要想想解解决决具具体体的的实实际际问问题题，还还必必须须有有相相适适应应的的方方法，这就是本章所要介绍的中心内容。法，这就是本章所要介绍的中心内容。第二章第二章 系统工程的基本方法系统工程的

2、基本方法 首先说明，由于系统工程学科的综合性，在首先说明，由于系统工程学科的综合性，在解决实际问题中所采用的方式和方法是很多的，解决实际问题中所采用的方式和方法是很多的，但概括起来主要有五个基本方法：但概括起来主要有五个基本方法：一、逻辑思维过程总体设计方法；一、逻辑思维过程总体设计方法；二、开展综合研究的方法；二、开展综合研究的方法；三、模型化的研究方法；三、模型化的研究方法；四、系统工程中的价值评定方法；四、系统工程中的价值评定方法；五、系统控制的方法五、系统控制的方法 显然，这五个基本方法作为一个有机整体，显然，这五个基本方法作为一个有机整体，都是为实现系统整体优化目标服务的，下面就分都

3、是为实现系统整体优化目标服务的，下面就分别加以介绍。别加以介绍。一、霍尔三维结构模型一、霍尔三维结构模型 年，美国学者霍尔（年，美国学者霍尔（.）发表了系统工程的工作步骤、程序和基本知识的发表了系统工程的工作步骤、程序和基本知识的三维结构模型（见图）。其中时间维是按时间顺三维结构模型（见图）。其中时间维是按时间顺序划分七个阶段，即规划、拟定方案、系统研究、序划分七个阶段，即规划、拟定方案、系统研究、生产、安装、运转、更新；逻辑维是按科学思维生产、安装、运转、更新；逻辑维是按科学思维程序分为七个步骤，即明确问题、设计系统目标、程序分为七个步骤，即明确问题、设计系统目标、系统综合、系统分析、系统优

4、化、决策、实施，系统综合、系统分析、系统优化、决策、实施，知识维则说明在完成系统工程的各个阶段、步骤知识维则说明在完成系统工程的各个阶段、步骤所需要的有关专业知识。所需要的有关专业知识。第一节第一节 逻辑思维过程总体设计方法逻辑思维过程总体设计方法 霍尔三维结构模型霍尔三维结构模型生产生产工程技术工程技术社会科学社会科学规划规划拟定方案拟定方案系统研究系统研究安装安装运转运转更新更新设计系统指标设计系统指标系统综合系统综合系统分析系统分析系统优化系统优化明确问题明确问题决策决策实施实施时间维时间维知识维知识维逻辑维逻辑维 明确问题明确问题 明确问题是做好各项工作的前提条件，一般明确问题是做好各

5、项工作的前提条件，一般而言，主要包括如下几个方面内容：而言，主要包括如下几个方面内容：第一，要明确问题的性质。即指是什么样的第一，要明确问题的性质。即指是什么样的系统问题（是硬件开发？还是软件设计等）；提系统问题（是硬件开发？还是软件设计等）；提出的主要指标（如工期，可靠性、先进性等）；出的主要指标（如工期，可靠性、先进性等）；问题的复杂程度评估等。问题的复杂程度评估等。第二，要明确系统开发的目的和意义。为此第二，要明确系统开发的目的和意义。为此要较全面地了解生产急需情况及国内外研究现状，要较全面地了解生产急需情况及国内外研究现状，进而为设计系统目标提供依据。进而为设计系统目标提供依据。第三，

6、要明确系统的边界，即建立系统与环第三，要明确系统的边界，即建立系统与环境的概念，从而为确定系统的输入与输出关系提境的概念，从而为确定系统的输入与输出关系提供依据。供依据。第四，要明确为完成该项开发活动可能提供第四，要明确为完成该项开发活动可能提供的人、财、物等方面的条件。的人、财、物等方面的条件。总之，明确问题就是要做到心中有数，是从总之，明确问题就是要做到心中有数，是从多侧面、多层次对问题进行了解的过程，进而为多侧面、多层次对问题进行了解的过程，进而为最终解决问题奠定基础。最终解决问题奠定基础。设计系统目标设计系统目标 系统目标是系统有序运动的目的指向，也是系统目标是系统有序运动的目的指向，

7、也是优化系统结构的基本依据。因此，一般认为，目优化系统结构的基本依据。因此，一般认为，目标研究比实现目标还困难。标研究比实现目标还困难。设计系统目标是件关系全局的大事，必须慎设计系统目标是件关系全局的大事，必须慎而又慎。而又慎。设计系统目标时，一般可分为两个阶段：首设计系统目标时，一般可分为两个阶段：首先进行目标体系设计。包括总目标、分目标和具先进行目标体系设计。包括总目标、分目标和具体目标三个层次，如图所示。体目标三个层次，如图所示。目标体系层次结构目标体系层次结构2 23 3总目标总目标分目标分目标具体目标具体目标1 1 总总目目标标是是系系统统开开发发的的目目的的指指向向，既既是是核核心

8、心，也也是是灵灵魂魂；分分目目标标和和具具体体目目标标是是为为系系统统评评价价而而设设置置的的评评价价体体系系。其其中中第第3 3层层目目标标大大都都是是可可量量化化的的。从从而而为为下下一一步步指指标标研研究究提提供供了了依依据据。根根据据经经验验，目标体系设计应注意以下三条原则：目标体系设计应注意以下三条原则：第第一一，突突出出主主要要目目标标原原则则。在在选选择择目目标标时时不不能能面面面面俱俱到到，致致使使目目标标数数量量过过度度膨膨涨涨。这这样样不不仅仅大大大大增增加加总总体体工工作作，更更主主要要的的还还容容易易冲冲淡淡对对主主要要目目标标的的注注意意力力，影影响响集集中中主主要要

9、精精力力解解决决主主要要矛矛盾盾。第第二二，目目标标独独立立性性原原则则。若若在在同同层层次次不不同同目目标标之之间间存存在在着着明明显显的的相相关关关关系系，如如农农林林牧牧付付渔渔各各业业产产值值自自然然隐隐含含着着农农业业内内部部结结构构关关系系，此此时时应应采采取取保保留留主主要要目目标标原原则则，以以体体现现目目标标的的独独立立性性。这这样不仅可减少目标数量，而且不丢失必要的信息。样不仅可减少目标数量，而且不丢失必要的信息。第第三三，有有利利决决策策原原则则。这这在在制制定定复复杂杂大大系系统统发发展展战战略略规规划划时时意意义义更更为为明明显显。为为使使决决策策者者快快速速而而准准

10、确确地地了了解解不不同同方方案案的的基基本本情情况况，有有必必要要把把决决策策者者关关心心的的一一些些综综合合性性目目标标列列出出来来，我我们们把把它它定定义义成成决决策策支支持持信信息息目目标标。这这样样决决策策者者可可很很快快得得到到决策支持信息，从而增强了战略目标的实用性。决策支持信息，从而增强了战略目标的实用性。在在完完成成指指标标体体系系设设计计后后，一一般般来来讲讲就就应应进进行行量量化化指指标标研研究究。由由于于具具体体指指标标很很多多，加加之之相相关关因因素素也也很很多多。这这部部分分工工作作的的难难度度也也是是很很大大的的。从从研研究究方方法法看看，也也依依研研究究对对象象不

11、不同同而而异异。概概括括起起来来大大体分三种情况：体分三种情况：一是借助各种预测技术，通过建立不同预测一是借助各种预测技术，通过建立不同预测模型给出不同时刻的量化指标；模型给出不同时刻的量化指标；二是建立总体协调优化模型，通过计算机求二是建立总体协调优化模型，通过计算机求解给出不同时刻的量化指标；解给出不同时刻的量化指标；三是首先进行子系统优化，然后通过系统组三是首先进行子系统优化，然后通过系统组装和总体协调给出不同时刻的量化指标。装和总体协调给出不同时刻的量化指标。不管采用什么方法，在最后给出量化指标时，不管采用什么方法，在最后给出量化指标时，都应满足下面三条原则：都应满足下面三条原则：第一

12、与上级大系统指标要求相一致原则；第一，与上级大系统指标要求相一致原则；第二，指标的先进性与可行性相统一原则；第二，指标的先进性与可行性相统一原则；第三、留出置信区间原则。第三、留出置信区间原则。农业系统目标设计实例农业系统目标设计实例某农业系统目标设计实例，供参考。某农业系统目标设计实例，供参考。O O1 1-经济效经济效益分目标益分目标P P1 1-农业总农业总产值产值(万元万元)P P2 2-人均人均收入收入(元元)P P3 3-上交粮食上交粮食(吨吨)P P4 4-工业上交工业上交利税利税(元元)P P5 5-森林覆森林覆被率被率(%)(%)P P6 6-亩施有亩施有机肥机肥(公斤公斤

13、)O O-系系统统发发展展总总目目标标O O2 2-社会效社会效益分目标益分目标O O3 3-生态效生态效益分目标益分目标时序指标集时序指标集 1990 1995 2000 1990 1995 2000103.5-103.5-115.4115.4500-500-6006003003007.7-7.7-9.09.015-1815-18750-750-10001000/20020012-1512-15650-650-800800目目标标体体系系350350207.1-207.1-225.0225.0876-876-10001000400-400-1200120018-2118-2112.0-12.

14、0-15.015.0 系统综合系统综合 综合就是组装，也是创造。综合就是组装，也是创造。系统综合是根据系系统综合是根据系统目标要求，综合加工信息，形成系统概念，并统目标要求，综合加工信息，形成系统概念，并使目标达成的创造性劳动过程。系统综合的核心使目标达成的创造性劳动过程。系统综合的核心是概念开发，而不是具体设计。如阿波罗登月系是概念开发，而不是具体设计。如阿波罗登月系统，在工程进入具体设计之前，首先应构思不同统，在工程进入具体设计之前，首先应构思不同的登月系统方案的登月系统方案即概念开发活动。然后通过比即概念开发活动。然后通过比较分析确定最佳行动方案。较分析确定最佳行动方案。系统综合可细分为

15、技术综合与环境综合。系统综合可细分为技术综合与环境综合。.系统分析系统分析 对系统分析的理解，国内外有不同的解释，对系统分析的理解，国内外有不同的解释，在日本世界大百科年鉴一书中解释成：系统在日本世界大百科年鉴一书中解释成：系统分析可作为系统工程的同义词来理解。而美国分析可作为系统工程的同义词来理解。而美国麦氏科学技术大百科全书则解释成：用数学麦氏科学技术大百科全书则解释成：用数学方法研究系统问题叫系统分析。方法研究系统问题叫系统分析。系统分析是系统工程人员使用科学的工具和系统分析是系统工程人员使用科学的工具和方法，对系统的目的、功能、环境、费用、效益方法，对系统的目的、功能、环境、费用、效益

16、等进行充分的调查研究，通过数据处理和模型化等进行充分的调查研究，通过数据处理和模型化方法，得出评价系统功能、费用等量化指标，来方法，得出评价系统功能、费用等量化指标，来作为决策者确定最优方案的依据。作为决策者确定最优方案的依据。具体讲系统分析主要包括如下几方面内容：具体讲系统分析主要包括如下几方面内容：系统环境分析。包括自然环境和社会环境。系统环境分析。包括自然环境和社会环境。如资源潜力、市场情况、投资能力、人口发展等。如资源潜力、市场情况、投资能力、人口发展等。方案可行性分析。重点分析方案的先进性、方案可行性分析。重点分析方案的先进性、实用性和可操作性。实用性和可操作性。经济活动分析。主要包

17、括投入产业分析，经济活动分析。主要包括投入产业分析，投资效益分析等。投资效益分析等。.系统优化系统优化 在满足一组约束条件情况下，使目标函数取在满足一组约束条件情况下，使目标函数取得极大值或极小值的求解过程。显然，这种解释得极大值或极小值的求解过程。显然，这种解释必须首先建立相应的数学优化模型，然后借助计必须首先建立相应的数学优化模型，然后借助计算实现优化的目的。但是，从系统工程的角度来算实现优化的目的。但是，从系统工程的角度来看，光有上面数学优化还是不够的，这是因为现看，光有上面数学优化还是不够的，这是因为现实系统都是复杂的开放大系统，不仅涉及因素众实系统都是复杂的开放大系统，不仅涉及因素众

18、多，而且要求兼顾多目标。多，而且要求兼顾多目标。因此，借助数学模型来模拟现实系统，并达因此，借助数学模型来模拟现实系统，并达到最优是因难的，甚至是不可能的。另外，评定到最优是因难的，甚至是不可能的。另外，评定方案的优劣是由决策者裁定的，这就要求系统工方案的优劣是由决策者裁定的，这就要求系统工程工作者提供多个可供选择的方案。并为决策者程工作者提供多个可供选择的方案。并为决策者提供明确的决策支持信息提供明确的决策支持信息即方案的综合评定意即方案的综合评定意见。所以系统优化应该包括模型优化和多方案综见。所以系统优化应该包括模型优化和多方案综合评定两部分内容，最后以推荐方案形式供决策合评定两部分内容，

19、最后以推荐方案形式供决策者参考。者参考。综上所述，系统优化可概括成如图的综上所述，系统优化可概括成如图的形式。形式。系统综合系统综合现实系统模型化现实系统模型化系统分析系统分析计算机求解计算机求解方案可行方案可行?可行方案集可行方案集评价指标评价指标多目标综合评定多目标综合评定系统优化过程框图系统优化过程框图方案设计方案设计推荐方案输出推荐方案输出 .决策决策 这是领导者的主要工作，也是体现整体性原这是领导者的主要工作，也是体现整体性原则不可缺少的环节。系统工程工作者向决策者推则不可缺少的环节。系统工程工作者向决策者推出提荐方案意见，但不等于决策，决策者有权选出提荐方案意见，但不等于决策，决策

20、者有权选中，也有权不选中。这里要强调说明一点，决策中，也有权不选中。这里要强调说明一点，决策是一项独立性很强的活动，决策者可能在推荐方是一项独立性很强的活动，决策者可能在推荐方案中选择一个方案，也可能全部否定。此时任何案中选择一个方案，也可能全部否定。此时任何人都无权干涉。当然，决策结果也会有多种可能，人都无权干涉。当然，决策结果也会有多种可能，其中两个极端情况是：一是取得极大成功，这说其中两个极端情况是：一是取得极大成功，这说明决策者非常胜任工作，水平很高；二是以失败明决策者非常胜任工作，水平很高；二是以失败而告终，此时应由决策者承担全部责任。而告终，此时应由决策者承担全部责任。.实施实施

21、把决策意见（选中的方案）落实到行动上叫把决策意见（选中的方案）落实到行动上叫实施。这是系统开发最为壮观的时刻，也是检验实施。这是系统开发最为壮观的时刻，也是检验优化方案的唯一尺度。由于在实施过程中，涉及优化方案的唯一尺度。由于在实施过程中，涉及到资源的配置，人、财、物的调配等重大问题的到资源的配置，人、财、物的调配等重大问题的决策，很明显，在实施阶段决策者就是直接指挥决策，很明显，在实施阶段决策者就是直接指挥者，而系统工程人员则退居从属地位。者，而系统工程人员则退居从属地位。二、逻辑思维过程总体设计二、逻辑思维过程总体设计 逻辑思维过程总体设计是系统综合的具体化。逻辑思维过程总体设计是系统综合

22、的具体化。它是根据具体任务和目标要求，崐全面构思行动它是根据具体任务和目标要求，崐全面构思行动方案，使目标达成的创造性劳动过程。逻辑思维方案，使目标达成的创造性劳动过程。逻辑思维过程总体设计一般表述成框图形式，也就是把开过程总体设计一般表述成框图形式，也就是把开展系统研究的步骤、方法及有关科学知识的运用展系统研究的步骤、方法及有关科学知识的运用有机地综合在一张图上。这个框图从开题论证，有机地综合在一张图上。这个框图从开题论证，一直到最优方案的确定与评价，反映了整个系统一直到最优方案的确定与评价，反映了整个系统设计的全部思想和准备采用的研究方法。设计的全部思想和准备采用的研究方法。在实际工作中，

23、一般由负责总体设计的系统在实际工作中，一般由负责总体设计的系统工程人员先提出一个初步设计，然后经过有关领工程人员先提出一个初步设计，然后经过有关领导和专门家进行讨论修改而成。最后说明一点，导和专门家进行讨论修改而成。最后说明一点，总体设计程序框图没有规范模式，步骤和内容可总体设计程序框图没有规范模式，步骤和内容可粗可细，主要根据具体问题、具体执行人而定。粗可细，主要根据具体问题、具体执行人而定。但从实用角度出发，还是比较详细一点为好。为但从实用角度出发，还是比较详细一点为好。为帮助读者更直接地了解逻辑思维过程总体设计的帮助读者更直接地了解逻辑思维过程总体设计的内容和实用价值，我们给出一个简单实

24、例如图所内容和实用价值，我们给出一个简单实例如图所示。示。关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的可行性研究总体设计程序框图可行性研究总体设计程序框图关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的可行性研究关于开发朝阳沟镇蔬菜生产的可行性研究综合考察综合考察朝阳沟镇系统现状分析朝阳沟镇系统现状分析环境条件分析环境条件分析农业生产概况描述农业生产概况描述交通、人口、自然情况分析交通、人口、自然情况分析蔬菜生产情况描述蔬菜生产情况描述各种蔬菜总需求预测各种蔬菜总需求预测开发蔬菜生产的优势和问题开发蔬菜生产的优势和问题可能提供的资金支持可能提供的资金支持综合分析综合分析停止停止内外条件具备内外条件具备?确定

25、蔬菜生产单元全集确定蔬菜生产单元全集确定蔬菜生产方式：棚、室、大地确定蔬菜生产方式：棚、室、大地模型化研究模型化研究模型参数研究模型参数研究计算机优化、多方案输出计算机优化、多方案输出综合评审、推荐开发方案综合评审、推荐开发方案撰写研究报告撰写研究报告 开展多学科综合研究是系统工程的基本特征开展多学科综合研究是系统工程的基本特征之一。就农业系统来讲，由于它所涉及的内容十之一。就农业系统来讲，由于它所涉及的内容十分广泛，联系的学科很多，因此，开展农业系统分广泛，联系的学科很多，因此，开展农业系统综合研究，必须有生物学家、农学家、气象学家、综合研究，必须有生物学家、农学家、气象学家、农业经济学家、

26、农机方面专家和系统工程专家等农业经济学家、农机方面专家和系统工程专家等密切配合才能完成。密切配合才能完成。第二节第二节 开展综合研究的方法开展综合研究的方法 一、开展综合研究的组织程序一、开展综合研究的组织程序 开展综合研究并非是一件简单的事情，必须开展综合研究并非是一件简单的事情，必须按一定的组织程序进行合理地组织，才能做到协按一定的组织程序进行合理地组织，才能做到协调，有序地开展综合研究（见图）。调，有序地开展综合研究（见图）。开展综合研究的组织程序框图开展综合研究的组织程序框图任务和目标任务和目标进行总体设计进行总体设计确定学科，落实人员确定学科，落实人员总体设计合理总体设计合理?落实任

27、务分头研究落实任务分头研究系统综合优化系统综合优化修改子系统修改子系统?提交成果，结束提交成果，结束是是系统工程专家系统工程专家系统工程专家系统工程专家有关领导、全部专家有关领导、全部专家各方面专家各方面专家计算机专家、系统工程专家计算机专家、系统工程专家有关领导、系统工程专家有关领导、系统工程专家否否否否是是 二、在综合研究中的协同关系二、在综合研究中的协同关系 构造系统模型是系统工程的核心工作，在构构造系统模型是系统工程的核心工作，在构造模型过程中，各方面专家的密切配合非常重要。造模型过程中，各方面专家的密切配合非常重要。现以图现以图(农业系统模型的制作和推广关系框图农业系统模型的制作和推

28、广关系框图)为为例，从中我们可进一步了解各有关专家的主要任例，从中我们可进一步了解各有关专家的主要任务和协同关系。务和协同关系。农业系统模型的制作和推广关系框图农业系统模型的制作和推广关系框图植物生理学家植物生理学家生物学家生物学家昆虫学家昆虫学家农学家等农学家等农业经济学家农业经济学家农学家农学家各级决策者各级决策者推广人员推广人员计算机求解计算机求解用用 户户数据概念数据概念目标、费用目标、费用系统性能系统性能提供计算结果提供计算结果问题、意见问题、意见推广、更新推广、更新实实施施系统分析系统分析系统综合系统综合模型化模型化系统工程人员系统工程人员 三、开展综合研究应明确的几个关系三、开展

29、综合研究应明确的几个关系 实践表明，为顺利开展综合研究，还必须明实践表明，为顺利开展综合研究，还必须明确以下几个关系：确以下几个关系：、局部服从整体关系、局部服从整体关系 、知识互补关系、知识互补关系 、成果共享关系、成果共享关系 系统工程的主要特征可归纳四点，即整体化、系统工程的主要特征可归纳四点，即整体化、综合化、模型化和最优化。因此，建立各种类型综合化、模型化和最优化。因此，建立各种类型的系统模型，便是系统工程人员的主要任务之一。的系统模型，便是系统工程人员的主要任务之一。模型研究有如下几个突出优点：模型研究有如下几个突出优点：第三节第三节 模型化的研究方法模型化的研究方法 一、模型的基

30、本概念一、模型的基本概念 那么，什么叫系统模型呢？我们介绍如下定那么，什么叫系统模型呢？我们介绍如下定义：义：“系统模型是反映客观真实系统运动过程若系统模型是反映客观真实系统运动过程若干有关侧面的反映像干有关侧面的反映像”。如果把客观真实系统简。如果把客观真实系统简称为称为“原型原型”，则要求模型与原型尽量相似。按，则要求模型与原型尽量相似。按照马克思主义的辩证唯物主义认识论，客观物质照马克思主义的辩证唯物主义认识论，客观物质世界总是在不断运动变化着的，因此模型必须反世界总是在不断运动变化着的，因此模型必须反映原型的运动过程。映原型的运动过程。模型是对系统和过程的某一方面本质属性的模型是对系统

31、和过程的某一方面本质属性的表述。概括起来讲，模型应具备以下三个特点：表述。概括起来讲，模型应具备以下三个特点：、它是现实系统的部分模仿抽象；、它是现实系统的部分模仿抽象；、它是由那些与分析问题有关的因素构成；、它是由那些与分析问题有关的因素构成；、它能反映系统有关侧面的运动过程。、它能反映系统有关侧面的运动过程。二、模型的分类二、模型的分类 系统模型可以按照不同的观点而赋予不同的系统模型可以按照不同的观点而赋予不同的名称。例如，以数学模型而论，将系统抽象化为名称。例如，以数学模型而论，将系统抽象化为简洁的数学公式这一点来讲，都是数学模型。但简洁的数学公式这一点来讲，都是数学模型。但如果该模型反

32、映的是状态变量之间的关系，可叫如果该模型反映的是状态变量之间的关系，可叫状态变量模型；如果该模型用于计算机仿真，则状态变量模型；如果该模型用于计算机仿真，则又叫计算机模型或仿真模型。表较详细地又叫计算机模型或仿真模型。表较详细地展示了系统模型的分类情况，下面仅就几种主要展示了系统模型的分类情况，下面仅就几种主要模型加以详细介绍。模型加以详细介绍。表表 系统模型分类表系统模型分类表对对象象观点观点 基本分类基本分类定性或定量定性或定量形式形式物理模型物理模型思考模型思考模型宏观模型宏观模型微观模型微观模型数学模型数学模型结构模型结构模型实物模型实物模型探索模型探索模型表表 系统模型分类表系统模型

33、分类表数学模型数学模型记叙模型记叙模型图解模型图解模型实物模型实物模型计算机模型计算机模型硬件模型硬件模型软件模型软件模型对对象象观点观点 变量变化情况变量变化情况分析对象类别分析对象类别一般分类一般分类确定模型确定模型随机模型随机模型过程模型过程模型状态变量模型状态变量模型性能模型性能模型可靠性模型可靠性模型时间模型时间模型信息模型信息模型价值模型价值模型决策模型决策模型对策模型对策模型 、实实物物模模型型 按按系系统统的的构构成成成成分分，一一对对一一地地加加以以放放大大或或缩缩小小，看看起起来来与与实实物物基基本本相相似似的的模模型型叫叫实实物物模模型型或或叫叫形形象象模模型型和和物物理

34、理相相似似模模型型。如如各各种种儿儿童童玩玩具具、地地图图、照照片片、各各种种教教具具模模型型等等。、图图解解模模型型 指指运运用用数数字字、文文字字及及各各种种表表现现符符号号，揭揭示示系系统统单单元元之之间间相相互互关关系系的的一一种种表表示示方方法法叫叫图图解解模模型型。如如各各种种程程序序框框图图，作作业业流流程程图图，线线条条图图，环环形形图图等等都都属属于于图图解解模模型型。图图解解模模型型的的优优点点是是直直观观明明了了，便便于于洞洞察察全全局局，主主要要用用于于定定性性分分析析，也也可可为为建建立立定定量量分分析析模模型型提提供供依依据据。在图解模型中，环形图实质是系统层次结构

35、在图解模型中，环形图实质是系统层次结构的另一种表现形式。年英国设计了描述的另一种表现形式。年英国设计了描述羊生产系统组成成分相互关系环形图。羊生产系统组成成分相互关系环形图。年，作者设计了农林牧组成成分相互关系环形图年，作者设计了农林牧组成成分相互关系环形图如图所示。如图所示。农林牧组成成分相互关系环形图农林牧组成成分相互关系环形图 所示。所示。国土国土 资源资源自自然然环环境境(光光、温温、水水、气气、热热、.社社会会经经济济环环境境(政政策策、科科技技投投入入资资金金）一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二

36、二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序一一排排序序二二排排序序三三排排序序小小麦麦玉玉米米大大豆豆谷谷子子甜甜菜菜亚亚麻麻烟烟草草玉玉米米甜甜菜菜苜苜蓿蓿胡胡萝萝卜卜马、猪、鸡、鸭、马、猪、鸡、鸭、牛、羊、鹿、鹅牛、羊、鹿、鹅貂貂灌木柳灌木柳胡枝子速生杨胡枝子速生杨松松树树柳柳树树杨杨树树果果树树杨杨树树松松树树经济作物经济作物粮食作物粮食作物经济林经济林防护林防护林薪薪炭炭林林肉为主肉为主草为主草为主料为主料为主饲饲料料作作物物种植业种植业子系统子系统林业林业子系统

37、子系统牧业牧业子系统子系统 某农业系统某农业系统 1 1 经济经济目标目标 2 2 社会社会 3 3 生态生态 、数学模型数学模型 指应用数学符号及运算关系，指应用数学符号及运算关系，来反映系统结构和过程的表达式叫数学模型。马来反映系统结构和过程的表达式叫数学模型。马克思曾指出，一种科学只有成功地运用数学时才克思曾指出，一种科学只有成功地运用数学时才算达到了真正完善的地步。因此，揭示系统各要算达到了真正完善的地步。因此，揭示系统各要素之间数学模型化的关系，便成为人们追求的目素之间数学模型化的关系，便成为人们追求的目标。标。数学模型是计算机仿真的充要条件。在系统数学模型是计算机仿真的充要条件。在

38、系统综合中采用仿真技术。可以使得工程开发方案比综合中采用仿真技术。可以使得工程开发方案比较容易接近多目标的优化。系统综合优化的仿真较容易接近多目标的优化。系统综合优化的仿真框图如图所示。框图如图所示。评估准则评估准则图图 系统综合优化的仿真框图系统综合优化的仿真框图模拟真实环境模拟真实环境下的输入集合下的输入集合修改模型修改模型设计参数等设计参数等系统模型系统模型单元、结构、参数单元、结构、参数反反馈馈比比较较环环节节目标目标系统响应系统响应 、结构模型、结构模型 指运用有关符号及带箭头的指运用有关符号及带箭头的连线，来反映系统中各组成成分的层次及相互关连线，来反映系统中各组成成分的层次及相互

39、关系的图解模型。如图所示，该系统中有系的图解模型。如图所示，该系统中有六个基本单元（子系统），包括农业，湖羊、蚕六个基本单元（子系统），包括农业，湖羊、蚕桑、蔬菜、水貂、鱼蚌和鸡。单元之间的关系用桑、蔬菜、水貂、鱼蚌和鸡。单元之间的关系用带箭头的连线表示，这就是系统结构模型。带箭头的连线表示，这就是系统结构模型。图图 “粮、牧、蚕、鱼粮、牧、蚕、鱼”系统结构模系统结构模型型农业农业湖羊湖羊鸡鸡蚕桑蔬菜蚕桑蔬菜水貂水貂鱼蚌混养鱼蚌混养奖售化肥奖售化肥农副产品喂羊农副产品喂羊饵料饵料肥料肥料羔羊肉羔羊肉小鱼、蚌肉小鱼、蚌肉貂类喂鸡貂类喂鸡鸡类粪池鸡类粪池 结结构构模模型型是是一一种种定定性性分分析

40、析模模型型，对对很很难难或或不不能能建建立立数数量量关关系系的的复复杂杂系系统统，可可借借助助结结构构模模型型提提供供分分析析研研究究的的思思路路，对对能能够够建建立立数数学学模模型型的的复复杂杂系系统统，结结构构模模型型则则可可提提供供定定量量研研究究的的必必要要信信息息，如结构模型解析法等。如结构模型解析法等。三、农业系统模型的层次结构与建模的一般三、农业系统模型的层次结构与建模的一般程序程序 、农业系统模型的层次结构、农业系统模型的层次结构 广义农业系广义农业系统包括农、林、牧、副、渔、工等众多子系统，统包括农、林、牧、副、渔、工等众多子系统，各子系统之间存在着多方面的物质、能量和信息各

41、子系统之间存在着多方面的物质、能量和信息的联系，形成有机的整体。农业系统模型必须反的联系，形成有机的整体。农业系统模型必须反映这些复杂的相互关系，从而形成农业系统模型映这些复杂的相互关系，从而形成农业系统模型的层次结构。图展示了部分农业系统模的层次结构。图展示了部分农业系统模型的层次结构关系，了解这种关系对正确开展农型的层次结构关系，了解这种关系对正确开展农业大系统研究工作是有益的。业大系统研究工作是有益的。图图 农业系统模型的层次结构关系农业系统模型的层次结构关系基础模型模型群基础模型模型群生产函数、统计回归生产函数、统计回归国土规划、预测模型国土规划、预测模型村屯规划、各种数据村屯规划、各

42、种数据生态模型生态模型资源分析资源分析与评价与评价环境辩识与系统诊断模型环境辩识与系统诊断模型评审指标集评审指标集农业生产结构决策农业生产结构决策单元全集合单元全集合其他其他图图 农业系统模型的层次结构关系农业系统模型的层次结构关系工副业生产经济工副业生产经济效益分析模型效益分析模型林业树种结构林业树种结构最优化模型最优化模型牧业饲料配方牧业饲料配方最优化模型最优化模型农业作物布局农业作物布局最优化模型最优化模型产销关系及发产销关系及发展前景预测展前景预测最佳生产最佳生产周期模型周期模型畜群结构最优畜群结构最优化模型化模型农艺、农技措农艺、农技措施最优化模型施最优化模型工业发展最优工业发展最优

43、规划模型规划模型林业发展最优林业发展最优规划模型规划模型牧业发展最优牧业发展最优规划模型规划模型机器拖拉机配备机器拖拉机配备最优规划模型最优规划模型各部门配合最优规划模型各部门配合最优规划模型其他其他 、建模的一般程序建模的一般程序 由于研究对象的不同，由于研究对象的不同，建模的程序会有很大差异。另外，即使相同系统建模的程序会有很大差异。另外，即使相同系统问题，模型方法也多种多样，其研究程序也不尽问题，模型方法也多种多样，其研究程序也不尽相同。因此我们只能介绍建模的一般程序。相同。因此我们只能介绍建模的一般程序。图图 给出了建立数学模型的一般程给出了建立数学模型的一般程序框图序框图图图-1 1

44、 2 2建建模模的的一一般般程程序序框框图图方案可行方案可行?重叠模型重叠模型?对所研究的问题进行分析对所研究的问题进行分析环境分析环境分析功能分析功能分析目标分析目标分析选择模型选择模型变量设计变量设计约束条件约束条件参数研究与方案设计参数研究与方案设计编制计算机程序编制计算机程序计算机仿真计算机仿真确认模型确认模型是是是是否否否否选择模型选择模型阶段阶段模型检验模型检验阶段阶段问题分析问题分析阶段阶段重重新新选选择择修修正正、改改进进、选选择择、简简化化 由图可知，建模工作大体分三个阶段：由图可知，建模工作大体分三个阶段：（）问题分析阶段（）问题分析阶段 这一阶段是在系统综这一阶段是在系统

45、综合的基础上，进一步对研究对象所处的环境、系合的基础上，进一步对研究对象所处的环境、系统的功能和目标进行分析。统的功能和目标进行分析。（）选择模型阶段（）选择模型阶段 在问题分析的基础上，在问题分析的基础上，就要考虑选择恰当的模型来模拟真实系统的运动就要考虑选择恰当的模型来模拟真实系统的运动过程。过程。（）模型检验阶段（）模型检验阶段 模型建立起来之后，模型建立起来之后，还必须经过检验才能最后确认。还必须经过检验才能最后确认。一、引言一、引言 所谓系统评价，是指对有限个活动方案分别所谓系统评价，是指对有限个活动方案分别做出价值评定，给出优劣顺序，从而为决策提供做出价值评定，给出优劣顺序，从而为

46、决策提供科学依据。显然，无论在人们的日常生活中，还科学依据。显然，无论在人们的日常生活中，还是在各类工程开发活动中，时时刻刻都离不开系是在各类工程开发活动中，时时刻刻都离不开系统评价问题。这里要强调说明的是，由于系统工统评价问题。这里要强调说明的是，由于系统工程追求的是多方案、多目标最优化，系统评价更程追求的是多方案、多目标最优化，系统评价更具有特殊的重要意义。具有特殊的重要意义。第四节第四节 系统评价方法系统评价方法 系统评价的难点是做好多目标综合评价问题。系统评价的难点是做好多目标综合评价问题。比如，在十个人之中（代表一组方案），选出一比如，在十个人之中（代表一组方案），选出一个体重最大的

47、人来，由于这是单目标评价问题，个体重最大的人来，由于这是单目标评价问题，只需经过称重，最优方案很容易找到。但是，如只需经过称重，最优方案很容易找到。但是，如果目标增加为体重最大和个子最高两个目标，这果目标增加为体重最大和个子最高两个目标，这时要想选出一个优化方案就相当困难。多目标有时要想选出一个优化方案就相当困难。多目标有如下三个特点：如下三个特点：、拮抗性、拮抗性 指目标之间存在着对抗性或不指目标之间存在着对抗性或不同步性。如种植业发展方案评价中，经常以总产同步性。如种植业发展方案评价中，经常以总产最高和成本最低为目标。这在客观上往往是不可最高和成本最低为目标。这在客观上往往是不可能的。能的

48、不可公度性、不可公度性 指各个目标的量纲不一样，指各个目标的量纲不一样，也就是说不具有可比性，自然不能进行综合比较。也就是说不具有可比性，自然不能进行综合比较。、没有一致最优解、没有一致最优解 指不存在某一个方案指不存在某一个方案使所有目标都满意。下面我们举个简单实例说明使所有目标都满意。下面我们举个简单实例说明一下多目标优的概念。现有五个方案，每个方案一下多目标优的概念。现有五个方案，每个方案都有两个评价目标都有两个评价目标、maxfmaxf2 2。其数量指其数量指标见表。问如何从这五个方案中选出一个标见表。问如何从这五个方案中选出一个好的方案来。好的方案来。表表 2-2 2-2 4 2

49、 9 8 74 2 9 8 74 5 7 8 104 5 7 8 101 2 3 4 5 1 2 3 4 5 目标目标值标值标方案方案maxfmaxf1 1 maxfmaxf2 2 由由于于是是两两个个目目标标，它它们们在在平平面面座座标标上上的的分分布布情情况况如如图图所所示示。由由图图可可清清楚楚看看出出，、方方案案都都不不如如、三三个个方方案案，故故应应该该淘淘汰汰。我我们们把把被被淘淘汰汰的的方方案案叫叫劣劣解解，全全部部劣劣解解组组成成的的集集合合叫叫劣劣解解集集。而而、三三个个方方案案各各有有所所长长，无无法法将将谁谁淘淘汰汰，这这三三个个方方案案便便构构成成非非劣劣解解集集合合。

50、显显然然，多多目目标标选选优优的的实实质质是是在在非非劣劣解解集集合合中中选选一一个好解问题。这也是多目标优化的实质所在。个好解问题。这也是多目标优化的实质所在。一般认为，关于多目标最优化问题最早是由一般认为，关于多目标最优化问题最早是由法国数学家于年提出法国数学家于年提出来的。他提出把那些本质上不可比较的目标化成来的。他提出把那些本质上不可比较的目标化成单一的最优化目标单一的最优化目标即无量纲化（规格化）的方即无量纲化（规格化）的方法。从而把系统评价的思想和评定技术联系起来，法。从而把系统评价的思想和评定技术联系起来，并成为多目标系统评价的基本方法。并成为多目标系统评价的基本方法。图图 方案