西安交大系统工程课件4

（Systems Engineering, SE）—现代管理的系统思维与系统分析方法

西安交通大学管理学院

袁治平教授第四章:系统模型与模型化

第一节：概述

第二节：系统结构模型化技术

第三节：系统定量分析模型

第四节：系统工程模型技术的新进展思考讨论题第四章:系统模型与模型化

第一节：概述

一、模型及模型化的定义

模型有三个特征：

1.它是现实世界部分的抽象或模仿；

2.它是由那些与分析的问题有关的因素构成；

3.它表明了有关因素间的相互关系；

模型化就是为了描述系统的构成和行为，对实体系统的各种因素进行适当筛选后，用一定方式（数学、图像等）表达系统实体的方法。

二、模型化的本质、作用及地位（见图4-1）

1.本质：利用模型与原型之间某方面的相思关系，在研究过程中用模型来代替原型，通过对于模型的研究得到关于原型的一些信息。

2.作用：①模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。这种表达是简洁的、形式化的。②模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。③利用模型可以进行“思想”试验。

3.地位：模型的本质决定了它的作用的局限性。它不能代替以客观系统内容的研究，只有在和对客体系统相配合时，模型的作用才能充分发挥。

实际系统结论模型

现实意义模型化

实验、分析

解释

比较

图4-1系统模型（化）的作用与地位

模型

概念

符号

形象

类比仿真描述

思维

字句

图像

物理

数学

图示

图4-2 模型分类

四、构造模型的一般原则

1.建立方框图

2.考虑信息相关性

3.考虑准确性

4.考虑结集性

五、建模的基本步骤

①明确建模的目的和要求以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差；

②对系统进行一般语言描述因为系统的语言描述是进一步确定模型结构的基础；③弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系）以便使模型准确表示现实系统；

④确定模型的结构这一步决定了模型定量方面的内容；

⑤估计模型的参数用数量来表示系统中的因果关系；

⑥实验研究对模型进行实验研究，进行真实性检验，以检验模型与实际系统的符合性；

⑦必要修改根据实验结果，对模型作必要的修改。

六、模型化的基本方法

1.分析方法；

2.实验方法；

3.综合法；

4.老手法；

5.辩证法；

七、模型的简化

①减少变量，减去次要变量；

②改变变量性质；

③合并变量（集结）；

④改变函数关系；

⑤改变约束条件；第四章:系统模型与模型化

第二节：系统结构模型化技术

1.系统结构模型化基础

结构分析的概念和意义

结构→结构模型→结构模型化→结构分析

结构分析是一个实现系统结构模型化并加以解释的过程。

结构分析是系统分析的重要内容，是系统优化分析、设计与管理的基础2.系统结构表达及分析方法

理解系统结构的概念

（构成系统诸要素间的关联方式或关系）及其有向图（节点与有向弧）和矩阵（可达矩阵等）这两种常用的表达方式。

比较有代表性的系统结构分析方法有：

关联树（如问题树、目标树、决策树）法、解释结构模型化（ISM）方法、系统动力学（SD）结构模型化方法等。

3. ISM实用化方法原理

设定问题、形成意识模型找出

影响

要素

要素

关系

分析

（关

系图

）

建立可

达矩阵

(M)和

缩减

矩阵

（M/）

矩阵

层次

化处

理

(ML/)

绘制

多级

递阶

有向

图

建立

解释

结构

模型

分析

报告

比较/

F 学习

二、ISM实用化方法应用三、小结

学员可结合教学参考书P94-P97“影响总人口增长因素结构分析”一例或某一现实管理问题，来理解和掌握ISM实用化方法的过程。注意该方法的核心是对系统要素间的关系（尤其是因果关系）进行层次化处理，最终形成具有多级递阶关系和解释功能的结构模型（图）。

第1步：找出影响系统问题的主要因素，通过方格图判断要素间的直接（相邻）影响关系；

第2步：考虑因果等关系的传递性，建立反映诸要素间关系的可达矩阵（该类矩阵属反映逻辑关系的布尔矩阵）；

第3步：考虑要素间可能存在的强连接（相互影响）关系，仅保留其中的代表要素，形成可达矩阵的缩减矩阵；第4步：缩减矩阵的层次化处理，分为两步：（1）按照矩阵每一行“1”的个数的少与多，从前到后重新排列矩阵，此矩阵应为严格的下三角矩阵；（2）从矩阵的左上到右下依次找出最大单位矩阵，逐步形成不同层次的要素集合。

第5步：作出多级递阶有向图。作图过程为：

（1）按照每个最大单位子矩阵框定的要素，将各要素按层次分布；

（2）将第3步被缩减掉的要素随其代表要素同级补入，并标明其间的相互作用关系；

（3）用从下到上的有向弧来显示逐级要素间的关系；

（4）补充必要的越级关系。

第6步：经直接转换，建立解释结构模型。

ISM方法的特色和局限性第四章:系统模型与模型化

第三节：系统定量分析模型

状态空间模型：

研究动态系统的行为，有两种既有联系也有区别的方法：输入－输出法和状态变量法。输入－输出法又称端部法，它只研究系统的端部特性，而不研究系统的内部结构。系统的特性用传递函数来表示。

状态变量法在60年代才得到推广使用。它仍然是处理系统的输入和输出间的关系。但是在这些关系中，还附加另一组变量，称为状态变量。在物理系统中，典型的变量有：位置（与势能有关）、速度（与动能有关）、电容上的电压（与它们存储的电能有关）、电感上的电流（与它们存储的磁能有关）、温度（与热能有关）。状态变量法可用于线性的或非线性的、时变的或时不变的及多输入、多输出的系统，并且更适合仿真和使用计算机的目的，故得到广泛应用。

第四章:系统模型与模型化

第四节：系统工程模型技术的新进展随着系统工程理论的发展和应用不断深入，系统工程所研究的问题越来越多地涉及复杂系统、非线性系统，传统的模型方法已经不能适应这种研究的需要，规划论、“硬”的优化技术已经很难应对这种局面。

随着信息技术和计算机智能化的发展，针对这种情况，Zadeh提出了一种新的方法——软计算(soft computing)。

软计算不是一个单独的方，而是一个方法的集合，在这个集合中的主要成员包括模糊逻辑控制(fuzzy logic control)、神经网络(neural network)、近似推理以及一些具有全局优化性能且通用性强的meta-heuristic算法，如遗传算法(genetic algorithms, GA)、模拟退火算法(simulated annealing, SA)、禁忌搜索算法(taboo search, TS)、蚁路算法(ant system, AS)等。这些方法的特点是他们更多地借鉴了生物原理和人的思维，因此有人也称之为“拟人”方法。更适应于解决管理、经济和复杂的工程大系统问题。

思考讨论题（略）

本章讲义