20121228高琳琦老师系统工程讲座

见树又见林——系统工程的几个问题高琳琦ProfessorofIM&IS,[e-mail]2钱学森对系统的描述：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分（元素）结合成的具有特定功能的有机整体，记为S=E，R其中（Elements）为系统（Systems）中所有元素构成的集合，（Relationship）为系统中所有关系的集合。何为“系统”ESRBertalanffy:相互作用的诸要素的综合体4系统定义的三个基本特征:(1)系统是由若干元素组成的；(2)这些元素相互作用、相互依赖；(3)由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体具有特定的功能。5系统的整体性系统的整体性就是强调“整体功能大于各部分功能之和”，即“1＋12”整体优化、整体性能6系统的层次性任何一个系统都可以分解为一系列的不同层次的子系统，而它本身又是它所从属的一个更大系统的子系统。iSSSiS子系统：如果系统的元素集合满足以下条件，则称为系统的一个子系统：（1）是的子集合，即（2）本身是一个系统。SSiSiSiSiSiSSS相关性：各个要素之间具有特定的关系目标性：系统评价、优化都是围绕目标展开的。任何系统都有目标：包括自然、人工、社会系统钱学森关于系统的分类（1）简单巨系统(线性的巨系统)（2）复杂巨系统人的大脑作为一个巨系统，空间占有虽十分有限，但所包含的神经元约1011数量级。在巨系统中，如果不仅系统单元数量巨大,而且组分之间的关联方式复杂（如非线性、不确定性、模糊性、动态性、适应性等），这就是复杂巨系统。从人脑系统行为特性看，是一个典型的复杂巨系统（3）开放的复杂巨系统人类社会系统是一个巨系统（如中国人口的微观组分（人）接近13亿，即1.3´109），这个系统与环境进行物质、能量、信息的交换，接受环境的输入和干扰、向环境提供输出，而且还不断适应和不断进化，是一个典型的开放的（特殊）复杂巨系统。开放性：与环境的交互系统工程系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法。“系统工程是一门组织管理的技术”。系统工程师一个开放性的交叉、综合领域“软科学”：用系统思想、定性与定量相结合、研究大型复杂系统的一类工程技术SE的研究领域自然系统社会经济系统：人口控制策略、经济最优计划模型、全国人才规划模型、三峡经营管理系统：库存系统、运输系统军事指挥系统软件系统与软件工程SE的处理对象：信息（并非工程物质对象）特殊的工程技术简要发展过程都江堰1958年，美国海军特种计划局、“北极星导弹计划”，“计划评审技术”(PERT)阿波罗登月我国两弹一星与载人航天华罗庚先生的泡茶“想泡壶茶喝。当时的情况是：开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已升了，茶叶也有了，怎么办?”一、问题描述1.目标：喝到一碗清新的热茶。2.条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。3.要求：以最节约资源的方式实现目标。4.研究任务：为解决喝茶问题设计一个行动计划系统(设计一个解决泡茶问题的行动计划)。泡茶问题二、问题分析1资源需求凉水、茶壶、茶叶、茶碗、火炉。这些目前都已齐备，且假设除人外没有限制。泡茶问题2目标要求以最节约资源的方式泡一壶好茶—时间的节约3任务界定设计一个解决泡茶问题的行动计划，要求合理安排各道工序，最大限度节约时间。三、定性策划几个备选方案泡茶问题对以上泡茶问题可以有以下三种解法：甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。泡茶问题四、方案分析与比较(系统分析)1.列出泡茶所需的全部工序2.确定每道工序所需的时间3.确定各道工序之间的时间连接关系4.分析计算每种方案所需的总时间5.做出比较结论泡茶问题工序列表序号名称前工序工序时间(分)1洗壶无12灌水10.53放壶20.34等水开3155洗杯无16找茶叶无17泡茶3，5，62.28喝茶7泡茶问题洗壶灌水放壶洗杯泡茶拿茶叶等水开115110.30.5喝茶2.20.3丙：洗壶洗杯找茶叶灌水等水开放壶泡茶1150.30.511喝茶2.2乙：洗壶灌水放壶等水开泡茶洗杯，找茶叶喝茶12.22150.30.5甲：图1泡茶系统工程备选方案工序图方案分析甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19分析结果：丙方案最节约时间。方案建议：丙泡茶问题SE的研究特点物理——事理——人理硬件——软件——斡件（orgware）——人件（human-ware）计算机技术软系统：启发式、人机交互人的因素、人的经验、人的偏好描述性（description）+规范性（prescriptive）+对话式（interactive）这是SE的方法论：树木+森林一般步骤：问题描述设计方法预测环境变化建模及效果估计方案择优问题的描述（或目标的确定）更为重要：如新建医院选址问题宏观目标：系统分析难具体目标：系统性能受限无论如何，我们将被迫在知识的一切领域中运用“整体”或者“系统”来处理复杂性问题，这将是对科学思维的一个根本改造。——贝塔朗菲目前的应用热点企业发展转型期间我国改革发展的重大现实问题（综合配套改革、和谐社会建设、区域经济、自主创新、资源能源问题、新农村建设、城镇化、社会保障、应急管理等）管理科学、经济科学、工程科学各种前沿问题落实科学发展观社会信息化变革重大投资和大型项目管理思维科学和生命科学环境与生态系统管理系统问题举例国家政策市场研究技术经济预测竞争状况企业能力资金来源资源条件社会需求生产可能生产组织与控制物、财、人、信息生产控制库存控制质量控制成本控制资金回收产品销售服务调查经营目标产品开发经营计划生产技术准备技术文件劳动力劳动手段劳动对象环境分析经营决策与计划投入转换产出图1—1工业企业生产经营活动过程示意图建模方法分析模型：数学模型，表示变量间的关系运筹学模型：排队、库存、运输等规划+优化仿真模型计算机仿真MonteCarlo方法：针对待求问题，根据现象本身的统计规律，或人为构造一合适的依赖随机变量的概率模型，使某些随机变量的统计量为待求问题的解，进行大统计量N∞的统计实验方法或计算机随机模拟方法随机输入观察出现的状态不需要采用分析技术,去构造变量之间的关系如:交通控制方案进化算法,遗传算法Systemdynamics常用的仿真技术1971年：增长的极限，MIT世界模型1972年，Forrester针对封闭的社会系统流程图结构方程：DYNAMO计算机仿真实验特色在于反馈，半定量、趋势性问题博弈模型多个决策者相互制约,影响的情况下交互仿真或对话仿真计算机导向----人的行为导向每个决策者的行为模式\决策规则判断模型会议:很有效的方式delphi头脑风暴结构化访谈AHPSE是开放性的是“方法论”，更是“认识论”新的智能算法最适合还是最先进?方法之一：ISM解释结构模型（interpretativestructuralmodeling）1973年目的：分析复杂的社会经济系统概念模型：把不清晰的想法转化为直观的、结构良好的模型要素表--》（两两分析）构思矩阵--》邻接矩阵、可达矩阵--》结构模型包括：矩阵计算区域划分（子系统）级间划分（层次）约减如：人口控制策略（1）总人口（2）出生率、死亡率（3）生育欲望、生育能力、平均寿命、计生政策（4）社会保障与福利、风俗习惯、收入、营养、医疗水平、污染等描述这些因素之间的关系，上层为目标，下层为约束因素优点：学习和理解问题缺点：各要素之间形成递阶结构，不能描述反馈如：总人口与出生率在个性化学习推荐中的应用学习者在学习时不能全面把握课程内的知识点结构关系推荐模型应首先根据学习者目前所掌握的知识、知识点间的逻辑结构来生成学习序列，引导学习者按知识点逻辑顺序进行学习运用ISM来生成学习序列，指导学习，使学习过程系统化，提高学习效率具体步骤主要包括：（1）抽取知识点──确定学习子目标：把实现给定教学目标的学习内容分解为众多的知识点，这些知识点可以是某个概念或原理，也可以是某项技能的基本组成部分。（2）确定各知识点之间的直接关系，得到目标矩阵：如果教育专家认为学生在对目标Ｇi进行学习之前必须先掌握目标Ｇj，则称Ｇi与Ｇj之间具有“序列关系”，通常包括层次关系、依赖关系和交叉关系。根据各个子目标之间的序列关系，可以得到相应的目标矩阵。（3）利用目标矩阵作出知识点关系图，生成可达矩阵，描述知识体系。（4）比较学习者已掌握的知识矩阵与可达矩阵，生成符合学习者个人认知结构的知识点网络关系结构，并得到待学习知识点的层级结构，形成学习序列，当前学习者的学习序列可以是1—〉3/4—〉5，或1—〉4/3—〉5适合于：知识点结构较为严谨的课程方法之二：MAS多AGENT系统应用示例：营销策略组合产品策略渠道策略促销策略价格策略产品性能质量外观附件包装品牌服务分销渠道区域分布中间商选择营业场所储存运输服务标准广告（媒体类型、文字、图像）人员推销公共关系优惠措施批发价格零售价格折扣支付期限支付条件信用条件问题特点：（1）与营销环境相适应（2）整体最优化（3）各策略之间相互影响、制约语义网络描述方法之三：进化博弈EvolutionaryGameTheory特点：（1）有限理性（2）进化过程：selection,mutation（3）复制动态模型：采取某一策略的人数的增长率=使用该策略时支付与平均支付之差如：贷款问题参与者：银行、企业各自的支付函数、收益函数、策略选择银行策略：检查、不检查企业策略：城市、隐瞒无稳定策略组合左下角最好，但是因此，外力：互信互疑方法之四：Bayesian优点：（1）不确定性（2）有试验的风险决策（3）不完全信息（4）期望收益理论：均衡考虑各种情况（5）不断求精的方法-和概率A.OR.B：P(A+B)=P(A)+P(B)–P(AB)-与概率A.AND.B：P(A*B)=P(A|B)*P(B)=P(B|A)*P(A)-条件概率P(A|B)=在随机事件B发生的条件下，A发生的概率-互斥P(A*B)=0，ie随机事件AB不能在同一实验中同时发生-相互独立P(A*B)=P(A)*P(B)，ieP(A)=P(A|B)=P(A|1)古典概率：在相同的实验条件下，随机事件A，B按各自确定的概率发生全概率公式：贝叶斯（Bayes）公式：iiiijjP(AB)P(B|A)P(A)P(A|)P(B)P(B|A)P(A)jBiiiP(B)=P(B|A)P(A)随机事件A构成互斥完备集合{Ai}，则任意随机事件B可表述为主观概率期望收益公式E(a)=∑p(xi)v(xi)Bayesian准则：（最大可能准则）S(a)=maxp(ai)是评价其他方法的准则，称之为“NavieBayesianRule”例如：A和B两个一样的不透明坛子，A中装30个白球70个黑球，B中装70个白球30个黑球。从中任取一个坛子，摸放回球12次，现象是：4次白球8次黑球。请问：是哪个坛子？P(A)=P(B)=0.5P(A|X)=(0.34×0.78×0.5)/(0.34×0.78×0.5+0.38×0.74×0.5)=0.967P(B|X)=0.033随机设定先验概率观察样本更新，获得后验概率决策提供了“学习”的方法方法之四：遗传算法geneticalgorithm遗传算法本质上是一种并行全局搜索方法，在搜索过