系統(tǒng)工程-第三章課件

1、1第三章 結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)模型第二節(jié) 解釋結(jié)構(gòu)模型法第三節(jié) 案例分析2第一節(jié) 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型，是應(yīng)用有向連接圖來(lái)描述系統(tǒng)各要素之間的關(guān)系，以表示一個(gè)作為要素集合體的系統(tǒng)的模型。示例 總?cè)丝谄谕麎勖?死亡率 出生率 醫(yī)療水平 節(jié)點(diǎn)：系統(tǒng)的元素 有向邊：要素間所存在的關(guān)系（影響，先于，需要，取決于，導(dǎo)致）4結(jié)構(gòu)模型的基本性質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是一種幾何模型;結(jié)構(gòu)模型是一種以定性分析為主的模型;結(jié)構(gòu)模型還可以用矩陣形式來(lái)描述，使定性分析與定量分析相結(jié)合；結(jié)構(gòu)模型介于數(shù)學(xué)模型形式與邏輯分析形式之間。結(jié)構(gòu)模型比較適宜于描述以社會(huì)科學(xué)為對(duì)象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述5結(jié)構(gòu)模型化技術(shù):建立結(jié)構(gòu)模型的方法論。采用結(jié)構(gòu)

2、模型化技術(shù)的依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系分解協(xié)調(diào)思想結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)6幾種典型的系統(tǒng)模型ISM（Interpretative Structural Modeling）SS （State Space）SD （System Dynamics）CA （Conflict Analysis）新進(jìn)展軟計(jì)算或“擬人”方法（人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）； 新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Petri網(wǎng)等）； 7第二節(jié) 解釋結(jié)構(gòu)模型法ISM是美國(guó)J.華費(fèi)爾特教授于1973年作為分析復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題的一種方法而開(kāi)發(fā)的。特點(diǎn)是把復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)（要素），利用經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)以及計(jì)算機(jī)的幫助，最終將系統(tǒng)構(gòu)造成一個(gè)多級(jí)遞階的結(jié)構(gòu)模型。I

3、SM屬于概念模型。8圖的有關(guān)基本概念有向連接圖回路環(huán)樹(shù)：源點(diǎn)、匯點(diǎn)，沒(méi)有回路和環(huán)關(guān)聯(lián)樹(shù)：節(jié)點(diǎn)上有加權(quán)值W，邊上有關(guān)聯(lián)值r9（一）鄰接矩陣對(duì)于有n個(gè)要素的系統(tǒng)（P1，P2，Pn），定義鄰接矩陣A： 鄰接矩陣與有向圖間有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 即從鄰接矩陣可畫(huà)出唯一的有向圖； 反之，根據(jù)有向圖可寫(xiě)出唯一的鄰接矩陣。aij=1，當(dāng)線(xiàn)段從Pi向著Pj（即Pi對(duì)Pj有影響時(shí)）0，否則為零10P4P1P5P2P3 有向圖示意圖例如，由下圖所示的有向圖，可以寫(xiě)出鄰接矩陣A如下：1 2 3 4 5 11鄰接矩陣示例S1 S2 S3 S4 S5 S6 源點(diǎn)匯點(diǎn)匯點(diǎn)源點(diǎn)12鄰接矩陣的特性全零的行所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為匯點(diǎn)（沒(méi)有

4、線(xiàn)段離開(kāi)該點(diǎn)），即系統(tǒng)的輸出要素；全零的列所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為源點(diǎn)（沒(méi)有線(xiàn)段進(jìn)入該點(diǎn)），即系統(tǒng)的輸入要素；對(duì)應(yīng)于每點(diǎn)的行中1的數(shù)目就是離開(kāi)該點(diǎn)的線(xiàn)段數(shù)；對(duì)應(yīng)于每點(diǎn)的列中1的數(shù)目就是進(jìn)入該點(diǎn)的線(xiàn)段數(shù)。鄰接矩陣表示了系統(tǒng)的各要素間的直接關(guān)系。若該矩陣中第i行第j列的元素為1，則表明從點(diǎn)Pi到Pj有一長(zhǎng)度為1的通路。也可以說(shuō)，從點(diǎn)Pi可以到達(dá)點(diǎn)Pj。實(shí)際上，鄰接矩陣描述了各點(diǎn)間通過(guò)長(zhǎng)度為1的通路相互可以到達(dá)的情況。1314（二）可達(dá)矩陣可達(dá)矩陣（M）表明各點(diǎn)間經(jīng)長(zhǎng)度不大于n1的通路的可達(dá)情況。對(duì)于點(diǎn)數(shù)為n的圖，最長(zhǎng)的通路不能超過(guò)n1。推移律特性：若Pi可達(dá)Pj（Pi有一條路至Pj），Pj可達(dá)Pk（Pj有一條

5、路至Pk），則Pi必可達(dá)Pk。這一特性在建立可達(dá)矩陣時(shí)要用到。15（a）可達(dá)矩陣通過(guò)鄰接矩陣運(yùn)算得到若在上述矩陣A上加一單位矩陣I，即得：A+I。它描述了各點(diǎn)間經(jīng)長(zhǎng)度為0和1（不大于1）的通路后的可達(dá)情況。(A+I)2描述了各點(diǎn)間經(jīng)長(zhǎng)度不大于2的路的可達(dá)情況。這里所做的加法和乘法運(yùn)算均為布爾運(yùn)算，即1+1=1，1+0=0+1=1，11=1，10=01=0，依次類(lèi)推，得到： (A+I) r-2(A+I) r-1=(A+I) r= M, rn-1縮減可達(dá)矩陣在可達(dá)矩陣中存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的行、列元素值分別完全相同，則說(shuō)明這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成回路集，此時(shí)，只要選擇其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可代表回路集中的其他節(jié)點(diǎn)，這

6、樣就可簡(jiǎn)化可達(dá)矩陣，稱(chēng)為縮減可達(dá)矩陣。17 可達(dá)矩陣的直接建立求可達(dá)矩陣是建立結(jié)構(gòu)模型的第一步。對(duì)于有n個(gè)要素的系統(tǒng)，必須知道n（n1）個(gè)矩陣元素，即對(duì)n（n1）個(gè)元素成對(duì)地加以檢查才能完全決定可達(dá)矩陣。但是，利用可達(dá)矩陣的轉(zhuǎn)移特性，由推斷方法可以更有效地決定可達(dá)矩陣。這種方法特別適合于由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生可達(dá)矩陣。18(b) 按推移律特性建立可達(dá)矩陣(1) 關(guān)鍵要素選擇(2) 集的劃分(3) 可達(dá)矩陣的推斷19(1)關(guān)鍵要素的選擇確定要素集之間的關(guān)系：4種關(guān)系從全體要素中選擇能承上啟下的要素，即選擇一個(gè)既有有向邊輸入，也有有向邊輸出的要素Si20(2)集的劃分沒(méi)有回路的上位集A(Si)：Si與A(S

7、i)中的要素有關(guān)，而A(Si)中的要素與Si無(wú)關(guān)有回路的上位集B(Si)： Si與B(Si)中的要素具有回路的要素集合。即Si到B(Si)、 B(Si)到Si均存在有向邊無(wú)關(guān)集C(Si)： Si與C(Si)中的要素完全無(wú)關(guān)下位集D(Si)： D(Si)中的要素與Si有關(guān)，反之無(wú)關(guān)。21要素集之間的關(guān)系圖B(Si)A(Si)D(Si)C(Si)s(3)可達(dá)矩陣的推斷 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 123課堂練習(xí)企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)模型72516431 產(chǎn)量2 銷(xiāo)售量3 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與技術(shù)進(jìn)步4 資源投入量5 市場(chǎng)需求6 效益7 上繳利稅24解釋結(jié)構(gòu)模型法的工作程序成立一個(gè)實(shí)施解釋結(jié)構(gòu)模

8、型法的小組設(shè)定問(wèn)題選擇構(gòu)成系統(tǒng)的要素建立鄰接矩陣和可達(dá)矩陣對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行分解之后建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型根據(jù)結(jié)構(gòu)模型建立解釋結(jié)構(gòu)模型25求取可達(dá)矩陣以后，可由可達(dá)矩陣尋求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。為此需要對(duì)可達(dá)矩陣給出的各單元間的關(guān)系加以劃分。1關(guān)系劃分：把所有各單元分成可達(dá)關(guān)系與不可達(dá)關(guān)系兩大類(lèi)。上位集(可達(dá)集合)： 可達(dá)矩陣第ni行中所有矩陣元素為1的列對(duì)應(yīng)的要素集合先行集： 到達(dá)要素ni的要素集合共同集： 共同集合中的元素一定是入度為0，或入度與出度的差小于等于0（三）劃 分262區(qū)域劃分 將系統(tǒng)分成若干個(gè)相互獨(dú)立的、沒(méi)有直接或間接影響的子系統(tǒng)。 這種劃分對(duì)于很多的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以把系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)來(lái)研究

9、，特別是在用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，這種劃分會(huì)帶來(lái)許多方便。273級(jí)別劃分：將系統(tǒng)中的所有要素劃分成不同層次，是在每一區(qū)域里進(jìn)行的。 4是否強(qiáng)連接單元的劃分 找同一級(jí)中相互可達(dá)的要素5求縮減可達(dá)矩陣M、骨架矩陣6. 做遞階有向圖，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖28ISM的建立過(guò)程區(qū)域劃分級(jí)位劃分強(qiáng)連接要素縮減去掉自身關(guān)系（塊三角）（區(qū)域塊三角）（區(qū)域下三角）MM(P)M(L)M(L)AD(A)繪圖29ISM實(shí)用化方法原理圖初步分析規(guī)范分析綜合分析30ISM的缺陷推移規(guī)律的假定，級(jí)與級(jí)之間不存在反饋回路系統(tǒng)各要素邏輯關(guān)系的確定，依賴(lài)人們的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中需要三種角色人員：方法技術(shù)專(zhuān)家、參與者、協(xié)調(diào)人31第三節(jié) 案

10、例分析案例一：人口系統(tǒng)案例二：關(guān)于逃課現(xiàn)象的原因分析32案例一：人口系統(tǒng)一個(gè)人口系統(tǒng)影響總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)問(wèn)題的解釋結(jié)構(gòu)模型 系統(tǒng)要素：總?cè)丝?、出生率、死亡率、生育能力、政策、期望壽命、醫(yī)療保健水平、收入水平、環(huán)境污染等33總?cè)丝诔錾仕劳雎蕠?guó)民生育能力計(jì)劃生育政策期望壽命國(guó)民思想風(fēng)俗醫(yī)療保健水平食物營(yíng)養(yǎng)國(guó)民收入環(huán)境污染程度國(guó)民素質(zhì) 解釋結(jié)構(gòu)模型34案例二：關(guān)于學(xué)生逃課問(wèn)題的分析35一、確定研究對(duì)象 大學(xué)生逃課現(xiàn)象日益嚴(yán)重，學(xué)生對(duì)逃課習(xí)以為常，老師對(duì)逃課視而不見(jiàn)。嚴(yán)重影響了學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)風(fēng)氣。學(xué)校卻沒(méi)有有效的解決措施。 選擇對(duì)學(xué)生的逃課問(wèn)題進(jìn)行分析，具有重要的實(shí)際意義。對(duì)整頓學(xué)風(fēng)、提高教學(xué)質(zhì)量有

11、重大影響。 36二、系統(tǒng)分析方法與步驟1、分析學(xué)生逃課原因2、確定影響因素體系（ISM）；3、進(jìn)行因素分析。37三、應(yīng)用ISM進(jìn)行分析1、經(jīng)過(guò)小組討論認(rèn)為，逃課因素很多：課程太過(guò)容易課程太過(guò)難對(duì)課程不感興趣不重視課程更喜歡自學(xué)睡懶覺(jué)貪玩老師水平差老師要求不嚴(yán)格學(xué)習(xí)風(fēng)氣不好學(xué)校教學(xué)管理不嚴(yán)格382、經(jīng)過(guò)分析討論，得到各因素之間的關(guān)系圖Si Sj ，即Si與Sj和Sj和Si互有關(guān)系,SiSj， 即Si與Sj和Sj和Si均無(wú)關(guān)系, Si Sj， 即Si與Sj有關(guān)，Sj和Si無(wú)關(guān)，Si Sj， 即Si與Sj無(wú)關(guān)，Sj和Si有關(guān)，39可達(dá)矩陣40 R（ni）(ni行中所有元素為1的列號(hào)) A(ni)ni

12、列中所有元素為1的行號(hào)）11,3,4,5,61122,3,4,5,62,8233,4,5,61,2,3,7,8,9,10,11344,61,2,3,4,7,8,9,10,114551,2,3,5,7,8,9,10,115661,2,3,4,6,7,8,9,10,11673,4,5,6,77, 9,10,11782,3,4,5,6,88893,4,5,6,7,99,109103,4,5,6,7,1010,1110113,4,5,6,7,9,10,11111141練習(xí)1、解釋結(jié)構(gòu)模型法是定量技術(shù)嗎？為什么？2、利用解釋結(jié)構(gòu)模型法進(jìn)行分析。建立可達(dá)矩陣，并建立解釋結(jié)構(gòu)模型。S1S4S5S3S23. 根據(jù)如下鄰接矩陣建立系統(tǒng)的解釋結(jié)構(gòu)模型。參考答案練習(xí)21. 鄰接矩陣 2. 一步可達(dá)矩陣: 3. 可達(dá)