系統(tǒng)工程第4版 教學(xué)PPT 作者 汪應(yīng)洛 西安交通大學(xué) 主編 第3章　系統(tǒng)模型與模型化

1第三章

系統(tǒng)模型與模型化《系統(tǒng)工程》課程建設(shè)團隊2009年11月2第三章系統(tǒng)模型與模型化第一節(jié)：概述第二節(jié)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第三節(jié)：系統(tǒng)工程模型技術(shù)的新進展3第一節(jié)概述一、模型及模型化的定義

模型有三個特征：

1.它是現(xiàn)實世界部分的抽象或模仿；

2.它是由那些與分析的問題有關(guān)的因素構(gòu)成；

3.它表明了有關(guān)因素間的相互關(guān)系；模型化就是為了描述系統(tǒng)的構(gòu)成和行為，對實體系統(tǒng)的各種因素進行適當篩選后，用一定方式（數(shù)學(xué)、圖像等）表達系統(tǒng)實體的方法。5實驗、分析實際系統(tǒng)結(jié)論模型現(xiàn)實意義模型化解釋比較圖系統(tǒng)模型（化）的作用與地位第一節(jié)概述6三、模型的分類模型類比仿真形象符號概念圖像物理數(shù)學(xué)圖示字句描述思維圖模型分類第一節(jié)概述7四、構(gòu)造模型的一般原則

1.建立方框圖

2.考慮信息相關(guān)性

3.考慮準確性

4.考慮結(jié)集性五、建模的基本步驟①明確建模的目的和要求以便使模型滿足實際要求，不致產(chǎn)生太大偏差；②對系統(tǒng)進行一般語言描述因為系統(tǒng)的語言描述是進一步確定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；第一節(jié)概述9六、模型化的基本方法

1.分析方法；

2.實驗方法；

3.綜合法；

4.老手法；

5.辯證法；七、模型的簡化①減少變量，減去次要變量；②改變變量性質(zhì)；③合并變量（集結(jié)）；④改變函數(shù)關(guān)系；⑤改變約束條件；第一節(jié)概述10一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)分析的概念和意義

結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)模型→結(jié)構(gòu)模型化→結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是一個實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化并加以解釋的過程。結(jié)構(gòu)分析是系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)優(yōu)化分析、設(shè)計與管理的基礎(chǔ)第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)11

理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念

（構(gòu)成系統(tǒng)諸要素間的關(guān)聯(lián)方式或關(guān)系）及其有向圖（節(jié)點與有向?。┖途仃嚕蛇_矩陣等）這兩種常用的表達方式。

比較有代表性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法有：

關(guān)聯(lián)樹（如問題樹、目標樹、決策樹）法、解釋結(jié)構(gòu)模型化（ISM）方法、系統(tǒng)動力學(xué)（SD）結(jié)構(gòu)模型化方法等。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表達及分析方法

第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)13四、小結(jié)該方法的核心是對系統(tǒng)要素間的關(guān)系（尤其是因果關(guān)系）進行層次化處理，最終形成具有多級遞階關(guān)系和解釋功能的結(jié)構(gòu)模型（圖）。

第1步：

找出影響系統(tǒng)問題的主要因素，通過方格圖判斷要素間的直接（相鄰）影響關(guān)系；

第2步：

考慮因果等關(guān)系的傳遞性，建立反映諸要素間關(guān)系的可達矩陣（該類矩陣屬反映邏輯關(guān)系的布爾矩陣）；

第3步：

考慮要素間可能存在的強連接（相互影響）關(guān)系，僅保留其中的代表要素，形成可達矩陣的縮減矩陣；14

第4步：

縮減矩陣的層次化處理，分為兩步：（1）按照矩陣每一行“1”的個數(shù)的少與多，從前到后重新排列矩陣，此矩陣應(yīng)為嚴格的下三角矩陣；（2）從矩陣的左上到右下依次找出最大單位矩陣，逐步形成不同層次的要素集合。

第5步：作出多級遞階有向圖。作圖過程為：

（1）按照每個最大單位子矩陣框定的要素，將各要素按層次分布；（2）將第3步被縮減掉的要素隨其代表要素同級補入，并標明其間的相互作用關(guān)系；（3）用從下到上的有向弧來顯示逐級要素間的關(guān)系；（4）補充必要的越級關(guān)系。

第6步：經(jīng)直接轉(zhuǎn)換，建立解釋結(jié)構(gòu)模型。

ISM方法的特色和局限性15一、系統(tǒng)定量分析模型狀態(tài)空間模型：

研究動態(tài)系統(tǒng)的行為，有兩種既有聯(lián)系也有區(qū)別的方法：輸入－輸出法和狀態(tài)變量法。輸入－輸出法又稱端部法，它只研究系統(tǒng)的端部特性，而不研究系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的特性用傳遞函數(shù)來表示。17

隨著系統(tǒng)工程理論的發(fā)展和應(yīng)用不斷深入，系統(tǒng)工程所研究的問題越來越多地涉及復(fù)雜系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模型方法已經(jīng)不能適應(yīng)這種研究的需要，規(guī)劃論、“硬”的優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)很難應(yīng)對這種局面。隨著信息技術(shù)和計算機智能化的發(fā)展，針對這種情況，Zadeh提出了一種新的方法——軟計算(softcomputing)。第三節(jié)系統(tǒng)工程模型技術(shù)的新進展18軟計算不是一個單獨的方法論，而是一個方法的集合，在這個集合中的主要成員包括模糊邏輯控制(fuzzylogiccontrol)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neuralnetwork)、近似推理以及一些具有全局優(yōu)化性能且通用性強的meta-heuristic算法，如遺傳算法(geneticalgorithms,GA)、模擬退火算法(simulatedannealing,SA)、禁忌搜索算法(taboosearch,TS)、蟻路算法(antsystem,AS)等。這些方法的特點是他們更多地借鑒了生物原理和人的思維，因此有人也稱之為“擬人”方法。更適應(yīng)于解決管理、經(jīng)濟和復(fù)雜的工程大系統(tǒng)問題。

第三節(jié)系統(tǒng)工程模型技術(shù)的新進展19蟻群算法

蟻群算法（AntColonyOptimization,ACO）由Colorni，Dorigo和Maniezzo在1991年提出，它是通過模擬自然界螞蟻社會的尋找食物的方式而得出的一種仿生優(yōu)化算法。自然界種蟻群尋找食物時會派出一些螞蟻分頭在四周游蕩，如果一只螞蟻找到食物，它就返回巢中通知同伴并沿途留下“信息素”（pheromone）作為蟻群前往食物所在地的標記。信息素會逐漸揮發(fā)，如果兩只螞蟻同時找到同一食物，又采取不同路線回到巢中，那么比較繞彎的一條路上信息素的氣味會比較淡，蟻群將傾向于沿另一條更近的路線前往食物所在地。21魚群算法

2003年李曉磊、邵之江等提出的魚群算法，它利用自上而下的尋優(yōu)模式模仿自然界魚群覓食行為，主要利用魚的覓食、聚群和追尾行為，構(gòu)造個體底層行為；通過魚群中各個體的局部尋優(yōu)，達到全局最優(yōu)值在群體中凸現(xiàn)出來的目的。在基本運算中引入魚群的生存機制、競爭機制以及魚群的協(xié)調(diào)機制，提高算法的有效效率。22局部搜索，模擬退火，遺傳算法，禁忌搜索的形象比喻：

為了找出地球上最高的山，一群有志氣的兔子們開始想辦法。

1．兔子朝著比現(xiàn)在高的地方跳去。他們找到了不遠處的最高山峰。但是這座山不一定是珠穆朗瑪峰。這就是局部搜索，它不能保證局部最優(yōu)值就是全局最優(yōu)值。

2．兔子喝醉了。他隨機地跳了很長時間。這期間，它可能走向高處，也可能踏入平地。但是，他漸漸清醒了并朝最高方向跳去。這就是模擬退火。

3．兔子們吃了失憶藥片，并被發(fā)射到太空，然后隨機落到了地球上的某些地方。他們不知道自己的使命是什么。但是，如果你過幾年就殺死一部分海拔低