系統工程導論

1精選課件ppt復習系統分析（定義、意義、內容、步驟、方法）系統目標分析（總目標、目標集）系統的觀察、分析、認識、解決問題！（目標、環境分析）第四章2第四章系統分析系統工程導論4.1系統分析概述4.2系統目標分析4.3系統環境分析4.4系統結構分析4.5系統層次分析四、系統分析3四、系統分析

系統環境是指存在于系統之外的系統無法控制的自然、經濟、社會、技術、信息和人際關系的總稱。系統環境因素的屬性和狀態變化輸入系統輸出系統環境分析4.3.1系統環境的概念系統與環境是依據時間、空間、所研究問題的范圍和目標劃分的，故系統與環境是個相對概念。4四、系統分析

系統方案的完善程度、可靠程度依賴于對系統環境的了解程度。對環境了解的不準確，導致系統方案實施的失敗或蒙受重大損失。系統環境分析了解和認識系統與環境的相互關系、環境對系統的影響和可能產生的后果。為達到目的，系統環境分析需要完成環境的概念、環境因素及其影響作用、系統與環境邊界劃定等分析內容。環境分析的主要目的：5四、系統分析1）環境是提出系統工程課題的來源；2）課題的邊界的確定要考慮環境因素；3）系統分析的資料，包括決策資料，要取自于環境；4）系統的外部約束通常來自環境；5）系統分析的質量要由系統所在環境提供評價資料。系統環境分析研究環境因素的意義在于：6四、系統分析（1）物理的和技術的：

1）現存系統2）技術標準3）科技發展因素估量4）自然環境（2）經濟和經營管理環境：

1）外部組織機構。2）政策、政府作用3）系統及其價格結構4）經營活動（3）社會環境：

1）社會因素2）人的因素系統環境分析4.3.2環境因素的分類（三大類）7四、系統分析環境因素的確定：就是根據實際系統的特點，通過考察環境與系統之間的相互影響和作用，找出對系統有重要影響的環境要素的集合，即劃定系統與環境的邊界。環境因素的評價：就是通過對有關環境因素的分析，區分有利和不利的環境因素，弄清環境因素對系統的影響和諧、作用方向和后果等。系統環境分析4.3.3環境因素的確定與評價8四、系統分析（1）應適當取舍；（2）對所考慮的環境因素，要分清主次；（3）不能孤立地、靜止地考察環境因素；（4）尤其要重視某些間接、隱蔽、不易被察覺的、但可能對系統有著重要影響的環境因素。系統環境分析環境因素的確定與評價，要根據系統問題的性質和特點，因時、因地、因條件地加以分析和考察。通常應注意以下幾點:9四、系統分析以企業經營管理系統為例進行環境分析:系統環境分析10四、系統分析SW：（StrengthsandWeaknesses）優勢和劣勢OT：（OpportunitiesandThreats）機會和威脅系統環境分析環境因素分析法——SWOT分析法11四、系統分析SWOT分析表主要用于因素調查和分析系統環境分析12四、系統分析例：以濟南泉水特征及影響因素系統分析為例。濟南泉域喀斯特水系統含聞名的四大泉群，即趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龍潭泉群。其水位與匯集排泄區喀斯特水水位動態變化一致；泉水流量一般在每年的1～5月份逐漸減少，泉水斷流一般出現在5～6月份，6～9月雨季來臨，水位回升，泉水也相繼出流，最大流量一般出現在9～10月，然后隨水位的不斷下降，泉流量也逐漸減少。

影響泉水動態的主要因素是：當年、前一年、前兩年的降水量，市區開采量，泉域內的開采量等等。泉水動態是自然因素和人為作用的綜合反映。系統環境分析4.3.4系統環境分析舉例13四、系統分析造成泉水斷流的因素較多，綜合分析如下：

（1）喀斯特水的開采對泉水的影響1）

市區開采對泉水影響：隨著市區開采量的增大，泉區水位下降，泉流量減少。2）西部水源地開采對泉水的影響。3）

東郊工業開采區開采對泉水的影響。（2）補給量的變化對泉水的影響（3）水源地布局對泉水的影響（4）補給、開采時空變化對泉水的影響系統環境分析14四、系統分析

通過以上分析、論證可以看出：濟南泉水明顯受自然因素和人為因素的影響。

自然因素中以大氣降水的年際變化對泉水的影響最為明顯；

人為因素中以地下水的開采量和開采布局對泉水的影響最為明顯。解決方案：從濟南泉水保護和合理開發利用地下水資源的角度出發，必須增加地下水的補給量，合理地調整開采布局和開采量，以保證泉水常年噴涌。系統環境分析15第四章系統分析系統工程導論4.1系統分析概述4.2系統目標分析4.3系統環境分析4.4系統結構分析4.5系統層次分析四、系統分析16四、系統分析系統結構分析系統結構：

是系統保持整體性和使系統具備必要的整體功能的內部依據；

是反映系統內部要素之間相互關系、相互作用的形式的形態化；

是系統中要素的秩序的穩定化和規范化。4.4系統結構分析17四、系統分析系統工程導論所謂系統結構是指系統的構成要素在時空連續區上的排列組合方式和相互作用方式。

系統功能和系統結構是不可分割的。

系統功能指系統整體與外部環境相互作用中應表現出來的效應與能力，以滿足系統目標的要求。系統的整體功能又是由系統結構決定的。而系統內部諸要素之間的作用形式則又取決于系統的特征即系統的本質屬性。

4.4.1系統結構概念18四、系統分析系統工程導論一切系統都是由大量的要素（集合性）按照一定的相互關系（相關性）歸屬于固定的階層內（階層性）集合性相關性階層性系統結構的主要內涵特性。整體性系統內部綜合協調的表征。適應性以系統為一方，環境為另一方的外部協調的表征。目的性構造系統結構的出發點。系統的特征與系統結構系統結構分析的目的就是找出構成這幾個表征的規律，即尋求構筑系統合理結構的規律和途徑。19四、系統分析系統工程導論

所謂合理結構是指在對應系統總目標和環境因素的約束條件下，系統的組成要素集、要素間的相互關系集以及它們在階層分布上的最優結合，并使得系統有最優的或最滿意的輸出。E**=maxP（X，R，C）P→GP→OSopt=max｛S／E**｝結構分析的公式表示：20四、系統分析系統工程導論

E**=maxP（X，R，C）P→GP→OSopt=max｛S／E**｝

其中X是系統組成要素的集合；R是系統組成要素的相關關系的集合；C是系統要素及其相互關聯在各層次上的可能分布形式；P是X、R、C的結合效果函數；“Ｐ→”表示這個函數對應于某種條件，例如Ｐ→Ｇ表示Ｐ函數對應于系統目標集的條件，Ｐ→Ｏ表示Ｐ函數對應于環境因素約束集的條件；Ｅ表示Ｐ函數在兩個對應條件下所能達到的最優結合效果；Sopt的關系式表示具有最佳結合效果的結構中能給出最大輸出的系統。21四、系統分析系統工程導論構成系統的要素集——要素集分析要素間的相互關系——相關性分析要素在系統中的排列方式——層次性分析系統的整體性——整體性分析系統結構分析的主要內容：E**=maxP（X，R，C）P→GP→OSopt=max｛S／E**｝結構分析的任務，就是尋求Ｘ、Ｒ、Ｃ之間的最優結合形式，使系統穩定條件下結合效果最優，系統輸出最大。22四、系統分析系統工程導論系統要素集分析有兩項工作：

首先是確定要素集。其確定方法是在已定的目標樹基礎上進行,找出對應的能夠實現目標的實體部分即是要素集。例如，要達到運載飛行的目標，就要有火箭或飛機的實體系統；如果要達到運載飛行就要有能源、推力、力的傳遞等分目標，相應地從系統要素集看，則要有液體或固體燃料的存儲、運輸及控制部分，發動機部分，力的傳遞機構部分等；

第二項是對已得到的要素進行價值分析，這是因為實現某一目標可能有多種要素，因此存在著擇優問題，其擇優的標準是在滿足給定目標前提下，使所選要素的構成成本最低。其方法主要運用價值分析技術。

4.4.2系統要素集分析23四、系統分析系統工程導論

要素集實現系統目標的作用還要取決于要素間的相關關系。

例如：同樣的磚、瓦、沙、石、木、水泥可以蓋出高質量的漂亮的樓房，也可以蓋出低劣質量的樓房；同樣的符合標準的手表零件，可以裝出質量高檔的手表，也可以裝出質量下乘的手表（瑞士手表專家的當場表演所示實例）。這些關系可能表現在空間結構、排列順序、相互位置、松緊程度、時間序列、數量比例、信息傳遞方式，以及組織形式、操作程序、管理方法等許多方面，并由此形成系統的相關關系集。4.4.3系統相關性分析24四、系統分析系統工程導論系統的階層性關系分析主要是針對大多數系統都具有多階層遞階形式而進行的。系統階層的產生：由于系統目標的多樣性和復雜性，任何單一或比較簡單的功能都不能達到目的，需要組成功能團和功能團間的相互聯合。系統階層性分析的目的：主要解決系統分層數目和各層規模的合理性問題，即解決層次的縱向和橫向規模的合理性問題。4.4.4系統階層性分析25四、系統分析系統工程導論系統整體性分析是結構分析的核心，是解決系統整體協調和優化的基礎。整體性分析是綜合要素集、關系集、層次性分析結果，以整體最優為目的的協調，也就是使要素集、關系集、層次分布達到最優結合，并取得系統整體的最優輸出。整體性分析主要有兩項內容：一是為了衡量和分析系統的整體結合效果，需要建立一個評價指標體系。二是盡量建立反映系統整體性的要素集、關系集、層次分布的結構模型，以定量分析系統整體結構的合理性和最優輸出。4.4.5系統整體分析26四、系統分析系統工程導論例如一個工程施工技術系統

要素集——若干臺（套）各種裝置或儀器設備（供電、供水、運輸、機械設備、儀器、測試、原材料）和各類工作人員構成。

關系集——在一定的生產工藝流程條件下，由人—機組成了各種關系。

層次分布集——由于人—機系統中各種要素功能不同，就必然構成層次關系。

根據系統結構結合特性，其評價指標體系應當考慮的有：

設備利用率、設備故障率、能耗、材料消耗、生產效率、成本、質量等指標。27四、系統分析系統工程導論以企業技術創新的系統分析為例技術創新是企業在市場經濟條件下把科技進步和市場需求有機結合起來，以提高企業效益的創造性行為；是企業作為人、財、物的技術——經濟綜合體，把自身各方面的力量充分調動與最佳組織起來，并對外部環境加以優化地選擇和利用，以實現創新目標的系統工程。4.4.6系統的結構分析舉例28四、系統分析系統工程導論（1）企業技術創新系統的內部結構企業技術創新過程大致都分為新構思形成、研究開發和生產銷售三個階段，這三個階段也就成為企業技術創新系統的三個組成要素。29四、系統分析系統工程導論企業技術創新系統的輸入與輸出系統模型（2）企業技術創新系統的輸入與輸出30四、系統分析系統工程導論（3）加強企業技術創新的對策措施1)加快建立現代企業制度，確立企業技術創新主體地位；2)加強企業技術開發機構建設，增強企業技術創新能力；3)加大企業科技投入，增強企業技術創新實力；4)進一步完善企業內部激勵機制，營造有利于企業技術創新的氛圍；5)多途徑培養科技人才，夯實企業技術創新的基礎31第四章系統分析系統工程導論4.1系統分析概述4.2系統目標分析4.3系統環境分析4.4系統結構分析4.5系統層次分析四、系統分析32四、系統分析系統層次分析

層次分析法（AnalyticalHierarchyProcess，簡稱AHP）是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂(T.L.Saaty)于上世紀70年代初，為美國國防部研究“根據各個工業部門對國家福利的貢獻大小而進行電力分配”課題時，應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法，提出的一種層次權重決策分析方法。4.5

系統層次分析33四、系統分析系統層次分析4.5

系統層次分析

日常生活中有許多決策問題。決策是指在面臨多種方案時需要依據一定的標準選擇某一種方案。例1旅游：假期旅游，是去風光秀麗的蘇州，還是去涼爽宜人的北戴河，或者是去山水甲天下的桂林？通常會依據景色、費用、食宿條件、旅途等因素選擇去哪個地方。例2擇業：面臨畢業，可能有高校、科研單位、企業等單位可以去選擇，一般依據工作環境、工資待遇、發展前途、住房條件等因素擇業。例3科研課題的選擇：由于經費等因素，有時不能同時開展幾個課題，一般依據課題的可行性、應用價值、理論價值、被培養人才等因素進行選題。34四、系統分析系統層次分析例4某人準備選購一臺電冰箱對市場上的6種不同類型的電冰箱進行了解；選取些中間指標進行考察，例如電冰箱的容量、制冷級別、價格、型式、耗電量、外界信譽、售后服務等；然后再考慮各種型號冰箱在上述各中間標準下的優劣排序。借助這種排序，最終作出選購決策。然而，由于6種電冰箱對于每個中間標準的優劣排序一般是不一致的，因此，決策者首先要對這7個標準的重要度作一個估計，給出一種排序；然后把6種冰箱分別對每一個標準的排序權重找出來，最后把這些信息數據綜合，得到針對總目標即購買電冰箱的排序權重。有了這個權重向量，決策就很容易了。35四、系統分析系統層次分析

在對復雜的決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法，是對難于完全定量的復雜系統作出決策的模型和方法。具有實用性、系統性、簡潔性等很多優點，尤其適合于對決策結果難于直接準確計量的場合，如社會經濟系統的決策分析。層次分析法的特點：36四、系統分析系統工程導論層次分析法的步驟：（1）確定該系統的總目標，弄清規劃決策所涉及范圍、要采取的措施方案、實現目標的準則、策略和各種約束條件等。（2）建立一個多層次的遞階結構，按目標的不同、實現功能的差異，將系統分為幾個等級層次。（3）確定以上遞階結構中相鄰層次元素間相關程度。通過構造兩兩比較判斷矩陣及矩陣運算的數學方法，確定對于上一層次的某個元素而言，本層次中與其相關元素的重要性排序—相對權值。（4）計算各層元素對系統目標的合成權重，進行總排序，以確定遞階結構圖中最底層各個元素的總目標中的重要程度。（5）根據分析計算結果，考慮相應的決策。37四、系統分析系統工程導論4.5.1遞階層次結構遞階層次結構的一般形式（三層）38四、系統分析系統工程導論工作選擇貢獻收入發展聲譽關系位置供選擇的崗位國家綜合實力國民收入軍事力量科技水平社會穩定對外貿易美、俄、中、日、德等大國例：39四、系統分析系統工程導論過河的效益

A經濟效益B1社會效益B2環境效益B3節省時間C1收入C2岸間商業C3當地商業C4建筑就業C5安全可靠C6交往溝通C7自豪感C8舒適C9進出方便C10美化C11橋梁D1隧道D2渡船D3例：40四、系統分析系統工程導論（1）構造判斷矩陣判斷矩陣是將層次結構模型中同一層次的要素相對于上層的某個因素，相互間作成對比較而形成的矩陣。

例如，方案層的備選方案B1，B2，…，Bn，相對上層的準則Ck作成對比較，可構成下面的判斷矩陣PCk-B

4.5.2構造判斷矩陣和計算相對權重41四、系統分析系統工程導論其中，bij是以Ck為準則Bi與Bj哪個更重要更強來確定的。CkB1B2…Bj…BnB1b11b12…b1j…b1nB2b21b22…b2j…b2n…………………Bi………bij………………………Bnbn1bn2…bnj…bnn42四、系統分析系統工程導論

在確定元素bij的量值時，AHP為了將定性比較的結果作定量化描述，引入了判斷標度。通常使用1～9標度法標度含義1表示兩個因素相比，具有同樣重要性3表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素稍微重要5表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素明顯重要7表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素強烈重要9表示兩個因素相比，一個因素比另一個因素極端重要2，4，6，8上述兩相鄰判斷的中值倒數因素i與j比較的判斷bij，則因素j與i比較的判斷bji=1/bij43四、系統分析系統工程導論通過比較得到的判斷矩陣P=[bij]n×n具有以下特點：

①[bij]>0；②bii=1；③bji=1/bij（i,j=1,2,…,n)。具有上述幾個特點的矩陣稱為正互反矩陣。可以證明一個n階的判斷矩陣只有n(n-1)/2個元素需要確定。對于目標層1個、準則層m個和方案層n個的層次結構，方案層對準則層可以建立m個判斷矩陣，即PCk-B（k==1,2,…,m）,而準則層對目標層只有一個判斷矩陣PG-C，總共需要構造m+1個判斷矩陣。44四、系統分析系統工程導論

權重計算的方法有多種，這里僅介紹方根法。是一種計算判斷矩陣權重的近似方法，用于精度要求不高的場合。其計算步驟如下：①計算P=[bij]

n×n中每行所有元素的幾何平均值，得到向量M=[m1m2…mn]T，其中

②對列向量M作歸一化處理，得到相對權重向量W=[w1w2…wn]T，其中

（2）計算權重45四、系統分析系統工程導論③計算P的最大特征值，其近似計算公式如下：

其中，(PW)i

是權重向量W右乘判斷矩陣P得到的列向量PW中的第i個分量。λmax將用于判斷一致性檢驗。46四、系統分析系統工程導論計算權重的原理：設有n個物體B1，B2，…，Bn，重量分別為w1，w2，…，wn。若兩兩比較物體的重量，其比值可構成n×n的矩陣P。若用向量W=[w1，w2，…，wn]T右乘矩陣P，可得：由矩陣理論可知，n

即為P的特征值，且是最大特征值，W則是對應于最大特征值n

的特征向量。不難看出，應首先求出判斷矩陣的最大特征值；然后計算對應于的特征向量W；再對W作歸一化處理，即得到權重向量。當判斷矩陣階數較高時，可采用迭代算法編程計算特征值。47四、系統分析系統工程導論1）

完全一致性根據矩陣理論，若正互反矩陣P=[bij]

n×n對于所有的i,j=1,2,…,n，均有bij=bik/bjk

成立，則稱P具有完全一致性。此時，正互反矩陣P具有唯一非零的最大特征值λmax，且λmax=

n。2）一致性檢驗