系統(tǒng)分析方法秦華鵬辦公室:E414電話:26035291手機mail:qinhuapeng@.cn第1講系統(tǒng)分析方法概論一系統(tǒng)分析的概念二系統(tǒng)分析的原則三系統(tǒng)分析的內容四系統(tǒng)分析方法分類五系統(tǒng)分析方法發(fā)展趨勢六課程安排一

系統(tǒng)分析的概念

系統(tǒng)的基本概念

環(huán)境與地理學研究的系統(tǒng)

系統(tǒng)分析的產生與發(fā)展

系統(tǒng)分析的定義

系統(tǒng)分析與其他學科的關系1.1系統(tǒng)的基本概念

系統(tǒng)是由相互關聯的若干組成成分所構成的，具有某種特定功能的有機整體。

系統(tǒng)的基本特征：系統(tǒng)由若干元素組成多元性元素間相互作用、相互依存關聯性系統(tǒng)作為整體具有特定功能整體性系統(tǒng)基本概念圖元素、結構、環(huán)境、邊界輸入、輸出、開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)狀態(tài)、變量、過程、功能等1.2環(huán)境與地理學研究的系統(tǒng)例1生態(tài)系統(tǒng)

例2水資源系統(tǒng)

例3城市系統(tǒng)簡單陸地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)各成分以各種各樣的方式相互支持、相互競爭，各種成分通過能量流、營養(yǎng)物質循環(huán)、信息流等過程來耦合水資源供需系統(tǒng)

水資源系統(tǒng)具有多方案替代的特征；水資源系統(tǒng)與自然、社會、經濟、環(huán)境、生態(tài)等因素密切相關；水資源系統(tǒng)是一個受眾多因素影響并相互制約的復雜大系統(tǒng)（水量、水質）

城市系統(tǒng)城市結構可以看成個人活動（住房+工作+各種服務）、團體活動（狹義上=經濟活動）、以及支持它們的實體基礎設施和運輸系統(tǒng)。各子系統(tǒng)之間有著強烈的依存關系。

環(huán)境與地理學研究系統(tǒng)的特征涉及因素眾多結構和過程的復雜性與相互依存?zhèn)€體具有能動性和適應性系統(tǒng)不斷進化系統(tǒng)及其組成部分與地理空間分布有關，具有區(qū)位特征；與社會經濟相關，具有社會特征

復雜系統(tǒng)中存在許多矛盾因素和不確定因素，只有通過系統(tǒng)分析才能認識和協調因素間的關系復雜的巨系統(tǒng)1.3系統(tǒng)分析的產生與發(fā)展

系統(tǒng)分析的產生相關研究機構環(huán)境/區(qū)域/城市系統(tǒng)分析的發(fā)展系統(tǒng)分析的產生

20世紀40年代末，出現大量不確定性、競爭性復雜系統(tǒng)，如軍事對抗、經濟競爭。產生了面向系統(tǒng)整體目標的分析方法——系統(tǒng)分析“系統(tǒng)分析”最早由美國蘭德公司提出，用于的武器系統(tǒng)的費用與效果分析40年代末~70年代存在兩條發(fā)展路線在政府與企業(yè)，運用數學工具和經濟學原理，研究軍事、經濟系統(tǒng)等。如PPBS方法（規(guī)劃-計劃-預算系統(tǒng)，Planning,Programming,BudgetSystem）在大學和科研機構，系統(tǒng)的思想和方法在一些研究領域逐步得到系統(tǒng)化、理論化，系統(tǒng)分析逐漸成為一種普遍的研究方法

目前，系統(tǒng)分析發(fā)展成為一種有效的方法體系，廣泛應用于社會、經濟、能源、生態(tài)等諸多領域。相關研究機構蘭德公司（RAND，）

非營利性研究組織，主要對國家安全和公共福利方面的各種問題進行系統(tǒng)跨學科的分析研究，在美國內外政策的制定方面起著重要作用

斯坦福國際研究所（SRI，）

美國最大、最著名的民間研究機構之一，為綜合各學科的研究機構，主要為美國政府，尤其是國防部，以及工商企業(yè)從事范圍廣泛的研究，在美國國防、外交、經濟、科研等方面都起著重要作用。國際應用系統(tǒng)分析研究所（IIASA，www.iiasa.ac.at）

非政府研究機構，地處奧地利，重點研究與全球變化的人文維度相關的環(huán)境、經濟、技術與社會問題相關研究機構倫敦戰(zhàn)略研究所（IISS，）

世界上享有盛名的思想庫和智囊團，專門從事國際關系和國際問題，素有“戰(zhàn)略思想庫”之稱。其發(fā)表的關于世界各國軍事力量的公開統(tǒng)計數字、評估和判斷，在世界上享有很重要的權威地位。哈佛大學國際事務中心

（）

專門從事國際問題研究的機構，對世界根本問題進行高級研究，關注經濟、社會和政治發(fā)展、超越國家范圍的各種作用和國際秩序、以及科學技術和國際事務的關系等問題圣塔菲研究所（

SFI，）

一所私營、非營利、多學科結合的研究和教育中心,匯集一批各個領域卓越的科學家，專門從事復雜性科學研究，試圖由此找到一條通過學科間的融合來解決復雜性問題的道路

系統(tǒng)分析與環(huán)境問題

20世紀中葉，由環(huán)境污染引起的公害事件頻頻發(fā)生，美國洛杉磯光學煙霧事件，英國倫敦煙霧事件，日本的水俁事件等等。這些事件在時間和空間上都非常廣泛的綜合性效應。只有調動社會各個領域的力量，協同配合，才能解決這些問題。美、日、英等主要工業(yè)國先后建立了全國性的科研機構和管理機構，展開了綜合性的全國或區(qū)域的環(huán)境污染防治。環(huán)境問題的全局性、復雜性和綜合性的特點，為系統(tǒng)分析方法的應用提供了廣闊的領域，世界上很多著名的環(huán)境污染防治工程的研究和實施都應用了系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)分析與區(qū)域/城市規(guī)劃產業(yè)革命和新技術革命推動下，社會經濟的高速發(fā)展，城市規(guī)模、結構及行為日益復雜，由此而生的各種現象和問題越來越復雜，迫切要求城市研究人員和工作人員要從系統(tǒng)科學的方法論中去尋找解決問題、協調矛盾的鑰匙，從戰(zhàn)略高度去重新認識城市化及城市系統(tǒng)。系統(tǒng)分析已在區(qū)域和城市系統(tǒng)規(guī)劃領域得到廣泛應用，如區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)劃、布局規(guī)劃、資源利用規(guī)劃、投資規(guī)劃，城市規(guī)劃、城市生態(tài)系統(tǒng)分析等1.4系統(tǒng)分析的定義

系統(tǒng)分析是運籌學的擴展系統(tǒng)分析是研究系統(tǒng)規(guī)律的方法系統(tǒng)分析是一種決策的輔助技術本課程采用的定義系統(tǒng)分析是運籌學的擴展系統(tǒng)分析與運籌學對比：系統(tǒng)分析是運籌學應用的擴展，兩者的關系猶如戰(zhàn)略對于戰(zhàn)術的關系。運籌學——用于解決目標明確、變量關系簡單的近期問題系統(tǒng)分析——用于解決更為復雜和困難的遠期問題系統(tǒng)分析是研究系統(tǒng)規(guī)律的方法

美國《麥氏科學技術大百科全書》：系統(tǒng)分析是運用數學手段研究系統(tǒng)結構和狀態(tài)變化規(guī)律的理論和方法。理解：對研究系統(tǒng)建立一種數學模型，按照這種模型進行數學分析，然后將分析的結果運用于原來系統(tǒng)。系統(tǒng)分析是一種決策的輔助技術

系統(tǒng)分析是一個有目的有步驟的探索和分析過程，它利用科學的分析方法和工具，對系統(tǒng)的目的、功能、結構、環(huán)境、費用與效益等問題進行分析和確定，為決策提供所需的科學依據和信息。具體地說，系統(tǒng)要明確主要問題，確定系統(tǒng)目標，開發(fā)可行方案，建立系統(tǒng)模型，進行定性與定量相結合的分析，全面評價和優(yōu)化可行方案，從而為領導者選擇最優(yōu)方案或滿意方案提供可靠的依據。本課程采用的定義從系統(tǒng)論的概念和思想出發(fā)，綜合應用多學科的知識和方法，研究系統(tǒng)各要素的相互關系和系統(tǒng)整體變化規(guī)律，在此基礎上對系統(tǒng)進行協調和綜合，達到系統(tǒng)總目標最優(yōu)的目的。出發(fā)點：系統(tǒng)論研究方法：多學科研究對象：系統(tǒng)要素相互關系，系統(tǒng)規(guī)律研究目的：協調、最優(yōu)1.5系統(tǒng)分析與其他學科的關系

系統(tǒng)分析與系統(tǒng)學系統(tǒng)分析與系統(tǒng)工程系統(tǒng)分析與運籌學系統(tǒng)分析與系統(tǒng)學

系統(tǒng)分析是系統(tǒng)學科體系中的一門應用技術，屬于工程技術

系統(tǒng)分析與系統(tǒng)工程

觀點一：系統(tǒng)工程=系統(tǒng)分析+系統(tǒng)設計+系統(tǒng)實現+系統(tǒng)控制觀點二：系統(tǒng)分析=系統(tǒng)工程觀點三：系統(tǒng)方法=系統(tǒng)分析+系統(tǒng)工程+系統(tǒng)管理系統(tǒng)分析與運籌學

兩者形成和發(fā)展過程同步，初期的應用都著重分析軍事和武器系統(tǒng)，實現有關確定最優(yōu)選擇、部署和控制現有操作系統(tǒng)等業(yè)務活動。20世紀50年代以后出現明顯區(qū)別：復雜系統(tǒng)（如社會系統(tǒng)）由于沒有適宜的分析技術或者數據形式而難以適合運籌學的具體技術要求，以致不能確切地表達和求得結果，于是必須借助模擬技術或系統(tǒng)分析等方法來解決。從現代的觀點來看，運籌學是一種研究確定性現象的系統(tǒng)分析方法，常用于系統(tǒng)的優(yōu)化決策建模。二

系統(tǒng)分析的原則

2.1局部效益與總體效益相結合

2.2遞階分解與綜合協調相結合

2.3內部因素與外部因素相結合

2.4當前利益與長遠利益相結合

2.5定性分析與定量分析相結合

2.1局部效益與總體效益相結合

局部的最優(yōu)并不代表總體最優(yōu)。總體的最優(yōu)往往要求局部放棄最優(yōu)而實現次優(yōu)或次次優(yōu)。進行系統(tǒng)分析必須著眼于系統(tǒng)的整體目標，堅持“系統(tǒng)總體效益最優(yōu)、局部效益服從總體效益”的原則。系統(tǒng)分析時還應站在比所研究系統(tǒng)高一級的立場和角度來觀察。

深圳河（灣）流域水環(huán)境綜合治理2.2遞階分解與綜合協調相結合

大系統(tǒng)特別是復雜系統(tǒng)?？煞纸鉃槿舾勺酉到y(tǒng)，因此分析時可以將大系統(tǒng)逐層分解，即所謂“化整為零”，使問題簡約清晰，便于深入研究；然后根據系統(tǒng)整體與各層次目標，相互協調配合，將小系統(tǒng)“集零為整”，只有各子系統(tǒng)實現各自功能，并相互協調一致，才能實現整體目標并達到最優(yōu)。

2.3內部因素與外部因素相結合

系統(tǒng)的內部因素往往是可控的，而外部因素往往是不可控的，系統(tǒng)的功能或行為不僅受到內部因素的作用，而且受到外部因素的影響和制約。因此，對系統(tǒng)進行分析，必須把內外各種有關因素結合到一起來考慮。通常的處理辦法是，把內部因素選為決策變量，把外部因素作為約束條件，運用系統(tǒng)分析的方法建立它們之間的相互關系。

2.4當前利益與長遠利益相結合

選擇最優(yōu)方案，不僅要從當前利益出發(fā)，而且還要同時考慮長遠利益，要兩者兼顧。如果兩者發(fā)生矛盾，應該堅持當前利益服從長遠利益的原則。2.5定性分析與定量分析相結合

定量分析是指采用數學模型進行的數量指標的分析，但是一些政治因素與心理因素、社會效果與精神效果目前還無法建立數學模型進行定量分析，只能依靠人的經驗和判斷力進行定性分析。因此，在系統(tǒng)分析中，定性分析不可忽視，必須與定量分析結合起來進行綜合分析，或者交叉地進行，才能達到系統(tǒng)選優(yōu)的目的。

三

系統(tǒng)分析的內容與過程

3.1系統(tǒng)分析的內容

3.2系統(tǒng)分析的過程3.3系統(tǒng)分析示例：廢水管理問題3.4

小節(jié)

3.1系統(tǒng)分析的內容

環(huán)境分析

目標分析

結構分析

模型構造與仿真分析

系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)評價和決策

（1）環(huán)境分析

環(huán)境因素很多時，應分清主次和輕重。對可定量分析的環(huán)境因素，通?？捎眉s束條件的形式列入系統(tǒng)模型中；對只能定性分析的因素，可用估值法評分，盡量使之達到定量和半定量化。

（2）目標分析

明確系統(tǒng)的目的、要求，判斷其合理性、可行性和經濟性。當系統(tǒng)總目標比較概括時，需要分解為各級分目標，建立目標系統(tǒng)（或目標集）以便逐項落實與保證總體目標的實現。（3）結構分析

（4）模型構造與仿真分析

模型是系統(tǒng)分析的主要工具。描述大系統(tǒng)內部主要關系時單靠一個模型有時很難滿足，往往要構造一組模型構成模型體系。模型如何構造？如何求解？以及利用模型進行仿真試驗是該部分的主要內容。

（5）系統(tǒng)優(yōu)化

在給定環(huán)境約束條件下，使系統(tǒng)達到整體最優(yōu)目標的過程，包括構造系統(tǒng)優(yōu)化模型、選擇優(yōu)化算法、選取有關運算的參數和初始數據、以及優(yōu)化結果的分析等。

（6）系統(tǒng)評價和決策

包括擬訂策略和方案集，制定評價準則，綜合分析，選擇出可行的最優(yōu)方案，供決策者選擇等。

3.2系統(tǒng)分析的過程

3.3系統(tǒng)分析示例：廢水管理問題廢水管理問題描述研究系統(tǒng)及目標建立模型系統(tǒng)優(yōu)化廢水管理問題描述

精練廠產生的廢物隨工廠的廢水排放；廢水經過部分處理后，排入附近的河流。政府對該廠規(guī)定的廢物排放標準為10萬kg/周。問工廠最優(yōu)的運行方式是什么？金屬精煉廠生產、廢水排放和處理情況表

（1）研究系統(tǒng)及目標——系統(tǒng)界定（2）研究系統(tǒng)及目標——系統(tǒng)目標系統(tǒng)目標：目標1——工廠利潤最大（美元/周）目標2——排入河流的污染物達到政府對該廠規(guī)定的標準，即1萬kg/周。系統(tǒng)的可控因素：可控因素1：廢水處理量可控因素2：金屬的產量（3）建立模型——變量X——工廠金屬的產量（萬kg/周）Y——經處理的污染物量（萬kg/周）建立模型——處理廠排出的污染物量計算建立模型——質量通量示意圖對系統(tǒng)目標1，工廠利潤可表達為：1.3X-0.9X-0.2Y/2（萬美元/周）或0.4X-0.1Y（萬美元/周）對系統(tǒng)目標2，排入河流的污染量為，3X-Y+0.03Y2（萬kg/周）（4）系統(tǒng)優(yōu)化

求解結果為

X=4.5（萬kg/周）Y=4（萬kg/周）Z=1.4（萬美元/周）3.4小節(jié)系統(tǒng)分析：從系統(tǒng)論的概念和思想出發(fā)，綜合應用多學科的知識和方法，研究系統(tǒng)各要素的相互關系和系統(tǒng)整體變化規(guī)律，在此基礎上對系統(tǒng)進行協調和綜合，達到系統(tǒng)總目標最優(yōu)的目的。系統(tǒng)分析方法：在對系統(tǒng)對象進行規(guī)劃、設計、制造、運行管理等過程中所采取的具體技術、方法、理論。如預測技術、模擬仿真技術、計算分析技術、優(yōu)化、評價、決策方法等本課程講述的系統(tǒng)分析方法除了包括應用系統(tǒng)學科體系中通用的技術與方法，還要討論環(huán)境科學和地理學的理論和方法在系統(tǒng)分析中的應用四系統(tǒng)分析方法分類按系統(tǒng)的特征劃分按系統(tǒng)分析用途（或步驟）劃分按方法本身特點劃分4.1按系統(tǒng)特征劃分確定性現象：運籌學、牛頓力學定律…隨機性現象：概率統(tǒng)計方法…灰色現象：灰色系統(tǒng)分析…模糊現象：模糊數學…非線性現象：非線性系統(tǒng)建模、混沌與分形…空間現象：空間引力模型…網絡現象：圖與網絡分析法…等…4.2按方法的用途劃分

系統(tǒng)評價：指標量化評估、模糊綜合評估、層次分析法（AHP）系統(tǒng)預測：定性預測、回歸預測、時間序列、馬爾可夫預測、灰色系統(tǒng)預測、人工神經網絡系統(tǒng)模擬：系統(tǒng)動力學、元胞自動機（CA）模型、水質模型等系統(tǒng)優(yōu)化：線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、目標規(guī)劃系統(tǒng)決策：不確定性決策、多目標決策、風險決策、層次分析法（AHP）

4.3按方法本身特點劃分

統(tǒng)計分析：關聯分析、回歸分析、主成分分析、聚類分析運籌學：線性規(guī)劃、排隊論、對策論微分方程：水質模型、系統(tǒng)動力學后現代數學方法：分形幾何學、混沌數學仿生學算法：人工神經網絡、元胞自動機、遺傳算法五系統(tǒng)分析方法發(fā)展趨勢復雜系統(tǒng)的分析方法模型非參數化發(fā)展各類模型的融合各種模型的時空結合復雜系統(tǒng)分析方法數學方法在解決線性問題方面取得了巨大成就，但在處理復雜的非線性系統(tǒng)方面，卻長期無能為力。近年來，致力于解決復雜非線性問題的數理工具正在逐步成長起來。目前比較通用的模型有元胞自動機、復雜網絡等。按照建模方式有：自下而上(BottomUp)：人工生命、神經網絡、人工社會、多智能體自上而下(Top2Down)：人工智能、綜合集成法從中間到兩端模型非參數化發(fā)展當前應用廣泛系統(tǒng)分析模型大多基于數理統(tǒng)計方法建立，模型多是參數化的，如回歸、相關、規(guī)劃的模型，已經基本成熟

現代復雜系統(tǒng)的分析模型向非參數化、智能學習型發(fā)展，非參數化方法如人工神經網絡遺傳算法元胞自動機支持矢量機等各類模型的融合不同模型各有特點，融合后可以提高模擬復雜系統(tǒng)的能力，如以人工神經網絡為核心有模糊神經網絡遺傳神經網絡混沌神經網絡分形神經網絡…各種模型的時空結合環(huán)境、地學問題具有時空耦合的特征，時空耦合模型也是系統(tǒng)分析發(fā)展方向。時空模型的建模方式：時間為主：時空馬爾可夫鏈模型空間為主：區(qū)位的時間演化時空平行：元胞自動機模型六課程特點與安排課程特點課程內容課程要求參考文獻6.1課程特點文理交叉實用性突出重點點面結合結合專業(yè)需求方法+軟件+實踐6.2課程內容共15周（授課＋考試）,45學時，3學分內容安排概論（1）統(tǒng)計類系統(tǒng)分析（3）規(guī)劃類系統(tǒng)分析（3）系統(tǒng)模擬（2）仿生學類系統(tǒng)分析（2）系統(tǒng)評價與決策（1）環(huán)境與城市系統(tǒng)模型專題（2）

統(tǒng)計類系統(tǒng)分析（3）系統(tǒng)預測：關聯分析、回歸分析、時間序列分析系統(tǒng)分類與模式識別：主成分分析、因子分析、聚類分析上機：SPSS軟件與應用規(guī)劃類系統(tǒng)分析（3）線性系統(tǒng)