系统工程 第三章 (三) 系统工程模型技术上的新进展
系统工程学(第三章)
系统工程学涉及多个学科领域的知识和方法，如何实现跨 学科的有效合作和交流是一个长期存在的问题。
系统工程学的人工智能和大数据技术的不断发展，系统工 程学将更加注重智能化方法的应用，如智能优化、 智能决策等。
可持续性关注
随着全球环境问题的日益严重，系统工程学将更 加注重可持续性的考虑，如绿色设计、环保技术 等。
控制论方法
运用控制论的原理和方法，对系统的运行 过程进行控制和调节，确保系统按照预定 的目标进行运行。
02
系统分析
系统分析的概念与步骤
01
概念
系统分析是一种问题求解技术，它将一个复杂的系统分解成较小的、更
易于理解和处理的组成部分，以便对系统进行全面、深入的分析和研究。
02
1. 明确问题
确定系统分析的目标和范围，明确所要解决的问题。
系统实施的过程与策略
系统实施的主要步骤
包括系统规划、系统分析、系统设计、系统实现、系统测试和系统 维护等。
系统实施的策略
包括并行策略、分阶段实施策略、试点过渡策略等，根据具体情况 选择合适的实施策略。
系统实施的关键因素
包括领导层的支持、良好的项目团队、充分的用户参与、有效的沟通 机制等。
系统评估的指标与方法
航天任务规划
规划航天器的发射、运行 和返回等任务流程，确保 航天任务成功完成。
航空航天安全管理
建立航空航天安全管理体 系，降低事故风险。
交通运输系统工程学应用
交通网络规划
运用系统工程学方法，对城市交通网络进行合理 规划，缓解交通拥堵问题。
交通运输管理
建立高效的交通运输管理系统，提高运输效率和 服务质量。
1. Visio
一款流程图、组织结构图、UML 图等绘制工具，可用于系统分析 中的建模和图表绘制。
系统工程第4版 教学PPT 作者 汪应洛 西安交通大学 主编 第3章 系统模型与模型化-文档资料
局部搜索，模拟退火，遗传算法，禁忌搜索的形象比喻： 为了找出地球上最高的山，一群有志气的兔子们开始想办法。 1．兔子朝着比现在高的地方跳去。他们找到了不远处的最高山峰。 但是这座山不一定是珠穆朗玛峰。这就是局部搜索，它不能保证局 部最优值就是全局最优值。 2．兔子喝醉了。他随机地跳了很长时间。这期间，它可能走向高处， 也可能踏入平地。但是，他渐渐清醒了并朝最高方向跳去。这就是 模拟退火。 3．兔子们吃了失忆药片，并被发射到太空，然后随机落到了地球上 的某些地方。他们不知道自己的使命是什么。但是，如果你过几年 就杀死一部分海拔低的兔子，多产的兔子们自己就会找到珠穆朗玛 峰。这就是遗传算法。 4.兔子们知道一个兔的力量是渺小的。他们互相转告着，哪里的山 已经找过，并且找过的每一座山他们都留下一只兔子做记号。他们 制定了下一步去哪里寻找的策略。这就是禁忌搜索。
19
蚁群算法(续)
ACO算法设计虚拟的“蚂蚁”，让它们摸索不同路 线，并留下会随时间逐渐消失的虚拟“信息素”。根据 “信息素较浓的路线更近”的原则，即可选择出最佳路 线。
目前，ACO算法已被广泛应用于组合优化问题中， 在图着色问题、车间流问题、车辆调度问题、机器人路 径规划问题、路由算法设计等领域均取得了良好的效果。 也有研究者尝试将ACO算法应用于连续问题的优化中。 由于ACO算法具有广泛实用价值，成为了群智能领域第 一个取得成功的实例，曾一度成为群智能的代名词，相 应理论研究及改进算法近年来层出不穷。
结构→结构模型→结构模型化→结构分析
结构分析是一个实现系统结构模型化并加以 解释的过程。
结构分析是系统分析的重要内容，是系统优化 分析、设计与管理的基础
10
第二节 系统结构模型化技术
二、系统结构表达及分析方法
系统工程导论 第三章 系统模型
第3章系统模型考生必做六件事1.记笔记2.下载课件3.及时复习课件和笔记4.落课的话及时看重播5.按时完成作业和随堂考6.记得给老师打分噢！《系统工程导论》第3章系统模型（重点）P61-P100第三章，大纲考核知识点和考核目标：（一）系统模型概述理解：模型的概念和分类、模型的构建3.1 系统模型概述P62-P66《系统工程导论》3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P641. 模型的概念模型：对现实世界某些属性的抽象。
而系统工程最常用的是数学模型，即分析模型。
Y=aX+bYX系统模型具有以下三个特征：（1）它是对现实世界部分的抽象或模仿。
（2）它由与分析问题有关的因素构成。
（3）它表明了有关因素间的相互关系。
3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P64在构造模型时，要兼顾它的现实性和易处理性。
3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P642. 模型的分类模型的分类图形与实物模型➢实物模型有城市规划模型和作战沙盘➢图形模型包括：1.不严格图：图画、草图、框图，没有严格的规定，用来表示那些还不太清楚的问题。
2.严格图：图论图、逻辑图、工程图。
有严格确定的结构形式和规范。
分析模型数学关系式表达变量间关系，应用在自然科学和工程技术仿真模型用“伪实验”预测行动的各种后果，实验对象不是真实世界而是仿真模型。
通常指计算机仿真。
3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P642. 模型的分类模型的分类博弈模型“人的行为导向”。
人的试验规则和计算机试验程序构成了博弈模型判断模型会议讨论，它的缺陷较多，影响处理问题的质量。
德尔菲法（专家调查法）。
3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P64例题单项选择题：系统工程人员常常用（）表示那些还不太清楚的问题，如描述效能原理、系统组态和宏观过程等。
A.框图B.图论图C.逻辑图D.工程图3.1.1模型的概念和分类（理解）P62-P64答案解析答案：A解析：P62图画、草图和框图为不严格图，即没有严格确定的规范，作图者常常需要附加文字说明。
计算机科学与技术专业课_系统工程导论(第三章p140)
系统工程导论(第三章)
17
其中，
1 aij = Si对Sj有影响
0
Si对Sj无影响
因为邻近矩阵是布尔矩阵，所以运算法则为： A、B都是( n * n )布尔矩阵，则A、B的逻辑和： A ∪ B = C
系统工程导论(第三章) 18
Cij = aij ∪ bij = max{ aij，bij }
即: aij 与 bij中最大的一个， 只要两个中有一个是1，Cij就是1； aij，bij全为0时， Cij为0。
系统工程导论(第三章) 21
邻接矩阵A的性质： ①邻接矩阵和系统结构模型一一对应，有了图，邻接 矩阵唯一确定了，反之亦然；
②邻接矩阵A转置后得出的矩阵AT，是结构模型所有 箭头反过来之后的图所对应的邻接矩阵；
系统工程导论(第三章)
22
③邻接矩阵中若有一列元素（如第i列）全是另， 则Si是系统的源点； 若有一行元素（如第k行）全是另， 则Si是系统的汇点； ④若从Si出发，经K段支路到达S，则Si与Sj之间 “长度”为K的通路存在。
作为厂长的工作需要，上图结构已经能满足，但对于 车间管理人员，这一结构是不能满足的，还需把车间中的 每个工段作为一个单独实体。
系统工程导论(第三章)
10
二.构模的基本步骤 ①明确构模的目的和要求； ②对系统进行一般语言描述； ③确定模型的结构； ④弄清系统中的主要因素及其相互关系； ⑤估计模型中的参数； ⑥实验研究； ⑦必要修改。
第三章
系统模型与仿真
第一节 系统模型 模型在系统工程中占有相当重要的地位，了解什么 是模型，模型的作用，模型的分类等，这些对于构造和 使用模型相当重要。
系统工程导论(第三章)
1
一.模型的定义 模型是实际系统的理想化的抽象化的或简化的一种 表示，描绘了现实世界的某些主要特点。
系统工程课程教学大纲
《系统工程》课程教学大纲课程名称：系统工程课程代码：INDE2034英文名称：System Engineering课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第5学期适用专业：电气工程及其自动化先修课程：计算机信息技术、C语言程序设计、计算机原理及应用、单片机原理与应用后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：杨歆豪大纲执笔人：郭镇宁大纲审核人：余雷一、课程性质和教学目标〔在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应到达的水平〕课程性质：系统工程是以实际应用作为目的和特点的一门学科。
它以各类系统为研究对象，为各类系统提供分析、评价、优化及总体运筹的方法和手段，是一门跨越各专业领域从横向方面把它们组织起来的边缘性科学。
它为人们提供了思想方法论和工作方法论。
教学目的：1. 通过介绍一系列实用的系统工程方法，使学生熟练掌握有关系统分析方法、建模、评价及决策方法，理解系统工程解决复杂大系统的理论及方法；2. 使学生具备自觉利用系统的观点与思路解决现实问题的能力；3.结合行业特点及生产管理实际，使学生树立系统观念，为解决复杂的系统工程问题奠定坚实的根底。
教学目标与毕业要求的对应关系：二、课程教学内容及学时分配〔含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。
重点内容： ；难点内容：∆〕第一章系统工程概述课时：1周，共2课时教学内容第一节系统工程的产生、开展与应用第二节系统工程的研究对象第三节系统工程的概念与特点一、本章的重点是深刻理解系统的含义及其相关概念如系统要素、结构、功能和环境等；二、掌握系统应具备的五个共性即目的性、整体性、相关性、层次性和环境适应性；三、通过这些特征的学习了解分析问题的有效方法；四、掌握系统的分类标准和类型；五、掌握系统思想的含义要点；六、了解系统工程的产生与开展及其方法的特点；七、能运用系统概念和系统思想解决实际问题。
第3章系统工程方法论
§3.1霍尔系统工程三维结构
霍尔（Arthur D.Hall）
美国通信工程师和系统工程专家，霍尔三维结构的创始人。 1924年4月13日生于美国弗吉尼亚州林奇堡。 1949年获普林 斯顿大学工程学士学位，后在贝尔电话公司通信开发训练部学习 3年获得结业证书。曾在纽沃克工学院、麻省理工学院、 纽约大 学和霍普金斯大学当研究生。1965年获科学硕士学位。1968年获 科学博士学位。 他在贝尔电话公司工作了16年。在担任宽频带系统研究部部 主任期间，曾主持波导及同轴电缆脉码调制传输系统规划。在担 任电视工程部主任期间，主持并参加了教育电视、共用天线电视。 无线电和电视广播以及电视电话的系统规划。1966年任杰罗尔德 电子公司主管工程的副总裁。1968年担任SCM公司研究、开发和 系统工程副总裁。1970年后任A.D.霍尔公司总裁，在远程通信方 面提供咨询服务。他是费城宾夕法尼亚大学系统工程兼职教授。 对发展系统工程有重要贡献，著有《系统工程方法论》。
（3）一套切合实际的计算机仿真模型和软件, 以便 设计方案的评估、推断产品的制造及使用过程,发现所 隐藏的问题。（此问题是实施并行工程的“瓶颈” )
§3.3并行工程方法学
6、并行工程的实施步骤
企业实施并行工程牵涉到企业组织结构及经营的各个方面, 必须按照并行工程管理技术和方法组织实施,实施步骤如下：
时间维
1 规划 2 拟定方案 3 系统研制 4 生产 5 安装 6 运行 7 更新
根据最后选定的方案, 具体加以实施.
§3.1霍尔系统工程三维结构
二维活动矩阵:
逻辑维 1 2 3 4 5 6 7
实施 决策 最优化 系统分析 系统综合 目标选择 问题阐述
时间维
1 规划
a11 a12
安全系统工程概述第三章
• 上世纪70年代到80年代，系统科学飞速发展，形 成了很多经典理论，比如： – 1969, I. Prigogine from Belgium: Dissipative structure theory—耗散结构理论; – 1969, H. Haken from Germany: Synergetics—协同学 – 1979, M. Eigen: Hypercycle theory—超循环 理论.etc. • 上世纪80年代以后，其他领域的发展推动了系统 理论的进步，特别是非线性理论和复杂性研究。
6、本质安全的内涵
• 本质安全一名词目前尚无公认定义，但系统绝对的本质安 全化(intrinsic safety)有如下一种解释：
– 人若能对危害因素具有绝对的抵御能力，或物 (机、环境)绝对不会造成危害，或它们之间的 关系能在时空、能量上不发生任何危险性联系， 结果都是安全的。
• 本质安全的具体体现可归纳如下
5、安全指标
• 一个系统不存在绝对的安全或危险，但当危险性 降低到某种程度(如被人们所接受)时，就可以认 为是安全的了。要达到这一目的，制定出这一可 接受程度就显得非常重要了。由此，人们提出了 安全指标以作为安全目标管理的科学依据。如我 国目前常用的安全指标有：千人死亡率，万人死 亡率，百万吨煤死亡率等。英国帝国化学公司在 1971年提出的FAFR(Fatal Accident Frequency Rate)值等。
– Von Bertalanffy 一般系统论 – Operational Research 操作研究 – N. Weiner –Cybernetics 控制论 – Informatics (Information science)信息科学 – Management Science etc.管理科学
系统工程(第3章)
MAA、MCC、MDD是降了阶的可达矩阵；MDC、MCA 是降了阶的可达矩阵； 是相互作用矩阵， 是相互作用矩阵，需进一步求解
五、有向连接图—结构模型的建立 有向连接图 结构模型的建立
• 可达集：要素 i 可以到达的要素集合定义为要素 I 可达集：要素S 可以到达的要素集合定义为要素S 的可达集， 表示， 的可达集，用R(SI)表示，由可达矩阵中第 I 行中所 表示 由可达矩阵中第S 有矩阵元素为1的列所对应的要素集合 的列所对应的要素集合。 有矩阵元素为 的列所对应的要素集合。 • 前因集：将到达要素SI 的要素集合定义为要素SI 的 前因集：将到达要素 的要素集合定义为要素 前因集， 表示， 前因集， 用A(SI )表示，由可达矩阵中第 I 列中的 表示 由可达矩阵中第S 所有矩阵无素为1的行所对应的要素组成 的行所对应的要素组成。 所有矩阵无素为 的行所对应的要素组成。 • 最高级要素集：一个多级递阶结构的最高级要素集， 最高级要素集：一个多级递阶结构的最高级要素集， 是指没有比它再高级别的要素可以到达。 是指没有比它再高级别的要素可以到达。其可达集 R(SI)中只包含它本身的要素集 而前因集中 ， 除包 中只包含它本身的要素集,而前因集中 中只包含它本身的要素集 而前因集中， 含要素S 本身外，还包括可以到达它下一级的要素。 含要素 I 本身外，还包括可以到达它下一级的要素。 • 若R(SI)=R(SI)∩A(SI )， 则SI 即为最高级要素集。 即为最高级要素集。 ，
缩减可达矩阵
• 在可达矩阵中存在两个节点相应的行、 在可达矩阵中存在两个节点相应的行、 列元素值分别完全相同， 列元素值分别完全相同，则说明这两个 节点构成回路集， 节点构成回路集，只要选择其中的一个 节点即可代表回路集中的其他节点， 节点即可代表回路集中的其他节点，这 样就可简化可达矩阵， 样就可简化可达矩阵，称为缩减可达矩 阵。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
11
B A
12
粒子群优化算法
• 每个粒子自己以一定的概率在自己曾经取得的最
好解和当前全局最好解之间权衡，结果得到一个 折中的速度，然后飞（启发式移动过程）过去。
• 整个空间充满了飞翔的粒子，总有一个粒子会”
碰”到全局最优解。
13
鸟/粒子 可行域
基于粒 子群体 的随机 飞翔某 个粒子 找到全 局最优
14
Meta——Heuristic算法包括：遗传算法、模拟退火 算法、禁忌搜索算法、蚁路算法等。这些算法更多 借鉴了生物原理和人的思维，更适应于解决管理、 经济和复杂的工程大系统问题。
3
与传统的方法不同，软计算的目的在于适应现实世 界遍布的不精确性，以达到可处理性、鲁棒性、低 成本求解以及与现实更好地紧密联系。
系统工程模型技术 的新进展
传统系统分析方法由于其精确性和定量化很难 处理现实的多变量、多参数、分线性的复杂系统。 需要面对程度越来越高的不精确性和不确定性问 题。
随着信息技术和计算机智能化的发展，一种新的 方法——软计算得到广泛研究与应用。
2
软计算并不是一个单独的方法论，而是一个方法的 集合。包括：模糊逻辑控制、神经网络、近似推理 以及一些具有全局优化性能且通用性强的MetaHeuristic算法（元启发式算法，也称现代启发式算 法）。
6
模拟退火算法
• Metropolis 1953年提出固体退火过程模拟方法。
Kirkpatrick，Gelat，Vecchi 1983年提出组合优 化的模拟退火算法。
• 模拟退火算法的灵感来自统计物理对晶体冷却的
理论描述。
7
首先将固体加热至熔化，再徐徐冷却使之凝固成规 整的晶体。熔解是为了消除系统中原先可能存在的 非均匀状态，冷却过程徐徐进行的目的是使系统在 每一温度下都达到平衡太态。 如果将优化问题的目标函数类比为能量函数，控制 参数类比为温度，模拟退火过程就可将给定控制参 数值时优化问题的相对最优解求出，然后减少控制 参数，使其趋于0，最终求得组合优化问题的整体 最优解。
息素，后来的蚂蚁会以一定概率倾向于走信息素 多的路径;
• 越短的路径单位时间内经过的蚂蚁越多，其信息
素也会越多，信息素又会吸引蚂蚁走这条路径。
10
• 蚂蚁-信息素-短路径之间形成一个收敛反馈，最
后直到所有蚂蚁都走这条最短的路径;
• 如果将路径长度比作函数值，蚂蚁比作问题的一
个解，构造一个行动序列，经过上述群体行动, 最后得到大家都走的一条路，即为最小值。
8
遗传算法
类比生物群落进化过程, 不断改进群落质量而达到 模拟生物进化的目的, 同时使目标函数得到优化。 从一组初始值出发进行优化。这一组初始值好比一 个生物群体，优化的过程就是这个群体繁衍、竞争 和遗传、变异的过程。
9
蚁路优化算法
• Dorigo 1992年提出 • 一群蚂蚁从A点到B点, 在经过的路径上会留下信
4
禁忌搜索算法
• 由Glover和Hansen 1986年分别提出。 • 算法具有智能，有记忆能力，设法记住已经搜索
过的历史区域信息，达到避免重复历史过程的目 的。
• 所谓”禁忌”就是禁止到达历史路径。
5
具有记忆功能的全局逐步优化算法。 基本思路就是用一个记录表来记录已经过的局部最 优解, 从而达到全局搜索的能力.