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《系统工程》讲义第1章系统
1.1系统的概念
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1.2系统的定义系统是由若干个可以相互区别、相互联系而又相互作用的要素,在给定的环境约束下,为达到特定功能,以一定结构形式而存在的有机集合体而这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分由于系统概念是逐步形成的,至今对系统的认识也还没有结束,系统的概念还在发展,因此对系统概念的理解应持发展的观点对系统概念的理解必须从以下几方面去考虑
①系统必须由两个或两个以上的要素(部分、要素)组成要素是构成系统最基本单位,因而也是系统存在的基础,系统离开了要素就不成其为系统构成系统的要素随系统的不同而不同,要素的树目的多少是由系统的复杂程序所决定的
②系统是按一定方式结合的有机整体系统整体与要素、要素与要素、整体与环境之间,存在着相互作用和相互联系的机制例如钟表是由齿轮、发条、指针装配而成的,但随便把一堆齿轮、发条、指针放在一起不能构成钟表,必须按一定的结合关系装配起来才行
③任何系统都有特定的功能,是整体具有且不同于各个组成要素的新功能这种新功能使系统内部有机联系的要素、以及系统以整体方式和系统环境之间相互作用所决定的我国国古代谚语“三个臭皮匠;顶上一个诸葛亮”,说的是几个普通人组织起来集思广益的集体智慧是惊人的但俗话说“一个和尚挑水吃;两个和尚抬水吃,三个和尚没水吃”,为什么同样是三个普通人,会有如此大的差别呢这里的关键就是系统如何来组织,以满足特定的系统功能任何事物都是系统和要素的对立统一体,系统与要素的对立统一是客观事物的本质属性和存在方式,它们相互依存、互为条件,在事物的运动和变化中,系统和要素总是相互伴随而产生,相互作用而变化系统和要素的相互作用是1.系统通过整体作用来支配和控制要素当系统处于平衡稳定条件时,系统通过其整体作用来控制和决定各个要素在系统中的地位、排列顺序、作用的性质和范围的大小,统率着各个要素的特性和功能,协调着各个要素之间的数量比例关系等等每个要素以及要素之间的相互关系都由系统所决定系统整体稳定,要素也稳定当系统的功能和特性发生变化,要素以及要素之间的关系也随着变化如政府机构改革,政府管理功能变化,随之要求政府机构设置等诸要求产生变化
2.要素通过相互作用决定系统的特性和功能系统中每一个要素的性质或行为将影响到整个系统的性质或行为,例如在人体系统中每一个器官的性质或行为将会影响人体这个整体的性质或行为,人们通常所说的十指连心就是如此但每一个要素的性质或行为,以及它影响整体的途径依赖于其他一个或几个要素的性质或行为因此,没有一个要素是独立地影响整体的,同时系统不能分解成独立的要素,一个系统也不能分解成独立的子系统例如,人体内的所与子系统,像神经系统、呼吸系统、消化系统等是相互影响的,并且每一个子系统都非独立地影响系统的性能因此,任何一个子系统都不可能脱离人体而成为一个独立的系统一般说来,要素对系统的作用有两种可能趋势一种是如果系统的各组成要素具有一种协调、适应的比例关系,就能维持系统的动态平衡和稳定,并促使系统走向组织化、有序化;另一种是要素相互之间出现不协调、不适应的的比例关系,这就会破坏系统的平衡和稳定,甚至使系统衰退和死亡3.系统和要素的概念是相对的由于事物生成和发展的无限性,系统和要素的区别是相对的由要素组成的系统,又是较高一级系统的组成部分,它在这个更大系统中的地位是一个要素,而同时它本身又是较低一级要素的系统如军队油料系统是军队后勤系统的一个要素,但军队油料系统又是包含油品、油料保障人员、油料保障设备等诸要素在内的一个系统
1.2系统的特征在系统概念和系统形态的基础上,可概括出系统的特征明确系统的特征,是我们认识系统、研究系统、掌握系统思想的关键一般说来,系统有七大特征
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2.1目的性
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2.2集合性
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2.3相关性
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2.4层次性
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2.5整体性
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2.6环境适应性
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2.7动态性
1.3系统的结构、功能和生命周期系统的结构与功能是系统科学的基本范畴,是系统不可分割的两个方面系统的结构是系统保持整体性及具有一定功能的内在依据系统科学就是从系统的结构与功能的观点出发去研究整个客观世界的科学探讨系统结构与功能是理解系统的基本特性和系统方法应用的—个重要环节
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3.1系统的结构所谓结构,是指系统内部各组成要素之间的相互联系、相互作用的方式或秩序,即各要素在时间或空间上排列和组合的具体形式结构是系统的普遍属性没有无结构的系统,也没有离开系统的结构无论是宏观世界还是微观世界,一切物质系统都无一例外地以一定结构形式存在着、运动着和变化着目前“结构”一词已被广泛地应用到自然、社会和人的思维各领域中属于自然界领域的,如宇宙结构、生态环境结构、人体结构等都属于社会领域的,如经济结构、产业结构、区域结构、组织结构、人才结构等;属于思维领域方面有逻辑结构、概念结构等结构所揭示的是系统要素内在的有机联系形式而系统结构在整体上又有它的若干特点
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1.1结构的稳定性
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1.2结构的层次性
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1.3结构的开放性
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1.4结构的相对性
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3.2系统的功能系统的结构与功能是不可分割的一对范畴,理解系统的结构是理解系统功能的基础与系统结构的概念相对应,把系统与外部环境相互作用所反映的能力称为系统的功能当然,各种系统的特定功能是不一样的,但从一般意义上来说,系统功能体现了一个系统与外部环境之间的物质、能量和信息的输入与输出的转换关系,可以用如图1-3-1所示输入输出(物质、能量、信息)(产品、人才、成果、服务等)图1-3-1系统的输入是作为原材料的物质、能量与信息系统的输出是经过处理或转换、加工的物质、能量与信息,例如产品、人才、成果、服务等等所以,系统可以理解为一种处理或服务机构,它把输入转变成人们所需要的输出从狭义上来说,处理或转换就是系统的功能对于闭环系统,也把反馈作为系统的功能系统结构所说明的是系统内部状态和内部作用,而系统功能所说明的是系统的外部状态和外部作用贝塔朗菲曾解释结构是“部分的秩序”,“内部描述本质上是‘结构’描述”功能是“过程”的秩序,“外部描述是‘功能’描述”功能是系统内部固有能力的外部表现,它归根到底是由系统的内部结构所决定的系统功能的发挥,既要受环境变化制约,又要受系统内部结构制约和决定,这就体现了功能对于结构的相对独立性和绝对依赖性的双重关系系统功能具有两个特性
①易变性系统功能与系统结构相比是更为活跃的因素一个系统对外部条件发挥功能总要遵循一定的规律,表现为一定的秩序随着环境条件的不同,将相应地引起系统功能的变化一个系统的结构在一定阈值内总是稳定的,但功能则不同,当环境有所变动,此时系统与环境相互作用的过程、状态、效果都会随环境条件变化而变化所以系统在发挥功能的过程中,随着环境条件的变化而相应地调整它的程序、内容和方式,不断地促进系统结构的变革,以使系统不断地获得新的功能
②相关性系统功能与系统结构一样也存在着相关性在一个大系统内部,其要素之间的相互作用本来是属于系统结构关系,但如果把每个要素或子系统作为一个整体来考察,则子系统之间的相互作用又转化为独立子系统之间的功能关系例如,企业组织系统可划分为计划职能子系统、生产职能子系统、财务职能子系统、销售职能子系统等等在分析它们的管理活动时,往往又赋予它们以相对独立的性质这样在企业内部职能子系统之间,彼此又构成为内部环境,其相互作用关系则成为功能关系所以,不能认为功能关系就是绝对的功能关系,结构关系就是绝对的结构关系,它们之间在一定条件下,是可以互相转化的系统的功能反映系统与外部环境的关系,表达出系统的性质和行为,从研究系统与环境的相互关系中把握系统的能力和行为的方法,即所谓的系统功能方法它包括功能分析方法、功能模拟方法和黑箱方法等
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3.3系统的结构与功能的关系结构是功能的内在根据,功能是要素与结构的外在表现一定的结构总是表现一定的功能,一定的功能总是由一定的结构产生的系统的结构决定系统的功能,结构的变化制约着系统整体的发展变化结构的改变必然引起功能的改变例如,在企业管理中,同样的劳动者,劳动手段和劳动对象,由于企业组织形式不同,导致劳动生产率大不相同结构对功能之所以起主要决定作用,原因是
①结构使系统形成了不同于它的诸要素的新质系统是由它的诸要素组成的,但它的质不能归结为孤立状态下各要素的质的总和系统的各个要素在相互联系相互作用中,交流和交换着物质、能量和信息,因而,它一方面使系统整体出现了其要素所没有的新质;另一方面又丧失了其要素的某些质在新质的基础上系统整体获得了新的功能,整体的功能主要取决于要素之间的结构
②组成要素的行为在一定约束条件和协同作用下决定系统的功能,“约束”和“协同”是由系统结构所赋予的结构与功能的关系不是一一对应的,功能具有相对的独立性例如,电子计算机和人脑两者的结构是极不相同的,但是在对信息进行加工的过程中,它们在许多方面具有相同的逻辑功能因而后者可以在一定程度上用前者来代替因此功能不可能机械地依赖于结构,而有它的独立性但这种独立性是相对的,计算机与人脑只有在某些方面和某种程度上才具有相同的功能功能对结构不仅具有相对独立性,而且对结构有巨大的反作用功能在与环境的相互作用中,会出现与结构不相适应的异常状态,当这种状态持续一定时间时,就会刺激、迫使结构发生变化,以适应环境的需要例如,由于经济环境的变化,企业结构由生产型结构转变为经营型结构、开拓型结构功能对结构的反作用有两种情况一种是促使系统结构进化;另一种是环境的变化引起系统原有的功能衰退、停滞,最终出现结构的衰退总之,结构决定功能,功能对结构具有反作用根据结构决定功能原理,通过系统结构的变化来分析系统功能的方法称为结构功能方法对结构与功能的分析有以下四种情况
①同构异功即同一结构的系统可以产生不同功能例如,两个企业结构相同,一个赢利,而另一个亏损
②同功异构即一种功能可由多种结构来实现以计时为例,从古代的日晷到机械手表、石英电子表,结构虽然不同,但同样都有计时功能
③同构同功即相同的结构表现为相同的功能例如,天然尿素具有促进农作物生长和发育的功能,而人工合成尿素与天然尿素具有相同结构,并发挥与天然尿素同样的功能
④异构异功即结构不同,表现的功能也不同例如,在材料科学中,对一种金属材料运用不同的热处理方法,可以改变为多种组织结构,从而改变金属材料的性能第2章系统工程
2.1系统工程概述系统工程与传统工程除了“硬技术”与“软技术”的区别,还可从以下三个方面的综合性来考察1研究对象的综合性传统工程有其特定的物的对象如机械工程的物的对象是机械,电子工程是元件及其构成的电路,这种单纯的技术观点在解决一个问题时有可能给另一个问题留下隐患系统工程则不把它研究的对象局限于某一特定范围,它既可以把机械、电子电路作为研究对象,也可以把各种自然现象,社会现象,人类的、社会的、企业的组织体,管理方法和程序等作为研究对象2应用学科知识的综合性根据研究对象的不同,应用学科知识的综合情况不同,系统工程可以和工程学那样,应用数学、物理、化学等基础自然科学,也可以应用管理科学、控制论、信息论等某些工程技术科学,又可应用社会学、经济学、心理学、法学等社会科学综合运用各个学科的知识,是为了达到给定的系统目的系统工程是一门横跨社会科学、自然科学和工程技术科学的综合性科学3考核效益的综合性传统工程较多着眼于技术合理性,例如技术性能、结构、效率等而系统工程则是从总体最优出发,除考虑技术合理性外,还要考虑功能、组成、协调、规划、效果等组织管理性质之类的问题,尤其要考虑社会效果问题,如社会方面的利益、污染问题、就业、能源、交通等虽然系统工程与传统工程有很大不同,但它们之间又是相互联系、相辅相成的系统工程可以获得工程开发的最佳方案、策略和规划,为工程实施创造良好的前提条件,即为运用传统工程建造目的工程系统开辟道路但是,系统工程毕竟是侧重于软的,而能够达到预定效益,还要靠传统工程去实现因此,从工程发展的全过程来看,传统工程和系统工程是前后衔接、互相联系的两个过程传统工程好比是房屋建筑的砖和瓦,而系统工程则是其中的泥瓦匠技术,有很多结实好看的砖和瓦,假若泥瓦匠的技术差,则不可能盖出坚固美观实用的建筑物与此相反,泥瓦匠的技术很好,因为使用了一碰就碎的砖和瓦,同样也盖不出像样的房子来
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2.2系统工程的定义系统工程是以研制大系统为对象的一门跨学科的边缘学科它是把自然科学和社会科学中的某些思想、理论、方法、策略和手段等根据总体协调的需要,有机地联系起来,把人们的生产、科研或经济活动有效地组织起来,应用数学方法和电子计算机等工具,对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务,从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标,以便最充分地发挥人力、物力的潜力,通过各种组织管理技术,使局部和整体之间的关系协调,以实现系统的综合最优化
2.2系统工程方法论
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2.3三维结构方法论系统工程观念阐明了系统工程活动的背景、任务和过程,也阐明了解决问题的总原则,是进行系统工程活动的基础但使一个系统正常地使用,需要经过一个过程而这个过程的合理展开,就是系统工程的程序和方法前已阐述,自20世纪60年代以来,许多学者对系统工程的方法进行了很多的探讨,企图找到一种能够处理所有问题的标准方法,事实上这是不现实的,也是不可能的但实践证明,尽管没有这样一种通用的标准方法,总还可以找到一种能适应各种不同问题求解的方法思路和方法结构在这样的方法结构中,影响最大而且比较完善的是美国学者霍尔A.D.Hall在总结开展系统工程的经验时于1962年提出的三维结构,如图2-2-1所示它概括地表示出系统工程的阶段、步骤和涉及到的知识范围
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3.1时间维工作维时间维是指系统从规划到使用、更新的全过程,按时间分为七个阶段
①总体规划阶段按要求提出规划和目标
②拟定方案阶段提出具体的规划方案
③系统研制阶段实现系统的研制
④实验阶段对建造的系统进行实验
⑤调试阶段对建造的系统进行调试,以符合系统要求
⑥运行阶段系统按预期的任务服务
⑦更新阶段;取消旧系统代之以新系统或改进原系统上述七个阶段是按时间先后次序排列的,故有“时间维”之称这种对工程项目按时间次序粗略划分为七个阶段的设想,也叫系统工程方法论的“粗结构”
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3.2逻辑维细结构逻辑维是指每个时间阶段所经历的工作步骤1.问题的阐述尽量全面地收集和提供有关要解决问题的历史、现状及发展趋势的资料和数据,把问题的实质和要害都搞清楚,并使有关人员做到心中有数为了把问题的实质要害搞清楚,就要进行调查研究调查研究工作主要从以下两方面入手1环境方面的调查研究其中主要有新系统产生于环境、新系统的约束条件决定于环境、决策的依据来自于环境、试制所需资源来自于环境,同时,系统的质量也只能放在环境中进行评价环境因素如下
①物理和技术的环境,包括已有系统、用于已有系统的方法、已执行的技术标准、内部技术情况、自然环境、过渡因素、目前和将来的试制条件、外部技术情况等
②经济和事务的环境,包括组织结构、组织人员、政策法令、领导爱好倾向、价格结构、新系统的经济条件、事务运用等
③社会环境,包括大规模的社会因素、个别人的因素等2需求方面的调查研究需求研究大约有六项要点,即研究需求的一般指标,组织上的资源和约束,计划情况和市场特性,竞争状态,用户爱好、习惯和动机和来自需求研究的设计要求2.系统的指标设计在问题搞清后,应该选择具体的评价系统功能的指标目标,以利于衡量所有供选择的系统方案确定目标时应注意以下几条原则,即要有适当长远观点,选择对系统的未来具有重大影响的事项为目标;要有总体观念,着眼于总体效果,而不计较局部效果;注意明确性,目标务求具体明确,最好能用数量表示;多目标时区分主次、轻重、缓急;注意可行性,目标应是经过努力能够达到的;注意标准化一般系统工程项目都是多目标的,而且往往会发生矛盾,应考虑兼容各矛盾的目标体系3.系统综合主要是按照问题性质及总的功能目标要求形成一组可供选择的系统方案,方案中要明确所选系统的结构和相应参数在系统方案综合时要畅所欲言4.系统分析通过制定模型,比较、精选可能入选的方案,并对入选的方案作进一步说明5.最优化优化问题实质上是一个在更限定的条件下的决策问题,用以决定设计或策略的最好参数正如R.L.Fox在其所著《工程设计的优化方法》一书中所指出的“优化不可能给出工程问题的创新解法,只能在预定的设计限制下去优化预定的方案,即改善某些参数和局部环节确认设计目标、限制系统组态,需要设计人员的洞察力和才能”运筹学的发展,为很多问题的优化提供了更丰富的手段从这里可以看到优化技术在系统工程过程中的作用在工程的开发过程中,依据系统工程观念建立起各种方案和策略的概念,并运用系统工程方法论对这些策略和方案进行辨识,从而完成了问题的环境设定,然后再运用优化技术求出方案或策略的更确切的结果在求解过程中,一方面得到求解的结果,另一方面要不断地汇集和评价可能增加的各种信息,使得能提出改进的方案或策略,这是一个闭环过程反复进行上述步骤,使入选方案尽量均衡满足系统指标6.决策由领导根据更全面的要求,最后确定一个或几个方案来试行7.实施根据选定的方案具体实施如果在实施过程中,进行得比较顺利或遇到的困难不大,可略加修改和完善即可,并把它确定下来,这样整个步骤即告一段落如果问题较多,这就要回到前面步骤重新做起以上几个逻辑步骤可根据实际情况确定值得提醒的是系统工程方法论中的数量化问题虽然数量化不是一个必须的环节,但由于数量化能给出明确的数量结果,便于使用数学方法和计算技术及工具,并能揭示出直观所不能表达的一些关系,从而可以有效地帮助我们提出更好的方案和策略因此,数量化问题在整个系统工程的方法论中是非常重要的能否使用数量化方法取决于下面三个因素
①问题的性质有一些问题涉及一些不可量化的因素,或者虽然因素可量化但是找不到它们之间的数量关系
②对问题的描述和问题构造的水平这是系统工程人员的基本任务
③数量化方法本身的发展这是数学工作者所做的
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3.3知识维专业维知识维是指完成上述各阶段和步骤所需要的各种专业知识和技术素养如对油料管理系统工程的研究必须具备油料学、油料供应学、油料储运设备等知识把七个逻辑步骤和七个时间阶段归纳在一起,形成了所谓的霍尔工程活动矩砗,如表2-2-1所示矩阵中的aiji=1,2,…,7,j=1,2,..,7表示系统工程的一组具体活动例如a11表示在总体规划中对“确定问题”步骤进行的活动;a44表示在实验阶段时对“系统分析”步骤进行的活动矩阵中所列各项活动是相互影响、紧密相连的要从总体上达到最优效果,必须使各阶段、步骤的活动反复进行反复性是霍尔活动矩阵的一个重要特点表2-2-1霍尔工程活动矩阵逻辑维(步骤)时间维(阶段)1234567确定问题指标设计系统综合系统分析最优化决策实施1总体规划a112拟定方案3系统研制4实验阶段a445调试阶段6运行阶段7更新阶段a
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2.4系统工程基本方法虽然系统工程具有多种方法,但就本质而言,就是以系统观点为指导,对研究对象进行与定量方面的描述、计算和推导,从而对问题作出判断和分析,在多种方案中,选择一种方案因此,“分析、评价、综合”始终是贯穿在系统工程中的基本方法,如图2-2-2所示
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4.1分析系统工程的分析,就是为最好地实现系统目的,应该如何来构造系统为此,可以应用各种分析方法对系统进行计算、模拟,从而获得系统设计所必需的信息在分析过程中,每次结果都要同制订的评价标准作比较,在考虑环境条件影响的情况下,按照比较后的差距反复进行分析,直到满足要求为止,然后转入综合
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4.2综合与评价系统工程的综合,就是根据分析与评价结果确定系统的构成和结构方式,作出系统的设计设计最好能有多种满足约束条件的备选可行方案,然后按照评价标准目标函数,从不同的观点和角度反复进行综合评价,选出最优满意的方案这种反复过程就是如图2-2-2所示的反馈过程第3章系统分析
3.1系统分析的基本概念
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1.1系统分析概念前已论述,系统工程的研究对象是组织化的复杂大系统这种大系统的特征是系统结构和功能复杂;存在着许多矛盾的因素和不确定的因素;系统的输出与输入受到外界环境的约束,同时也与系统内部的各要素有关虽然运筹学能解决一些局部的、短期的、确定的情况下选择最优方案的问题或系统,但一旦遇到复杂、不确定因素较多且变化的环境下的组织管理问题,或者关系到全局的问题,它的应用就会受到一定的限制对于这样的大系统,如果不采取有效的措施,就难以对系统作出最佳决策因此,要最优地进行系统设计,对系统的有关重大问题进行正确的决策,就必须对系统进行全面的整体分析、逻辑推理与判断正是在这样一种情况下,美国兰德公司组织有关专家研究出了一种新的分析方法,与运筹学相比较,它适用于范围更广的系统,称为系统分析SystemAnalysis由此可见,系统分析在整个系统设计过程中起着极其重要的作用关于系统分析的概念,至今还没有一个比较完整和严谨的科学定义,但一般把系统分析描述为从系统的观点出发,对事物进行分析综合,找出各种可行方案以供决策者进行选择这样一个有目的、有步骤的探索和分析过程叫做系统分析也可以这样说,为了给决策者提供直接判断和决定最优系统方案所需的信息和资料,系统分析人员使用科学的分析工具和方法,对系统的目的、功能、环境、费用、效益等内外各种情况进行全面的调查研究,并收集、分析和处理有关的资料和数据,据此建立若干方案和模型,然后对若干的方案进行试验、计算、分析比较和综合评价,找出最优方案,为决策者选择方案提供可靠的根据因此,从某种意义上讲,系统分析只是一种辅助的决策工具,而决不能代替决策者进行决策系统分析是从系统总体最优出发,采用各种工具和方法,对系统进行定性或定量研究的一种方法这种方法不仅对系统的自身技术方面的有关问题进行分析,而且还对涉及系统的包括政策、组织体制、信息、物流等各个方面的问题进行分析系统分析没有一组特定的技术方法,因为系统分析方法必须随着分析对象的不同、分析要求的不同而不同在复杂的现实世界中,任何事物都与其他事物相互联系着,而系统分析就是要把所研究的对象从周围环境中划分出来,分析出事物的内部规律,只有在弄清事物的外在与内部的互相之间的关系,才能对该事物作进一步的逻辑思维推理,从而作出正确的决策因此,在做系统分析时,应该应用一切可能利用的分析工具、方法对于一个完善的分析,首先要明确分析的目的,只有通过对目的全面了解,才能缩小范围;以选择有哪些方案能达到要求的目标;其次要充分运用逻辑推理,特别是在探求系统分析的目标时,分析人员要追求系统的六个“W”,即What干什么、Why为什么这样干、Who谁来干、When什么时候干、Where在何处于、How如何干,直到问题取得圆满的答复为止;第三要对一个复杂的系统建立起适当的模型,借助于计算机仿真和数量计算,找出系统中各要素的定量关系;最后还要依靠系统分析人员的直观判断和经验进行定性分析,提出系统最优化的决策方案近年来,系统分析的应用很广,已扩展到现代化管理中;成为一门实用科学随着应用数学的发展以及电子计算机的广泛应用,系统分析将发展到一个新的水平对于我国来说,由于现代化建设的飞速发展,系统分析所起的作用越来越大,应用范围也越来越广泛如对国家经济发展计划的制定,某一地区、某一部门、某一企业发展目标制定的实施方案,都应该用系统分析的方法
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1.2系统分析的要素在实际问题中,我们所遇到的系统是千变万化的,而且所有的系统都处在各不相同的复杂的环境中另外,不同的系统产生的功能不同,内部的构造、因素的组成也不同,即使是同一系统,由于分析的目的不同,所采用的方法和手段也不同美国兰德公司曾对系统分析的方法作过如下论述;
①确定期望达到的目标;
②分析达到期望目标所需的技术、设备及其他条件;
③分析达到期望目标的各种方案所需要的资源和费用;
④根据分析,找出目标、技术设备、环境资源等因素间的相互关系,建立各方案的数学模型;
⑤以方案的费用多少和效果优劣为准则,依次排队,寻找最优方案以后,人们把这五条归纳为系统分析方法的五要素;即
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2.1目标对某一系统进行分析时,首要问题必须明确所要分析问题的目标,这是系统分析的首要步骤目标是系统所希望达到的结果或完成的任务,也是决策者作出决策的主要依据某一系统当达到了某一指标或达到了某一程度,这个系统就是能被采纳的目标确定在系统分析中的地位、重要牲,以及目标确定中的复杂性,往往不被人们所认识事实上如果没有目标,方案就无法确定,更谈不上正确的决策对于系统分析人员来说,如何确定系统的目标是十分重要的工作首先要对系统的目的和要求进行全面的了解,明确目标要达到什么程度;其次对系统进行界定,把问题的实质和范围准确地加以说明;第三把目标具体化,并进行目标的结构分析在系统分析时,常常会遇到随着工作的进展,出现与原来目标相偏离的情况,这就要分析产生问题的原因,既要进行纵向分析,也要进行横向分析纵向分析,是指从表面的原因出发,找出根本原因横向分析,是指要从许多错综复杂的因素中找出主要因素然后,纠正偏差,确保预定任务的完成此外,在实际分析中要考虑到时间、人力和费用的约束,并确定这些约束条件确定目标的过程如图3-1-1所示
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2.2可行方案一般情况下,实现某一目标,可采用多种手段和措施,这些手段和措施在系统分析中称为可行方案,或称为备选方案例如在后方基地油库选择库址时,可以建在这里,也可建在那里一般来说,好与坏、优与劣,都是在对比中发现的,因此,只有拟定出一定数量和质量的各有利弊的可行方案,并进行对比分析,系统分析才能做到合理如果只拟定一个方案,就无法对比,也就难以辨认其优劣,因而也就没有系统分析为了从组织上保证在系统分析中采用多方案选择措施的实现,很多机构都成立常设的咨询系统,专门拟定和设计出各种可行方案供分析时参考简单的问题,可以很快地设想出几个备准方案,这些方案的内容一般都比较简单对于复杂的问题,就很难立即设计出包括细节在内的多种备选方案要设计出需要的备选方案,一般要分两个步骤
①轮廓设想轮廓设想即从不同的角度和途径,设想出各种各样的可行方案,以便为系统分析人员提供尽可能多样性的方案这一步骤的关键问题在于大胆创新拟定备选方案的人员能否创新,取决于这些人员坚实的知识基础和创新能力,更重要的是要具有敢于冲破习惯势力和环境压力的精神
②精心设计轮廓设想的好处在于可以暂时撇开细节,减少对创新设想的束缚,可是这一步所得的方案较粗,需要进一步精心设计之后才有实用价值精心设计主要包括两项工作,一是确定方案的细节;二是估计方案的实施结果方案的细节如不确定下来,方案就无法付诸实施;如不估计方案的实施结果,方案的好坏就无法识别,最优选择也无法进行方案的细节应该包括哪些方面,这要根据问题的性质而有所不同,很难确定出一份不变的清单方案实施结果的估计要通过预测得出,预测是否准确,既取决于过去的经验和资料是否丰富,还与所采用的预测技术有关
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2.3费用和效果这里指的费用是广义的,包括失去的机会和所作出的牺牲在内任何方案实施后,都需要一定的费用,而系统一旦运行后就能产生效果为了对方案进行分析比较,必须采用一组互相联系的可以比较的指标来衡量,这一组指标叫做系统的指标体系,而不同的系统采用的指标体系也不同一般来说,费用少而效果大的方案是可取的,反之是不可取的
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2.4模型为了表达与说明目标与方案或手段之间的因果关系,需要建立数学模型或仿真模型,用它来得到系统的各可行方案的性能、费用和效益,以利于各种可行方案的分析和比较
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2.5评价基准根据采用的指标体系,由模型确定出可行方案的优劣指标衡量可行方案优劣指标就是评价的基准由评价基准,对各个方案进行综合评价,确定出各方案的优劣顺序,以供决策者选用根据系统分析的五要素,可以画出系统分析要素图,如图3-1-2所示
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1.3系统分析的准则一个系统由很多要素构成,它既受到外部环境的影响,又受到内部各要素的相互制约对于一个大系统,又可以分成若干个层次,若干个子系统同时,整个系统还处在动态的发展之中因此,在系统分析时,必须处理好各种矛盾,要遵循一定的准则,以便于决策
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3.1外部条件与内部条件相结合系统的生存和发展是以外部环境为条件的,环境的变化对系统有着很大的影响对系统外部环境进行分析和研究,在于弄清目前和将来系统所处环境的状况,把握系统发展的有利条件和不利因素所以对某一系统进行分析时,应将系统内部与外部各种有关的因素结合起来进行综合分析,以实现方案的最优化内部的因素包括内部的技术、生产、经济条件的可能性,外部因素包括环境、协作、运输等等条件
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3.2当前利益与长远利益相结合因为系统大部分是动态的,随着时间以及外界条件的变化而变化,所以我们选择一个最优方案时,不仅要从目前的利益出发,而且还要考虑到将来的利益如果我们采用的方案对目前和将来都有利,那当然是最理想的方案往往有的方案从当前看不利,而从长远看是有利的例如对一个部门、一个地区、一个企业,进行智力投资是有利的,但从眼前看会有一些损失,而从长远看会产生很大的好处,从系统分析的观点看是合理的而对于那种一时有利,长远不利的方案,即使是过渡性的,也最好不选用这方面的例子可以举出很多某些工业的发展和技术的进步只顾当前利益,不顾长远利益,对自然环境和生态系统的破坏十分严重淮河流域污染问题,使得被迫关闭5000吨以下的小造纸厂就是一个很好的例子
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3.3局部效益与宏观效益相结合一个系统往往由许多子系统所组成如果各个子系统的效益是好的,而且总系统的效益也是好的,这当然是理想的但是在大多数情况下,在一个大系统中,有些子系统局部看是经济的,但是从总体看是不经济的,这显然是不可取的在系统工程中,对系统的要求是整体效益最优化,而不是局部效益的最优化,应该是局部利益服从整体利益
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3.4定量分析与定性分析相结合在分析问题时,对于那些可以用物资的数量、单价、消耗数量等等数量指标进行衡量分析的叫做定量分析对于那些如政策、法规等等因素无法用数量指标进行分析,只能根据经验的“好与坏”,“可以不可以”作主观判断的,叫定性分析,系统分析不但要进行定量分析,而且要进行定性分析,因为有些问题中某些定性因素起决定性的作用分析的方法可以按照“定性——定量——定性”的顺序进行只有了解清楚系统的一些性质,才能进一步建立起定量关系的数学模型,作出定量分析,最后把定性分析与定量分析结合起来进行综合分析,就能找出最优方案
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1.4系统分析的方法系统分析这个词可以用于任何系统的研究各种场合所使用的具体技术和方法,可能很不相同,至于使用哪些技术和方法,取决于每一个研究项目的实际需要与条件没有一张处方可以包治百病,但这并不妨碍系统分析的实际应用系统分析的方法可以分为定性和定量两大类进行定量的系统分析,要用到数理统计学、运筹学中各种模型化与最优化方法,这些方法主要还是为我们作系统分析服务的,使我们在对系统进行分析时更加明确对系统进行全面整体的分析大体可以从两个方面着手进行,一是对系统的目的进行分析,二是对系统的方案进行分析系统的目的分析中,又有两个方面,一是环境对系统的需求分析,二是对系统的输入分析,即外界环境对系统的限制性分析在系统的方案分析中,也有两个内容,首先是系统实施方案的可行性分析,然后是实施方案的经济效益性分析,如图3-1-3需求分析反映了客观环境对系统的需求程度需求是系统存在和发展的先决条件客观世界对某系统没有需求,则系统就无法生存无论来自上级下达的指示和指标,还是系统本身需要进行改造,这些都是社会需求的反映需求分析主要解决需求什么?什么时候需求?需求量多少?需求分析是以预测未来需求量为基础的,因此要建立预测数学模型例如油料保障系统可以根据历史资料建立油料需求预测模型,预测油料的需求输入分析是外界环境对系统的限制性分析,也即分析环境对系统的约束因为要建立一个需求系统,需要考虑国家方针、政策、法律、法规以及社会经济条件如投资、材料、设备、动力等供应能力的约束,以及自然环境如水源、地形、气候等对它的限制,因为它们都直接影响着系统的输入需求与可能是一对矛盾,需求不可能完全满足和实现,输入分析就是对系统输入可能性进行分析,通过分析以决定输入量,在一定的输入下会产生一定的输出,这时就可以从现实出发调整需求规模与投资可行性分析是在需求分析与限制性分析的基础上进行的一定的输入可产生产定的输出,但达到一定的输出可有若干途径及实施方案,因为在满足一定的目标函数和约束条件下,会产生许多可行解可行性分析除了进行技术性分析外,还应从战略上,对资金的来源、物资的筹措、运输的方法等等进行多方案的设想,为下一步方案优选奠定基础可行性分析与系统转换或处理机构有关效益分析是对系统的输入与输出进行对比分析因为输人一般可以看作费用,它与输入的物资多少、动力、机械、设备的损耗、人员的占用有关,系统的成果可以看作为输出,只有当输出大于输入时,系统才是有效的若干可行方案中都可求出其输入与输出值,而效益即输出与输入之比或输出与输入之差,效益大的方案为优化方案,这是系统评价的主要准则综上所述,需求分析会产生需求目标,可行性分析可产生可行方案,而输出与输入分析可产生系统的效益而所有分析都要建立模型如表达诸方案的效益模型、优化模型等对诸方案的优选是根据评价标准或指标进行的
3.
1.5系统分析的步骤系统分析是一项系统性与逻辑性较强的工作由系统概念形成问题,由问题产生目标,再根据目标去找出最优方案,这就是系统分析的主要逻辑程序在整个系统分析的过程中,不但需要作大量的调查研究,收集各种数据与资料,同时还需要应用各种专业技术、管理技术和各种数量分析方法系统分析所得出的结论必须具有真实性、科学性和预测性,以供决策人员选用
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1.
5.1系统目的分析与选定对某一系统进行分析时,首先必须明确所要分析问题的目的和当前系统的情况,也就是要回答干什么与为什么这样干这是一项十分重要的工作如果所确定的目的是错误的,那么无论怎样分析,也不能产生好的结果通过分析如得到系统的目的正确就可以进行以后的分析工作对系统目的进行分析时,要确定系统的构成和范围,要深入到问题的本质,要弄清楚分析对象的构成、范围和功能等等之间的相互关系对系统目的的分析可以用定性的方法,也可以用概略模型定量分析,以确定出所选择的目的,并分析其是否能实现,如能实现可继续进行后续的系统分析工作需求与系统目的是相关联的系统目的分析就是要明确需求、满足需求和确立需求的方向及制定相应的措施
3.
1.
5.2收集资料、确定系统的指标体系对系统所涉及的范围以及影响系统的各个因素,进行深入详细的调查,收集有关资料,这是建立系统的模型进行定量、定性分析的基础
①收集资料调查系统的历史和现状,收集国内外的有关情况,对有关资料进行分析和对比,排列出影响系统的各因素,并且找出主要因素
②确定系统的各因素后,为了建立模型以及对各方案进行分析比较,必须有一个统一的标准,要有统一的指标来衡量,这就是系统的指标体系由于系统分析的对象、内容的不同,采用的指标体系也就不同一般可参照图3-1-4建立系统分析的指标体系
③计量化工作根据收集的资料,按照所确定的指标系统的各因素进行“计量化”这里的“计量化”是广义的,对于数量指标,可以用数理统计、预测、分析计算等方法进行定量化而对于质量指标,能定量的就定量,不能定量的就进行定性化
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1.
5.3模型化系统模型化就是用数学方程、仿真技术、图像甚至物理形式把系统各个功能以及功能间的相互关系表达出来,以便了解并确定系统存在价值以及价值之间关系的一种科学方法模型可以表示系统全部因素之间的关系;也可以把系统分解为若干子系统,模型只表示于系统中各因素之间的关系在系统分析中,模型化之所以起着比较重要的作用,其原因在于其一,是进行定量分析的重要手段;其二,在没有建立实体系统供我们观测和试验之前,我们可以凭借模型来有效地求得系统的设计参数,确定各种制约条件,因此对大规模的系统,模型尤为重要建立系统模型的方法将在下一章中专门介绍
3.
1.
5.4系统最优化对于所研究的系统,建立起数学模型后可以用优化方法,如运筹学等方法,把最佳方案找出来由于计算机的高速发展,大量的复杂计算用计算机很容易完成在定量因素优化的基础上,再考虑那些定性因素并进行综合的、全面的、整体的最优化,这样往往可以得到几个最优的替换解
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1.
5.5综合评价对系统的若干个方案进行最优化后,可以得到几个可行方案,对这几个可行方案还要重新进行综合评价因为一般情况下,在几个可行方案中,每个方案都有自己的长处,也有自己的短处,往往很难确定选用什么方案,这就要根据在系统分析开始时制定的系统指标体系,定出各可行方案的优劣指标,即评价综合指标,通过评价标准对各方案进行综合评价,确定出各方案的优劣顺序同时要指出方案的好处和不足之处,在实施此方案时应注意的事项,并克服不利因素,使方案实施后产生更好的效果即使在最优化过程中只产生一种最佳方案,也要对此方案进行评价,作出方案实施指南通过综合评价,定出最佳方案,供决策者参考如果对此方案决策者满意,则可以协助执行如果不满意,则按前面的步骤,对各因素进行调整,重新分析以上五个步骤可以用流程图表示出来,如图3-1-5所示
3.2技术与费用、效果分析技术、费用与效果分析是系统分析的重要方面所谓技术、费用与效果分析,就是对各种技术方案的费用与效果进行分析、计算和评价,从中找出技术上先进、经济上合理的优化方案,为决策工作提供科学的依据
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2.1技术与费用、效果的关系
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1.1技术的含义技术,是指根据生产实践经验和自然科学原理,为实现一定的目的而提出的解决问题的各种操作技能,以及相应的劳动工具、生产的工艺过程或作业方法也可以说,技术是对于包括劳动工具、劳动对象和劳动者技能在内的一种范畴的总称它是变革物质、进行生产的手段,是科学与生产相联系的纽带,是改造自然、推动经济发展和社会进步的力量
3.
2.
1.2费用的含义所谓费用,是指为实现系统目标,运用人、财、物、信息等资源所必须支付的以货币形式表示的各种耗费之和,这些费用还包括失去的机会和作出的牺牲,如为了某种目标而选择特定手段,使得某资源或时间不能用于其他目标,所以会产生牺牲
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2.
1.3效果的含义所谓效果,则是用费用换来的价值、功能,它可以用货币来表示,也可以用其他意义的指标来表示,例如安全性、可靠性、声誉、完成任务的概率、完成任务的工期等等指标或综合性指标在不同的问题中可采用不同的指标
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2.
1.4技术与费用、效果的关系对于任何一种技术,都不能不考虑其费用与效果技术不断发展的过程同时也是其费用不断降低和效果不断提高的过程随着技术的进步,人类能够用较少的人力、物力获得更多更好的产品或服务从这一方面看,技术的先进性与经济的合理性是一致的先进的技术通常具有较高的经济效果另一方面,在技术的先进性及其经济性之间又存在着一定的矛盾因为在实际生产中采用何种技术,不能不受当地的自然条件和社会条件的约束,而条件不同,同一种技术带来的经济效果也不同某种技术在特定条件下体现出较高的经济效果,在另一种条件下则不是这样可能从长远发展来看应该采用某种技术,而从近期利益来看却需要采用另外一种技术所以考虑技术不仅要看先进性,还要看适用性研究技术与经济的合理关系,寻求技术和经济协调发展的规律,是技术经济学的重要任务技术经济分析作为系统工程的一项内容,主要是应用技术经济的研究成果,同系统思想和定量化系统方法相结合,服务于系统工程的实践活动
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2.2技术、费用与效果分析的基本指标进行技术、费用与效果分析,必须有一套指标体系,用来衡量生产活动的技术水平和经济效果不同的工业部门或企业,其技术经济指标体系不尽相同,都是同自身的产品、原材料、机器设备、工艺过程等等相适应的但是,在各种指标体系中,有一些指标是构成其他指标的基本要素,而且在技术经济分析中是首先要考虑的,称为基本指标,例如产值、费用、收入、投资、价格等
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2.
2.1产值产值可分为总产值与净产值总产值是企业或部门在一定时期内工业生产活动总成果的货币表现净产值是企业或部门在一定时期内工业生产活动新创造的价值它反映工业生产活动的净成果,是计算国民收入的基本依据
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2.
2.2费用这里是说工业企业的产品费用,即企业制造或包括销售产品所产生的费用,主要包括消耗掉的生产资料价值和支出的劳动报酬对于一个管理系统可包括一切管理费用如运输费用、储存费用等
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2.
2.3收入收入可分为销售收入与纯收入
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2.4投资投资是为实现技术方案所花费的资金,包括固定资产投资和流动资金固定资产投资是指新建、改建、扩建和恢复各种生产性和非生产性固定资产所花费的资金流动资金是指用于购买生产所需的原材料、半成品、燃料、动力,以及支付工资与各种活动费用的投资
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2.5价格价格是价值的货币表现,受供求关系的影响自发地围绕价值上下波动当然,还有一些其他指标,这里不多论述了,可参考其他书籍
3.
2.3技术与费用、效果分析的可比性技术与费用、效果分析的可比性是指不同的技术方案之间比较费用与效果时所必须具备的前提条件对两个以上的技术方案进行技术、费用、效果比较时,必须在满足需要、消耗费用、价格指标以及时间等四个方面具备可比条件
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2.
3.1满足需要可比满足需要可比是指相比较的各个技术方案满足同样的社会实际需要,彼此之间能互相替代一个方案与另一个方案相比较,首先必须在满足社会需要上是相当的例如两种汽车制造方案,都能满足社会对汽车的某种需要其次,还应考虑到方案能提供的数量与社会实际需要是否相符合的问题如果两者不符,提供量大于需要量,就会造成积压,给社会带来损失;如果提供量小于需要量,社会需要得不到充分满足因此,一个方案与另一个方案相比较,必须满足相同的社会需要否则它们之间就不能互相替代,就不能互相比较无论哪一个技术方案,总是以其一定品种质量和数量的产品满足社会需要的,故不同技术方案在满足需要方面可比,就是在产量、质量和品种方面可比
3.
2.
3.2消耗费用可比消耗费用可比是指在计算和比较费用指标时,必须考虑相关费用;各种费用的计算必须采取统一的原则和方法考虑相关费用就是不仅计算和比较方案本身的各种费用,而且要从整个国民经济出发,计算和比较实现本方案而引起生产上相关的环节或部门所增加或节约的费用某一部门或某一生产环节的消耗增减,必然会引起其他与之相关的部门或生产环节的耗费变化所以,只有用系统的观点,全面地考虑相关的费用,消耗费用才是可比的采用统一的原则是指在计算技术方案的消耗费用时,各方案的费用结构和计算范围应当一致采用统一的方法是指计算各项费用的方法必须一致
3.
2.
3.3价格可比对各个技术方案进行技术经济效果比较时,无论是投入的费用,还是产出的收益,都要借助于价格来计算,所以价格必须是可比的价格可比是指在计算各技术方案的经济效果时,必须采用合理的、一致的价格合理的价格是指价格能够反映产品价值,各种产品之间比价合理价格不合理怎么办?一种办法是采用计算价格或理论价格代替现行市场价格,以最大限度地排除现行市场价格中的人为因素的影响另一种办法是避开现行价格,采用计算相关费用的办法例如计算电动机车方案的经济效果时,不能只用电能价格,而要用电厂和输电线路的全部费用一致的价格是指价格种类的一致由于技术进步和劳动生产率的提高,产品价格是在不断变化的,故在进行技术经济效果比较时应采用相应时期的价格指标
3.
2.
3.4时间可比时间可比主要应该考虑两个方面的问题1对经济寿命不同的技术方案作经济效果比较时,必须采用相同的计算期作为比较的基础目前采用的计算期有两大类
①当相比较的各个技术方案的经济寿命有倍数关系时,采用寿命的最小公倍数
②当相比较的各个技术方案的经济寿命没有倍数时,一般根据实际情况确定的年数为计算期,即计算各个技术方案在此计算期内的效益和费用,作互相比较2技术方案在不同时间内发生的效益和费用,不能将它们直接简单相加,必须考虑时间因素的影响
3.
2.4费用效果分析的基本方法为了揭示费用和效果的相互关系,可以通过构造模型来进行比较,并且采用一些指标作为评价标准,如生产系统常用的指标有劳动生产率指标、成本指标、时间进度指标、质量和品种改善指标、劳动条件改善指标,以及特定效益指标等费用——效果是一种综合性指标,可行方案中一切可以用数量计算的耗费与节约都能从成本费用中反映出来当有可能找到费用或效果与方案的特性参数之间的关系时,就可以建立费用或效果模型模型的结构与模型的内在关系是否显著,与方案复杂程度有关
3.
2.
4.1费用模型费用模型应能说明方案的特性参数与费用之间的关系一般的费用模型为(3-2-1)式中C——方案的费用;X——特性参数在费用分析中,还要考虑该技术方案中的间接费用
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2.
4.2效果模型与费用模型一样,既要建立本身的效果模型,还要分析间接效果
3.
2.
4.3综合模型设有两个方案,其费用分别为C1与C2,其效果分别为E1,E2评价标准分别为三种
①效果相同时,取费用最小者;
②费用相同时,取效果最大者;
③当费用与效果均不相同时,定义效果与费用的比率为(3-2-2)取比值V最大者如果我们投入不同的费用而得到相应的效果,将其绘成的曲线称为费用效果曲线图3-2-1表示的是四种备选方案,是建立效果模型和费用模型的综合模型图根据选择的决策准则,我们以C1和E1为准则,从综合模型图上可以确定各方案优劣的顺序是A
1、A
2、A
3、A4从图中可知,在费用为C1时采用方案A1,费用为C2时采用方案A4,均可使效果最高;在效果为E3时,采用A2方案费用最低图3-2-
13.
2.5敏感性分析在系统分析时,方案中可能存在一些不确定的因素造成不确定因素的原因很多,例如自然条件变化的影响,如国家资源开发利用政策影响到原材料的供应;政治条件的影响,如国内外形势的变化、政策性的变动而影响到技术发展方向在费用—效果分析中,敏感性是指系统方案中某一因素的变化对方案的成本、效果影响的幅度如果幅度变化大,就是敏感性大,否则就是成本、效果对此因素不敏感对于敏感性大的因素应给予特别重视,因为它的变动可能改变最优方案的选择
3.
2.6资金的时间价值问题方案的选择如果涉及到长期决策问题时,需要考虑资金利用的时间因素,即资金的时间价值资金与时间有密切关系,资金具有时间价值今天可以用来进行投资的一笔资金可能比将来同一数量的资金更有价值因为,当前可用的资金能够立即进行投资并在将来获得更多的资金将来才能收取的资金则不能在今天投资,也无法赚取更多的资金对长期的方案进行经济性评价时,评价时间要统一到同一个基础上来比较一般评价的时间值可采用现值、n年后的终值和每一年的年金值这些时间值在评价方案时要进行等值换算,在同一个时间值的基础上比较,才能选择出合理的方案
3.
2.
6.1现值与终值的等价换算向银行贷款P元,每期利率i%,按复利计算,则n期末的本利S为;S=P1+in(3-2-3)上式两边除以1+in,则P=S1+i-n(3-2-4)式中P——现值;S——n期限后的终值;1+in——终值系数
3.
2.
6.2现值与年金现值的等值换算年金可定义为在一定年数中,每年按期限支付的一系列款项,每一笔支付都在年终例如,从银行贷款P元,每期末各付M元,在n年后本利全部还清当在K期未偿还金额M的现值应为M1+i-k,则在n期末应偿还金额的总数(3-2-5)将上式用等比级数求和的公式进行整理,得(3-2-6)同理,如使M成为P的函数时(3-2-7)式中M的系数称为年金现值系数例3-2-1某航空兵场站改造管线加油设施,有两种投资方案甲方案投资100万元,每年维持费为30万元;乙方案投资200万元,每年维持费为10万元两方案完成的功能相同,甲方案经济寿命10年,乙方案经济寿命8年,利率为10%,试分析应采用哪二个方案解对甲、乙方案的选择,可采用下面两种方法,即现值法和年值法在本例中,由于两方案的经济寿命不同,如果用现值法比较时,要考虑到两种设备使用年限的最小公倍数为40年,在40年内甲方案设备可重复4次,乙方案设备可重复5次,如果不进行重复比较,就得不出正确的方案论证遇到对经济寿命不同的方案进行评价时,以采用年金现值法较宜在本例中由于甲、乙两方案具有相同的功能,它们的收益是相同,这可从费用角度进行比较计算过程如下两方案相比,以选择甲方案为宜,每年可节约
1.2万元
3.3可行性分析
3.
3.1可行性分析的基本概念可行性分析也称可行性研究FeasibilityStudy,是近年来在工程项目、企业投资、研究课题、基本建设等各类问题中广泛应用的一种系统分析方法自从1978年联合国工业发展组织编写了《工业可行性研究手册》之后,可行性分析已经成为一个国家制定建设项目的工作程序,并且逐渐发展成为系统工程的一个应用性极强的新分支可行性一词,原意是“做到或实现的可行性”,与“有可能成功的,可以行得通”这一类解释有相同的含义,也与“可能性”同义可行性分析就是对于一个想要实践的项目,在明确的目标和限制条件下作出科学的回答这个项目是否可以上马,采取何种方案为好?回答这两个问题,有一套比较完整、比较严格的程序和方法,它们构成可行性分析的丰富内容进行一项工程建设,要力求技术上先进、经济上合算、实践上可能和发展上协调,为此,在工程建设开展之前,必须就这些方面进行一系列技术上、经济上的分析研究简而言之,建设项目的可行性研究就是在工程建设之前,包括从技术、经济、社会诸方面进行全面的、系统的研究分析和可行性论证它是选择工程项目、进行方案决策的前提和依据所谓技术可行性,是指系统的实施必须在技术上能够达到,而且在资源、设备能力上能够保证实现这时需要进行严密的、科学的论证,任何草率的开始都可能招致不良的后果所谓经济可行性,是指各种系统普遍遵循的经济法则可利用费用效果比来衡量人们总是希望在支付一定的费用下使项目效果达到最大,或者是在达到一定的项目效果的前提下花钱最少如果项目结果所得还超不过所耗费的成本和操作费用,那就得不偿失,这样的项目是不行的当然,对于有些项目往往由于政治、社会上的需要,也会被开发和利用所谓财务可行性,是指任何项目的投资必须是财务上可行的,财务上有能力支付巨大的费用才行,否则巧妇难为无米之炊政治、社会可行性,是指政治上的需要起着决定性作用例如很多科学技术的成果就是为适应战争和政治的需要而发展起来的,无论在历史上还是现实生活中都是显而易见的事实社会的供需、利润、竞争、信誉、安全、社会的审美等等,都是项目规划所必须顾及的如果设想在现代化大城市的繁华大街上建筑三层以下的楼房,将不会被市政当局批准的建设项目可以分为两类一类为自给补偿性项目,如工厂、矿山等,即项目建成后生产出来的产品可以出售或提供服务,取得收益来抵偿投资的耗费并取得盈利另一类是社会性福利项目,如公路、桥梁、污水处理等,计算盈利比较困难,但建成后对国民经济带来的好处与投资进行比较,也是能进行经济评价的可行性研究的对象,一般包括新建、改建、扩建的工业项目、科研项目、技术措施的采用与技术政策的制定等
3.
3.2可行性分析的紧迫性在我国向现代化进军的过程中,新建或急需改造的大系统如大型工矿企业、电力网、交通网、通信网、公共服务系统、社会保障系统将大量涌现这些大系统一般都要经过多年的努力,需要投入巨大的人力、财力和物力,才能获得巨大的社会经济效益,但若搞得不好,则是劳民伤财现实生活中我们可以看到,由于事先准备不足,有些大系统盲目上马,结果中途被迫下马,使人民财产付之东流,对此我们是有深刻的教训的从50年代末以来,在“左”的思想路线影响下,有些工程建设“只算政治账,不算经济账”,不搞技术经济分析,不讲求经济效果,不做可行性分析,草率定案,仓促上马,大搞“三边”边勘察、边设计、边施工、“四当年”当年设计、当年施工、当年建成、当年投产,以致造成了上千亿元的巨大浪费为扭转我国经济建设中大量存在的损失和浪费现象,为适应我国全面开创社会主义建设新局面的要求,避免和减少建设项目决策的失误,提高建设投资的综合效益,进行可行性分析研究势在必行国家计委下发了《关于建设项目进行可行性研究的试行管理办法》,这个办法对于有步骤地开展建设前期的可行性分析工作,充分发挥其对投资效果的良好作用,具有重大的经济意义
3.
3.3可行性分析的主要内容由于建设项目的性质不一,种类繁多,要求也不一样,因此每一个项目的可行性分析的内容和格式不会完全一样但是,当我们在对项目投资前需要预先研究的部分加以仔细分析以后发现,有许多基本的概念和内容却是相同的任何一个工程项目都必须经过计划期,而可行性分析属于计划期这个时期的工作可以分为以下四个阶段
3.
3.
3.1项目计划前期研究这相当于国外的机会研究这个研究一般可分为两步第一步是根据国民经济发展和布局的宏观计划以及各种具体条件,研究有哪些项目可以设想建立,它们的必要性、可能性和大致的经济效果如何,从而选择出其中较好的项目;第二步是对被选出的具体项目再作进一步研究,使该项目的优缺点更为明确,并且提出哪些是影响该项目计划实现的关键问题,以提供给有关部门决策,如认为此计划方案设想很好,那么就应该进行下一步的工作这一阶段的研究是比较粗略的,各种分析数字主要依靠调查研究和概略的经验估计,精确度允许在±30%左右根据国外经验,这阶段的研究费用大约相当于项目投资的
0.2%~
1.0%,时间需1~2个月
3.
3.
3.2项目计划初步研究相当于国外的可行性初步研究,主要是对项目计划方案设想再做进一步研究,把计划方案设想为一个初步的完整计划研究内容应包括七个方面What投资的目标是什么Why投资的理由是什么When投资何时开始?何时结束?Who由哪些部门投资经营Where投资场地选择在何处How如何作技术经济方案CostEffectiveAnalysis作费用效果分析这个阶段对项目计划中的每个部分都需要根据经济效益最大的原则进行方案比较确定这个阶段的工作主要是看这个项目初步计划是否真正可行,以便决定取舍工作要求比较全面和详细,分析数据估算的精确度要达到±20%这个阶段的研究费用约为项目投资的
0.25%~
1.25%,时间约为半年左右
3.
3.
3.3项目计划详细研究相当于国外的可行性研究这个研究是在项目计划初步研究认为可行的基础上进行的,要把初步的完整计划变为一个详细的可供执行的完整计划研究内容仍然是项目计划初步研究中的七个方面,但是要求更加详细和深入,分析数据的精度要求达到±5%在这个阶段工作中,整个计划的每个部分都是根据整体性能最佳的目标,经过多方案的反复比较选择以后确定的这阶段的研究费用约占项目投资的
0.2%~3%,时间需要1~2年
3.
3.
3.4项目计划评价研究这是从各方面对项目的详细计划进行评定,以便最后决策项目上马与否
3.
3.4可行性分析的实施步骤每个项目的计划研究不一定都要按上述四个阶段进行,但是可行性分析必须对项目的所有问题作出明确的结论因此,为了叙述方便,可以按以下步骤进行1一般经济情况说明内容包括国家经济发展情况;国家的方针、政策、法令;从国民经济看项目的合理性2市场和工厂生产能力将下列各项年度的数据列成表需求、规划销售量、生产规划、工厂生产能力3材料和投入物说明以下各项来源的一般情况原料、辅助材料、工厂供应品、公用设施4建厂地区和厂址叙述建厂地区和厂址5项目设计叙述项目的布局和范围、说明最终选定的工艺、概括说明选用的设备、叙述所需的土建工程6工厂组织和管理费用7人员说明选用劳动力的种类和人数,说明选用职员的种类和人数8建设进度安排工厂建设和设备安装期、开始生产和试车期9财务和经济评估
①总投资费用=土建工程费用+工艺和设备费用+生产前资本费用
②项目资金筹措资金筹措来源;资金筹措费用及债务对项目产生的影响、有关资金筹措的政策及条例、金融机构、需要的财务报表、财务比率
③总生产成本=行政管理费用+销售和分配费用+财务费用+折旧
④财务估算净现金、内部回收率、回收期、简单回收率、盈亏平衡分析、敏感性分析
⑤国民经济评价从国民经济观点对项目建议作出评价
(10)结论项目的主要优点、主要缺点、实现这个项目的可能性下面我们仅就以上步骤中主要工作叙述如下
3.
3.
4.1市场需求分析这是投资新建或改造一个项目的一个基本依据,它需要预测市场的需求,判定产品的消费量,确定项目的规模,最终确定项目的利润市场需求的预测主要包括对某些产品可能需求的预测、对可能供应的估算、对拟议中项目可能达到进入市场程度的估算、需求扩展的特点
3.
3.
4.2产品消费量的估算产品的消费量要由生产者来调整,有不能确定的因素时,可以将前两、三年的平均数加以适当调整使用
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4.3投资费用的估算投资者必须估算投资费用,以根据自身的资金能力,实事求是确定项目规模的大小
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3.
4.4财务分析项目利润的获取是投资的根本目的所在投资利润率的分析主要在于确定利润与投资的比率,国际上通常用“现值法”并结合“敏感性分析”来进行财务分析计算
3.
3.
4.5敏感性分析在计算投资效益的数学模型中,可以考察其中任何一个参数的变化如设备利用率、投资总额、建设工期、生产能力等对投资收益率的直接影响,还可以对影响投资收益率的有关指标进行敏感性分析,并把它们的相关系数先求出来,这样,当条件变化时,可以随时对有关参数计算出粗略值,以供领导决策这种分析方法,在对外谈判中对临时改变条件的推算特别有用最后作为例子,考察一个军事后勤系统的经济性首先要确定预期目标和完成目标的任务要求该系统的目标是在规定的时间内把一定数量的人员和装备从一个地点运到另一个地点为实现这个目标,既可用较慢的船运方案,也可以用较快的飞机空运方案选择何种方案为好,这就需要进行效益分析,以便根据规定的评价标准,选择效益大的优化方案其次,需要建立一套能够计量的评价标准—般地说,建立成本标准比较容易,而建立效能标准就比较困难但是成本计算在这里也有不同特点,它要求计算该项工程系统的整个生命周期所有的成本,包括研究和开发、工程设计、可行性研究、试验、投资建设、投产使用和维修等全部费用在内总之,要把这些费用全部汇总作为生命周期成本生命周期成本作为一种决策成本,经常应用在复杂工程和军事系统分析上为了便于比较,还必须把不同时间发生的生命周期成本在现值基础上换算成现值总成本,以便对项目工程系统的整个生命周期中的总成本和总效能相比效能方面的评价标准较难建立效能一般可分为效益、使用价值、品质、受益等等这些标准有的难以用绝对值表示,一般采用移动率、利用率、保养率和可靠度等相对量来作为效能标准美国国防部报请国会批准发展这样一项军事运输系统,预定其生命周期总成本不超过12亿元为此,国防部请某研究所提出了三个可供选择的方案,假定每个方案内部存在着某项设计弹性即装运量大小有伸缩性通过技术设计,可以建立起每天装运吨量的效能标准根据目标要求,假定每天装运量1410吨为最低标准,各个方案在最大利用率时的生产总成本和每天装运吨量的效用值如表3-3-1所示表3-3-1方案现值总成本(亿美元)每天装运吨量飞机空运方案1121620轮船海运方案121410飞机空运方案2101410经济分析如下有了评价标准和有关的数据资料,就可以采用成本固定法或效能固定法进行经济分析本例中运输系统的首要标准是在规定时间内从一个地点到另一个地点的人员和设备的装运吨位量其他标准,如修理保养、速度快慢可按其重要程度分等排列在本例中,为了简化只把装运量作为惟一的效能标准对三个可供选择方案的评价,可先按在确定成本条件下,对空运方案1和船运方案进行选择,由于它们的效能值在成本12亿美元时分别为1620吨和1410吨,显然以空运方案1为优但是从国防部的需求来看,每天装运1410吨已能满足使用需要,因此希望能在确定的效能条件下获得较低费用的方案而在满足每天装运1410吨的情况下,空运方案2仅花10亿美元,比空运方案1成本要省2亿美元,因此以空运方案2为最佳方案船运方案由于成本高、效能低,在评价过程中首先被淘汰至于空运方案1虽然成本增加了2亿美元,但每天运量却增加了210吨,这样做是否值得,需要进一步通过成本—效能增长分析来评价如果考虑近期运量增长后对增加装运能力有利的话,那么就可以采用空运方案1了上述例子仅以装运量作为惟一效能标准,所以分析比较简单,进一步分析也只用到效能的增长分析,如果再提出其他效能作为次要标准,如速度、安全等,则形成了一个多目标决策问题,方案的评价会更加复杂,这就要按照各种效能的重要程度排序,利用列表方法,或加权评分方法解决,有关内容参考其他章节这些投资决策的系统分析方法在国外均已广泛使用,显然在我国开展这方面的工作,将具有十分重大的现实意义第4章系统模型
4.1系统模型概述
4.
1.1系统模型的概念及本质系统模型是以某种确定的形式,如文字、语言、图表、实物及数学公式等,对一个系统有关本质属性的描述,以揭示系统的功能和作用从系统概念来看,模型是关系的表达形式,因此,建立系统模型需要从过程和状态两个方面去寻求各要素之间的关系而从认识论来看,模型化过程就是人们从对现实世界的观察中获得概念,形成认识,再将这种认识用某种信息载体表达出来形成所谓的模型,当这种模型被确定为行动方案之后,又以产品和服务加入到现实世界中去由此可以更深刻地理解所谓模型化,只是运用某种信息载体来外在地显示人们对现实世界中事物的认识,以及显示客观事物的状态和状态变化,它反应了人们对客观事物认识的思维过程,并能帮助发展这种思维过程,即模型是思维形式的外在表现系统模型不是系统本身,而是对系统的描述、模仿或抽象系统模型表现了实际系统的各种因素及相互关系,反映了实际系统的主要特征,但是它又高于实际系统,而且具有同类系统的共性,因而它有助于解决实际系统的问题,并指导其他有这些共性的实际问题的解决客观世界中,现实系统是复杂的,属性也是多方面的,而建立模型绝不是企图把现实系统中的一切属性都包括进去,若是这样,不但不便于问题的解决,反而把问题复杂化了,重点也不明确了人们只能根据系统的目的和要求,抓住其本质属性,对其准确地加以描述所以,模型来源于实际又高于实际,但比客观实际简单和抽象需要指出的是,对于同一系统根据不同的研究目的可以有各种各样的模型,而且随着对系统认识的深化,以及建模技术的提高,即使同一个建模人员也会对同一个系统作出不同的系统模型人们认识和研究客观世界有三种方法,即逻辑推理法、实验法、模型法而模型法就是在客观世界和科学理论之间建立起来一座桥梁,通过这座桥梁,人们可以探索系统的各个侧面
4.
1.2为什么要使用系统模型
4.
1.
2.1系统研究的需要模型和模拟方法在系统工程研究中具有极其重要的地位因为系统工程所研究的是系统的开发问题,其研究对象不仅是有待建立的,而且是无样本、信息不充分的,这就使得系统工程研究包含着建立新的概念,对各种方案进行分析、评定、选择,以及检验各种环境因素对系统的影响等极为复杂的问题,于是,就特别需要运用模型和模拟方法来表达和考察这些问题,来预测系统的性能和参数,通过灵敏度分析看出哪些因素对系统影响更大,从而对系统进行分析、优化、评价和决策只有这样才能对问题有更深入的认识,从而帮助启发思想和加速工程开发的进程
4.
1.
2.2经济性考虑在实践中,有些活动很难,甚至不可能作实验来进行推演或模拟如新型飞机的研制,直接试验的成本昂贵,而使用模型则耗资少,故多用物理模型或数学模型代替实际系统进行研究
4.
1.
2.3安全性考虑某些系统,直接试验是很危险的,有些甚至是不允许的如载人宇宙飞行器、核电站控制系统就是典型的例子
4.
1.
2.4时间性考虑对于社会、经济、生态等广义工程系统,由于其惯性大、周期长,直接试验几乎是不可能的,而利用模型进行仿真,则能较快地预测系统的特性和外加作用的影响,从而研究控制策略
4.
1.
2.5易理解与操作方便的考虑即使对现实系统进行直接试验是可能的,而且也不费钱、不费时,系统模型也是有利的因为现实系统中包含的因素多而复杂,直接试验得出的结果往往不易理解,而模型由于抓住了主要因素,突出了研究目的所关注的显著特征,因此容易得到一个清晰的理解在模型中一些参数值的改变比现实问题容易得多,尤其是对于数学模型就更容易了,也就是模型比现实系统容易操作当我们研究不同质的客观事物时,在撇开它们的具体物质属性之后,它们彼此在形式上会有许多相同之处,如量的关系、空间的关系、时间关系以及其他方面的相似性等等这些体现了不同质的事物具有同型性,这是利用模型研究现实系统的客观依据由上面所述,可见用模型来研究实际系统有不可替代的优点因而近年来建立模型的技术发展很快,国际上定期有专门的学术会议、专刊、大量的文献,有关的书籍也陆续出版在系统目标确定之后,系统工程的首要任务就是建模,即构造系统模型,然后再进行优化和评价一般来说,对于系统的研究必须化为对于模型的研究,利用从客观实体观测到的数据,来建立系统模型所以,建立系统模型是系统工程中一项重要的基础性工作
4.
1.3系统模型的分类为了系统研究的方便,需要对系统模型进行合理的分类虽然系统模型很多,但弄清楚模型的本质以后,可以将模型分类如下
4.
1.
3.1比例模型又称形象模型这种模型保留着实体的外形性质,仅在尺寸上进行成比例的改变如原样或放大或缩小例如照片、地球仪、飞机和导弹的风洞模型等都是人工制造的比例模型
4.
1.
3.2相似模型相似模型是根据不同系统之间的相似规律而建立起来的研究用的模型这些相似规律包括几何的、逻辑的、过程的相似等等例如电模拟中利用电压模拟机械运动中的速度、电流模拟力、电容模拟质量等电子模拟计算机,利用其具有的各种运算装置的适当编排,可以进行各种系统的相似模拟
4.
1.
3.3数学模型数学模型是用数学方法描述系统变量之间相互作用和因果关系的一种模型,这种模型利用各种数学符号、数值、数学式子来描述工程、管理、技术、经济等系统的有关因素以及它们之间的数量关系例如物资运输问题中调运优化模型、描述系统运动的微分方程等都是数学模型这种模型中的变量和参数很容易改变,具有很大的灵活性,其应用范围最广泛,是定量分析的基础
4.
1.
3.4图形模型图形模型有非常丰富的内容,主要包括图画——示形草图——示意框图——表示部分与部分之间或部分与整体之间的联系图论图——图论中定义的图无向图GV,E、有向图GV,A、有标量图GV,A由于图论中的图与集合论、关系、拓扑、矩阵、代数方程等概念是紧密相联的,所以,这种图对于强调概念的宏观问题和强调定量化描述的微观工程问题,都有很强的表达能力逻辑图——显示可用布尔代数表达的关系工程图——显示确定物体的结构和顺序关系,如各种建筑工程图、化工流程图等图形模型的前三种图图画、草图、框图为不严格图,即没有严格确定的规范,作图者常常要附加文字说明由于这种图内涵小,所以使用极为广泛,有时常常用来显示那些还不太清楚的问题,如描述效能原理、系统组态、宏观过程等因此,对于系统工程人员来说特别常用有人把系统开发的初始阶段比作绘制漫画,这是不无道理的正是借助于这些图形模型来开发构造一个新系统的想象力和创造力,即逐步引出与之有关的问题和需要进一步探索的问题,使得所要开发的系统变得越来越清晰,越来越具体例如,在氢弹的开发过程中,一开始只是在纸上画出一些想象中的简单图画,然而,正是通过这些图画帮助说明了与之有关的各项工作、知识、问题以及所要求的数据,从而使这一工程,一步一步地向前推进,并能够制订出详细的工程设计,最后得到实际可用的氢弹从事任何一项开发性的工程,几乎毫不例外都要经过这样一个过程图形模型的后三种图图论图、逻辑图、工程图称为严格图,它们有严格确定的结构形式和规范工程图是形象和参数相结合的图形,主要用于作业级的工程活动逻辑图用于概念开发和系统逻辑关系的描述,在自动系统、计算机设计中有广泛的应用图论图可以看做是关系的图形描述,由于它有相当强的表现能力,所以在描述概念、结构、算法等问题时几乎都要用到例如,树图在描述关系发展中最常用,网络图常常用来描述系统进一步细致一些的关系结构,有向图则用来描述系统状态的转移以及各种流如信息流、作业流、物流、能流等计划管理中常用的PERT计划评审技术图就是一种有向的有标量的图借助于图论图,还可以完成某些优化计算,如最短路径问题、工作分派问题、力量匹配问题等对于上述四种模型在使用时的优缺点简述如下比例模型比较直观,但是不易改变其参数;数学模型容易改变参数,便于运算和优化,进行定量研究,但是很抽象,有时不易说明其物理意义;相似模型容易求得动态特性,但不是任何一个问题都能方便地找出相似模型;图形模型直观,易于理解由于工程活动的复杂性,在主要使用图画模型时也可能要使用数学模型或其他模型来配合;而在主要使用数学模型时,也需要借助图形模型或其他模型而且在不同系统问题上、不同系统开发等级和阶段上要使用不同的模型因此,在实际建立、使用系统模型时,不可能自始至终只用一种模型就能解决问题,而是四种模型经常交叉使用,以发挥各自的长处
4.
1.4建立系统模型的基本方法与途径前面已详细阐述了系统模型的本质和分类,虽然系统模型有四类,但由于数学模型具有很多重要特性,一直是系统开发中最重要的研究对象,因此通常所说的系统模型化过程主要就是指建立数学模型的过程本节就是在这个意义下进行的系统工程的数学模型,通常具有下面方程的形式V=F(Xi,Yi)式中V——目标函数;Xi——可控变量;Yi——不可控变量;F(Xi,Yi)——表示V与Xi,Yi之间关系的函数在系统模型中,分含有可控变量与不含有可控变量两种,前者叫结构性模型,后者叫描述性模型系统模型通常属于前者,正因为有这些变量存在,才使我们有可能从中选择最好的决策方案但是,在分析一些实际系统时,也常常要构造描述性模型,以帮助我们找到某些变量之间的关系和主要变量要建立一个系统模型,需要进行预先的分析,确定什么是最重要的特征,并将它予以定量的规定,这是建立系统模型的前提建模的方法很多,一般要视模型的用途而异建模时,主要是根据系统各变量相互关系的性质,用物理、数学、经济或其他有关机理,或凭以往经验确定模型形式或结构,再用统计观测数据来决定其参数但建立系统模型是一种积极的思维活动,从认识论角度看,是一种极为复杂且应变能力很强的心理现象,因此没有统一的模式,没有固定的方法,其中既有逻辑思维,又有非逻辑思维建模过程大体都要经过分析与综合、抽象与概括、比较与类比、系统化与具体化的阶段其中分析与综合是基础,抽象与概括是关键从逻辑思维来说,抽象、归纳、演绎、类比等形式逻辑的思维方法大量被采用熟悉这些基本方法,无疑对提高建模能力会大有帮助建立系统模型一般说来有以下五种途径
①对于内部结构已清楚的系统,亦即所谓的“白箱”系统多数的工程系统就是这样的系统,可以利用已知的定律或定理,如物理的、化学的、经济的规律,经过分析和推演,推导或构造出系统的数学模型,这就是所谓的推理法建模线性规划模型就是利用直接分析法建立起来的
②对于那些内部结构和特征不清楚或不很清楚的系统,即所谓的“黑箱”或“灰箱”系统,如果允许实验性观察,则可对其进行实验分析,测量其输入或输出,然后按照一定的辨识方法得到系统的数学模型,这就是所谓的实验法建模
③对于那些不允许直接进行实验观测的“黑箱”系统,但如果反映系统功能的数据是已知或能收集起来,可通过对数据进行因果关系分析,找出诸因素之间的相互影响,建立系统的数学模型大多数非工程系统属于这样的系统,可利用时间序列分析预测系统的未来情况,利用回归分析法找出近似公式与拟合曲线这种采用数据收集和统计分析的方法来建立系统模型的方法称为统计分析法建模
④混合法建模通过对上述方法的综合运用来建立系统的模型
⑤建立原系统的相似模型在自然科学发展中,人们发现了自然一致性规律,就是说,自然界和人类社会活动的万千现象纵有外表形态的种种变化与不同,却常常具有内在的、本质的共同性,即存在某种同态关系如电路振荡与机械振动彼此相似这样可根据同态性,参照一个系统的模型建立另一相似系统的模型上面针对不同情况提出了建立系统模型的五种途径,它们可以作为系统建模的参考应该指出的是,这些方法既不互相排斥,又无所不包,建模时需要灵活巧妙地综合运用要真正解决建模问题,只有对所研究的系统具有广泛深入的了解和丰富的知识,同时对外部环境的影响及内部之间的联系比较熟悉,还要在实践中充分开发人的想象力、技巧和创造性,利用已有的模型和改造已有的模型,创造出更适用的新模型由于每个人对事物了解的深度不同,观察和分析问题的角度和观点不同,再加上思维、逻辑活动的差异,故对同一问题所建立的模型也不尽相同要想获得建立模型的能力,主要通过不断实践来提高自己的水平
4.
1.5建立系统模型的步骤建立系统模型一般要经过以下步骤1明确系统的目的要求,即系统要解决什么问题系统的目的不明确,模型也就建立不起来建立模型不是目的,它仅是一种手段和工具,用它去实现系统工程所要达到的目的在建立模型之前,必须明确以下四个问题,即
①为怎样的对象建立模型
②需要建立怎样的模型
③为了检验所建立的模型是否符合要求,怎样同实体系统进行比较
④怎样变换模型的输入和参数,以达到最好地了解和掌握实体系统的行为2划分系统与环境的边界条件根据系统的目的和要求,确定系统的功能,功能是保证完成系统目标而工作的系统的功能产生目标函数,环境产生约束条件,只有系统与环境的边界条件十分清楚时,目标函数和约束条件才能建立起来3从整体出发将系统分解为若干子系统系统的总目标往往需要若干子系统去完成,也就是系统的总目标要落实到每一个子系统中去,将总目标分解为每个子系统的目标,每个子系统目标完成了,系统的总目标就达到了4根据现实条件进行分析在占有大量历史和现实资料的基础上,分析系统的目标涉及哪些要素,这些要素哪些是主要的,它们之间有什么关系,影响程度大小如何,这些主要要素就是数学模型中的参数和变量在系统及子系统中输入、输出变量及相互关系必须十分清楚,这样才能建立好模型5确定问题的所属系统力学系统、生态系统、管理系统,模型大概的类型离散模型、连续模型、随机模型等以及描述这类系统所用的数学工具图论方法、微分方程方法、代数方法等,提出假说6建立初步模型在上述基础上,将假说进行扩充和形式化,选择具有关键性作用的变量及其相互关系主要矛盾,进行简化和抽象,将问题的内在规律用数字、图表、公式、符号表示出来,经过数学上的推导和分析,得到定量或定性关系,初步建立起系统的模型包括子系统模型和总系统模型建立数学模型,可能会涉及到许多数学分支,一个问题,往往可以利用不同方法建立不同的模型因此需要对模型进行必要的评价,对有关参数进行估计并检验模型的好坏7根据现场试验和对试验数据的统计分析估计模型参数8检验模型如果模型不能反映实际情况,或者原来假设的环境和边界条件误差较大时,要进行必要的调整检验的方法之一是通过仿真实验这种方法是将系统模型与实际情况对比,找出产生误差的原因,是模型计算不准确,还是参数条件与实际情况不符,或者是外界因素产生了变化而模型不适应等,要针对出现的问题做进一步调整,使模型符合实际这一步往往要重复多次,直至把误差控制在允许范围内为止上述步骤可用图4-1所示针对不同的系统,不同情况可灵活采用上述步骤,可简可繁,总的要求是根据系统的研究目的,建立起合乎要求的模型在实际工作中,常常要对模型修改与化简,这是建模中技巧性较强的环节由于实际情况是复杂多变的,往往不能简单套用现有模型例如,有的参数在某个场合容易得到,而在另一场合却得不到,这就迫使人们改用其他形式的模型;有时在构造模型的过程中发现必须拥有这样或那样的数据,或指出模型应朝哪一个方向修正;有时,虽然复杂的模型已经给出,但做试验或求解却十分困难,这迫使人们采用较简单的近似模型
4.
1.6对系统模型的要求构造模型既是一种技术又是一种艺术,是一种创造性的劳动那么什么样的模型算是一个比较成熟的模型呢一般说来,系统模型应该具有1准确性建模是对现实系统的抽象或模拟,在一定程度上,模型要确切反映和符合系统的客观现实,并满足一定精度要求这里所说的精度是指在允许条件下合理的精度2简洁性在建立系统模型时,要将系统中具有本质或特征的主要因素及其主要关系反映出来,并尽量使模型简单明了这就是说,如果一个简单的模型已经能使某些实际问题得到满意的符合一定精度解决,那么就没有必要去建造一个复杂的模型因为建造一个复杂的模型及其求解都要付出较高的代价,并且复杂的模型往往会冲淡本质因素,不能突出重点,反而影响了模型的效能3完整性就是系统模型要包括目标与约束两个方面4规范化在模拟某些实际对象时,如果已经有标准形式可以借鉴,应尽量采用标准形式,或对标准模型加以适当修改,使之适合新系统但是,切忌对客观存在的系统去机械地套用现有的模型,一定要建造一个能反应实际的系统模型5适应性模型是分析、设计、控制、运行、评价系统并使之优化的重要工具系统的外界环境要随时间、空间而变化,必然会影响系统的运行因此,要求模型具有一定的对环境条件变化的适应能力,在模型中除包含主要影响因素的变量及反映变量关系的某些变量和参数,有时还要考虑时间因素以上各条有时相互抵触,但准确性是首要的,应在满足精度要求的基础上,力求简化并提高模型的适应能力模型的作用,不在于也不可能表达系统的一切特征,而是表达我们最需要知道的那些特征
4.
1.7建立模型应避免的倾向建立模型应避免没有详细调查实际情况和深入研究,仅仅根据一知半解就随便假设,凭想象提出一些公式、数学关系和逻辑判断要避免建模时要求的数据太多,致使现有的数据和经过努力得到的数据还嫌不够还要避免把研究问题的一切细节、一切因素都放进去必须明确,最好的模型是一个有用的简单模型第五章系统优化方法
5.1系统最优方案概述
5.
1.1系统最优化方法的发展概况
5.
1.2什么叫系统最优方案
5.
1.3系统最优方案的标准
(1)满足系统价值目标集的目标函数
(2)满足各方面对系统的制约因素
5.2系统优化的程序及方法
5.
2.1系统优化的程序
(1)明确问题,确定优化目标;
(2)收集、整理、处理信息;
(3)对问题进行定性分析;
(4)数学模型方法论研究,并进行模型构思;
(5)模型总体设计,建模方法探讨;
(6)模型分解设计;
(7)目标函数、约束条件分析;
(8)模型综合;
(9)参数辨识,包括收集新信息、局部试算等;
(10)形成系统优化数学模型;
(11)编制程序;
(12)优化计算;
(13)结果计算;
5.
2.2优化模型中要素的确定
(1)变量的选择状态(变)向量、外生(变)向量、内生(变)向量
(2)目标函数的确定
(3)约束条件的确定
(4)模型参数辨识
5.
2.3系统优化技术和方法
(1)解析法
(2)直接法
(3)网格最优化方法
5.3多目标系统优化
5.
3.1多目标优化问题的特点
(1)要求所有目标都同时达到最优是难以办到的;
(2)有些目标难于定量处理;
(3)多目标之间存在指标的不可比性;
(4)多目标之间存在相互矛盾的现象
5.3.2多目标优化问题的解
(1)最优解
(2)重点突出选优法
(3)排序法
(4)目标分层法
5.4实例——干旱牧区水草畜平衡系统优化研究第六章系统决策
6.1系统决策概述
6.
1.1概念界定决策——是制定行动方案、确定工作方针、制订发展规划、决策各种政策和策略的一种智力活动特点
(1)决策是为了达到一定的预期目标;
(2)决策是要付诸于实践的;
(3)决策与优选的概念是并存的;
(4)决策应顾及到实践中将出现的各种可预测或不可预测的变化;
(5)决策是系统工程的一个逻辑步骤;
6.
1.2系统决策的特点
(1)系统决策一般都是多目标决策
(2)系统决策必须采用经验决策和定量决策相结合的方法
(3)系统决策大多是战略决策,必须符合动态反馈原则
6.
1.3决策的分类
(1)按决策的对象分类
(2)按目标的个数分类
(3)按决策的层次分类
(4)按是否有数学模型分类
(5)按决策阶段分类
6.
1.4科学决策的内容和程序
(1)内容(准则)信息准则、预测准则、系统准则、可行准则、选优准则、行动准则、反馈准则
(2)程序发现问题、确定目标、判断准则、拟定方案、分析评价、方案优选、实验论证、普遍实施
6.2不确定型的决策
6.
2.1完全不确定型决策
(1)小中取大法则
(2)大中取大法则
6.
2.2风险型决策
(1)最大似然决策
(2)期望值决策法
(3)决策树分析法
(4)贝叶斯决策
6.3模糊型决策
6.
3.1模糊目标
6.
3.2多目标模糊决策
6.
3.3综合评价决策原理
6.4多阶段决策
6.
4.1多阶段决策问题
6.
4.2多阶段决策问题的动态规划法处理或转换。