系统工程与运筹学基本概念与理论
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系统工程与运筹学说课课件汇报人:2023-11-29目录•系统工程概述•运筹学基本概念•系统工程的核心理论•系统工程方法论•系统工程应用案例•系统工程与运筹学的未来发展CONTENTSCHAPTER01系统工程概述定义与特点定义系统工程是一门跨学科的综合性学科,它以系统为研究对象,应用数学、物理、社会科学等学科的方法和工具,对系统进行规划、设计、管理、控制和优化,以达到特定的目标。
特点系统工程强调整体性、综合性、复杂性,注重多学科交叉融合,强调理论与实践相结合,注重系统性能、成本、进度等方面的优化。
01系统工程广泛应用于解决各种复杂系统问题,如大型工程项目、城市规划、交通管理、能源开发等。
解决复杂系统问题02系统工程可以帮助组织更好地规划和管理各项任务和资源,提高组织效率和管理水平。
提高组织效率03系统工程强调创新思维和创造性解决问题,有助于培养人们的创新意识和能力。
培养创新思维系统工程的重要性系统工程的历史与发展起源系统工程起源于20世纪40年代,当时美国贝尔实验室的工程师们开始研究电话交换系统,并逐渐形成了系统工程的理念和方法。
发展随着计算机技术、通信技术等的发展,系统工程逐渐成熟并广泛应用于各个领域。
在中国,系统工程的研究和应用也逐渐得到重视和发展。
未来随着人工智能、大数据等技术的发展,系统工程将会有更多的应用场景和发展机遇。
同时,系统工程的理论和方法也将不断完善和发展。
CHAPTER02运筹学基本概念线性规划简介线性规划是一种常用的数学优化技术,用于在多个变量中寻找最优解。
线性规划的应用线性规划广泛应用于生产计划、货物运输、资源分配等问题。
线性规划的数学模型线性规划的数学模型包括目标函数、约束条件和决策变量。
动态规划是一种用于解决多阶段决策过程的最优化方法。
动态规划简介动态规划可以用于解决如背包问题、最长公共子序列问题等。
动态规划的应用动态规划的基本原理是“最优子结构”,即大问题的最优解可由小问题的最优解构成。
系统工程与运筹学说课课件xx年xx月xx日•系统工程概述•运筹学基本理论•系统工程与运筹学的关系•实际应用案例一:生产计划问题•实际应用案例二:网络优化问题•实际应用案例三:水资源优化问题•结论与展望目录01系统工程概述定义与特点有组织性:系统工程是一种有组织的方法,需要制定明确的计划、协调和管理措施,以确保系统目标的实现。
系统性:系统工程强调系统的整体性、有机性和功能性,注重系统内部各组成部分之间的相互作用和协同工作。
跨学科性:系统工程涉及多个学科领域,如数学、物理、化学、生物学、计算机科学、工程学、管理学等。
定义:系统工程是一种跨学科的、系统的、有组织的方法,旨在解决复杂系统的问题和实现系统目标。
特点解决复杂系统问题现代社会中,许多问题都是复杂系统问题,如城市交通拥堵、气候变化、能源危机等。
系统工程提供了一种有效的解决方法,可以协调各种资源、实现系统优化和可持续发展。
提高组织效率系统工程可以通过优化资源配置、提高协同合作和信息共享等方式,提高组织的效率和质量,降低成本和风险。
推动科技创新系统工程是一种科技创新的方法,可以促进各学科之间的交叉融合和创新,推动科技进步和社会发展。
系统工程的重要性系统工程的历史与发展起源系统工程起源于20世纪中叶,最初应用于军事领域,如研制导弹和卫星等复杂系统。
发展历程随着时间的推移,系统工程逐渐扩展到民用领域,并成为一种重要的管理方法。
未来趋势随着技术的不断发展和应用场景的不断扩大,系统工程将会继续不断创新和发展,应用于更多领域。
010203系统工程的未来趋势未来,系统工程将不断与其他学科领域进行交叉融合,创新出更多新的理论和技术。
跨界融合与创新随着大数据和人工智能技术的不断发展,系统工程将更加注重数据驱动的决策和智能化管理。
数据驱动与智能决策随着社会对环境保护和可持续发展的重视,系统工程将更加注重环保和可持续性,推动可持续发展目标的实现。
可持续发展与环保未来,系统工程将更加注重网格化管理和去中心化运作,提高系统的灵活性和适应性。
系统工程概述一、系统与系统工程理论系统是由两个以上有机联系,相互作用的要素所组成,具有特定功能、结构和环境的整体。
它具有整体性,关联性,和环境适应性等基本属性,除此以外,很多系统还具有目的性,层次性等特征。
系统有自然系统与人造系统,实体系统与概念系统,动态系统和静态系统,封闭系统与开放系统之分。
用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统问题,无论是系统的设计或组织建立,还是系统的经营管理,都可以统一地看成是一类工程实践,统称为系统工程。
系统工程是从整体出发,合理开发、运行和革新一个大规模复杂系统所需思想、理论、方法论、方法与技术的总称,属于一门综合性的工程技术。
系统工程的研究对象是大规模复杂系统。
其复杂性主要表现在:1、系统的功能和属性多样,由此而带来的多重目标间经常会出现相互消长或冲突的关系;2、系统通常由多维且不同质的要素构成;3、一般为人机系统,而人及其组织或群体表现出固有的复杂性;四、由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化。
大规模复杂系统还具有规模庞大及经济性突出等特点。
系统工程的应用领域十分广阔,已广泛应用于社会、经济、区域规划、环境生态、能源、资源、交通运输、农业、教育、人口、军事等诸多领域。
系统工程有三大理论基础和工具,即系统论,信息论和控制论,简称“三论”。
控制论是由美国人维纳创立的一门研究系统控制的学科。
其观念是通过一系列有目的的行为及反馈是系统受到控制。
控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统,并不是任意的控制系统。
反馈有两类:正反馈和负反馈。
如果输出反馈回来放大了输入变化导致的偏差,这就是正反馈;如果输出反馈回来弱化了输入变化导致的偏差,这就是负反馈。
系统的结构是指要素在系统范围内的秩序,亦即要素之间的相互联系,相互作用的内在方式。
任何系统都具有一定的结构,系统结构的特点是:1、层次性是系统结构较为普遍的形式;2、结构具有相对性;3、各层次都有其自身的最佳规模;四、结构具有稳定性;五、结构具有动态性和开放性。
第一章系统与系统工程第1讲基本概念1、系统的定义.系统是具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素所组成的一个整体。
(有组织的或被组织化的整体)一个形成系统的诸要素的集合永远具有一定的特性,或者表现一定的行为,而这些特性或行为是它的任何一个部分都不具备的。
分析与综合的思想方式:在物质世界中,一个系统中的任何部分可以被看成一个子系统,而每一个系统又可以成为一个更大规模系统的一个部分。
2、系统的特性.①集合性. 系统的集合性表明系统是由两个或两个以上的可以互相区别的要素所组成的。
如:计算机系统(包括cpu、存储器、I/O设备等硬件、软件)②相关性. 组成系统的要素是相互联系、相互作用的,相关性说明这些联系之间的特定关系。
③层次性. 系统作为一个相互作用的诸要素的总体,它可以分解为一系列的子系统,并存在一定的层次结构,这是系统空间结构的特定形式。
在系统层次结构中表述了在不同层次子系统之间的从属关系或相互作用关系。
在不同的层次结构中存在着动态的信息流和物质流,构成了系统的运动特性,为深入研究系统层次之间的控制与调节功能提供了条件。
DCS系统为例④整体性. 具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系(相关性,层次性)是根据逻辑统一性的要求,协调存在于系统整体之中。
即:任何一个要素不能离开整体去研究,要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。
⑤目的性. 通常系统都具有某种目的,要达到既定的目的,系统都具有一定的功能,而这正是区别这一系统和那一系统的标志。
系统的目的一般用更具体的目标来体现,一般说来,比较复杂的系统都具有不止一个的目标,因此需要一个指标体系来描述系统的目标。
例:衡量一个工业企业的经营实绩,不仅要考核它的产量、产值指标,而且更重要的是要考核它的利润、成本和规定的质量指标完成情况。
在指标体系中,各个指标之间有时是相互矛盾的,有时是互为消长的。
为此,要从整体出发力求获得全局最优的经营效果,要在矛盾的目标之间做好协调工作,寻求平衡或折衷方案。
系统工程原理系统工程原理是指在系统工程领域中,对系统的设计、开发、运行和维护等方面所涉及的基本原理和方法的总称。
系统工程原理是系统工程师必须要掌握的基础知识,它涉及到系统工程的方方面面,包括系统的概念、系统的特性、系统的分析与设计方法、系统的集成与验证等内容。
下面将从系统工程原理的基本概念、特性、分析与设计方法以及集成与验证等方面进行详细介绍。
首先,系统工程原理的基本概念是指系统工程所涉及的基本概念和基本原理。
系统是由一组相互作用的部件组成的整体,它具有明确定义的功能和目标。
系统工程原理强调系统的整体性和综合性,要求系统工程师在设计和开发系统时,要考虑系统的整体目标和整体效益,而不是局部优化。
此外,系统工程原理还包括了系统的分层结构、系统的边界和接口、系统的动态行为等内容。
其次,系统工程原理的特性是指系统工程所具有的一些基本特性。
系统工程是一门综合性的工程学科,它涉及到多个学科领域的知识,包括控制论、信息论、运筹学、计算机科学等。
系统工程具有跨学科、综合性、系统性和工程性等特点,要求系统工程师具有全局观念和系统思维,能够协调各个部分之间的关系,实现系统的整体优化。
再次,系统工程原理的分析与设计方法是指系统工程师在进行系统分析和设计时所采用的一些基本方法。
系统工程的分析与设计是系统工程的核心内容,它涉及到系统的需求分析、系统的功能分析、系统的结构设计、系统的性能分析等内容。
系统工程师需要掌握一些基本的分析与设计方法,如结构化分析方法、面向对象分析方法、模型驱动设计方法等,以便能够有效地进行系统分析与设计工作。
最后,系统工程原理的集成与验证是指系统工程师在进行系统集成和验证时所要遵循的一些基本原则和方法。
系统集成是指将各个部件组装成整体系统的过程,系统验证是指验证系统是否满足用户的需求和规格要求的过程。
系统工程师需要掌握一些基本的集成与验证方法,如模拟验证方法、实验验证方法、仿真验证方法等,以便能够有效地进行系统集成与验证工作。
系统工程原理系统工程原理是指在系统工程领域中,系统工程师需要掌握的一系列基本原理和方法论。
系统工程是一门综合性学科,它涉及到多个学科领域的知识和技术,包括工程学、管理学、计算机科学、经济学等。
系统工程原理的学习和应用对于系统工程师的工作至关重要,下面将从系统工程原理的基本概念、核心原理和应用方法进行介绍。
首先,系统工程原理的基本概念是指系统工程所涉及的基本概念和基本理论。
系统工程是一种以系统思维为核心的综合性工程学科,它将各种学科领域的知识和技术进行整合,以解决复杂系统问题为目标。
系统工程原理的基本概念包括系统思维、系统工程方法论、系统工程的基本特征等。
系统思维是系统工程的核心,它强调整体性、综合性和协同性,要求系统工程师能够从整体的角度来看待问题,进行系统化的分析和设计。
系统工程方法论是系统工程师进行系统工程实践的方法和工具,它包括需求分析、系统建模、系统设计、系统集成、系统验证等一系列方法和技术。
系统工程的基本特征包括复杂性、动态性、多学科性、协同性等。
其次,系统工程原理的核心原理是指系统工程所依据的基本原理和规律。
系统工程的核心原理包括系统思维原理、系统分析原理、系统设计原理、系统集成原理、系统验证原理等。
系统思维原理是系统工程的核心,它要求系统工程师能够从整体的角度来看待问题,进行系统化的分析和设计。
系统分析原理是系统工程师进行系统需求分析的基本原理和方法,它包括需求获取、需求分析、需求建模等一系列方法和技术。
系统设计原理是系统工程师进行系统设计的基本原理和方法,它包括系统架构设计、模块化设计、接口设计等一系列方法和技术。
系统集成原理是系统工程师进行系统集成的基本原理和方法,它包括系统组装、系统测试、系统调试等一系列方法和技术。
系统验证原理是系统工程师进行系统验证的基本原理和方法,它包括系统验证计划、系统验证测试、系统验证评审等一系列方法和技术。
最后,系统工程原理的应用方法是指系统工程原理在系统工程实践中的应用方法。
第1章系统科学方法论与系统1、现代系统科学方法论的基本原则(1)整体论与还原论相结合。
(2)定性描述与定量描述相结合。
(3)局部描述与整体描述相结合。
(4)分析与综合相结合。
(5)确定性描述与非确定性描述相结合。
2、系统思想就是系统思维方法,它是指唯物辩证法所体现的物质世界普遍联系及整体性的思想,是“以近乎系统的形式描绘出自然界相互联系的清晰图画”的思维方法,是关于事物整体性的观念、相互联系的观念和演化发展的观念。
3、系统是由相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的若干部分,是按照一定的方式、为了一定的目的组合而成的存在于特定环境之中并具有一定功能的有机整体。
这个整体本身又是它所从属的更大整体的组成部分。
4、系统的属性:(1)整体性。
(2)有序性(结构性)。
(3)集合性。
(4)关联性。
(5)目的性。
(6)环境适应性。
5、系统的运行模式:系统由输入、处理、输出三部分组成。
第 2 章系统科学与系统工程1、系统工程是一门新兴的工程技术学科,是应用科学。
它不仅定性,而且定量地为系统的规划与设计、试验与研究、制造与使用和管理与决策提供科学方法的方法论科学,它的最终目的是使系统运行在最优状态。
2、系统工程的基本观点(1)整体性观点。
所谓整体性观点即全局性观点或系统性观点,也就是在处理问题时,采用以整体为出发点、以整体为归宿的观点。
(2)综合性的观点所谓综合性的观点就是在处理系统问题时,把研究对象的各部分、各因素联系起来加以考查,提炼出事物规律性和共同性的研究方法。
该方法可避免片面性和主观性。
(3)科学性的观点。
科学性的观点就是要准确、严密、有充足科学依据地去论证一个系统发展和变化的规律性。
不仅要定性,而且必须定量地描述一个系统,使系统处于最优运行状态。
(4)关联性的观点。
所谓关联性的观点是指从系统各组成部分的关联中探索系统的规律性的观点。
(5)实践性的观点。
实践性的观点就是要勇于实践,勇于探索,要在实践中丰富和完善以及发展系统工程学理论。
3、霍耳三维结构霍耳把工作进程或工作阶段叫做时间维;把在系统各阶段中的思维过程叫做逻辑维;把每个思维过程中所及的专业知识叫做专业维。
这就组成了包括时间、逻辑、专业的三维结构空间。
(1)时间维:规划阶段;设计阶段;系统开发阶段(研制阶段);生产阶段;安装阶段;运行阶段;更新阶段。
(2)逻辑维:问题的阐述;目标的选择;系统的综合;系统的分析;最优化;决策;计划实施。
(3)专业维把系统工程处于某阶段、某一思维过程中所涉及的专业知识按照定量化的难易程度由下至上排列,其顺序是工程、医药、建筑工程、商业、法律、经济管理、社会和艺术等专业知识。
第3章系统工程的主要方法1、模型的概念为:模型是为了了解系统的结构和为,通过抽象、归纳、演绎、类比等方法,用适当的表现形式描述出来的仿制品。
2、模型化:就是建立系统模型,它是把系统各单元之间相互关联的信息,用数学、物理及其他方法进行抽象,使其与系统有相似结构或行为并体现系统这一完整统一整体的科学方法。
第6章静态线性系统最优化模型及求解方法1、最优化是系统工程处理问题的基本方法之一,系统最优化是在系统目标分析、环境分析和系统预测的基础上通过建立最优化模型实现系统的定量化,通过模型的求解,为系统运行在最优状态提供科学决策依据的过程和方法的总称。
2、择目标函数应注意的问题。
①深刻理解指标的内涵。
②合理处理主要指标和次要指标的关系。
③注意量纲和数量级。
④尽量采用综合指标。
⑤注意处理线性与非线性目标函数的关系。
3、建立约束条件时应注意的问题。
约束条件是为实现系统目标而对系统的限制。
因此建立约束条件时必须:①依据系统目标研究约束条件。
②尽量减少无用约束数量③注意结构性约束④避免矛盾约束⑤综合考虑目标与约束条件的关系4、基本定义:(1) 可行解。
凡满足约束条件AX = b,X ≥ 0的解称为可行解。
(2) 可行区。
可行解的集合称为可行区。
(3) 基矩阵。
约束条件AX=b中,A是m×n阶矩阵,它的秩为m,选其中任意m列所形成的非奇异m ×m子矩阵B,称为基矩阵。
(4) 基解。
AX = b中,令不与基矩阵B的列相对应的(n-m)个变量为零,所形成的方程组为基方程组,变量为基变量,所得的解称为基矩阵B的基解,即BX = b的解。
(5) 基可行解。
凡满足非负条件的基解为基可行解。
(6) 退化基解。
基解中有一个或多于一个基变量为零时,这个解称为退化基解,否则为非退化基解。
(7) 退化基可行解。
若基可行解中有一个或多于一个基变量为零时,这个解称为退化基可行解。
(8) 最优解。
使目标函数Z 达到最小值的基可行解叫最优解。
可行解、基解、基可行解和最优解之间的关系可用图6.4.2的集合关系说明。
5、(1) 一对对偶问题,是一个问题的两个侧面,其目标是一致的,若原问题有最优解,那么对偶问题也有最优解,且目标函数值相等;若原问题解无界,对偶问题无可行解。
(2) 原问题的检验数C-C B B -1A ,对应于对偶问题的一组基解,基矩阵B 为最优基,则最优基下的检验数对应于对偶问题的最优解。
(3) 对偶问题的最优解是原问题的最优基下的检验数。
(4)在线性规划最优解中,若对应的某一约束条件的对偶变量值非零,则该约束条件取严格等式,如果约束条件取严格不等式,则对应的对偶变量一定为零。
6、目标函数Z=C B B -1b ,当b 增加一个单位时,Z 增加C B B -1, C B B -1称为单纯形乘子。
因为它体现了资源增加一个单位时,目标函数的增长量,起到了资源参考价格的作用。
因此又称为影子价格。
第8章 网络最优化方法1、 连通图:一个图中,任意两顶点a i 和a j 之间至少有一条链存在,则该图为连通图,否则为不连通的图。
2、 树:连通且不含圈的图叫树3、部分树:在一连通图中,包括所有顶点的一棵树叫部分树。
对于给定的图,属于部分树的弧称为树的内边,不属于部分树的弧,称为树的外边。
4、给定连通图,求得一棵部分树使得树的内边长度总和最小,这棵部分树称为最小部分树。
第12章 系统决策1、系统的决策是指在一定的条件下,根据系统的状态,在可采取的各种策略中,依据系统目标选取一个最优策略并付诸实施的过程。
2、决策树:在概率树的树枝上加上各事件相应的收益、成本费用等数量指标,则表示出由于采取不同方案的不同收入或支出,这种树称为决策树。
3、效用是同一期望值在不同决策者心目中的价值,是决策者价值观念的反映,效用值是风险条件下,损益值在决策者心目中的满意程度的衡量尺度,是反映决策者对风险态度的数量指标。
4、风险决策5、化多目标为单目标法(1) 加权平均和法。
当目标函数f 1(X ), f 2(X ),…,f n (X )都要求最小(或最大)时,可引入加权乘子构成新的目标函数:∑==n i i i )x (f )X (V min 1λ(2) 数学规划法。
这种方法需对各目标进行重要性排序,然后再从中选择一个最重要的目标f1(x),使它满足最大或最小,以其余目标为约束的一个数学规划问题,即)x (f max 1i f t s '..≤)(x f i ≤i f '' (i =2,3, …,n )(3) 预期目标法。
这种方法的基本思想是为所有目标确定一个预期达到的目标值i *f ,使做出的决策与该值越接近越好,即化成[]∑=-=n i i*i f )X (f )X (V min 12 (4) 费用效果分析法。
通常情况下,系统目标f 1(x ),…,f n (x )可分为两大类,一类是费用型目标,如成本、费用等,以C (x )表示。
一类是效果型目标,如利润、产值等,以μ(x )表示。
从经济效益最大的角度研究,则以最小的费用得到最大的效果可作为评价系统的主要指标。
(5) 满意度法。
若系统有多个目标,且每个目标都可确定一上、下界)X (f H i 和)X (f L i ,如果)X (f H i 是希望达到的目标,设λi 为i 目标的满意度:则可化为第13章 网络计划技术1、甘特图法:以时间为横坐标,以工序为纵坐标,以线条的长短表示一项工作或作业的开始和完成时刻以及工作的进展情况。
2、 计划评审技术与CPM 法既有联系又有区别。
其联系是二者的网络图形和计算方法基本相同,区别是研究对象和研究目的不同。
从研究对象看,PERT 主要侧重研究新开发系统。
CPM 主要应用于已开发过的有一定经验的系统。
从研究目的看,PERT 主要用于研究系统各项工作安排情况的评价和审查,而CPM 法主要研究完成任务的工期和关键工作。
从计算方法看,一般情况下可将PERT 网络中各工序的具有随机性的工期化成确定型的工期,从而使PERT 网络变为CPM 网络。
3、工作总时差和关键线路。
一项工作的最晚结束时刻与最早结束时刻之差或最晚开始时刻与最早开始时刻之差为工作的总时差。
∑∑1)(-)()(-)()(max ====i Li H i L i i mi i X f X f X f X f X V λ。