《系统工程》结构模型

系统工程的霍尔三维结构模型1. 引言系统工程是一种以系统思维为基础，通过整体观念和协同方法来解决复杂问题的工程学科。

在系统工程中，霍尔三维结构模型是一种常用的分析和设计工具，用于描述和理解一个复杂系统的各个方面。

本文将对霍尔三维结构模型进行简述。

2. 霍尔三维结构模型的概述霍尔三维结构模型，也称为霍尔框架或霍尔图，是由美国系统科学家罗素·L·霍尔（Russell L. Ackoff）于1962年提出的。

该模型通过将一个系统分解为三个层次，并描述它们之间的关系来帮助我们理解和分析复杂系统。

这三个层次分别是：•事实（Facts）•意义（Meaning）•决策（Choice）事实层次涉及到对现实世界中各种数据、信息和现象的观察和记录。

意义层次则进一步对事实进行分析和解释，从而获得对问题本质的更深入理解。

最后，在决策层次上，我们将根据前两个层次的分析结果来制定决策和行动计划。

3. 事实层次事实层次是霍尔三维结构模型的第一个层次，它涉及到对系统中各种数据、信息和现象的观察和记录。

在这个层次上，我们需要收集和整理与系统有关的各种事实，并将其转化为可供分析和处理的形式。

在系统工程中，我们通常会使用各种工具和技术来收集和整理事实数据。

例如，我们可以使用调查问卷、访谈、观察等方法来获取相关数据。

同时，还可以使用统计分析、数据挖掘等技术来处理和分析这些数据。

4. 意义层次意义层次是霍尔三维结构模型的第二个层次，它进一步对事实进行分析和解释，从而获得对问题本质的更深入理解。

在这个层次上，我们需要通过对事实之间的关系进行研究，找出其中的规律和原因，并从中提取出有用的信息。

在意义层次上，我们可以使用各种分析方法来揭示事实之间的关系。

例如，我们可以使用因果图、影响图等工具来帮助我们理清问题的因果关系。

同时，还可以运用系统动力学、贝叶斯网络等方法来建立模型，从而对问题进行定量分析。

5. 决策层次决策层次是霍尔三维结构模型的第三个层次，它基于前两个层次的分析结果，帮助我们制定决策和行动计划。

系统定义：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。

系统的一般属性：整体性，关联性，环境适应性，目的性，层次性大规模复杂系统的特点：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所构成；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；④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；⑤还具有规模庞大及经济性突出等特点。

系统工程的定义：系统工程是从总体出发，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。

系统工程方法的特点：①系统工程一般采用先决定整体框架，后进入内部详细设计的程序；②系统工程试图通过将构成事物的要素加以适当配置来提高整体功能，其核心思想是“综合即创造”；③系统工程属于“软科学”。

系统工程方法论的定义：系统工程方法论就是分析和解决系统开发、运作及管理实践中的问题所应遵循的工作程序、逻辑步骤和基本方法。

霍尔三维结构：时间维（规划→设计或指定方案→研制→生产→安装→运行→更新）逻辑维（摆明问题→系统设计→系统综合→模型化→最优化→决策→实施计划）知识维或专业维两种方法论比较：⑴霍尔方法论主要以工程系统为研究对象，而切克兰德方法论更适合于社会经济和经营管理等“软”系统问题的研究。

⑵前者的核心内容是优化分析，而后者的核心内容是比较学习。

⑶前者更多地关注定量分析方法，而后者比较强调定性或定性定量有机结合的基本方法。

⑷前者是目标导向的优化过程，而后者是问题导向的学习过程。

系统分析的定义：系统分析是运用建模及预测、优化、仿真、评价等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。

系统分析要素：问题、目的及目标、方案、模型、评价、决策者。

应用系统分析的原则：坚持问题导向、以整体为目标、多方案模型分析和选优、定量分析与定性分析相结合、多次反复进行。

结构模型ISM(Interpretive Structure Model )邻接矩阵的数学形式 （图论－矩阵）（见后面） 设系统S 有n 个元素， S=［e 1、e 2、…e n ］ 则邻接矩阵A = 111112112212221121212n n n n n nn nS e a a a S e a a a S e a a a nS S S e ee ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦1 当S i 对Sj 有影响 其中各元素 a ij ＝0 当S i 对Sj 无影响这是布尔矩阵，应遵循布尔矩阵运算规则①逻辑和 AUB ＝C （C 为布尔矩阵对应元素）c ija ij Ub ijmax {},ij ij a b②逻辑乘 A B ＝C （C 为布尔矩阵对应元素） cijaijbijmin {},aij bij③A 和B 乘积 AB=D d ij a i1 b 1j a 12b 2j …{}in njik kj i11j i22j in nj 1a b a b =max min(a ,b ),min(a ,b ),,min(a ,b )n k =邻接矩阵的性质①邻接矩阵与系统结构模型图一一对应12345123450000010000100100010000100e e e e e e e e e e ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦③邻接矩阵A 转置后的A T 是与A 相应的结构模型图箭头反过来后的图的相应的邻接矩阵010001010⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦123123000101010e e e e e e ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦③邻接矩阵中如有一列元素都是0（如第I 列），则e i 是系统的源点，如图中的（e 5），如有一行（如K 行）元素全为0，则e k 为汇点，如图中的e 1④如果从e i 出发经k 段支路到达e j ， 我们就说e i 与e j 之间有“长度”为k 的通路存在。

我们计算A K ，得出的n ×n 方阵中各元素表示的便是相应各单元间有无“长度”为k 的通路存在。

系统⼯程复习重点全部20XX年《系统⼯程》复习要点1系统概念与系统思想（1）系统基本概念，要素、联系·系统----由两个以上相互联系、相互作⽤的要素所组成的具有特定结构、功能和环境的整体。

·系统包含：系统要素、系统环境、系统边界、系统输出、系统输⼊、联系(输⼊---系统---输出：功能) ( 要素+联系：结构)·要素：系统内部具有⼀定独⽴性的“零件”。

最⼩的基本单元----从研究系统的⽬的来看不需要再加以分解和追究其内部构造的基本成分。

·联系：是指要素之间的关联。

（2）功能（输⼊、输出）、结构、环境·系统功能：系统在与外部环境的相互联系、相互作⽤中表现出来的功效和能⼒。

系统的功能是系统的各个要素所不具备的。

⼀个系统的功能就是从外界对系统输⼊到系统向外界输出的变换。

系统在不同状态有不同功能。

系统与外部环境之间相互联系和作⽤过程的秩序和能⼒称为系统的功能。

系统的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变换关系。

系统功能是系统内部固有能⼒的外部体现。

·系统结构：系统内各个要素之间的相对稳定的组织和秩序。

系统的结构就是系统保持整体效应及具有⼀定功能的内在联系，即系统内部各组成要素之间在空间和时间⽅⾯的相互联系与相互作⽤的⽅式或顺序。

·系统环境：存在于系统周围并与系统有关（有联系）的各种因素的集合。

系统与环境存在互动。

（3）系统的6特点·集合性、相关性、⽬的性、层次性、整体性、开放性2．系统⼯程基本概念·系统⼯程是⽤来开发、运⾏、⾰新⼀个⼤规模复杂系统所需思想、程序、⽅法的总和（或总称）。

在运筹学、系统理论、管理科学等学科基础上形成的⼀门交叉学科。

（1）系统⼯程的研究对象⼤规模复杂系统特点：规模庞⼤、结构复杂、构成（要素不同质（经常为⼈-机系统）联系所组成；的结构复杂、动态）、多重⽬标（追求多⽬标的优化、各⽬标间可能存在冲突）、经济性突出（2）系统的思想特点系统理论揭⽰系统的结构、功能、环境之间的关系问题，系统⼯程利⽤系统思想为⼈类的⽣存和发展服务。

1.Hall三维结构中，根据总体方针和发展战略制定规划是()[答案：A]A.规划阶段B.设计阶段C.运行阶段D.更新阶段2.AHP方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授()于20世纪70年代初提出[答案：C]A.SimonB.ForresterC.SaatyD.Taylor3.在()中存在两个以上不以决策者主观意志为转移的自然状态，但决策者或分析人员根据过去的经验和科学理论等可预先估算出自然状态的概率[答案：C]A.确定型决策B.不确定型决策C.风险型决策D.多目标决策4.下面属于人造系统的是()[答案：C]A.海洋系统B.大气系统C.水利系统D.生物系统5.()就是根据方案对于系统目标满足的程度，从多个备选方案中区分出最优方案、次优方案和满意方案送交决策者[答案：D]A.决策B.实施C.建模D.评价6.Hall三维结构时间维中的运行阶段是指()[答案：C]A.生产出系统的构件和整个系统B.对系统进行安装和调试C.系统按照预期目标运作和服务D.以新系统代替或改进旧系统7.我们需要分析原先估计的主观概率在什么范围内变化才不会改变原先所选的最优方案，这种计算和分析称为()[答案：B]A.主成分分析B.灵敏度分析C.相关分析D.因子分析8.下面属于自然系统的是()[答案：A]A.矿藏系统B.生产系统C.管理系统D.水利系统9.系统动力学的提出者是()[答案：A]A.ForresterB.TaylorC.SimonD.Hall10.常用运筹学中的规划论就能解决的决策问题一般是()[答案：A]A.确定型决策B.不确定型决策C.风险型决策D.多目标决策11.工业企业是一种()[答案：ABD]A.人造系统B.动态系统C.封闭系统D.开放系统12.地球仪从模型类别上属于()[答案：ABC]A.物理模型B.数学模型C.概念模型D.计算机模型13.以下关于硬系统方法论和软系统方法论的说法正确的是()[答案：ABC]A.HSM以工程系统为研究对象，SSM更适合于解决社会经济问题B.HSM的核心是优化分析，SSM的核心是比较学习C.HSM更多的关注定量分析方法，SSM更强调定性与定量相结合的方法D.软系统方法论要优于硬系统方法论14.系统动力学的特点包括()[答案：ABCD]A.多变量B.定性分析和定量分析相结合C.以仿真实验为基本手段D.可处理高阶次、多回路、非线性的动态复杂系统问题15.系统工程方法的特点包括()[答案：ACD]A.实用性B.偏重定量C.厚实广泛的理论基础D.科学性与艺术性兼容16.风险型决策的原则主要有()[答案：ABC]A.最大期望收益准则B.最小期望机会损失准则C.最大可能准则D.等概率原则17.不确定型决策的处理方法主要有()[答案：ABD]A.乐观法B.悲观法C.期望值法D.后悔值法18.系统结构的基本表达方式有()[答案：BCD]A.数学公式B.集合C.有向图D.矩阵19.系统的复杂性主要表现在()[答案：ABCD]A.系统的功能和属性多样B.系统通常由多维且不同质德要素构成C.一般为人机系统D.系统结构日益动态化20.决策分析的过程包括()[答案：ABCD]A.信息活动阶段B.设计活动阶段C.抉择活动阶段D.实施活动阶段21.模型的表示方式可以是()[答案：ABCD]A.文字B.符号C.实物D.数学公式22.系统动力学的两个基本变量是()[答案：AD]A.速率变量B.辅助变量C.因变量D.水准变量23.AHP方法递阶层次结构中的三个层次是() [答案：ACD]A.目标层B.方法层C.方案层D.准则层24.系统仿真的优点在于()[答案：ABC]A.对于带有随机因素的现实世界系统，仿真经常是唯一的可行的研究方式B.仿真与现实实验相比具有经济性和安全性C.仿真使人们能在较短的时间内研究长时间范围的系统D.系统仿真可以不用去考察现实系统25.以下关于主成分分析中主成分的说法正确的是()[答案：ACD]A.主成分是原变量的线性组合B.各个主成分之间相互相关C.每个主成分的均值为0、其方差为协方差阵对应的特征值D.不同的主成分轴(载荷轴)之间相互正交26.模型是现实系统的替代物，它反映出系统的主要组成部分和各部分的相互作用。

系统⼯程第五讲--ISM（解释结构模型）第五讲解释结构模型法本章学习要点解释结构模型法是⽤于分析教育技术研究中复杂要素间关联结构的⼀种专门研究⽅法，作⽤是能够利⽤系统要素之间已知的零乱关系，揭⽰出系统的内部结构。

解释结构模型法的具体操作是⽤图形和矩阵描述出各种已知的关系,通过矩阵做进⼀步运算，并推导出结论来解释系统结构的关系.本章介绍了解释结构模型的基本概念；论述了解释结构模型法应⽤的具体步骤；以“⽹络化学习与传统学习的差异分析”为案例说明解释结构模型法在教育技术研究中的具体应⽤。

通过本章的学习,应了解解释结构模型的基本概念,明确有向图、邻接矩阵和可达矩阵的含义，掌握解释结构模型法应⽤的步骤，熟练运⽤解释结构模型法分析解决教育技术研究中的具体问题。

本章内容结构系统结构的有向图⽰法有向图的矩阵描述邻接矩阵的性质可达矩阵系统要素分析建⽴邻接矩阵进⾏矩阵运算，求出可达矩阵对可达矩阵进⾏分解差异特征要素分析要素强弱分析解释结构模型分析WBT的层级模型与因果关系分析第⼀节解释结构模型法的基本概念定义：解释结构模型法（InterpretativeStructuralModellingMethod,简称ISM⽅法）ISM⽅法是现代系统⼯程中⼴泛应⽤的⼀种分析⽅法，它在揭⽰系统结构，尤其是分析教学资源内容结构和进⾏学习资源设计与开发研究、教学过程模式的探索等⽅⾯具有⼗分重要作⽤，它也是教育技术学研究中的⼀种专门研究⽅法。

⼀、系统结构的有向图⽰法有向图形——是系统中各要素之间的联系情况的⼀种模型化描述⽅法。

它由节点和边两部分组成节点——利⽤⼀个圆圈代表系统中的⼀个要素，圆圈标有该要素的符号；边——⽤带有箭头的线段表⽰要素之间的影响。

箭头代表影响的⽅向。

例1：在教育技术应⽤中的计算机辅助教学（CAI）其过程可以简单表⽰为：教师设计CAI课件提供给学⽣⾃主学习，CAI课件通过计算机向学⽣显⽰教学内容，并对学⽣提问，学⽣根据计算机的提问作出反应回答。

《系统工程导论》重点内容第一章系统与系统工程1、《黄帝内经》强调人体各器官的有机联系、生理现象与心理现象的联系，以及身体健康与自然环境的联系。

2、古代朴素唯物主义哲学思想虽然强调对自然界整体性、统一性的认识，却缺乏对这一整体各个细节的认识能力，因而对整体性和统一性的认识也是不完全的3、马克思、恩格斯的辩证唯物主义认为，物质是世界由许多相互联系、相互制约、相互依赖、相互作用的事物和过程形成的统一整体，这也就是系统的实质。

4、钱学森在《系统思想和系统工程》一文中指出：“系统思想是进行分析和综合的辩证思维工具，它在唯物主义那里取得了哲学的表达形式，在运筹学和其他系统科学那里取得了定量的表达方式，在系统工程那里获得了丰富的实践内容。

”5、“系统”一般认为是“群”与“集合”的意思。

6、系统的定义：系统可被定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、由许多要素或构成部分组成的一个整体。

7、系统的概念包括以下五个要点：（1）由两个或两个以上的元素组成；（2）各元素之间相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用；（3）各元素协同运作，使“系统”作为整体具有各组成元素单独存在时所没有的某种特定功能；（4）系统是运动和发展变化的，是动态的过程；（5）“系统”的运动具有明确的目标；由此可见，一台机器、一个部门、一项计划、一个研究项目、一种组织、一套制度都可看成一个系统。

8、在现实世界中，任何一个系统都是可分的。

因此，系统是有层次的，任何一个系统都有它的层次结构、规模、坏境与功能9、从系统的定义可以看出，所有系统都具有以下几个共同特性：（1）层次性：层次性是系统最基本的特性之一。

系统本身又属于另外一个更强大的子系统，这就充分反映了系统所具有的层次性。

（2）整体性：系统整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系（相关性、阶层性）根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。

（3）集合性。

集合就是把具有某种属性的一些对象看成一个完整的整体，从而形成一个集合，集合离的各个对象叫做集合的要素（子集），系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上可以互相区别的要素组成的。

第三章系统模型与模型化1、模型是实现系统的理想化抽象或简洁表示，描绘了现实系统的某些主要特点，是为了客观地研究系统而发展起来的。

模型的三个特点：（1）它是现实世界部分的抽象或模仿（2）它是由那些与分析的问题有关的因素构成的（3）它表明了有关因素间的互相关系2、模型的作用与地位 P36作用：（1）模型本身是人们对客体系统一定程度研究结果的表达。

这种表达是简洁的、形式化的。

（2）模型提供了脱离具体内容的逻辑演绎和计算的基础，这会导致对科学规律、理论、原理的发现。

（3）利用模型可以进行“思想”试验。

3、模型的分类P364、构造模型的一般原则书P37：（1）建立方框图（2）考虑信息相关性（3）考虑准确性（4）考虑集结性课件：1.现实性 2.简洁性 3.适应性 4.强壮性5、建模的基本步骤P38（1）明确建模的目的和要求，以便使模型满足实际要求，不致产生太大偏差。

（2）对系统进行一般语言描述。

（3）弄清系统中的主要因素（变量）及其相互关系（结构关系和函数关系），以便使模型准确地表示现实系统。

（4）确定模型的结构（5）估计模型的参数（6）实验研究（7）必要修改课件：1.形成问题 2.选定变量 3.变量关系的确定4.确定模型的数学结构及参数辨识5.模型真实性检验6、模型的简化方法 P40（1）减少变量，减去次要变量（2）改变变量性质（3）合并变量（集结）（4）改变函数关系（5）改变约束条件7、系统结构模型化------计算题P41-54结构模型是定性表示系统构成要素以及它们之间存在着的本质上相互依赖，相互制约和关联情况的模型。

邻接矩阵（A）是表示系统要素间基本二元关系或直接联系情况的方阵。

邻接矩阵A的元素a ij可以定义如下：a ij= 1 S i R S j R表示S i与S j有关系0 S i R S j R表示S i与S j没关系可达矩阵R是指用矩阵形式来描述有向连接图各节点之间，经过一定长度的通路后可以到达的程度。

一、不定项选择题（每题3分，共5题，共15分）（该类题目为客观题，一般较容易以有少数项排列的内容构成，一般项数在4项及4项以内，且对项的内容较少描述）1．系统根定义的成分包括（）。

A 顾客B 执行者C 世界观D 环境限制2．系统分析的基本要素包括（）。

A 目标B 指标C 标准D 管理3．以下方法中为定性预测方法的有（）。

A 线性回归分析法B 专家会议法C 德尔菲法D 时间序列预测法4．根据效用函数的公理，若，则以下公式正确的是（）。

ABCD5．以下哪个图不是路线图的一种（）。

A 甘特图B 流程图C 结构框图D 鱼骨图二、名词解释（每题5分，共5题，共25分）（名词解释一般采用三段论的方式进行：是什么，包含什么内容，具有什么作用，如系统就可以这样理解：它是由相互作用、相互联系的要素结合而成，包含有特定功能、结构和环境，其作用是构成一个有机整体。

）1、系统。

2、系统目标。

3、结构模型。

4、决策。

5、层次分析法。

三、简答题（每题6分，共5题，共30分）（该类题目为主观题，一般以有4及4项以上排列项的内容为主，同时对各项有一定的叙述）1、一般系统论的原则有哪些？2、体系的目标有哪些？3、霍尔硬系统理论中时间维有那些阶段？4、软系统方法论的步骤有哪些？5、评分法的基本步骤有哪些？6、多目标决策的求解过程有哪些？二、名词解释1、系统：是由相互联系、相互作用的许多要素结合而成的具有特定功能、结构和环境的有机整体。

2、系统目标：系统目标是指系统发展要达到的结果，一般来说，系统目标决定了系统的发展方向，它对系统的发展起到决定性的作用3、结构模型：结构模型描述系统结构形态，即系统各部分间及其与环境间的关系，包括：因果、顺序、联系、隶属、优劣对比等。

4、决策：决策就是为了达到特定的目的，运用一套科学的方法和程序，根据所获得的环境信息，分析主观和自然条件，提出若干个不同的备选方案，并从中选出满意方案的过程。

5、层次分析法：将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。

第二章系统模型方法2.1 模型概述模型是对研究对象的一种描述方法。

模型的类型可分为物理模型、数学模型、结构模型、仿真模型等几大类。

物理模型是指通过实物建立的系统对象的实物模型或类比模型；数学模型是用数学语言描述的一类模型；结构模型是主要反映系统的结构特点和因果关系的模型（其中的一类重要模型是图模型，即用结构图表示系统的结构）；仿真模型是通过在计算机上运行的程序表达的模型。

采用适当的仿真语言或程序，物理模型、数学模型和结构模型一般都能转变为仿真模型。

系统工程建立的模型可统称为系统模型，通常是非物理模型。

数学模型是应用最多的一种模型，可进一步分为原理性模型、系统学模型、规划模型、预测模型、管理决策模型、仿真模型、计量经济模型等类型。

⑪原理性模型。

原理性模型是指自然科学中所有的定理及公式。

自然科学已建立起一套完整的原理性模型，如开普勒的行星运动三大定律、牛顿的经典力学三大定律以及近代的爱因斯坦相对论等。

⑫系统学模型。

系统学是研究系统结构与功能（演化、协同和控制）的一般规律的科学，其研究对象是各类系统，系统可分为简单系统和复杂巨系统，系统的研究方法主要有运筹学、信息论、数学以及耗散结构理论、协同学和突变论等。

系统学模型通常包括：系统动力学、大系统理论、灰色系统、系统辩识、系统控制、最优控制和创造工程学等。

⑬规划模型。

数学规划是研究合理使用有限资源以取得最佳效果的数学方法，其实质是用数学模型来研究系统的优化决策问题。

在规划问题中，必须满足的条件称为约束条件，要达到的目标用目标函数来表示，规划模型要解决的问题是，在约束条件的限制下，根据一定的准则从若干可行方案中选取一个最优方案。

规划模型通常包括：线性规划、非线性规划、目标规划、更新理论和运输问题等。

⑭预测模型。

预测是对事物的发展规律和结果的推断。

预测方法可分为定性预测和定量预测两大类。

⑮管理决策模型。

管理决策是在管理过程中做出的各种决策。

管理决策模型通常包括：关键路线法、计划评审技术、风险评审技术和层次分析法等。