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第第三三章章 系系统统模模型型系统模型概述结构模型层次分析法模型概念及特征系统模型的分类建模原则及常用方法结构模型概念及特征解析结构模型的建立应 用 案 例n设一个质量为m，长度为l的摆，其偏离中心线的角度为(很小)，(t)st:n方程的解是以 为周期的简谐震动。建建立立单单摆摆简简谐谐运运动动的的类类似似模模型型mglnL-C电路，电路中q(t)st:n解是以 为周期的简谐震动。一一对应模拟。CLL-C电路图n蒙特卡罗的特点是在所研究系统的模型中模拟随机事件，即对于所求的值应该设定什么样的概率过程为题进行求解的技术方法。启启发发性性思思考考法法蒙蒙特特卡卡罗罗法法计计算算值值11在边长为1的的正方形中任意打N个点，并将n个点置于扇形部分，如使点数N足够大，则认为近似等于正方形和扇形面积之比，即：N/n=12/(12 1/4)即：4n/N与概率现象本身没有任何关系的问题，也可用概率的方法来解决，是一种“想法的转换”，即启发性思考方法。第第8节节 结构模型结构模型（Structure Model）n在开发和改造一个系统时，首先需要了解系统中各要素间存在怎样的关系，即了解和掌握系统的结构，即建立系统的结构模型。1 结构模型结构模型就是用有向连接图来描述系统各要素间的关系，以表示一个作为要素集合体的系统模型。一一结结构构模模型型的的概概念念及及性性质质（1）结构模型是一种几何模型：节点表示系统的要素，有向边表示要素间的关系。（2）结构模型是以定性分析为主的模型。（3）结构模型可以用矩阵形式描述，进行定性与定量分析。n结构模型的建模方法很多，其中一种为解析结构模型法（Interpret Structure Model）.S3S1S2S4S52 基基本本性性质质ISM是美国华费尔特教授于1973年作为分析复杂的社会经济系统有关问题而开发的一种方法。其特点是把复杂的系统分解为若干子系统或要素，利用人们的实践经验和知识，以及计算机的帮助，最终将系统构造成多级递阶的结构模型。ISM的程序为：n组织构造ISM小组（10人左右）n设定问题n选择系统要素，制定系统明细表。n构思有向图，建立连接矩阵和可达矩阵。n对可达矩阵进行分解，建立结构模型。n由结构模型转化为解析结构模型。3 解解析析结结构构模模型型1有向连接图有向连接图由若干节点和有向边连接而成的图象，即为节点和有向边的集合。表示为：G=S，E2邻接矩阵邻接矩阵A描述图中节点两两之间的直接关系。A中元素3可达矩阵可达矩阵R用矩阵形式反映有向连接图各节点之间通过一定路径可以到达的程度。Si经若干路径到达Sj 否则二二、解解析析结结构构模模型型的的建建立立n可达矩阵=邻接矩阵A+单位矩阵I，并经过一定的运算后求得。n即有 A1=A+In再设 A2=(A+I)2(用布尔代数运算规则)n一般地，通过依此运算后，可得：nA1 A2 An-1=Ann则有R=An-1=(A+I)n-1nR-可达矩阵，它表明各节点间经过长度不大于(n-1)条通道可以到达的程度。对于节点数n为个的图，最长的通路长度肯定不超过(n-1).例：例：现有如下图所示7个要素组成的系统，试建立它的关系，并求邻接矩阵和可达矩阵。n有向连接图7154632由此可得邻接矩阵AnA的元素全为零的行所对应的节点为汇点。nA的元素全为零的列所对应的节点为源泉。n对应每一节点的行中元素值为1的数量，是离开该节点的有向边数。n对应每一节点的列中元素值为1的数量，是进入该节点的有向边数。矩矩阵阵A的的特特性性建立可达矩阵R。经计算后得：(A+I)1 (A+I)2=(A+I)3 R=(A+I)2#布尔代数运算规则：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1，0 0=0，0 1=0，1 0=0，1 1=14 可达矩阵的分解（建立可达矩阵的分解（建立ISM模型模型)n区域分解1(S)将要素分成区域，不同区域的要素相互间是没有关系的。n首先将R中的元素划分为可达集和先行集（1）要素Si的可达集R(Si)R中第Si行矩阵元素为1对应的列要素的集合。即：(N为节点集合，rij=1表示 Si 与Sj关联)区区域域分分解解（2）要素Sj的先行集A(Sj)R中第Sj 列矩阵元素为1所对应的行要素的集合。即：（3）共同集合T可达集R(Si)与先行集A(Sj)的交集等于先行集A(Sj)的要素集合，即：（4）确立不同区域 任取属于共同集的两要素Su,Sv，若 ，则Su,Sv属同一区域；若 ，则Su,Sv属于不同区域。n这样运算后的集合称区域分解，可写成：其中M为区域数。n级间分解2(P)将系统中的所有要素，以可达矩阵为准则划分不同层次。n在一个多级结构中，它的最上层要素Si的R(Si)，只能由Si自身和Si的强连通要素组成；同时Si的先行集只能由由Si自身和结构中的下一级可能到达的要素以及Si的强连通要素组成。若Si是最上层单元，需满足：n找出最高一级要素后，将其从可达矩阵中划去相应的行与列，在从剩下的可达矩阵中寻找新的最高级要素，依此类推。级级间间分分解解n级间划分可用下式表示：，其中K为级次n若定义：L0=，则：其中：分别是由 要素组成的子图求得的可达集和先行集。n强连通划分3(L)：级间分解后，每级要素中可能有强连通要素，一般构成一个回路，只需选择一个要素即可。强强连连通通划划分分接接例例 可可达达矩矩阵阵分分解解（区区域域划划分分）I=(j)R(Si)A(Sj)R(Si)A(Sj)T=A(Sj)R(Si)A(Sj)=R(Si)123456711,23,4,5,64,5,654,5,61,2,71,2,72,733,4,63,4,5,63,4,671234,654,673715因为：R(3)A(7)=，则S3，S7分属不同区域，所以，区域划分为：因为：S1，S5满足：所以，S1，S5分属两区域的最高层次。即；nL1=S1，S5n再有N-L0 L1进行第二级分解。接接例例 可可达达矩矩阵阵分分解解（级级间间分分解解）i=(j)R(Si)A(Sj)R(Si)A(Sj)2346723，4，64，64，62，72，733，4，63，4，67234，64，67该表的最高级，即为可达矩阵的第二级要素L2=2,4,6n由N-L0-L1-L2,得：i=(j)R(Si)A(Sj)R(Si)A(Sj)37373737该表的最高级，即为可达矩阵的第三级要素为：L3=3,7这样，经过三级划分，将R中的7个单元划分成三层次，即2(P)=L1，L2，L3(强强连连通通划划分分)4，6 属强连通块。属强连通块。作出递阶有向图（层次结构图）1527436L1L2L3案例：人口系统影响总人口增长问题案例：人口系统影响总人口增长问题n新中国成立以来，人们的期望寿命有了较大提高，相对死亡率降低了，国民收入的不断增长，生活水平不断提高，计划生育政策贯彻不力等等，导致我国人口速度增长过快。为此，成立了各方面人员参加的研究小组对人口增长问题进行了研究，主要任务为：n应用应用ISM讨论和确定我国总人口增长的影响因素；讨论和确定我国总人口增长的影响因素；n根据经验和对话建立可达矩阵，解析结构模型；根据经验和对话建立可达矩阵，解析结构模型；n通过模型中各因素分析，为制定有关人口政策、通过模型中各因素分析，为制定有关人口政策、控制人口等政策提供依据。控制人口等政策提供依据。n经ISM小组讨论后，认为主要影响因素有11个，并经多次讨论后确定它们之间的关系。三三、解解析析结结构构模模型型的的应应用用 S1期望寿命S2保健水平S3生育能力S4计生政策S5思想风格S6营养S7环境污染S8国民收入S9国民素质S10出生率S11死亡率S12总人口：Si 与与Sj互互有关系；有关系；：Sj与与Si有有关系；关系；：Si 与与Sj有有关系关系1111111111111111111111111111111111111111111111根根据据以以上上对对话话过过程程，建建立立可可达达矩矩阵阵1234567891011121,11,121,2,3,11,123,10,124,10,121,3,6,10,11,121,7,11,121,3,4,8,10,11,124,9,10,1210,1211,12121,2,6,7,822,3,6,84,8,967893,4,6,8,9,101,2,6,7,8,101-12123456789101112I=jR(Si)A(Sj)R(Si)A(Sj)R(2)R(6)R(7)R(8)R(9)共同集合不存在空集，所以没有区域之分。首先找出R（12）=R（12）A（12）所以第一层次为要素12第二层次为要素10，11第三层次为要素1，3，4第四层次为要素2，6，7，8，9总人口出生率死亡率生育能力思想风俗期望寿命计生政策保健水平营养水平国民收入环境污染国民素质人口系统解析结构模型人口系统解析结构模型已知可达矩阵已知可达矩阵M M，试用规范方法建立其递，试用规范方法建立其递阶结构模型。阶结构模型。*29（三）建立递阶结构模型的规范方法n建立反映系统问题要素间层次关系的递阶结构模型，可在可达矩阵M的基础上进行，一般要经过区域划分、级位划分、骨架矩阵提取和多级递阶有向图绘制等四个阶段。这是建立递阶结构模型的基本方法。n现以例3.8.3所示问题为例说明：n与图3.8.3对应的可达矩阵（其中将Si简记为i）为：*30n例3.8.3 某系统由七个要素（S1，S2，S7）组成。经过两两判断认为：S2影响S1、S3影响S4、S4影响S5、S7影响S2、S4和S6相互影响。这样，该系统的基本结构可用要素集合S和二元关系集合Rb来表达，其中：S=S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7 Rb=（S2，S1），（S3，S4），（S4，S5），（S7，S2），（S4，S6），（S6，S4）*31 1 2 3 4 5 6 71234567M=*321.区域划分 区域划分即将系统的构成要素集合S，分割成关于给定二元关系R的相互独立的区域的过程。首先以可达矩阵M为基础，划分与要素Si（i=1，2，n）相关联的系统要素的类型，并找出在整个系统（所有要素集合S）中有明显特征的要素。有关要素集合的定义如下：*33可达集R（Si）。系统要素Si的可达集是在可达矩阵或有向图中由Si可到达的诸要素所构成的集合，记为R（Si）。其定义式为：R（Si）=Sj|SjS，mij=1，j=1，2，n i=1，2，n先行集A（Si）。系统要素Si的先行集是在可达矩阵或有向图中可到达Si的诸要素所构成的集合，记为A（Si）。其定义式为：A（Si）=Sj|SjS，mji=1，j=1，2，n i=1，2，n共同集C（Si）。系统要素Si 的共同集是Si在可达集和先行集的共同部分，即交集，记为C（Si）。其定义式为：C（Si）=Sj|SjS，mij=1，mji=1，j=1，2，n i=1，2，n*34系统要素Si的可达集R（Si）、先行集A（Si）、共同集C（Si）之间的关系如图4-7所示：图4-7 可达集、先行集、共同集关系示意图SiA（Si）C（Si）R（Si）*35起始集B（S）和终止集E（S）。系统要素集合S的起始集是在S中只影响（到达）其他要素而不受其他要素影响（不被其他要素到达）的要素所构成的集合，记为B（S）。B（S）中的要素在有向图中只有箭线流出，而无箭线流入，是系统的输入要素。其定义式为：B（S）=Si|Si S，C（Si）=B（Si），i=1，2，n 如在于图4-5所对应的可达矩阵中，B（S）=S3，S7。当Si为S的起始集（终止集）要素时，相当于使图4-7中的阴影部分C（Si）覆盖到了整个 A（Si）（R（Si）区域。这样，要区分系统要素集合S是否可分割，只要研究系统起始集B（S）中的要素及其可达集（或系统终止集E（Si）中的要素及其先行集要素）能否分割（是否相对独立）就行了。*36 利用起始集B（S）判断区域能否划分的规则如下：在B（S）中任取两个要素bu、bv：如果R（bu）R（bv）（为空集），则bu、bv及R（bu）、R（bv）中的要素属同一区域。若对所有u和v均有此结果（均不为空集），则区域不可分。如果R（bu）R（bv）=，则bu、bv及R（bu）、R（bv）中的要素不属同一区域，系统要素集合S至少可被划分为两个相对独立的区域。利用终止集E（S）来判断区域能否划分，只要判定“A（eu）A（ev）”（eu、ev为E（S）中的任意两个要素）是否为空集即可。区域划分的结果可记为：（S）=P1，P2，Pk，Pm （其中Pk为第k个相对独立区域的要素集合）。经过区域划分后的可达矩阵为块对角矩阵（记作M（P）。*37 为对给出的与图4-5所对应的可达矩阵进行区域划分，可列出任一要素Si（简记作i，i=1，2，7）的可达集R（Si）、先行集A（Si）、共同集C（Si），并据此写出系统要素集合的起始集B（S），如表4-1所示：表4-1 可达集、先行集、共同集和起始集例表SiSiR R（S Si i）A A（S Si i）C C（S Si i）B B（S S）1 12 23 34 45 56 67 71 11 1，2 23 3，4 4，5 5，6 64 4，5 5，6 65 54 4，5 5，6 61 1，2 2，7 71 1，2 2，7 72 2，7 73 33 3，4 4，6 63 3，4 4，5 5，6 63 3，4 4，6 67 71 12 23 34 4，6 65 54 4，6 67 73 37 7*38 因为B（S）=S3，S7,且有R（S3）R（S7）=S3，S4，S5，S6 S1，S2，S7=，所以S3及S4，S5，S6，S7与 S1，S2分属两个相对独立的区域，即有：（S）=P1，P2=S3，S4，S5，S6 S1，S2，S7。这时的可达矩阵M变为如下的块对角矩阵：OO 3 4 5 6 1 2 7 3456127M（P）=P1P2*392.级位划分 区域内的级位划分，即确定某区域内各要素所处层次地位的过程。这是建立多级递阶结构模型的关键工作。设P是由区域划分得到的某区域要素集合，若用L1，L2，Ll表示从高到低的各级要素集合（其中l为最大级位数），则级位划分的结果可写出：（P）=L1，L2，Ll。某系统要素集合的最高级要素即该系统的终止集要素。级位划分的基本做法是：找出整个系统要素集合的最高级要素（终止集要素）后，可将它们去掉，再求剩余要素集合（形成部分图）的最高级要素，依次类推，直到确定出最低一级要素集合（即Ll）。*40为此，令LO=（最高级要素集合为L1，没有零级要素），则有：L1=Si|SiP-L0，C0（Si）=R0（Si），i=1，2，nL2=Si|SiP-L0-L1，C1（Si）=R1（Si），inLk=Si|SiP-L0-L1-Lk-1，Ck-1（Si）=Rk-1（Si），in （4-3）式（4-3）中的Ck-1（Si）和Rk-1（Si）是由集合P-L0-L1-Lk-1中的要素形成的子矩阵（部分图）求得的共同集和可达集。经过级位划分后的可达矩阵变为区域块三角矩阵，记为M（L）。*41如对例4-1中P1=S3，S4，S5，S6进行级位划分的过程示于表4-2中。表4-2 级位划分过程表要素集合SiR（S）A（S）C（S）C（S）=R（S）（P1）P1-L034563，4，5，64，5，654，5，633，4，63，4，5，63，4，634，654，6L1=S5P1-L0-L13463，4，64，64，633，4，63，4，634，64，6L1=S4，S6P1-L0-L1-L23333L1=S3*42对该区域进行级位划分的结果为：（P1）=L1，L2，L3=S5，S4，S6，S3 同理可得对P2=S1，S2，S7进行级位划分的结果为：（P）=L1，L2，L3=S1，S2，S7这时的可达矩阵为：5 4 6 3 1 2 7 5463127M（L）=L1L2L3L1L2L300*433.提取骨架矩阵n提取骨架矩阵，是通过对可达矩阵M（L）的缩约和检出，建立起M（L）的最小实现矩阵，即骨架矩阵A。这里的骨架矩阵，也即为M的最小实现多级递阶结构矩阵。对经过区域和级位划分后的可达矩阵M（L）的缩检共分三步，即：I.检查各层次中的强连接要素，建立可达矩阵M（L）的缩减矩阵M（L）如对原例M（L）中的强连接要素集合S4，S6作缩减处理（把S4作为代表要素，去掉S6）后的新的矩阵为：5 4 3 1 2 7 543127M（L）=L1L2L3L1L2L300*44n去掉M（L）中已具有邻接二元关系的要素间的超级二元关系，得到经进一步简化后的新矩阵M（L）。如在原例的M（L）中，已有第二级要素（S4，S2）到第一级要素（S5，S1）和第三级要素（S3，S7）到第二级要素的邻接二元关系，即S4RS5、S2RS1和S3RS4、S7RS2，故可去掉第三级要素到第一级要素的超级二元关系“S3R2S5”和“S7R2S1”，即将 M（L）中35和71的“1”改为“0”，得：5 4 3 1 2 7 543127M（L）=L1L2L3L1L2L300*45n进一步去掉M（L）中自身到达的二元关系，即减去单位矩阵，将M（L）主对角线上的“1”全变为“0”，得到经简化后具有最小二元关系个数的骨架矩阵A。如对原例有：5 4 3 1 2 7 543127A=M（L）-I=L1L2L3L1L2L300*464.绘制多级递阶有向图D（A）根据骨架矩阵A，绘制出多级递阶有向图D（A），即建立系统要素的递阶结构模型。绘图一般分为如下三步：1.分区域从上到下逐级排列系统构成要素。2.同级加入被删除的与某要素（如原例中的S4）有强连接关系的要素（如S6），及表征它们相互关系的有向弧。3.按A所示的邻接二元关系，用级间有向弧连接成有向图D（A）。*47原例的递阶结构模型：以可达矩阵M为基础，以矩阵变换为主线的递阶结构模型的建立过程：M M（P）M（L）M（L）M（L）A D（A）S1S2S7S3S4S5S6第1级第2级第3级区域划分级位划分强连接要素缩减剔出超级关系去掉自身关系绘图（块三角）（区域块三角）（区域下三角）*48n例3.8.3 某系统由七个要素（S1，S2，S7）组成。经过两两判断认为：S2影响S1、S3影响S4、S4影响S5、S7影响S2、S4和S6相互影响。这样，该系统的基本结构可用要素集合S和二元关系集合Rb来表达，其中：S=S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7 Rb=（S2，S1），（S3，S4），（S4，S5），（S7，S2），（S4，S6），（S6，S4）*495162374图4-5 例 4-1 有向图*50观察观察学习学习外部信息外部信息计算机计算机具体化具体化分解分解提出提出图表化图表化比较比较文件化文件化智力模型智力模型修正修正反馈反馈结构模型法ISM(Interpretive Structural Modeling)*51所考虑的变量间的关系应满足传递性所考虑的变量间的关系应满足传递性注意注意乒乓球运动员乒乓球运动员A能赢能赢B，B能赢能赢C，但，但A不一定能赢不一定能赢C反例反例n体系安全性驾驶员系统车辆系统道路系统交通环境系统管理系统性能特性技能特性视角特性身心特性行为特性教育系统救护系统监控系统管理水平夜间行车交通饱和度车辆混合率恶劣天气安全装置线形组合道路线型路面系统制动系统操稳系统防撞系统动力系统车辆悬挂系统高速公路交通安全保障体系