系统结构模型化技术分析.pptx

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1、会计学1系统结构模型化技术分析系统结构模型化技术分析2第一节：概述第一节：概述第二节：系统结构模型化技术第二节：系统结构模型化技术 系统结构分析基础；系统结构分析基础；ISM基础基础 ISM方法和步骤方法和步骤 思考讨论题思考讨论题第三节：解释结构模型法的应用第三节：解释结构模型法的应用第1页/共40页3 解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决解决复杂系统问题，困难在于弄清楚要解决什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么是表面问题，什么是潜在问题，什么问题，什么

2、是表面问题，什么是潜在问题，什么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这什么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这什么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这什么是原因层的问题，什么是根子层的问题。这就是就是就是就是问题诊断和系统概念开发问题诊断和系统概念开发问题诊断和系统概念开发问题诊断和系统概念开发。如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式如何能使用自然语言或图形等较直观的方式来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这就是根据问题导向，建立来描述和阐明问题，这

3、就是根据问题导向，建立概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模概念模型。系统结构模型是一种较正规的概念模型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益型。这类模型对于理清思路、明确问题，与利益相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概相关者进行沟通，都极为有用。这种结构化的概念模型就是念模型就是念模型就是念模型就是系统结构模型系统结构模型系统结构模

4、型系统结构模型。一、结构模型概论一、结构模型概论一、结构模型概论一、结构模型概论从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型从概念模型到结构模型系统概念开发系统概念开发系统概念开发系统概念开发第2页/共40页4模型的分类模型的分类模模型型类类比比仿仿真真形形象象符符号号概概念念图图像像物物理理数数学学图图示示字字句句描描述述思思维维第3页/共40页5 凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；凡系统必有结构，系统结构决定系统功能；破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能

5、。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说破坏结构，就会完全破坏系统的总体功能。这说明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性与重要性。明了系统结构的普遍性与重要性。结构模型描述系统结构形态，即系统各部分结构模型描述系统结构形态，即系统各部分结构模型描述系统结构形态，即系统各部分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（因果、顺序、联系、隶间及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶间及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶间及其与环境间的关系（因果、顺序、联系、隶属、优劣对比等）属、优劣对比等）属、优劣对比等）属、优劣对比等）。结构

6、模型是从概念模型过渡。结构模型是从概念模型过渡。结构模型是从概念模型过渡。结构模型是从概念模型过渡到定量分析的中介，即使对那些难以量化的系统到定量分析的中介，即使对那些难以量化的系统到定量分析的中介，即使对那些难以量化的系统到定量分析的中介，即使对那些难以量化的系统来说也可以建立结构模型，故在系统分析中应用来说也可以建立结构模型，故在系统分析中应用来说也可以建立结构模型，故在系统分析中应用来说也可以建立结构模型，故在系统分析中应用很广泛。很广泛。很广泛。很广泛。结构模型结构模型第4页/共40页6 因此，因此，结构模型是将系统分割成子系统结构模型是将系统分割成子系统（或元素）时，表现子系统（或元

7、素）如何相（或元素）时，表现子系统（或元素）如何相互关联而构成整体系统的一种模型互关联而构成整体系统的一种模型。一般是定。一般是定性模型。特别适用于系统开发初始阶段。性模型。特别适用于系统开发初始阶段。结构模型利用集合、图、矩阵等工具为系结构模型利用集合、图、矩阵等工具为系统统“关系学关系学”的研究提供了形式化手段。的研究提供了形式化手段。结构模型结构模型第5页/共40页7l l需要强调的是：系统、集合、图、矩阵之间的对应需要强调的是：系统、集合、图、矩阵之间的对应关系，对研究大系统结构非常有用。关系，对研究大系统结构非常有用。l l集合是系统的数学表现；集合是系统的数学表现；l l图是系统的

8、形象、直观描写图是系统的形象、直观描写l l矩阵可存入计算机，作计算机辅助处理。矩阵可存入计算机，作计算机辅助处理。l l系统工程要从总体上研究系统与子系统、子系统与系统工程要从总体上研究系统与子系统、子系统与子系统、系统与环境间的相互关系，这是研究大系子系统、系统与环境间的相互关系，这是研究大系统内、外部错综复杂关系的统内、外部错综复杂关系的“关系学关系学”，结构模型，结构模型恰好提供这一研究的形式化手段。恰好提供这一研究的形式化手段。结构模型结构模型第6页/共40页8 构构成成系系统统诸诸要要素素间间的的关关联联方方式式或或关关系系，通通常常采采用用有有向向图图（节节点点与与有有向向弧弧）

9、和和矩矩阵阵（可可达达矩矩阵阵等）这两种常用的表达方式。等）这两种常用的表达方式。比比较较有有代代表表性性的的系系统统结结构构分分析析方方法法有有：关关联联树树（如如问问题题树树、目目标标树树、决决策策树树）法法、解解释释结结构构模模型型化化（ISM）方方法法、系系统统动动力力学学（SD）结结构模型化方法构模型化方法等。等。系统结构的表达及分析系统结构的表达及分析第7页/共40页9Interpretive Structure ModelInterpretive Structure Modeln n解析结构模型属于解析结构模型属于静态的定性模型静态的定性模型。n n它的它的基本理论是图论的重构理

10、论基本理论是图论的重构理论，通，通过一些基本假设和图、矩阵的有关运过一些基本假设和图、矩阵的有关运算，可以得到可达性矩阵；然后再通算，可以得到可达性矩阵；然后再通过人过人-机结合，分解可达性矩阵，使机结合，分解可达性矩阵，使复杂的系统分解成多级递阶结构形式。复杂的系统分解成多级递阶结构形式。n n在总体设计、区域规划、技术评估和在总体设计、区域规划、技术评估和系统诊断方面应用广泛。系统诊断方面应用广泛。二、解析结构模型（二、解析结构模型（二、解析结构模型（二、解析结构模型（ISMISM）研究一个由大量单元组成的、各单元之间又存在着相互研究一个由大量单元组成的、各单元之间又存在着相互研究一个由大

11、量单元组成的、各单元之间又存在着相互研究一个由大量单元组成的、各单元之间又存在着相互关系的系统，必须了解系统的结构，一个有效的方法就是关系的系统，必须了解系统的结构，一个有效的方法就是关系的系统，必须了解系统的结构，一个有效的方法就是关系的系统，必须了解系统的结构，一个有效的方法就是建立系统的结构模型，而结构模型技术已发展到建立系统的结构模型，而结构模型技术已发展到建立系统的结构模型，而结构模型技术已发展到建立系统的结构模型，而结构模型技术已发展到100100余种余种余种余种。第8页/共40页10 ISM实用化方法原理实用化方法原理 设定设定问题、问题、形成形成意识意识模型模型找出找出影响影响

12、要素要素要素要素关系关系分析分析（关（关系图）系图）建立可建立可达矩阵达矩阵(M)和和缩减缩减矩阵矩阵（M/）矩阵矩阵层次层次化处化处理理(ML/)绘制绘制多级多级递阶递阶有向有向图图建立建立解释解释结构结构模型模型分析分析报告报告比较比较/F 学习学习第9页/共40页11ISM实用化方法步骤及应用实用化方法步骤及应用 核核心心：对对系系统统要要素素间间的的关关系系（尤尤其其是是因因果果关关系系）进进行行层层次次化化处处理理，最最终终形形成成具具有有多多级级递递阶阶关关系系和和解解释功能的结构模型（图）释功能的结构模型（图）。第第1步步：找找出出影影响响系系统统问问题题的的主主要要因因素素，并

13、并寻寻求求要要素素间间的的直接二元关系，给出系统的邻接矩阵；直接二元关系，给出系统的邻接矩阵；第第2步步：考考虑虑二二元元关关系系的的传传递递性性，建建立立反反映映诸诸要要素素间间关关系系的可达矩阵；的可达矩阵；第第3步：步：依据可达矩阵，找到特色要素，进行区域划分；依据可达矩阵，找到特色要素，进行区域划分；第第4步：步：在区域划分基础上继续层次划分；在区域划分基础上继续层次划分；第第5步：步：作出多级递阶有向图。作图过程为：作出多级递阶有向图。作图过程为：（1）分区域逐级排列系统要素；）分区域逐级排列系统要素；（2）用从下到上的有向弧来显示逐级要素间的关系。）用从下到上的有向弧来显示逐级要素

14、间的关系。第10页/共40页121 1、关系图、关系图、关系图、关系图 假设系统所涉及到的关系都是二元关系。则假设系统所涉及到的关系都是二元关系。则假设系统所涉及到的关系都是二元关系。则假设系统所涉及到的关系都是二元关系。则系统的单元可用节点表示，单元之间的关系可以系统的单元可用节点表示，单元之间的关系可以系统的单元可用节点表示，单元之间的关系可以系统的单元可用节点表示，单元之间的关系可以用带有箭头的边（箭线）来表示，从而构成一个用带有箭头的边（箭线）来表示，从而构成一个用带有箭头的边（箭线）来表示，从而构成一个用带有箭头的边（箭线）来表示，从而构成一个有向连接图。这种图统称有向连接图。这种图

15、统称有向连接图。这种图统称有向连接图。这种图统称关系图关系图关系图关系图。关系图中，称具有对称性关系的单元关系图中，称具有对称性关系的单元关系图中，称具有对称性关系的单元关系图中，称具有对称性关系的单元 e ei i 和和和和e ej j 具有具有具有具有强连接性强连接性强连接性强连接性。(一一)几个相关的数学概念几个相关的数学概念第11页/共40页131.1.成绩不好成绩不好 2.2.老师常批评老师常批评 3.3.上课不认上课不认真真4.4.平时作业不认真平时作业不认真5.5.学习环境差学习环境差6.6.太贪玩太贪玩7.7.父母常打牌父母常打牌 8.8.父母不管父母不管 9.9.朋友不好朋友

16、不好 10.10.给很多钱给很多钱11.11.缺乏自信缺乏自信3567891041211例：一个孩子的学习问题例：一个孩子的学习问题例：一个孩子的学习问题例：一个孩子的学习问题 第12页/共40页14例：温带草原食物链 1.1.草草草草 2.2.兔兔兔兔 3.3.鼠鼠鼠鼠 4.4.吃草的鸟吃草的鸟吃草的鸟吃草的鸟 5.5.吃草的昆虫吃草的昆虫吃草的昆虫吃草的昆虫 6.6.捕食性昆虫捕食性昆虫捕食性昆虫捕食性昆虫 7.7.蜘蛛蜘蛛蜘蛛蜘蛛 8.8.蟾蜍蟾蜍蟾蜍蟾蜍 9.9.吃虫的鸟吃虫的鸟吃虫的鸟吃虫的鸟 10.10.蛇蛇蛇蛇 11.11.狐狸狐狸狐狸狐狸 12.12.鹰和猫头鹰鹰和猫头鹰鹰和猫

17、头鹰鹰和猫头鹰第13页/共40页152 2、邻接矩阵、邻接矩阵 用来表示关系图中各单元之间的直接连接状态的矩阵A。设系统S共有n个单元S=e1,e2,en 则 其中第14页/共40页16n n邻接矩阵的特点n n矩阵元素按布尔运算法则进行矩阵元素按布尔运算法则进行运算。运算。n n与关系图一一对应。与关系图一一对应。例：一个4单元系统的关系图和邻接矩阵。1324第15页/共40页173、可达性矩阵 若若D D是由是由n n个单元组成的系统个单元组成的系统S S=e e1 1,e e2 2,e en n 的关系图，则的关系图，则元素为元素为的的nn nn 矩阵矩阵 MM，称为图，称为图D D的的

18、可达性矩阵可达性矩阵。n n可达性矩阵表明所有可达性矩阵表明所有S S的单元之间的单元之间相互是否存在可达路径。相互是否存在可达路径。n n如从如从 出发经出发经 k k 段支路到达段支路到达 ，称称 到到 可达且可达且“长度长度”为为 k k。第16页/共40页18 性质：n n一般对于任意正整数一般对于任意正整数r r(n n)，若，若e ei i到到e ej j是可达的且是可达的且“长度长度”为为r r，则，则AAr r中第中第 i i 行第行第 j j 列上的元素等列上的元素等于于1 1。n n对有回路系统来说，当对有回路系统来说，当 k k 增大时，增大时，AAk k 形成一定形成一

19、定的周期性重复。的周期性重复。n n对无回路系统来说，到某个对无回路系统来说，到某个 k k 值，值，AAk k=0 0。1324第17页/共40页19n n可达性矩阵的计算方法可达性矩阵的计算方法n n布尔矩阵算法布尔矩阵算法：将相邻矩阵：将相邻矩阵A A加上单位矩阵加上单位矩阵 I I（矩阵中除主对角（矩阵中除主对角线上元素为线上元素为1 1外，其余元素皆为零的矩阵），然后用布尔代数规外，其余元素皆为零的矩阵），然后用布尔代数规则则 (0+0=0,0+1=1,1+1=1;00=0,01=0,11=1)(0+0=0,0+1=1,1+1=1;00=0,01=0,11=1)进行乘方运算，直进行乘

20、方运算，直到两个相邻幂次方的矩阵相等为止。相等的矩阵中幂次最低的到两个相邻幂次方的矩阵相等为止。相等的矩阵中幂次最低的矩阵即为可达性矩阵。矩阵即为可达性矩阵。n nWarshallWarshall算法算法（略）（略）n n可达性与传递性可达性与传递性n n图论中的可达性对应于二元关系中的传递性。图论中的可达性对应于二元关系中的传递性。M=M=tr(tr(AA)n nISMISM中总假定所涉及的关系具有传递性。中总假定所涉及的关系具有传递性。第18页/共40页201、关系划分 关系划分将系统各单元按照相互间的关系分成两大类关系划分将系统各单元按照相互间的关系分成两大类 R R与与 ，R R类包括

21、所有可达关系类包括所有可达关系，类包括所有不可达关系类包括所有不可达关系。有序对有序对(e ei i,e ej j)，如果，如果 e ei i到到e e j j 是可达的，则是可达的，则(e ei i,e ej j)属于属于R R 类，否则类，否则(e ei i,e ej j)属于属于 类。类。从可达性矩阵各元素是从可达性矩阵各元素是 1 1 还是还是 0 0 很容易进行关系划分很容易进行关系划分。关系划分可以表示为：关系划分可以表示为：(二二二二)可达性矩阵的划分可达性矩阵的划分可达性矩阵的划分可达性矩阵的划分第19页/共40页21 2 2、区域划分、区域划分 区域划分将系统分成若干个相互独

22、立的、没有区域划分将系统分成若干个相互独立的、没有直接或间接影响的子系统。直接或间接影响的子系统。n n可达集（看矩阵的行）可达集（看矩阵的行）n n先行集（看矩阵的列）先行集（看矩阵的列）n n底层单元集（共同集，其中元素底层单元集（共同集，其中元素具有此性质：具有此性质：不能存在一个单元不能存在一个单元只指向它而不被它所指向。只指向它而不被它所指向。）第20页/共40页22 对属于对属于B B的任意两个元素的任意两个元素 t t、t t，如果可能指向相同元素，如果可能指向相同元素R R(t t)R(tR(t)则元素则元素 t t 和和 t t属于同一区域；属于同一区域；反之，如果反之，如果

23、 t t、t t不可能指向相同元素不可能指向相同元素R R(t t)R R(t t)=)=则元素则元素 t t 和和 t t属于不同区域。属于不同区域。这样可以以底层单元为标准进行区域的划分。这样可以以底层单元为标准进行区域的划分。经过上述运算后，系统单元集经过上述运算后，系统单元集系统系统就划分成若干区域，就划分成若干区域，可以写成可以写成 2 2(S S)=)=P P1 1,P P2 2,P Pm m，其中其中m m为区域数。为区域数。这种划分对经济区划分、这种划分对经济区划分、行政区、功能和职能范围行政区、功能和职能范围等划分工作很有意义。等划分工作很有意义。第21页/共40页23例：对

24、一个7单元系统的区域划分7546321关系图关系图关系图关系图邻接矩阵邻接矩阵邻接矩阵邻接矩阵第22页/共40页24求可达性矩阵7546321关系图关系图关系图关系图可达性矩阵可达性矩阵可达性矩阵可达性矩阵第23页/共40页25元素元素i 可达集可达集R(ei)先行集先行集A(ei)R(ei)A(ei)1234567 11,23,4,5,64,5,654,5,61,2,7 1,2,72,733,4,63,4,5,63,4,67 1234,654,67 区域划分表区域划分表区域划分表区域划分表1 1元素元素元素元素3 3和和和和7 7是两个最底层的元素，分别属于不同的区域是两个最底层的元素，分别

25、属于不同的区域是两个最底层的元素，分别属于不同的区域是两个最底层的元素，分别属于不同的区域划去划去划去划去3 3和和和和7 7，得到区域划分表，得到区域划分表，得到区域划分表，得到区域划分表2 2 第24页/共40页26元素元素i 可达集可达集R(ei)先行集先行集A(ei)R(ei)A(ei)12456 11,24,5,654,5,61,224,64,5,64,6124,654,6区域划分表区域划分表区域划分表区域划分表2 2元素元素元素元素2 2、4 4和和和和6 6是次底层的元素。其中是次底层的元素。其中是次底层的元素。其中是次底层的元素。其中4 4和和和和6 6属于同一区域，属于同一区

26、域，属于同一区域，属于同一区域，其下层元素为其下层元素为其下层元素为其下层元素为3 3；2 2属于另一区域，其下层元素为属于另一区域，其下层元素为属于另一区域，其下层元素为属于另一区域，其下层元素为7 7划去划去划去划去2 2、4 4和和和和6 6，得到区域划分表，得到区域划分表，得到区域划分表，得到区域划分表3 3 第25页/共40页27元素元素i 可达集可达集R(ei)先行集先行集A(ei)R(ei)A(ei)15151515区域划分表区域划分表区域划分表区域划分表3 3元素元素元素元素1 1和和和和5 5是最顶层的元素。是最顶层的元素。是最顶层的元素。是最顶层的元素。其中其中其中其中1

27、1的下层元素为的下层元素为的下层元素为的下层元素为2 2；5 5的下层元素为的下层元素为的下层元素为的下层元素为4 4和和和和6 6。至此，区域划分结束。至此，区域划分结束。至此，区域划分结束。至此，区域划分结束。将可达性矩阵重新排列，可以清晰区分两个不同的区域。将可达性矩阵重新排列，可以清晰区分两个不同的区域。将可达性矩阵重新排列，可以清晰区分两个不同的区域。将可达性矩阵重新排列，可以清晰区分两个不同的区域。第26页/共40页282(S)=P1,P2=e3,e4,e5,e6,e1,e2,e7子系统子系统子系统子系统I I子系统子系统子系统子系统IIII子系统子系统子系统子系统I I子系统子系

28、统子系统子系统IIII第27页/共40页29 3(P1)=e5，e4,e6，e3 3(P2)=e1，e2，e77546321第一级第二级第三级(三三三三)绘制层次结构图绘制层次结构图绘制层次结构图绘制层次结构图 第28页/共40页30注：如果条件注：如果条件注：如果条件注：如果条件A A(e ei i)=)=R R(e ei i)A A(e ei i)换成条件换成条件换成条件换成条件 R R(e ei i)=)=R R(e ei i)A A(e ei i)则上述级别划分可类似进行，但每次分出的是顶层则上述级别划分可类似进行，但每次分出的是顶层则上述级别划分可类似进行，但每次分出的是顶层则上述级

29、别划分可类似进行，但每次分出的是顶层单元。单元。单元。单元。级别划分的计算机实现级别划分的计算机实现级别划分的计算机实现级别划分的计算机实现 给定给定给定给定n n阶可达性矩阵阶可达性矩阵阶可达性矩阵阶可达性矩阵MM后，公式后，公式后，公式后，公式R R(e ei i)=)=R R(e ei i)A A(e ei i)等价于等价于等价于等价于 mmij ij mmji ji(j j=1,2,=1,2,n n)，满足上式的单元就是最上级单，满足上式的单元就是最上级单，满足上式的单元就是最上级单，满足上式的单元就是最上级单元，将这些单元对应的行和列从元，将这些单元对应的行和列从元，将这些单元对应的

30、行和列从元，将这些单元对应的行和列从MM中暂时划掉，得到一个低中暂时划掉，得到一个低中暂时划掉，得到一个低中暂时划掉，得到一个低阶的矩阵，重复利用该条件，即可把各级单元都划分出来。阶的矩阵，重复利用该条件，即可把各级单元都划分出来。阶的矩阵，重复利用该条件，即可把各级单元都划分出来。阶的矩阵，重复利用该条件，即可把各级单元都划分出来。第29页/共40页31 三、解释结构模型法的应用三、解释结构模型法的应用 ISMISM的工作程序的工作程序 1.组建组建ISM实施小组实施小组2.设定关键问题，选择影响关键问题的导致因素设定关键问题，选择影响关键问题的导致因素 3.列举各导致因素的相关性列举各导致

31、因素的相关性4.根据各要素的相关性，建立邻接矩阵和可达矩根据各要素的相关性，建立邻接矩阵和可达矩阵阵 5.对可达矩阵分解后，建立系统结构模型对可达矩阵分解后，建立系统结构模型第30页/共40页32例题：采用解析结构模型分析下图所示系统例题：采用解析结构模型分析下图所示系统 第31页/共40页33 1.1.确定系统的要素集确定系统的要素集A A A=流入量、流出量、液体密度、液面高度、压力 =a1、a2、a5第32页/共40页342.2.确定系统的关系集确定系统的关系集R R (1)(1)给出系统要素的二元关系（直接关系）给出系统要素的二元关系（直接关系）:A=流入量、流出量、液体密度、液面高度

32、、压力 =a1、a2、a5第33页/共40页35 (2)求系统的可达矩阵R（求间接关系）:第34页/共40页36 3.3.确定系统的关系分布，确定系统的关系分布，将系统要素划分级次将系统要素划分级次 第35页/共40页37第36页/共40页38(4)(4)画出系统结构图画出系统结构图第37页/共40页39ISMISM的优点及不足的优点及不足 1 1、优点、优点 v可以把模糊不清的思想、看法转化为直观的具有可以把模糊不清的思想、看法转化为直观的具有良好结构关系的模型良好结构关系的模型v特别适用于变量众多特别适用于变量众多,关系复杂而结构不明晰的关系复杂而结构不明晰的系统分析中系统分析中,也可用于方案的排序也可用于方案的排序 2 2、缺点、缺点 v级与级间不存在反馈回路级与级间不存在反馈回路v系统各要素间的逻辑关系在一定程度上还依赖系统各要素间的逻辑关系在一定程度上还依赖于人们的经验于人们的经验 v能够胜任协调人角色的人员目前尚不多见能够胜任协调人角色的人员目前尚不多见 第38页/共40页40 作作 业业下面两个题目任选其一：下面两个题目任选其一：n n用用ISMISM方法给出你所在专业的教学排课系方法给出你所在专业的教学排课系统的结构分析。统的结构分析。n n用用ISMISM方法给出方法给出“教学质量制约因素系统教学质量制约因素系统”的结构分析。的结构分析。第39页/共40页