1、系统分析方法秦华鹏秦华鹏北京大学深圳硕士院北京大学深圳硕士院 环境与城市学院环境与城市学院Office:E414Tel:26035291(O)Office:E414Tel:26035291(O)Mobile:13715399553,13691793197Mobile:13715399553,13691793197Email:Email: 系统分析方法第1页第1讲系统分析方法概论一系统分析概念 二系统分析标准 三系统分析内容与过程 四系统分析示例：污水管理问题 五课程安排系统分析方法第2页一系统分析概念n n1.1系统基本概念n n1.2环境与地理学研究系统n n1.3系统分析产生与发展n n1
2、.4系统分析方法定义系统分析方法第3页1.1 系统基本概念系统基本概念 系统是由相互关联若干组成成份所组成，含有某种特定功效有机整体。系统基本特征：系统基本特征：系统由若干（通常是大量）元素组成；元素间相互作用、相互依存；系统作为整体含有特定功效。系统分析方法第4页系统基本概念图系统基本概念图元素、结构、环境、边界输入、输出、开放系统、封闭系统状态、变量、过程、功效等系统分析方法第5页1.2环境与地理学研究系统n n实例一：生态系统n n实例二：水资源系统n n实例三：城市系统系统分析方法第6页实例一：简单陆地生态系统简单陆地生态系统系统各成份以各种各样方式相互支持、相互竞争，各种成系统各成份
3、以各种各样方式相互支持、相互竞争，各种成份经过能量流、营养物质循环、信息流等过程来耦合份经过能量流、营养物质循环、信息流等过程来耦合。系统分析方法第7页实例二：水资源供需系统水资源供需系统 水资源系统含有多方案替换特征；水资源系统含有多方案替换特征；水资源系统与自然、社会、经济、环境、生态等原因亲密相关；水资源系统与自然、社会、经济、环境、生态等原因亲密相关；水资源系统是一个受众多原因影响并相互制约复杂大系统水资源系统是一个受众多原因影响并相互制约复杂大系统系统分析方法第8页实例三：城市系统示意图城市系统示意图 城市结构能够看成个人活动（住房城市结构能够看成个人活动（住房+工作工作+各种服务）
4、各种服务）、团体活动（狭义上、团体活动（狭义上=经济活动）、以及支持它们实体经济活动）、以及支持它们实体基础设施和运输系统。各子系统之间有着强烈依存关系。基础设施和运输系统。各子系统之间有着强烈依存关系。系统分析方法第9页小结小结 地理学与环境科学许多系统含有“包括原因众包括原因众多多”、“结构和过程复杂结构和过程复杂”、“相互依存影响相互依存影响”等特征，所以常把这些系统归类为“复杂巨系统复杂巨系统”另外，这些系统及其组成部分经常与地理空间分布相关，即系统含有区位特征区位特征这些系统中存在许多矛盾原因和不确定原因，只有经过系统分析才能认识和协调原因间关系，实现系统整体最优。系统分析方法第10
5、页1.3系统分析产生与发展n n（1）系统分析产生 n n（2）相关研究机构 n n（3）环境/区域/城市系统分析发展 系统分析方法第11页（1）系统分析产生20世纪40年代，美国兰德（RAND）咨询企业发展了一套处理复杂问题步骤和方法，称为“系统分析方法系统分析方法System Analysis”。早期用于武器系统成本和效益分析。之后，系统分析推广到其它政府部门，并陆续被民间机构采取，以改进交通、通讯等设施效率和效能。当前已广泛应用于社会、经济、资源、生态、环境、城建、医疗等问题。系统分析方法第12页（2）相关研究机构 n n美国兰德企业（美国兰德企业（美国兰德企业（美国兰德企业（RANDR
6、AND，http:/www.rand.orghttp:/www.rand.org）非非营营利利性性研研究究组组织织，主主要要对对国国家家安安全全和和公公共共福福利利方方面面各各种种问问题题进进行行跨跨学学科科系系统统分分析析研研究究，在在美美国国内内外外政政策策制制订订方方面面起着主要作用起着主要作用 n n斯坦福国际研究所（斯坦福国际研究所（斯坦福国际研究所（斯坦福国际研究所（SRISRI，http:/http:/）是是美美国国最最大大、最最著著名名民民间间研研究究机机构构之之一一，为为综综合合各各学学科科研研究究机机构构，主主要要为为美美国国政政府府，尤尤其其是是国国防防部部，以以及及工工
7、商商企企业业从从事事范范围围广广泛泛研研究究，在在美美国国国国防防、外外交交、经经济济、科科研研等等方方面面都都起着主要作用。起着主要作用。n n国际应用系统分析研究所（国际应用系统分析研究所（国际应用系统分析研究所（国际应用系统分析研究所（IIASAIIASA，http:/www.iiasa.ac.athttp:/www.iiasa.ac.at）非政府研究机构，地处奥地利，重点研究与全球改变人文非政府研究机构，地处奥地利，重点研究与全球改变人文维度相关环境、经济、技术与社会问题维度相关环境、经济、技术与社会问题系统分析方法第13页相关研究机构n n伦敦战略研究所（伦敦战略研究所（伦敦战略研究
8、所（伦敦战略研究所（IISSIISS，http:/www.iiss.orghttp:/www.iiss.org）n n哈佛大学国际事务中心哈佛大学国际事务中心哈佛大学国际事务中心哈佛大学国际事务中心 （http:/www.wcfia.harvard.eduhttp:/www.wcfia.harvard.edu ）n n圣塔菲研究所（圣塔菲研究所（圣塔菲研究所（圣塔菲研究所（SFI SFI，http:/www.santafe.eduhttp:/www.santafe.edu）一所私一所私营营、非、非营营利、多学科利、多学科结结合研究和教育中心合研究和教育中心,聚集聚集一批各个一批各个领领域卓越科
9、学家域卓越科学家，专门专门从事复从事复杂杂性科学研究，性科学研究，试试图图由此找到一条由此找到一条经过经过学科学科间间融合来融合来处处理复理复杂杂性性问题问题道路道路 系统分析方法第14页（3）环境系统分析发展）环境系统分析发展 2020世世纪纪中中叶叶，由由环环境境污污染染引引发发公公害害事事件件频频频频发发生生，美美国国洛洛洛洛杉杉杉杉矶矶矶矶光光光光学学学学烟烟烟烟雾雾雾雾事事事事件件件件，英英国国伦伦伦伦敦敦敦敦烟烟烟烟雾雾雾雾事事事事件件件件，日日日日本本本本水水水水俣俣俣俣事事事事件件件件等等等等。这这些些事事件件在在时时间间和和空空间间上上都都非非常常广广泛泛综综合合性性效效应应
10、。只只有有调调动动社社会会各各个个领领域力量，协同配合，才能处理这些问题。域力量，协同配合，才能处理这些问题。美美、日日、英英等等主主要要工工业业国国先先后后建建立立了了全全国国性性科科研研机机构构和和管管理理机机构构，展展开开了了综综合合性性全全国国或或区区域域环环境污染防治。境污染防治。环环境境问问题题全全局局性性、复复杂杂性性和和综综合合性性特特点点，为为系系统统分分析析方方法法应应用用提提供供了了辽辽阔阔领领域域，世世界界上上很很多多著著名名环环境境污污染染防防治治工工程程研研究究和和实实施施都都应应用用了了系系统统分分析方法析方法系统分析方法第15页（3）区域）区域/城市系统分析发展
11、城市系统分析发展 产产业业革革命命和和新新技技术术革革命命推推进进下下，社社会会经经济济高高速速发发展展，城城市市规规模模、结结构构及及行行为为日日益益复复杂杂，由由此此而而生生各各种种现现象象和和问问题题越越来来越越复复杂杂，迫迫切切要要求求城城市市研研究究人人员员和和工工作作人人员员要要从从系系统统科科学学方方法法论论中中去去寻寻找找处处理理问问题题、协协调调矛矛盾盾钥钥匙匙，从从战战略高度去重新认识城市化及城市系统。略高度去重新认识城市化及城市系统。在在这这种种背背景景之之下下，区区域域和和城城市市系系统统分分析析逐逐步步发发展展起起来来，并并在在区区域域和和城城市市规规划划中中得得到到
12、广广泛泛应应用。用。系统分析方法第16页1.4系统分析与系统分析方法n n系统分析：系统分析：系统分析：系统分析：从系统论概念和思想出发，综合应用多学科从系统论概念和思想出发，综合应用多学科知识和方法，研究系统各要素相互关系和系统整体改变知识和方法，研究系统各要素相互关系和系统整体改变规律，在此基础上对系统进行综合评价和协调，到达系规律，在此基础上对系统进行综合评价和协调，到达系统总目标最优目标。统总目标最优目标。n n系系系系统统统统分分分分析析析析方方方方法法法法：在在对对系系统统对对象象进进行行规规划划、设设计计、制制造造、运运行行管管理理等等过过程程中中所所采采取取详详细细技技术术、方
13、方法法、理理论论。如如预预预预测测测测技技技技术术术术、模模模模拟拟拟拟仿仿仿仿真真真真技技技技术术术术、计计计计算算算算分分分分析析析析技技技技术术术术、优优优优化化化化、评评评评价价价价、决议方法决议方法决议方法决议方法等等n n本本课课程程讲讲述述系系统统分分析析方方法法除除了了包包含含应应用用系系统统学学科科体体系系中中通通用用技技术术与与方方法法，还还要要讨讨论论环环境境科科学学和和地地理理学学理理论论和和方方法在系统分析中应用。法在系统分析中应用。系统分析方法第17页二系统分析标准2.1局部效益与总体效益相结合 2.2递阶分解与综合协调相结合 2.3内部原因与外部原因相结合 2.4
14、当前利益与久远利益相结合 2.5定性分析与定量分析相结合 系统分析方法第18页2.1局部效益与总体效益相结合n n局部最优并不代表总体最优。总体最优往往要求局部放弃最优而实现次优或次次优。进行系统分析必须着眼于系统整体目标，坚持“系统总体效益最优、局部效益服从总体效益”标准。系统分析时还应站在比所研究系统高一级立场和角度来观察。系统分析方法第19页深圳河（湾）流域水环境综合治理系统分析方法第20页2.2递阶分解与综合协调相结合n n大系统尤其是复杂系统常可分解为若干子系统，所以分析时能够将大系统逐层分解，即所谓“化整为零”，使问题简约清楚，便于深入研究；n n然后依据系统整体与各层次目标，相互
15、协调配合，将小系统“集零为整”，只有各子系统实现各自功效，并相互协调一致，才能实现整体目标并到达最优。系统分析方法第21页2.3内部原因与外部原因相结合n n系统内部原因往往是可控，而外部原因往往是系统内部原因往往是可控，而外部原因往往是不可控，系统功效或行为不但受到内部原因作不可控，系统功效或行为不但受到内部原因作用，而且受到外部原因影响和制约。所以，对用，而且受到外部原因影响和制约。所以，对系统进行分析，必须把内外各种相关原因结合系统进行分析，必须把内外各种相关原因结合到一起来考虑。到一起来考虑。n n通常处理方法是，把内部原因选为决议变量，通常处理方法是，把内部原因选为决议变量，把外部原
16、因作为约束条件，利用系统分析方法把外部原因作为约束条件，利用系统分析方法建立它们之间相互关系。建立它们之间相互关系。系统分析方法第22页2.4当前利益与久远利益相结合n n选择最优方案，不但要从当前利益出发，而且还要同时考虑久远利益，要二者兼顾。假如二者发生矛盾，应该坚持当前利益服从久远利益标准。系统分析方法第23页2.5定性分析与定量分析相结合n n定量分析是指采取数学模型进行数量指标分析，不过一些政治原因与心理原因、社会效果与精神效果当前还无法建立数学模型进行定量分析，只能依靠人经验和判断力进行定性分析。所以，在系统分析中，定性分析不可忽略，必须与定量分析结合起来进行综合分析，或者交叉地进
17、行，才能到达系统选优目标。系统分析方法第24页三系统分析内容与过程3.1系统分析内容 3.2系统分析过程 系统分析方法第25页3.1系统分析内容n n（1）环境分析n n（2）目标分析n n（3）结构分析n n（4）模型结构与仿真分析n n（5）系统优化n n（6）系统评价和决议系统分析方法第26页（1）环境分析n n环境原因很多时，应分清主次和轻重。环境原因很多时，应分清主次和轻重。n n对可定量分析环境原因，通常可用约束条件形对可定量分析环境原因，通常可用约束条件形式列入系统模型中；式列入系统模型中；n n对只能定性分析原因，可用估值法评分，尽可对只能定性分析原因，可用估值法评分，尽可能使
18、之到达定量和半定量化。能使之到达定量和半定量化。系统分析方法第27页（2）目标分析n n明确系统目标、要求，判断其合理性、可行性和经济性。当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，建立目标系统（或目标集）方便逐项落实与确保总体目标实现。系统分析方法第28页（3）结构分析系统分析方法第29页（4）模型结构与仿真分析n n模型是系统分析主要工具。描述大系统内部主要关系时单靠一个模型有时极难满足，往往要结构一组模型组成模型体系。模型怎样结构？怎样求解？以及利用模型进行仿真试验是该部分主要内容。系统分析方法第30页（5）系统优化n n在给定环境约束条件下，使系统到达整体最优目标过程，包含结构系统优
19、化模型、选择优化算法、选取相关运算参数和初始数据、以及优化结果分析等。系统分析方法第31页（6）系统评价和决议n n包含拟订策略和方案集，制订评价准则，综合分析，选择出可行最优方案，供决议者选择等。系统分析方法第32页3.2系统分析过程系统分析方法第33页四系统分析示例：废水管理问题4.1废水管理问题描述 4.2研究系统及目标4.3建立模型 4.4系统优化 系统分析方法第34页4.1废水管理问题描述 精精练练厂厂产产生生废废物物随随工工厂厂废废水水排排放放；废废水水经经过过部部分分处处理理后后，排排入入附附近近河河流流。政政府府对对该该厂厂要要求求废废物物排排放放标标准准为为1010万万kg/
20、kg/周周。问问工工厂厂最最优优运运行行方式是什么？方式是什么？系统分析方法第35页金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表金属精炼厂生产、废水排放和处理情况表系统分析方法第36页4.2研究系统及目标系统界定系统分析方法第37页4.2研究系统及目标系统目标系统目标：n n目标1工厂利润最大（美元/周）n n目标2排入河流污染物到达政府对该厂要求标准，即1万kg/周。系统可控原因：n n可控原因1：废水处理量n n可控原因2：金属产量系统分析方法第38页4.3建立模型变量X X工厂金属产量（万工厂金属产量（万kg/kg/周）周）Y Y经处理污染物量（万经处理污染物量（万kg/kg/周）周）系统分析方
21、法第39页4.3建立模型处理厂排出污染物处理厂排出污染物量计算量计算系统分析方法第40页4.3建立模型质量通量示意图质量通量示意图n n对系统目标对系统目标1 1，工厂利润可表示为：，工厂利润可表示为：1.3X-0.9X-0.2Y/21.3X-0.9X-0.2Y/2（万美元（万美元/周）或周）或0.4X-0.1Y0.4X-0.1Y（万美元（万美元/周）周）n n对系统目标对系统目标2 2，排入河流污染量为，排入河流污染量为，3X-Y+0.03Y3X-Y+0.03Y2 2（万（万kg/kg/周）周）系统分析方法第41页4.4系统优化求解结果为求解结果为X=4.5X=4.5（万（万kg/kg/周）
22、周）Y=4Y=4（万（万kg/kg/周）周）Z=1.4Z=1.4（万美元（万美元/周）周）系统分析方法第42页五课程内容及参考文件系统分析方法第43页五课程内容及参考文件n n1 1 系统分析方法概论（系统分析方法概论（1 1）n n2 2 系系统评价价 （2 2）n n3 3 系统预测系统预测 （2 2）n n4 4 系统模拟系统模拟 （2 2）n n5 5 系统优化系统优化 （3 3）n n6 6 系统决议系统决议 （1 1）n n7 7 城市与环境系统模型专题（城市与环境系统模型专题（2 2）n n8 8 应用软件应用软件 （2 2）系统分析方法第44页系系统评价价（2 2）n n指标量
23、化评定n n含糊综合评定n n层次分析法（AHP）n n关联分析n n聚类分析n n主成份分析系统分析方法第45页系统预测系统预测（2）n n定性预测n n回归预测n n时间序列n n马尔可夫预测n n灰色系统预测n n人工神经网络系统分析方法第46页系统模拟（系统模拟（2 2）n n系统动力学n n自组织模型n n元胞自动机（CA）模型n n基于agent建模（agent-basedmodeling）系统分析方法第47页系统优化（系统优化（3 3）n n线性规划n n动态规划n n非经典优化系统分析方法第48页系统决议（系统决议（1 1）n n不确定性决议n n风险决议n n多目标决议n n
24、层次分析法（AHP）系统分析方法第49页城市与环境系统模拟专题（城市与环境系统模拟专题（2 2）n n环境数学模型n n城市空间相互作用模型n n投入产出模型系统分析方法第50页应用软件应用软件 （2 2）n nSPSSn nLINDOn nMatlabn nVensim系统分析方法第51页参考书目（参考书目（1 1）n n蔡蔡运运龙龙 译译，R.J.R.J.Wilson Wilson 著著，地地理理学学与与环环境境：系系统分析方法统分析方法,商务印书馆商务印书馆,1997,1997n n徐徐建建华华，当当代代地地理理学学中中数数学学方方法法，高高等等教教育育出出版社，版社，n n程程建建权权
25、城城市市系系统统工工程程武武汉汉测测绘绘科科技技大大学学出出版版社社,19991999n n程程声声通通等等环环境境系系统统分分析析，高高等等教教育育出出版版社社,19901990n n(美美)海海思思(Haith,(Haith,D.A.)D.A.)著著，环环境境系系统统最最优优化化，中国环境科学出版社中国环境科学出版社,1987,1987n n郑郑彤彤，陈陈春春云云，环环境境系系统统数数学学模模型型，北北京京科科学学技术出版社，技术出版社，系统分析方法第52页参考书目（参考书目（2 2）n n汤汤兵兵勇勇，环环境境系系统统工工程程方方法法，中中国国环环境境科科学学出出版版社社,1990199
26、0n n汪树玉，刘国华，系统分析浙江大学出版社，汪树玉，刘国华，系统分析浙江大学出版社，n n顾培亮，系统分析与协调，天津大学出版社，顾培亮，系统分析与协调，天津大学出版社，19981998n n谭谭跃跃进进等等，系系统统工工程程原原理理，国国防防科科技技大大学学出出版版社社，19991999n n汪汪应应洛洛，系系统统工工程程理理论论、方方法法与与应应用用，高高等等教教育育出出版版社，社，19981998n n王其藩，系统动力学，清华大学出版社，王其藩，系统动力学，清华大学出版社，19941994n n董肇君，系统工程与运筹学，国防工业出版社，董肇君，系统工程与运筹学，国防工业出版社，系统分析方法第53页
