【正文】 系統(tǒng)工程與運籌學(xué) Systems Engineering and Operation Research 西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院 淮建軍 Email: 手機： 15309283937 教學(xué)設(shè)計與課程要求 ? 學(xué)時 70，基本實現(xiàn)大綱的要求，突出學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)與演講能力，實現(xiàn)研究型團隊的組織學(xué)習(xí)； ? 教學(xué)形式包括老師教授、學(xué)生講座和作業(yè)講解； ? 考核方式：考勤 10%，個人作業(yè) 20%，考試 70%。 主要參考書 ? 梁軍 , 趙勇 . 系統(tǒng)工程導(dǎo)論 . 化學(xué)工業(yè)出版社 . ? 陳宏民 . 系統(tǒng)工程導(dǎo)論 . 高等教育出版社 . ? 汪應(yīng)洛 . 系統(tǒng)工程 (第四版 ). 機械工業(yè)出版社 . ? 梁迪 , 董海 . 系統(tǒng)工程 . 機械工業(yè)出版社 . ? 王福林 . 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程 .中國農(nóng)業(yè)出版社 . ? 楊印生 .經(jīng)濟系統(tǒng)定量分析方法 .吉林科學(xué)技術(shù)出版社 . ? 董肇君 .系統(tǒng)工程與運籌學(xué) (第二版 ).國防工業(yè)出版社 . 第 1章 系統(tǒng)科學(xué)方法論與系統(tǒng) 系統(tǒng)科學(xué)方法論 系統(tǒng)的概念和屬性 系統(tǒng)的分類 案例 1：都江堰水利工程 戰(zhàn)國時期秦國李冰父子設(shè)計修建的都江堰水利工程 ，它包括 “ 魚嘴 ” 岷江分水工程 ， “ 飛沙堰 ” 分洪排沙工程 ，“ 寶瓶口 ” 引水工程三大主體工程和 120個附屬渠堰工程 ，工程之間的聯(lián)系處理得恰到好處 ， 形成一個有機整體 ， 兼有防洪 、 排沙 、 灌溉 、 漂木 、 行舟等多種功能 ， 渠道上設(shè)置了水尺 ， 根據(jù)測得的水位 ， 多級分水 ， 合理控制分水流量 ， 使洶涌急流的岷江化害為利 ， 灌溉了成都平原上 14個縣的幾百萬畝糧田 。 工程完工后 ， 又建立了一套歲修養(yǎng)護制度 ， 每年按規(guī)定淘沙修堤 ， 因此 ， 雖然該工程經(jīng)歷二千多年 ， 至今仍發(fā)揮著效益 ， 該工程堪稱我國古代運用系統(tǒng)思想解決實際問題的典范 。 ? 古代方法論（整體論）：應(yīng)用、基礎(chǔ)、特征和局限 ? 近代科學(xué)方法論（還原論）：應(yīng)用、基礎(chǔ)、特征和局限 ? 現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)方法論（整體論與還原論的有機結(jié)合）：應(yīng)用、基礎(chǔ)、特征和局限 系統(tǒng)科學(xué)方法論的特征和基本原則 ? 特征：整體性、綜合性、定量化、信息化和人機方式 ? 原則：整體論與還原論結(jié)合、定性和定量結(jié)合、局部和整體結(jié)合、分析和綜合結(jié)合、確定性和不確定性結(jié)合 ? ? 系統(tǒng)思想的含義 ? 系統(tǒng)思為方法與傳統(tǒng)思維方法的區(qū)別 ? 人類思維的一般模式 ? 第五項修煉 ? 概念：系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、相互作用的若干部分，是按照一定的方式，為了一定的目的組合而成的存在于特定環(huán)境之中并具有一定功能能的有機整體。 ? 屬性：整體性、有序性、集合性、關(guān)聯(lián)性、目的性和環(huán)境適應(yīng)性 ? 運行模式 ? 分類 第 2章 系統(tǒng)科學(xué)與系統(tǒng)工程 ? 系統(tǒng)科學(xué)體系 系統(tǒng)工程 系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)理論和工具 系統(tǒng)工程方法論 系統(tǒng)工程的應(yīng)用和發(fā)展 ? 系統(tǒng)科學(xué)體系 哲學(xué) 橋梁 基礎(chǔ)科學(xué) 技術(shù)科學(xué) 工程技術(shù) (社會實踐 ) 自然辯證法 物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等 建筑學(xué)、水力學(xué) 水利工程、土木工程 (社會實踐 ) 哲學(xué) 圖 自然科學(xué)的三個層次結(jié)構(gòu)（三層次一橋梁結(jié)構(gòu)模式） 70`s 貝塔朗菲綱領(lǐng)（貝塔朗菲，一般系統(tǒng)理論家） 系統(tǒng)科學(xué) （橋梁） 系統(tǒng)論（觀） 系統(tǒng)科學(xué)辯證法 系統(tǒng)科學(xué)方法論 系統(tǒng)科學(xué)認識論 系統(tǒng)科學(xué)史 …… 基礎(chǔ)科學(xué) 簡單巨系統(tǒng) 開放的復(fù)雜巨系統(tǒng) 技術(shù)科學(xué) 信息學(xué) 控制學(xué)，運籌學(xué)， 事理學(xué) 工程技術(shù) 系統(tǒng)工程， 控制工程，信息工程 哲學(xué) （社會實踐） 80`s 錢學(xué)森的系統(tǒng)科學(xué)體系 （錢學(xué)森， 1996） 系統(tǒng)理論 一般系統(tǒng)理論 耗散結(jié)構(gòu)學(xué)說 協(xié)同說 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論 開放復(fù)雜系統(tǒng)理論 定義與觀點 ? 系統(tǒng)工程是一門新興的工程技術(shù)學(xué)科，是應(yīng)用科學(xué)。它不僅定性，而且定量的微系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計、實驗與研究、制造與使用、管理與決策提供科學(xué)方法的方法論科學(xué)，他的最終目的實時系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài) ? 基本觀點：整體性、綜合性、科學(xué)性、關(guān)聯(lián)性、實踐性 ? 運籌學(xué) ? 控制論 ? 以計算機為基礎(chǔ)的信息科學(xué) ? 系統(tǒng)工程的的力工具 ——計算機 系統(tǒng)工程方法論 霍耳三維結(jié)構(gòu) 三階段法 “調(diào)查學(xué)習(xí)”模式 并行工程方法 第 3章 系統(tǒng)工程的主要方法 ? 模型化 系統(tǒng)分析與綜合評價 層次分析法 ? 模糊綜合評價法 模型化 ? ? 、方法與程序 ? 四種理論 ? 四種方法 ? 五步建模 ? 模型化的基本原則 ? 模型化的程序 系統(tǒng)分析與綜合評價 ? ? ? 技術(shù)路線 ? 指標(biāo)權(quán)重的確定方法 ? 單項指標(biāo)定量評價方法 ? 評價值的標(biāo)準(zhǔn)化 ? 綜合評價 層次分析法 ? ? ? 建立分層遞階結(jié)構(gòu)模型 ? 構(gòu)建判斷矩陣 ? 單排序 ? 總排序 ? 模糊綜合評價法 ? ? 層次分析法的應(yīng)用舉例 第 4章 系統(tǒng)工程常用預(yù)測方法和模型 ? 預(yù)測科學(xué) 定性預(yù)測技術(shù) 定量預(yù)測技術(shù) 帶定性變量的線性回歸預(yù)測模型 判別分析預(yù)測模型 時間序列預(yù)測 灰色預(yù)測 —— GN（ 1， 1模型） 預(yù)測科學(xué) ? 在調(diào)研的基礎(chǔ)上對事物的未來進行科學(xué)的分析，研究其發(fā)展變化的規(guī)律性叫預(yù)測分析。 ? 預(yù)測的原理有：整體性、可知性、可能性、相似性和反饋性 ? 預(yù)測的步驟：確定目標(biāo) ?選擇預(yù)測方法 ?收集和分析數(shù)據(jù) ?建立預(yù)測模型 ?分析模型 ?利用模型預(yù)測?分析預(yù)測結(jié)果 定性預(yù)測技術(shù) :德爾菲法 ? 德爾菲法：預(yù)測機構(gòu)或人員預(yù)先選定與預(yù)測問題有關(guān)的專家 1015人，采用信件來往的方式與其聯(lián)系，將他們的意見進行整理、綜合、歸納后在匿名樊噲給各位專家再次征求意見，按這種方式多次反復(fù)，直到是專家們的意見趨于一致為止，最后得出預(yù)測結(jié)論。 ? 步驟：選擇專家、編制和郵遞“專家應(yīng)答表”、分析整理“專家應(yīng)答表”、與專家反復(fù)交換意見、將最終預(yù)測結(jié)論函告各位專家并致謝。 定量預(yù)測技術(shù) ? 一元線性回歸模型： 用于分析一個自變量（ X）與一個因變量（ Y）之間線性關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。 ? 分類：一類是反映因果關(guān)系的模型；一類是反映時間序列的模型。 ? 最小二乘法： ^^ ( 4 . 3 . 1 )iiy a b x??^2211^^^12211m in ( ) ( 4 .3 .2 .)( 4 .3 .4 )( 4 .3 .5()i i iiini i i iinniiiiQ e y ya y b xn x y x ybn x x???????? ? ????????? ? ???線性回歸預(yù)測模型的檢驗過程及預(yù)測精度 ? 相關(guān)系數(shù)檢驗：不相關(guān)、正相關(guān)、負相關(guān) ? 顯著性檢驗： ? T檢驗：檢驗回歸方程中參數(shù) b的估計值在某一顯著水平上是否為 0； ? F檢驗：檢驗整個回歸方程是否顯著 ? r檢驗：兩個變量相關(guān)性的檢驗 ? 方差分析：估計預(yù)測精度（提高精度的方法） 線性回歸的方法與步驟 ? 整理占有的現(xiàn)有數(shù)據(jù)（ xi,yi） ? 求解預(yù)測方程 ? 進行檢驗 ? 利用模型預(yù)測 線性回歸的理論假設(shè) ? 自變量 x與應(yīng)變量 y之間存在線性關(guān)系； ? 正態(tài)性：隨機誤差（即殘差） e服從均值為 0，方差為 ?２ 的正態(tài)分布； ? 等方差：對于所有的自變量 x，殘差 e的條件方差為 ?２ ，且 ?為常數(shù)； ? 獨立性：在給定自變量 x的條件下，殘差 e的條件期望值為 0（本假設(shè)又稱零均值假設(shè)）； ? 無自相關(guān)性：各隨機誤差項 e互不相關(guān)； ? 殘差 e與自變量 x不相關(guān)：隨機誤差項 e與相應(yīng)的自變量 x不相關(guān)； ? 無共線性：自變量 x之間相互獨立． 一元線性回歸 應(yīng)變量（ dependent variable) 自變量（ independent variable） 一元線性回歸 直線回歸方程的模型是： yi=a+bxi+ei 其中 （１） a是截距 （２） b是回歸系數(shù) (regression coefficient)（回歸直線的斜率） 回歸系數(shù)的統(tǒng)計學(xué)意義是：自變量每變化一個單位，應(yīng)變量 平均 變化的單位數(shù)． （３） ei是殘差 因此直線回歸方程的一般形式是： ? 其中 是應(yīng)變量 y的預(yù)測值或稱估計值。 ^iiy a bx??基本概念 ^iy一元非線性回歸模型 ? 化一元非線性函數(shù)為線性函數(shù)（確定曲線類型是關(guān)鍵） ? 化一般一元非線性函數(shù)為線性函數(shù)（應(yīng)用泰勒級數(shù)展開，并用多元替代） 多元線性回歸 ? 多元線性回歸是簡單線性回歸的直接推廣，其包含一個因變量和二個或二個以上的自變量。 ? 簡單線性回歸是研究一個因變量（ Y）和一個自變量（ X）之間數(shù)量上相互依存的線性關(guān)系。而多元線性回歸是研究一個因變量（ Y）和多個自變量（ Xi）之間數(shù)量上相互依存的線性關(guān)系。 ? 簡單線性回歸的大部分內(nèi)容可用于多元回歸，因其基本概念是一樣的。 多元線性回歸模型與參數(shù)估計 ? 設(shè)有自變量 x1,x2,…,x p和因變量 Y以及一份由 n個個體構(gòu)成的隨機樣本 (x1i,x2i,…,x pi,， Yi），且有如下關(guān)系： y =B0+B1x1+B2x2+…+B p xp+? (模型） B0、 B B2和 Bp為待估參數(shù)， ? 為殘差。 ? 由一組樣本數(shù)據(jù)，可求出等估參數(shù)的估計值 b0、 b b2和 bp,，得到如下回歸方程： ?i =b0+b1x1+b2x2+…+b p xp ? 由此可見，建立回歸方程的過程就是對回歸模型中的參數(shù)（常數(shù)項和偏回歸系數(shù)）進行估計的過程。 回歸方程的建立 ? 散點圖 ? 奇異點（ ouliers） ? 最小二乘法（ least square, LS） ? 殘差平方和（ sum of squares for residuals） ??????????????????????????222110222)]([)()]([)(nniiiiiiixbxbxbbyyyQxbayyyQ多元線性回歸：一元線性回歸：一元線性回歸時，計算比較簡單： 多元線性回歸時，比較復(fù)雜，一般需要用計算機處理。 nxbnyxbyallnxxnyxyxxxyyxxbxxxy??????????????????????????/)(/)()()(222線性回歸的檢驗 １、回歸方程的檢驗 方差分析法： 應(yīng)變量的總變異 可分解為 回歸平方和 (regression sum of squares)：可用線性回歸解釋的部分 _ 2()yy??_^ 2()yy??剩余平方和 (residual sum of squares)：即殘差平方和，不能用線性回歸解釋的部分 以上三部分的自由度分別為 n1， m和 nm1。其 中， n為樣本數(shù)， m為自變量數(shù)。 方差分析的假設(shè)為 一元線性回歸： H0: ?=0 H1: ??0 多元線性回歸： H0: ?1= ?2=…= ?m=0 H1: ?1， ?2， … ， ?m中至少有一個不等于零 因此方差分析的結(jié)論是線性回歸方程是否顯著，是否有意義。 ^ 2()yy??２、回歸／偏回歸系數(shù)的檢驗 檢驗回歸系數(shù)是否為零，每一個偏回歸系數(shù)是否為零。用 t檢驗方法。 統(tǒng)計量 自由度 結(jié)論：回歸／偏回歸系數(shù)是否有意義，是否為零；對應(yīng)的自變量是否有意義。 iibbts?1v n m? ? ?３、常數(shù)項（截距）的檢驗 檢驗常