公共管理定量分析2系统模型与系统分析课件.ppt

第二章,系统模型与系统分析,内容简介,?,要对复杂的公共管理和公共政策问题进,行分析研究并得到科学的分析依据，就,必须首先建立系统,(,数学,),模型，然后借助,模型对系统进行定量的或者定性与定量,相结合的分析。因此，系统模型是公共,管理定量分析的基础，系统分析和建模,技术是公共管理人员必须掌握的手段。,定量分析方法,2,2020/7/5,重点难点,?,?,?,?,?,系统模型与建模方法,解决问题的“,5W1H,”,霍尔的“三维结构”模式,切克兰德的“调查学习”模式,从定性到定量的综合集成方法,实体模型,逻辑模型,灰箱系统,KJ,法,文字模型,相似模型,解析模型,白箱系统,系统分析,图表模型,目标,手段分析法,关键词：,系统模型,网络模型,黑箱系统,综合集成,3,2020/7/5,定量分析方法,系统模型,现实世界与系统模型,5,2020/7/5,定量分析方法,系统模型的定义,?,一般模型,：模型就是在一类系统,A,中，寻求了一个系统,Si,，,如果它和所测系统的输入和输出是等价时（在某种近似条件下），,则称之为所测系统的系统模型。,系统模型,指以某种确定的形式（如文字、符号、图表、实物、数,学公式等），对系统某一方面本质属性的描述。,一方面，根据不同的研究目的，对同一系统可建立不同的系统模,型，例如，根据研究需要，可建立,RLC,（无线链路控制）网络系,统的传递函数模型或微分方程模型；另一方面，同一系统模型也,可代表不同的系统，例如，对系统模型,y,=,kx,（,k,为常量），则：,1,、若,k,为弹簧系数，,x,为弹簧的伸长量，,y,为弹簧力大小，则该模,型表示一个物理上的弹簧运动系统；,2,、若,k,为直线斜率，,x,、,y,分,别为任意点的横坐标和纵坐标，则该模型表示一个数学上过原点,的直线系统。,2020/7/5,?,?,6,定量分析方法,系统模型的定义,?,系统模型的特征：,（,1,）它是现实系统的抽象或模仿；,（,2,）它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的；,（,3,）它集中体现了这些主要因素之间的关系。,?,管理系统模型：,利用图形、表格数据、文字材料,和由设计变量、控制变量组成的数学表达式，以,及计算机软件等来描述和抽象系统的本质，从而,模拟系统行为特性的代替物。,2020/7/5,7,定量分析方法,为什么要使用系统模型,?,模型的作用：,可以对难以进行实体实验的系统进行预测和分析；,可以具体地反映出复杂问题的逻辑关系和数量关系；,可以对系统进行优化，以及方案间的比较和优选。,?,模型的意义：,模型可以超脱现实而不受其约束，可以试验、优化，,从而节省大量的人力、物力、财力和时间。,8,2020/7/5,定量分析方法,为什么要使用系统模型,?,在公共管理中，广泛适用系统模型主要基于以下,几方面考虑：,系统开发的需要；,经济上的考虑；,安全性、稳定性上的考虑；,时间上的考虑；,系统模型容易操作。,定量分析方法,9,2020/7/5,系统模型的分类抽象形式,?,实体模型：即系统本身，包括抽样模型。,优点：比较形象，便于共同研究问题；,缺点：不能说明内在的联系和数量关系，不能,用于优化。,?,?,比例模型：是对现实系统的放大或缩小。,图示模型：用表格、图形、曲线、符号等抽象,和描述系统。,优点：简单、直观；,缺点：受变量数限制，不易优化。,定量分析方法,10,2020/7/5,系统模型的分类抽象形式（续）,?,模拟模型：与现实系统具有共性的、可控的实体和条,件，来模拟系统行为特性的模拟物或计算机软件。,优点：可以解决用其他方法无法解决的问题，建模过程符合人,们的一般思维，不要求过高的数学水平；,缺点：要求对系统有全面、深入的了解；造价较高，一般是求,得问题的近似解。,?,数学模型：用数学符号和数学方程式来描述系统。,优点：可以借助数学理论和方法分析问题，容易进行一般意义,下的优化分析；,缺点：要求对系统有全面、深入的理解；抽象程度较高，要求,较高的数学知识。,11,2020/7/5,定量分析方法,系统建模方法,?,系统建模的要求可概括为：,?,?,?,现实性,简明性,标准化,切题,模型结构清晰,精度要求适当,尽量使用标准模型。,定量分析方法,?,系统建模的遵循原则是：,?,?,?,?,12,2020/7/5,系统建模方法,?,根据系统对象的不同，则系统建模的方法可分为,?,?,?,?,推理法,实验法,统计分析法,混合法和类似法,?,根据系统特性的不同描述，则系统建模的方法可以有,状态空间法、结构模型解析法（,ISM,）以及最小二乘估,计法（,LKL,）,等。其中，最小二乘估计法（,LKL,）是一,种基于工程系统的统计学特征和动态辨识，寻求在小,样本数据下克服较大观测误差的参数估计方法，它属,于动态建模范畴。,定量分析方法,13,2020/7/5,建立模型的程序：以厂址选择为例,?,确定系统目标：,在满足给定用户（,m,个）需求的条件下使费用最低。,?,调查系统的资源和环境：,何处可以建厂，,n,可供选择的厂址数；,各个用户的需求量，,D,i,第,i,个用户的需求量；,各点建厂的投资，,F,j,在,j,处建厂的投资；,各点建厂的费用，,V,j,在,j,处建厂的单位变动费用；,各点建厂的生产能力，,Sj,在,j,处建厂的生产能力；,单位运价等，,C,ij,i,与,j,之间的单位产品运价。,2020/7/5,14,定量分析方法,建立模型的程序：以厂址选择为例,?,抓住本质要素，研究它们之间的关系：,设：,Xij,第,j,个厂家给第,i,个用户的产品量；,设：,Yj,0,在,j,处不建厂；,1,在,j,处建厂,；,15,2020/7/5,定量分析方法,建立模型的程序：以厂址选择为例,?,求解、分析和修正。,利用混合规划求解；,用较熟悉、类似的系统进行检验。,16,2020/7/5,定量分析方法,系统建模应遵循的原则,?,要有足够的精度：,资料来源是否可靠；,本质要素是否合理；,要素之间的关系是否合理。,?,清晰、明确：,在满足精度要求的前提下尽量简化模型；,能用简单方法解决的不用复杂方法。,?,尽量采用标准形式，以便利用前人的成果。,定量分析方法,17,2020/7/5,系统分析,系统分析的概念,?,系统分析是以系统工程的思想为指导，在选定系统,目标和准则的基础上，通过调查系统的内外资源研,究系统各组成要素之间、系统与环境之间的关系，,来探求如何设计优化系统的全部过程。,?,理解：,指导思想：系统思想；,目标和准则；,内外资源；,设计与优化过程。,19,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的要素,?,?,?,?,?,?,?,目标,可行方案,费用,模型,效果（用效益和有效性来衡量）,准则,结论,定量分析方法,20,2020/7/5,系统分析的要素,目标,A,3,效果,（,+,）,A,1,A,3,A,4,A,2,模型,A,5,准则,A,1,A,2,A,5,A,4,结论,（方案排序）,费用,（,-,）,可行方案,21,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的准则,?,?,?,?,系统要素同系统环境相结合；,当前利益同长远利益相结合；,分系统同整体系统相结合；,定性分析同定量分析相结合：,模型化；,多方案比较、评价和选优。,22,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的特点,?,?,以整体效益为目标系统思想；,以寻求解决问题的最佳策略为重点协调和,优化；,?,运用相关的科学分析方法运用模型，定性,与定量分析相结合；,凭借价值判断对未来事物发展的推断和态,度。,?,23,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的内容,?,?,?,阐述系统目标,系统分析的出发点；,调查系统的环境,系统存在于环境之中；,调查系统资源,只有清楚资源状况才能有,效利用；,研究系统要素,系统结构决定系统功能；,实行系统管理,对系统进行实施和运行维,护。,?,?,24,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的要点,?,5W1H:What,Why,When,Where,Who,How,25,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的要点：案例,?,核电厂建设,见教材,P18-19,26,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的程序,27,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的方法论：,霍尔三维结构,28,2020/7/5,定量分析方法,公共管理的三维结构模式,29,2020/7/5,定量分析方法,公共管理的霍尔管理矩阵,30,2020/7/5,定量分析方法,系统分析的方法论：,调查学习模式,?,?,?,良结构系统,：指机理明显的系统，它可以用较明确的,数学模型描述，有较现成的定量方法可以计算出系统,的行为和最佳结果，霍尔的“三维结构”模式主要适,用于解决良结构的系统。,不良结构系统,：指机理尚不清楚的系统，它较难用数,学模型描述，往往只能用半定量、半定性或者只能用,定性的方法来处理问题，甚至要凭人的判断和直觉、,因人而定。,解决不良结构问题时难以求出最佳的定量结果。目前，,常用的系统方法有专家调查法,(,德尔菲法，,Delphi),、,情景分析法,(scenario),、冲突分析法,(Conflict analysis),等。但是，从系统分析方法论角度看，切克兰德的,“调查学习”方法具有更高的概括性。,定量分析方法,31,2020/7/5,切克兰德“调查学习”模式流程,图,32,2020/7/5,定量分析方法,定性分析法：,目标手段分析法,?,?,?,?,?,33,目标一手段分析法,，就是将要达到的目标和所需要的,手段按照系统展开，一级手段等于二级目标，二级手,段等于三级目标，依次类推，便产生了层次分明、相,互联系又逐渐具体化的分层目标系统。,在分解过程中，要,注意,使分解的分目标与总目标保持,一致，分目标的集合一定要保证总目标的实现。,分解过程中，分目标之间可能一致，也可能不一致，,甚至是矛盾的，这就需要不断调整，使之在总体上保,持协调。,将总目标分解为若干个层次的分目标，需要有很大的,创造性，要有丰富的科学技术知识与实践经验。,目标分解需反复地进行，直到满意为止。,定量分析方法,2020/7/5,控制能源消耗的目标手段分析,34,2020/7/5,定量分析方法,定性分析法：,因果分析法,?,因果分析法是利用因果分析图来分析影响系统,的因素，并从中找出产生某种结果的主要原因,的一种定性分析方法。,系统某一行为,(,结果,),的发生，绝非一种或两种,原因所致，往往是由于多种复杂因素的影响所,致。为了分析影响系统的重要因素，找出产生,某种结果的主要原因，系统分析人员广泛使用,了一种简便而有效的定性分析方法,因果分析,法。,定量分析方法,?,35,2020/7/5,因果分析图,36,2020/7/5,定量分析方法,用于分析产品质量问题的因果关系图,37,2020/7/5,定量分析方法,定性分析法：,KJ,法,?,从很多具体信息中归纳出问题整体含义的一种,分析方法。它的基本原理是，把每个信息做成,卡片，将这些卡片摊在桌子上观察其全部，把,有“亲近性”的卡片集中起来合成为子问题，,依次做下去，最后求得问题整体的构成。,这种方法把人们对图形的思考功能与直觉的综,合能力很好地结合起来，不需要特别的手段和,知识，不论是个人或者团体都能简便地实行。,?,38,2020/7/5,定量分析方法,KJ,法的实施步骤,1.,2.,尽量广泛地收集与问题可能有关的信息，并用关键的语句简洁地表达。,一个信息做一张卡片，卡片上的标题记载要简明易懂。如果是团体实施，,则要在记载前充分协商好内容，以防误解。,把卡片摊在桌子上通观全局，充分调动人的直觉能力，把有“亲近性”,的卡片集中到一起作为一个小组。,给小组取个新名称，其注意事项同步骤,(1),。这个小组是由小项目,(,卡片,),综合起来的，应把它作为子系统来登记。这个步骤不仅要凭直觉，而且,要运用综合和分析能力发现小组的意义所在。,重复步骤,(3),和,(4),，分别形成小组、中组和大组，但对难以编组的卡片不,要勉强地编组，可把它们单独放在一边。,把小组,(,卡片,),放在桌子上进行移动，根据小组间的类似关系、对应关系、,从属关系和因果关系等进行排列。,将排列结果画成图表，即把小组按大小用粗细线框起来，把一个个有关,系的框用“有向枝”,(,带箭头的线,),连接起来，构成一目了然的整体结构,图。,观察结构图，分析其含义，取得对整个问题的明确认识。,3.,4.,5.,6.,7.,39,2020/7/5,8.,定量分析方法,应用举例,基本情况,?,?,?,?,20,世纪,60,年代未，美国纽约市负责全市供水的供,水委员会拟定了一个扩建供水网的工程计划。全,计划预计耗资,10,亿美元，分五阶段执行，全部竣,工后可满足,40,年后纽约市的人口增加,25%,时的需,求。,这个计划遭到了预算局的反对，它们认为供水委,员会预估的人口增长率是过分的，和实际不符。,但供水委员会想做出大成绩，一心坚持这种增长,率是合理的，在这种情况下，预算局请麻省理工,学院的系统分析人员对工程进行系统分析。,经过分析提出的设计案，节约额为,1,亿美元，仅,是技术上可节约节约额的,2/3,。,定量分析方法,41,2020/7/5,纽约市供水系统现状,?,约市的自来水供给系统的组成：,供水委员：负责直径,25cm,以上的管道，称为,一级管道,(,即干线管道,),；,另一部门：负责直径,15cm,以下的管道，称为,二级管道,(,把水送到用户的管道,),。,?,供水委员会的最初设计方案：,增设,80,公里长的直径为,71cm,的一级管道，预,计耗资,10,亿美元，分,5,个阶段实施，寿命,40,年。,42,2020/7/5,定量分析方法,纽约市供水网扩建工程的系统分析,?,系统分析的过程和方法：,明确问题，划定系统范围；,设立系统目标；,收集资料；,制定标准指标体系；,拟定方案；,建立分析模型；,综合评价。,43,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,明确问题,?,原始设计方案：,只考虑供水网的地理几何布局；,只有一个目标，即一级网络终端的自来水压,力必须达到,2.8kg/cm,；,工程的预计使用期限为,40,年；,整个网络只依靠重力把水送到终端。,44,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,明确问题,?,原始设计方案存在的问题：,规定很随意、草率，没有考虑这些投资是否,是系统中最需要的投资；,工程目标过于单一化、绝对化；,没有将整个供水作为一个系统，供水部门之,间没有相互配合从效果和费用的角度进行论,证评价。,45,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,明确问题,?,本次系统分析受到的制约和边界条件：,设计所受到的制约有些是物理方面的，这些制约由,传统工程设计师就可以很好地解决，然而有些制约,是经济性的、社会性的，则需由系统分析师来处理。,系统分析工作本身也受到许多制约。首先就是职权,的制约。它只能起咨询作用，提出一些发人深思的,问题，提出解决问题的最优方案。但是在实践过程,中，很难实施技术上的最优方案，因为这些方案往,往会遭到有关部门的反对，所以最后实施的往往只,是一些为各有关部门均能接受的折中方案,(,或满意方,案,),。,46,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,明确问题,?,最终的决策权：,系统分析工作是纽约市预算当局要求搞的，他们想,利用系统分析的结果来推迟审批供水委员会的工程,设计计划。,但是不论是预算当局，还是系统分析师，如果得不,到供水委员会的同意，是无法提出一个完全不同的,设计方案的，因为供水委员会垄断着工程设计所需,的详细数据，并实际上拥有对其他计划的否决权。,因此，在这种情况下，系统分析师也只能提出一个,折中方案。,47,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,制定目标,?,原先方案的目标：,只有一个就是终端水压达到,2.8kg/cm,。,?,但是作为一个供水系统，城市用水部门是多样,的，不同的用户对供水系统的质量要求不同。,大部分是工业用水；,?,左右为家庭生活用水；,少量的消防、城市卫生、绿化用水。,48,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,制定目标,?,新设定的系统目标：,系统的总性能；,市区用水的方便程度；,供水的可靠性；,基建和保持运行的总费用。,49,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,确定准则,50,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,创立方案,?,创立,7,大类,250,个方案。例如：,关于系统的物理结构；,关于系统的使用周期的划分；,使用水泵加压还是加大水管来改进供水系统,的性能等。,51,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,方案的评审,?,麻省理工学院设计了一个综合土木工程系统模,型，对,250,个备选方案进行了评审：,利用费用,-,效果函数评估总成本和总性能；,关于使用周期的确定。在经济规模和贴现率之间进,行平衡，认为使用期为,20,年是经济的，如有必要,20,年后调整；,评估水泵加压方案。分析师们对使用重力和水泵加,压两种方式，在作业费用和固定投资之间作最佳平,衡。,52,2020/7/5,定量分析方法,决定最佳使用期示意图,-,经济规模因子,53,2020/7/5,定量分析方法,费用与管径的关系,54,2020/7/5,定量分析方法,系统分析,实施,?,?,?,?,实施的是一个折中方案：,供水系统的布局沿用了最初的设计案；,同最初设计一样，没有采用水泵；,工程规模为原设计的,3/5,；水管直径为原,设计的,4/5,，仅这一项节约,1,亿美元。第,一期工程的总投资由,3.23,亿美元降至,2.23,亿美元。,定量分析方法,55,2020/7/5,总,?,结,由这个折中方案可以看出以下问题：,整个系统线路布局没有改。这是为了照顾供水委员,会的威信，同时也达到了预算局节约费用的目标。,本系统分析的任务只是澄清问题，提供所需的意见。,这些意见能否发挥作用，取决于系统分析的质量和,许多其它因素。,系统工程是解决实际问题的有效方法，但是由于最,终受决策者价值观念的影响，有时用系统分析后取,得的实际成果来评价系统分析本身工作是不合适的。,56,2020/7/5,定量分析方法,状态空间法,?,状态空间法是一种基于解答空间的问题表示和,求解方法，它是以状态和操作符为基础的。在,利用状态空间图表示时，从某个初始状态开始，,每次加一个操作符，递增地建立起操作符的试,验序列，直到达到目标状态为止。由于状态空,间法需要扩展过多的节点，容易出现“组合爆,炸”，因而只适用于表示比较简单的问题。,57,2020/7/5,定量分析方法,解释结构模型法,（,Interpretative,Modeling,Method,，简称,ISM,方法）,?,Structural,现代系统工程中广泛应用的一种分析方法，是结构模,型化技术的一种。它是将复杂的系统分解为若干子系,统要素，利用人们的实践经验和知识以及计算机的帮,助，最终构成一个多级递阶的结构模型。此模型以定,性分析为主，属于概念模型，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。特别适,用于变量众多、关系复杂而结构不清晰的系统分析中，,也可用于方案的排序等。它的应用面十分广泛，从能,源问题等国际性问题到地区经济开发、企事业甚至个,人范围的问题等。,定量分析方法,58,2020/7/5,最小二乘估计法,?,计量经济学研究的直接目的是确定总体回归函,数,Yi=B1+B2Xi+ui,然而能够得到的知识来自总,体的若干样本的观测值，要用样本信息建立的,样本回归函数尽可能“接近”地去估计总体回,归函数。为此，可以以从不同的角度去确定建,立样本回归函数的准则，也就有了估计回归模,型参数的多种方法。例如，用生产该样本概率,最大的原则去确定样本回归函数，成为极大似,然发展；用估计的剩余平反和的最小的原则确,定样本回归函数。称为最小二乘估计法。,定量分析方法,59,2020/7/5,