《系统工程》 教案 谢家贵 模块5--7 系统优化、系统规划、系统决策.docx

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1、系统工程教案课程信息课程名称系统工程授课专业交通运输类课程类型必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（V）；选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）授课方式讲授（7）；实践课（。）；其它（）考核方式考试（）；考查（，）课程教学总学时数32学时学分数2学分教材名称系统工程作者谢家贵、马悦出版社西安电子科技大学出版社书号978-7-5606-6788-1出版时间2023.3 （ 2023.4 重印）班级课程名称系统工程授课教师授课课时4学习课题系统优化教学基本 要求(1)理解系统优化的含义；(2)掌握总成本分析法、综合评价法运输方式的选择；(3)理解单车辆路径优化问题；(4 )掌握分枝定界法

2、、简单贪梦算法、奇偶点图上作业法、动态 规划法、标号法的单车辆路径优化问题求解；(5)理解多车辆路径优化问题；(6 )掌握扫描法、节约里程法的多车辆路径优化问题求解。教学重点、难点(1)运输方式的选择；(2 )单车辆路径优化；(3 )多车辆路径优化。教学方法、手 段案例导入法、讲授法、小组讨论法教学过程设计导入专题讲解问题分析讨论练习归纳总结参考案例来自教材、相关参考书教具、教材教学课件PPT、教学录像片教师学期授课教案授课提纲及重难点分析教 学方 法 设 计时间分配及旁注案例引入约IOmin任务一系统优化的认识一、系统优化的含义系统优化是在满足各方面限制条件的情况下，通过科学的方法，建立 与

3、现实系统相对应的数学模型，并合理确定模型的各种参数，以协调各子 系统之间的冲突，达到最佳设计目标的过程。系统优化与系统规划的区别就在于：系统规划是从无到有，系统优化 是对现有系统存在的不同方面的问题进行针对性的分析，进而构建优化模 型并求解，最终使现有系统得到优化。二、系统优化的方法(一)运筹学方法1 .规划论规划论又称为数学规划，是运筹学的一个分支，是研究对现有资源进 行统一分配、合理安排、合理调度和最优设计以取得最大经济效果的数学 理论方法。例如，对某项确定的任务，怎样以最少的人力、物力去完成； 对给定的人力、物力，怎样能使其最大限度地发挥作用，从而完成尽可能 多的任务。一般规划论可以归结

4、为在满足既定目标的要求下，按照某一衡量指标 寻求最优方案的问题。通常把必须满足的条件称为约束条件，把衡量指标 称为目标函数，用数学语言来描述为：求目标函数在一定约束条件下的极 值问题。2 .图论图论(Graph Theory)是数学的一个分支，它以图为研究对象。图论 中的图是由若干给 定的点及连接两点的线所构成的图形,这种图形通常用 来描述某些事物之间的某种特定关系，用点代表事物，用连接两点的线表约40min示相应两个事物间的关系。图论也称为网络法，把复杂的问题转化成图形直观地表现出来，能更 有效地解决问题。图论常用来解决各类最优化问题，例如，如何使完成任 务的时间最少、距离最短、费用最省等。

5、3 .排队论排队论（Queuing Theory）又称随机服务系统理论，是运筹学的一个 分支。它是研究系统随机聚散现象和随机服务系统工作过程的数学理论和 方法，通过对服务对象到来及服务时间的统计研究，得出这些数量指标（等 待时间、排队长度、忙期长短等）的统计规律，然后根据这些规律来改进 服务系统的结构或重新组织被服务对象，使得服务系统既能满足服务对象 的需要，又能使机构的费用最经济或某些指标最优。排队论是研究服务系统中排队现象随机规律的学科，专门研究因随机 因素而产生拥挤的方法，可协调和解决请求服务和提供服务双方之间存在 的相互约束关系。4 .存储论为了解决供应（生产）与需求（消费）之间的不协

6、调（这种不协调一 般表现为供应量与需求量和供应时期与需求时期的不一致，出现供不应求 或供过于求），人们在供应与需求这两个环节之间加入存储这一环节，就 能缓解供应与需求之间的不协调。以此为研究对象，利用运筹学的方法即 可解决最合理、最经济的存储问题。专门研究这类有关存储问题的科学叫 作存储论，它也是运筹学的一个分支。存储论也称为库存论，是主要研究物资库存策略的理论，用于确定物 资库存量、补货频率和补货量等问题。库存的目的是为生产经营活动的持 续进行提供有力的保障。（二）启发式算法1.智能优化算法智能优化算法从与研究问题有关的基本模型和算法中获得启发，发现 解决问题的思路和途径，通过对过去经验的归

7、纳推理以及试验分析来解决 问题。具体逻辑思路如下图所示。2.模拟退火算法模拟退火算法(SinlUlated Annealing , SA )最早的思想是由 N. Metropoli松等人于1953年提出的。该算法来源于固体退火原理，是一 种基于概率的算法，将固体加热至充分高温，再让其徐徐冷却，加热时， 固体内部粒子随温度升高变为无序状，内能增大；在徐徐冷却时粒子渐趋 有序，冷却过程中每个粒子都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能 减为最小。用模拟退火算法寻找最优解的过程类似于退火现象中寻找系统的最低 能量，把优化问题的状态看作固体内部的粒子，把目标函数看作粒子所处 的能态，得到的最优解对应于

8、固体最后在常温时达到的基态。具体逻辑思 路如下图所示。遗传算法(Genetic Algorithm, GA)最早是由美国的John Holland 于20世纪70年代提出的。该算法是根据大自然中生物体的进化规律而设 计提出的，是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机制的生物进化 过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。具体 逻辑思路如下图所示。遗传算法通过数学的方式，利用计算机进行仿真运算，将问题的求解 过程转换成类似于生物进化中染色体基因的交叉、变异等过程。在求解较 为复杂的组合优化问题时，与一些常规的优化算法相比，遗传算法通常能 够较快获得较好的优化结果。目前，遗传算

9、法已被人们广泛地应用于组合 优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。4.蚁群算法蚁群算法的灵感来自蚂蚁寻找最短觅食路径的过程。蚁群在觅食过程 中会在所经过的路径上留下一种挥发性分泌物一一信息素，信息素能被一 定范围内的蚂蚁察觉并影响它们的行为。当一些路径上通过的蚂蚁越来越多时，其信息素的强度也越来越大， 这样其他蚂蚁选择该路径的概率也越来越高。它们不断发现更短路径，逐 渐地，这一条最短路径就会被大多数蚂蚁重复，从而形成最短路径。（三）系统仿真法系统仿真法是一种根据被研究的系统模型，在仿真环境和条件下，对 系统进行研究、分析和试验的方法。系统仿真法按照系统模型的载体种类分为物理仿真

10、、数学仿真和半实 物仿真；按照系统模型特性分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。不难发现,其实很多系统优化的方法同样适用于系统规划的问题研究, 因此这些方法都不是专属于谁的。三、系统优化的内容系统的优化过程其实也是一种系统的重新规划过程，因此也同样包括 物资调配、指派、运输系统优化、设施选址与布局等内容。系统优化的重点内容是运输系统优化，即路径优化、车辆调度、运输 方式选择、路网规划等。（一）路径伏化路径优化就是在满足一系列约束条件的情况下，合理安排运输车辆的 行车路径和时间，使得车辆把客户需要的货物从一个或者多个物流中心运 送到多个地理上分散的客户点上，并达到特定的目标（通常是路程最短、 运费

11、最省、时间最短等）的过程。路径优化主要包括：（1）起诡点相同的单一车辆路径优化问题，比如旅行商问题、中国邮 递员问题、库内最短拣选路径问题等。（2）起诡点相同的多车辆配送路径优化问题。（3）起诡点不同的单一车辆路径优化问题，比如配送网络最大流量问 题、配送网络最小费用问题。（二）车辆调度车辆的调度就是如何配置车辆，才能使得其既能满足运输需求，又能 最经济。通常可以采用指派问题建模求解的方法、多车辆路径优化问题建 模求解的方法等进行建模求解。（三）运输方式选择当有多种可选择的运输方式时，选择最优的运输方式，通常采用总成 本分析法、综合评价法等进行选择。（四）路网规划假设给定一些城市，已知每对城市

12、之间交通线的建造费用，要求建造一个连接这些城市的交通网，且使得总的建造费用最小，这就是赋权图上 的最小生成树问题。这类问题的求解过程也就是路网规划的过程。任务二运输方式的选择一、总成本分析法的运输方式的选择（一）方法介绍总成本分析法的要旨是在保持一定服务水平的条件下，考虑所有有关 成本的项目。对备选方案进行评价时，各种不同方案可能会导致某些业务 活动的成本增加、减少，或保持不变。该方法的目标是选择总成本最小的 方案。由于系统运作各环节之间的效益相恃，某环节成本降低会导致其他环 节成本上升，因此需要以总成本分析法为基础来选择运输方式。所谓最佳运输服务，就是使某种运输成本与该运输服务水平以及相关

13、的库存成本之间达到平衡的服务，也就是选择既能满足客户需求，又使总 成本最低的运输服务。这是总成本分析法的基本思想。（二）总成本分析法选择运输方式的步骤（1）计算各方案的年运输成本：（2）计算各方案的在途库存成本：（3）计算各方案的供货工厂的存货成本：（4）计算各方案的需求仓库存货成本：（5）计算各方案的库存成本：（6）计算各方案的总成本：（7）对比各方案的总成本，选择总成本最小的方案。（三）举例二、综合评价法的运输方式的选择（一）方法介绍1 .定义综合评价法是运用多个指标对多个参评单位进行综合统计评价的方 法，用来判断企业的走向和目标。2 .主要要素（1）评价者：可以是某个人或某个团体。评价目

14、的的给定、评价指标 的建立、评价模型的选择、权重系数的确定都与评价者有关。（2）被评价对象：随着综合评价技术理论的发展与实践活动的开展， 评价的领域也从最初的各行各业经济统计的综合评价拓展到后来的技术水 平、生活质量、社会发展、环境质量、竞争能力、综合国力、绩效考评等 方面，这些都可以为被评价对象。（3）评价指标：从多个视角和层次反映特定评价客体的数量规模与数 量水平。（4）权重系数：其合理与否关系到综合评价结果的可信程度。（5）综合评价模型：是指通过一定的数学模型，将多个评价指标值合 成为一个整体性的综合评价值。3 .步骤（1）确定综合评价指标体系，这是综合评价的基础和依据。（2）收集数据，

15、指标同度量处理，确定指标体系中各指标的权数，以 保证评价的科学性。常用的权重确定方法有层次分析法（AHP）、专家打分约40min法、问卷调查法等。(3)选择适当模型计算综合评价指标。常见的综合评价模型主要有综 合指数法、加权综合法、功效系数法、Topsis法、密切值法、AHP,模糊 综合评价法、秩和比法等。(4)根据综合评价指标值或分值的大小，对被评价对象进行排序，并 由此得出结论。(二)综合评价法选择运输方式的步骤(1)确定影响运输方式选择的因素，即评价指标体系，主要考虑经济 性、迅速性、安全性、便利性，当然还有环境影响、社会效益等。(2)确定影响因素的权重系数，即确定指标体系中各指标的权重。确 定权重系数是为了显示每个影响因素在运输方式选择中所具有的重要程 度，分别给予不同的比例系数(也称加权)。(3)选择适当模型计算综合评价指标，即运输方式的综合重要度。通 常候选的运输方式有四种：公路、铁路、水路和航空运输。(4)比较和选择，即根据综合评价指标值或分值的大小，对