第十一讲：环境决策支持系统 的应用之一

1. 第十一讲：环境决策支持系统的应用之一 北京大学环境工程系 2006年5月

2. 本门课程内容回顾 • 第一讲：环境决策支持系统概述 • 第二讲：环境决策支持系统系统框架 • 第三讲：环境决策支持系统软件环境 • 第四讲：环境决策支持系统的技术基础之一 • 第五讲：环境决策支持系统的技术基础之二 • 第六讲：环境决策支持系统的技术基础之三 • 第七讲：环境决策支持系统的设计 • 第八讲：决策方法与辅助决策之一 • 第九讲：决策方法与辅助决策之二 • 第十讲：决策方法与辅助决策之三

3. ·什么是决策？ 决策是为了达到某一目的而在若干可行方案中经过科学的分析、比较、判断，从中选取最优方案并赋予实施的过程。 决策过程一般分为五个步骤： （1）识别问题或对决策的要求； （2）分析和阐明方案（对策）； （3）做出选择（决策）； （4）传达和执行决策； （5）追踪和反馈决策的结果。

4. 根据决策过程的可描述程度，西蒙（H.A.Simon）把决策根据决策过程的可描述程度，西蒙（H.A.Simon）把决策 划分为结构化、非结构化和半结构化决策三种。 （1）结构化决策：一般指决策方法和决策过程有固定的规 律可循，目标比较明确，过程结构比较清楚，可用形式化的 方法描述和求解的一类决策问题。通常用数学方法来解决的 决策问题； （2）非结构化决策：一般指决策方法和决策过程没有什么 规律可循，并难以用常规定量数学方法进行问题描述和求解， 而必须借助于人工智能等技术的决策； （3）半结构化决策：是指介于前两者间的一种情况，即决 策方法和决策过程有一定的规律可循，但又不完全确定的情 况。通常社会经济和管理活动中所遇到的决策大部分属于这 种情况。

5. 谋略科学的定义 Define of Stratagem Science 决策公式: Game Policymaker Strategy 决策者定义 谋略的定义 对策的定义 * 宏观管理 ：决策 * 微观管理 ：政策 * 心理素质 * 目标意识 * 风险意识 * 竞争意识 * 凝聚意识 * 协作意识 * 系统意识 * 对策实际上是博弈论 (Game Theory) * 博弈是一对一或一对多的竞争与合作的策略 * 对策不是唯一的 * 所有可能的对策, 组成策略集 * 决策者任选一种, 只能选一种 * 智囊团或顾问组是提供对策集的专家群 * 对策不等于决策, 智囊团或顾问组不能代替决策者

6. 科学与艺术结合 Combine in Science with Art 决策者有艺术的头脑 对策是科学的 * 只靠决策者决定 主观 * 依靠对策决定 客观 * 靠对策与决策者决定 主客观结合 由于竞争多方的复杂性, 具有博弈的性质, 因此, 主客观结合的模式最佳.

7. 决策支持系统 (Decision Support System - DSS) 是在管理信息系统基础上发展起来的一种信息系 统，它不仅为管理者提供数据支持，还提供方法和模 型的可能支持，并对问题进行仿真和模拟，从而辅助 决策者进行决策。

8. 环境决策支持系统（辅助决策） (Environment Decision Support System -EDSS) 环境决策支持系统（简称EDSS），是将DSS引入环境规划、管理、决策工作中的产物。它的主要目的是帮助决策者解决环境问题中常遇到的病态或半结构化的问题。

10. DSS的构造与系统结构

11. 天地人机信息一体化网络 (Outer Space - Geographical Information Integrative Network) DCS GPS 遥感卫星系统（RSS） 遥测卫星系统（RMS） 通信卫星系统（CSS） 对地观测系统 输入（Input） 输入（Input） 辅助决策系统（DSS） 决策层（Policymaker) 博弈模型（GM） 环境 工程 管理信息系统（MIS） 规划模型（PM） 管理层（Manager） 地面数据（GD） 环境专家系统（EES） 专家层（Expert） 遥感信息系统（RSIS） 地理信息系统（GIS） 技术层（Technician） 波谱库 （SB） 影像库 （IB） 图形库 （GB/CAD） 属性库 （AB） 数据库 （DB） 知识库 （KB） 逻辑库 （LB） 地理信息编码模型 （GICM） 遥感信息模型 (RSIM) 虚拟现实 （VR） 人地信息系统 方法库（MeB） 模型库（MoB） 输出（Output）

12. 数据库－环境信息系统 • 是决策支持系统的基础 • EIS空间基础：地球球体－制图介质平面的变换关系，地图投影 • EIS数据组织：地理编码、空间位置、拓扑关系 • EIS数据分析与处理：基于地理编码、空间位置和拓扑关系的各种分析处理 • EIS建模：在EIS环境下对环境演变等进行模拟与预测，从历史数据生成现在或未来的数据 • EIS集成－应用

13. 数据源 数据源 数据源 数据源 中央数据仓库 独立数据集市 从属数据集市 分析工具 分析工具 分析工具 分析工具 分析工具 两种数据集市

14. 用户查询 工具 数据仓库 管理工具 C/S工具 抽取、转换 装载 元数据库 OLAP工具 DM工具 数据建模 工具 数据仓库系统（DWS) 数据仓库系统=数据仓库(DW)+仓库管理+分析工具 关系数据 综合数据 数据文件 当前数据 历史数据 其它数据 源数据 仓库管理 数据仓库 分析工具

15. 全球定位系统（GPS） • （1）美国国防部GPS系统的组成：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。 • （2）俄罗斯的GLONASS系统 • （3）国际海事卫星组织的INMARSAT系统

16. 全球卫星定位系统（GPS）组成 • 空间卫星系统 • 6个等间隔轨道上的26颗卫星 • ｄ码 ：p码 c/a码 • 4两种载波:11 12 • 地面监控系统 • 五个监测站 • 一个主控站 • 三个注入站 • 用户接收系统 • GPS卫星接收机（天线单元、接收单元） • GPS数据处理软件

17. 全球卫星定位系统（GPS）作用 • 用于军事物流 • 用于铁道、空运、汽车定位

18. 网络 GPS • 网络GPS是指在互联网上建立起来的一个公共GPS监控平台，它同时融合了卫星定位技术、GSM数字移动通信技术以及国际互联网技术等多种目前世界上先进的科技成果。 • 网络GPS免除了自身设置监控中心的大量费用，利用互联网实现无地域限制的跟踪信息显示，通过设置不同权限做到信息的保密。

19. 网络 GPS的特点 • 功能多、精度高、覆盖面广 • 定位速度快 • 信息传输采用GSM公用数字移动通信网，具有保密性高、系统容量大、搞干扰性强、漫游性好、移动业务数据可靠等优点 • 开放性高、资源共享

20. DDN 信息系统 GSM数字移动通信网　 车载单元 GSM通信机 GIS 网络 GPS的工作流程

21. 模型支持 • 模型库技术要求为存储量小，组合方案多。与建模者的素质要求相矛盾。 • 决策问题难以预见性，不可能预建完整的模型。建模过程与决策过程相伴随。 • 建模支持的目标：使决策者成为建模者。 • 建模支持的方法：通过对模型的有序管理和对决策者的训练和启发，将其领域知识转变为模型。

22. 模型分类及其描述方法 • 模型是客观事物在建模者主观认识上的反映。 从建模支持的角度看模型的分类。 管理 形式 基本 模型 启发 存储 空间 特征 关系 建模 以多维基本特征坐标构成形式空间，进行模型分类管理。 以基本特征形成模型间的关系纽带，进行建模启发。

23. 模型分类及其描述方法 • 特征变量可分为：定类、定量、结构化图序集。 • 其中定类变量为无序变量，定量变量为全序变量，结构化图序变量可分有序与无序。 例： 有序关系形成粗化与细化 的启发，无序关系形成类 比启发。宏观与微观，定 性与定量均是粗、细化关 系。 图形 有 细 多边形 卵形 序 化 三角形 四边形 圆 椭圆 正三角 直三角 矩形 棱形 无序

24. 建模方法 • 建模的理想方法：分析问题概念集（论域）内的全部元素的变化规律，及它们之间的关系，并描述之。 • 建模的实用方法： 分析问题的若干典型元素 假设（默认）模型（建模启发） 更新模型。 • 启发式建模方法：模型由若干算子（元模型）组合而成，算子的可用条件为P（前提）。 启发规则：IF 现问题状态结构与P相匹配， THEN 应用算子OP，并将其变量限于B（定义域）。

25. 建模方法 • 启发最终成立的判断准则：可否达到最终目标 • 对问题求解器的一般化讨论 ： 模型是对复杂对象的简化描述，简化必存在前提条件，即作假设前提的匹配；在满足前提的情况下进行模型搜索选择，即作输出输入的匹配。 输出输入匹配过程可有下述情况：

26. 建模方法 输出输入匹配过程可有下述情况：

27. 模型库及其管理系统 • 随着应用模型的需求量不断增大，为了更有效地管理和使用模型，提出了模型库系统的概念。关于模型的管理经历了以下三个发展阶段： • 第一阶段：模型＋数据 • 第二阶段：数据库系统　　　模型软件包 • 第三阶段：模型库系统　　　数据库系统

28. 模型库及其管理系统 • 第一阶段的特点是模型和数据无公用性，使模型的应用受到很大限制； • 第二阶段以数据库系统的引入为特点，但缺乏对大批模型的有效管理，不利于用户选择自己需要的模型； • 第三阶段实现了数据库和模型库两者之间的通讯，减少了模型存储的冗余度，为模型的操纵提供了良好的环境，使模型应用的灵活性大大加强。

29. 模型库及其管理系统 • 通常认为模型库系统是由模型构件库、应用模型库、模型库管理系统及综合环境这四部分组成。

30. 知识表达 • 知识表达方式与知识类型有关，为此，知识分类成为需研究的问题。这里仅对目前常用的几类作点说明。 • 就知识的存在形式而言，有二大类，一类是未经总结以一些具体的事例的形式分散存放于头脑里或记录在某种媒体上。另一类是通过总结加工以某种特定的规范形式较为集中地存放于某些专家的头脑里或特定的文件中，这个特定的规范形式可以是规则、公式、格式化文本、标准化图形等。 • 有较多的知识是描述各种概念间的关系，而根据关系类型的不同又可把知识分为从属关系、因果关系、动态时序关系等。

31. 格式化文本型 • 框架 • 知识规模较大并具有固定的组织形式，就以一通用的数据结构存储起来，这个数据结构称为框架。通常以框架名—槽名—值结构表示。其表示形式如下： • PERSON frame • PROFESSION slot • HEIGHT • WEIGHT • (a) • JOHN frame • PROFESSION programmer • HEIGHT 1.8 (米） • WEIGHT 75 (公斤） • (b)

32. 格式化文本型 • 框架 框架结构形式灵活，表达事实（概念）的从属关系，可用于多事实的组合。 其特点是： • 1，知识深化表达：多重、分层、嵌套、因果性强。 • 2，结构化组织：父子继承、相对独立、模块化、易扩展。 • 3，自然：拟人化存储。

33. 面向对象的知识表示 面向对象方法学是近年来发展很快的软件技术，它的基本思想是： • 1，世界由“对象”组成，对象是属于某“对象类”的元素，即事物、事实或概念。 • 2，每个对象类都定义了一组“方法”，可视为可作用于该对象类的各种“操作”，操作被称为：送一个“消息”给某对象。 • 3，对象之间除了互递“消息”外无其他联系，一切局部信息和实现方法都“封装”在类内。实现模块化，类间联系少。 • 4，对象类按“类”“子类”“超类”构成层次关系，称为属性“继承”关系，引进了递归概念。。

34. 谓词逻辑 • 知识处理的方法很重要的是进行逻辑处理，即把概念间的逻辑关系表达出来，并运用逻辑关系进行推理，处理的数学工具就是数理逻辑，特别是一阶谓词演算，Prolog就是一种用逻辑进行程序设计的语言。

35. 产生式规则 • 产生式规则是目前应用极其广泛的推理工具。用于表示推理知识。其组成为： • 1，规则库：R#： IF RLS THEN RRS • 其中RLS为子句的逻辑组合。RRS为结论或一种操作。 • 2，当前数据库：CL：存放事实和推理的结果。 • 3，推理机：完成“匹配—冲突消解—操作”这一过程。其算法为： • （1），RLS与CL匹配，产生触发产生式，标明记号。 • （2），若触发产生式多于一条，先去掉其操作部分使CL产生重复符号的触发产生式的记号。 • （3），若不存在有标记的产生式，则退出；否则，选序号最低的产生式执行操作。 • （4），清除产生式记号，转（1）。

36. 知识表示的神经元网络方法 神经元网络方法的特点是： • 1，分散存储方式。信息分散存于各神经元中，具有较强的鲁棒性和容错性。 • 2，知识获取的样本化。以实际中产生的样本为信息来源，通过样本学习自动归纳成知识，避免了知识采集的困难。 • 3，信息传送的并行化。避免了符号处理的串联运行缺点。 由此可见，神经元网络在一定程度上克服了产生式规则的不足。

37. 区域旅游业发展决策支持系统的设计 • DSS系统分析 • DSS系统初步设计 • DSS系统详细设计 • 程序编制 • 集成

38. DSS的系统结构 前面介绍了DSS的各个构件，那麽，从软件组织的角度来看，它们是怎样联系起来的呢？下面介绍各种方案。 一、三角式结构 用户 对话管理 数据库 模型库 数据管理 模型管理

39. 二、串联结构 用户 和三角结构相比，省去了一个接口，但要求模型库管理的功能要强一些。 对话管理 模型管理 数据管理 模型库 数据库

40. 三、融合式结构 • 其特点是：数据库管理被融合在模型库管理之中，二者之间互不独立。模型管理建立在数据管理的基础上，数据管理嵌入在模型管理之中。模型和数据维护都统一由数据库管理系统来实现。缺点是：可移植性差，模型对数据库管理的依赖性太强。见下图：

41. 型 模型库 数据库 管理 数据库 管 模 用户 对话管理 理

42. 四、以数据库为中心的结构 • 与融合结构的区别在于增加了一个“模型管理接口部分”，由这个接口把各种具体数据库管理系统的功能转换成一个统一的标准调用接口，供各个模型使用。避免了各个模型对数据库管理系统的依赖。见下图：

43. 型 型 模 型 数据库 部 分 管 理 数据库 模 库 模 管 管理系统 接 口 理 对 话 管 理 用户

44. 五、四库功能的系统结构 • 这个结构是一种初级的智能DSS。由于增加了知识库及相应的推理系统，使DSS对决策支持的能力大为增强。该系统的推理是一个准专家系统。见下图：

45. 用户 人机界面 信息服务 科学计算 决策咨询 数 据 库 模型库 方法库 知识库

46. 六、智能DSS的结构 • 最典型的智能DSS由三个子系统组成，即LS、PPS、KS。 这种系统又称为3S系统。其结构如下： KS 数 据 库 LS PPS 模型库 用户 知识库

47. DSS的体系结构与分析 一、DSS体系的分析 • DSS体系，包括如下5个要素：环境、功能、系统部件、部件布局、资源。 1.环境 • DSS的环境是指DSS边界以外的实体和条件的集合。所谓边界，是指系统能够控制的最大范围，边界以外的实体可以受系统的影响，但不受其控制。 • 一般来讲，DSS的边界是清晰的。狭义的DSS仅指辅助决策使用的计算软件和硬件；广义的DSS也把人包括在其中，指决策分析的整个人-机系统。

48. 2.功能 • 功能是评价DSS的一项基本指标。判断DSS好坏的一个重要依据是看它是否满足了用户的要求。所谓DSS的功能是指它能对环境产生什么影响，系统应提供什么样的服务。其目标是什么。 3.系统部件 • 系统部件，是系统边界以内一些可以区分的要素。一般来说，系统部件代表系统的某种功能模块或模块组合。任务划分和环境部分的具体化是定义系统部件的两个基本出发点。前者关系到系统执行特定任务的能力，后者关系到与环境特定方面的接口能力。

49. 4.部件的布局 • 布局涉及到部件之间、部件与环境之间的关系与联系。确定部件的布局所考虑的一个基本问题是协作与自治之间的平衡。一般来说，最好使部件的相关性小一些，但是系统作为一个整体又要求各个部件相互配合来实现特定的功能。 5.资源 • 系统资源是构造和运行系统时所消耗的要素。和环境的概念不同，它们可以在系统边界之外，也可以在系统边界之内。 • 系统边界之外的资源称为外部资源，如人、原材料、资金、工具等；系统内部的资源称为内部资源，如软件、硬件、模型、数据等。

50. 需求分析 概念设计 设计过程 逻辑设计 物理设计