1、决策支持系统,河海大学商学院,主讲:刘钢,2,第四章 决策支持系统中的模型库,学习目标了解模型库系统基本结构、作用了解模型常用类型和常见的决策模型正确认识模型在计算机中的表示方法和存储形式了解模型字典的作用理解模型管理系统的作用,3,4.1 模型库系统概述,4.1.1 模型库系统在DSS的作用地位模型库系统在DSS中占有重要地位。管理者使用DSS不是直接依靠数据库中的数据进行决策，而是依靠模型库中的模型进行决策。数据库是为决策提供数据能力或资料能力而模型库则是给决策提供分析能力的部件，它给决策者以通过推理、比较、选择来分析解答整个问题的能力。因此，可以认为，DSS是由“模型驱动的”。,4,4.
2、1.2 模型库系统 的构成,模型库系统由模型库、模型库管理系统和模型字典三部分组成。,5,4.2模型库,4.2.1 模型及特点模型是以某种形式（如数学表达式、工作流程）对一个系统的本质属性的描述，以揭示系统的功能、行为及其变化规律模型的建立是一项高技术的活动，需要领域专家、知识工程师的协助，并根据决策系统的性质、环境，吸取相关学科的技术，进行理论抽象和实践。而模型的计算机实现又需要数值计算和计算机编程知识。,6,4.2.1 模型及特点,模型的特点 ：1模型是现实世界的抽象2使用简单3节约时间4降低费用5运用模型便于进行灵敏度分析6模型有助于学习和练习,7,4.2.2 DSS建模的基本知识,建模
3、包含的主要问题有问题识别和环境分析、变量识别、预测、多个模型应用、模型类型、模型管理以及基于知识的建模。 （1）问题识别和环境分析通常应当分析问题域的范围以及环境的影响和动态性，同时有必要识别组织文化和企业决策过程（谁做决策，集中程度等等）。 （2）变量识别 模型变量（决策变量和其他变量）及其关系的识别很重要，影响图有助于模型变量及其关系的识别 .,8,4.2.2 DSS建模的基本知识,（3）预测由于应用模型得到的决策通常在将来才实现，因此预测是模型构造和操作的基本工作。（4）多个模型 DSS可包括多个模型，甚至有十几个模型，其中每个模型可用于分析决策问题的不同部分。有些模型是标准的，并且已包
4、含在DSS生成器和工具中；其他模型也是标准的，但不是已包含在生成器和工具中的函数，而是单独的并能与DSS接口的软件。（5）模型类型由于模型库具有动态性和组合性，而实现的基础是将模型集合理地分类。,9,4.2.2 DSS建模的基本知识,（6）模型管理为了维护模型的完整性和可用性，类似数据管理必须由进行模型管理。（7）基于知识的建模DSS主要使用定量模型。而专家系统在应用中使用定性的、基于知识的模型，可以求解的模型必须有某些知识，这些模型决定了系统可提供的分析能力。一些通用DSS中常用的模型如下图.,10,11,4.2.3 模型的建立过程（建模过程）,举例： 有一个餐厅在决定自己的今后发展计划时有
5、三种方案：（1）维持现状；（2）小规模发展（如装修内部）；（3）大规模发展（扩大餐厅经营面积，增加经营品种和规模）。而每一种方案可能带来的利益分别为20万元，40万元和70万元。在这种情况下，餐厅经理当然选择收益最大的方案。但如果需要考虑风险情况，就不能立即决策，而需要建立一个风险性的决策模型。考虑一个影响决策的自然状态集合=1，m，这里各自然状态j出现的概率是已知的。对于任一种方案因自然状态的不同可能产生多种结果。在上面的例子中，影响方案选择的自然状态为：（1）在餐厅附近有一个竞争对手出现（概率为02）；,12,4.2.3 模型的建立过程,（2）附近将新建一条高速公路，因此经过餐厅的汽车今后
6、将大大减少（概率为03）；（3）情况不变（概率为05）。此时，根据各种自然状态和在三种方案下的不同收益，构造一个损益矩阵如表4-1所示。采用简单的期望值计算，可以得到：方案“维持现状”的期望值是20051003=7，而“小规模发展”是17，“大规模发展”是9。因此，可选择小规模发展。注意我们采用的是期望值计算法，如果采用其他的计算方法，将得到不同的选择结果。,13,4.2.4 DSS中模型的要求和作用,1、对模型的要求对模型的要求实际上是一个包括制定管理决策的类型和形式的基本问题 .建立模型的环境是由：问题的特性、决策者的类型、建立模型的资源和机构组成的。,2、模型的作用1）直接用于制定决策。
7、2）对决策的制定提出建议3）用来估计决策实施后可能产生的后果,14,4.2.4 DSS中模型的类型,1）图标模型是系统的物理复制，一般是原型的缩小或放大。如汽车模型、照片、楼盘的图示2）模拟模型比图标模型抽象，用符号表示现实系统，常为二维表或图形。如：用树状图或组织图表示组织结构、权限、责任用不同颜色表示地图上的不同目标用股票走势图表示股票价格的变动机器或房屋的蓝图3）定量模型,15,4.2.6 模型库中模型的组合关系,1.在逻辑上模型库应是各种模型的集合；在软件内容上，则由许多计算机内的程序模块组成。当需要时,模型程序模块可通过多种方式组合成所需要的各种模块.,16,2.三种类型的程序模块,
8、(1）零件型的模型程序模块（或称零件型模型）:这种模块是指可以调用方法库中的方法或数据库中的数据的模型程序模块。（2）部件型的模型程序模块（或称部件型模型）:这种模块是指可以调用零件型模型，同时也能调用方法和数据的模型程序模块。（3）框架型的模型程序模块（或称框架型模型）:这是决策模拟过程及决策估计过程的描述模块，它可以调用部件型模型、零件型模型、方法与数据 .,17,4.2.7模型在计算机中的表示方法和存储形式,1模型的程序表示传统的模型表示方法都是程序表示。包括输入、输出格式和算法在内的完整程序就表示一个模型。模型的程序表示方法适用于描述结构化的计算模型,18,2.模型的数据表示,模型的数
9、据表示就是通过数据的转换来研究模型。模型可描述为由一组参数集合和表示模型结构特征的数据集合的框架。输入数据集在关系框架下进行若个关系运算，得出输出数据集。这样，模型运算就可转换为数据的关系转换。模型的数据抽象可表示范围比较宽的经济学模型和优化模型。,19,3.语句表示,用某种语言把模型写成语句集。这些语句通常应有严格的顺序和从属关系，语句集不宜太大 .语句模型具有更大的灵活性，但功能比较单一。,20,4.模型的逻辑表示,模型不仅表示了它的输入输出之间运算关系和数据转换关系，同时还确定了输入输出之间的逻辑关系。 模型的逻辑表示对于描述含有定性、定量、半结构化和非结构化的决策模型具有十分重要的意义
10、。,21,4.2.8构建模型的常用方法,分析决策问题的方法按照一定模型框架，结构化地描述影响决策的各种要素的模型。影响图可直观描述决策要素之间的关系，适合复杂决策，但不易表示决策结果的计算过程决策树可直观描述决策过程和对决策结果的计算，不适合复杂决策决策表,22,1. 决策影响图,用图形符号表示矩形：决策结点椭圆：选择性结点结果结点：圆角矩形基本风险决策不完全的信息决策顺序决策,23,2. 决策树,用图形符号表示矩形：决策的开始圆：变化的事件要求:决策者只能从由分支表示的所有选项中选择一项；每种随机方式都必须有一组互斥且完整无遗漏的结果与之对应；一棵决策树代表着决策者可能走的所有路径从决策发生
11、的时间序列来考虑这个模式是非常有用的,投资,24,决策树案例,匹兹堡发展公司（PDC）购买一块地作为一个新的高档楼群的地址。该地点地理位置优越，居民可以欣赏到匹兹堡市区以及金三角的优美景色。PDC初步将每一楼房单元的价格定为30140万美元。 PDC已初步确立了三种规模的预期建筑草图。小规模30幢大厦的；中规模60幢大厦的；以及大模型90幢大厦的。对楼群的需求有强需求、弱需求两种情况，这是不确定的。,自然状态（单位：百万美元）,强需求s1,决策方案,小规模公寓群d1,中等规模公寓群d2,大规模公寓群d3,弱需求s2,8,14,20,7,5,-9,25,用决策树法确定最佳方案,26,结论：方案d
12、3的期望收益值最大，选择决策方案d3 。,用决策树法确定最佳方案,27,3. 决策树和影响图的比较,决策树能反映问题细节具体反映和精确分析特定的概率和输入值影响图可表示更复杂的问题；在解决问题的构造阶段和大问题的表示方面更好需要其他人交流模型的总体结构时，更好二者经常结合起来使用，也可相互转化,28,课堂练习,2人一组每组提出1个决策问题，用决策树模型表示决策过程预测决策过程中的每个选择性结点的发生概率，计算预期币值EMV在纸上编号：学号后三位+学号后三位全班传阅，选出最佳的决策问题和决策模型,29,4.2.9模型库的内容及分类,模型库中存储的模型按照模型求解的方法，可把模型分为模拟方法类、规
13、划方法类、计量经济方法类、投入产出方法类和启发式方法类等，其中每一类又可分为若干子类，如线性规划方法类又可分为线性规划或非线性规划、单目标或多目标规划等。其分类如下:,30,模型的分类,1.模型按照经济内容的分类预测类模型：如产量预测模型、消费预测模型等：综合平衡模型：如生产计划模型、投入产出模型等；结构优化类模型：如能源结构优化模型、工业结构优化模型等；经济控制类模型：如财政、税收、信贷、物价、丁资、汇率等对国家经济的综合控制模型等。,31,模型的分类,2.从模型库结构设计的分类从模型库结构设计的角度，可以把模型分为单元模型（ unit model）和“决策支持模型”两类。单元模型指只具有单
14、一功能的“小模型”，而“决策支持模型”则是由这些单元模型结合而生成的，处理决策支持问题的更大的模型。 单元模型有通用单元模型和专用单元模型之分。通用单元模型是最基本的具有一般功能的模型，这些模型可以事先建立于系统，并通用于各个领域。与通用模型单元相对应，有些单元模型只适用于特定问题领域，称之为“专用单元模型”。,32,3.从模型支持决策活动来分类,（1）规划模型如线性规划模型、非线性规划模型、排队论模型和目标规划模型等，这类模型适用于作业场所的布局、作业顺序的安排、生产能力与资源的匹配、工艺过程的计划安排等方面。例如铁路调度运营计划的编制等。（2）推理模型如演绎推理模型、归纳推理模型、类比推理
15、模型、文法分析模型等。这类模型可用于事故原因的推理分析、景物分析识别、分类等方面。例如铁路交通事故分析、故障诊断等方面。,33,3.从模型支持决策活动来分类,（3）分析模型盈亏平衡分析、数理统计分析模型、价值分析模型、趋势分析、投入产出分析、随机序列分析模型等。这类模型可用于经济计量分析、设备分析、质量管理、产品检测等方面。如铁路营运管理等。（4）预测模型如回归预测方法、确定型时间序列预测、随机时间序列预测、概率预测（马尔可夫过程、蒙特卡洛模拟预测）、经济生命周期预测、相关分析方法、趋势平移法、指数平滑法、交叉影响分析法、先行指标分析法等。这类模型可用来预测生产经营规模、市场趋势和新产品发展方
16、向，辅助决策者制定行业技术发展政策和制定战略规划。例如铁路路网规划等。,34,3.从模型支持决策活动来分类,（5）模拟实验模型如博奔论、库存模型、排队论、蒙特卡洛法、系统模拟法、因素分析法、灵敏度分析法等模型。这类模型可以用于产品设计、设备更新、市场预测、物资管理、运输计划、分析企业活动过程等方面。例如铁路车辆设计，线路改造持西等。（6）优化模型线性规划、动态规划、搜索论、梯度法（最短路径法）、多目标规划、投入产出分析、概率分析法、价值分析法、决策树法等。这类模型可以用于运输计划编制、投资效益分析、产品性能结构设计、物资分配、优选工艺过程、生产计划管理中。例如铁路选线、项目投资管理等。,35,
17、3.从模型支持决策活动来分类,（7）评判模型 专家评判法、模糊评判法、投入产出分析、分配模型、主因素分析法、层次分析法、计划评审PERT技术、加权分析法等。这类模型可用于经济效益分析、投资效益分析、新方案的比选、作业过程分析中。 （8）综合运筹法 利用综合分析提供多种可供选择的方案，以提高决策的效果，加深对事物的理解。如运输综合方式的协调配合、综合效果分析等。,36,3.从模型支持决策活动来分类,此外还可以利用顺序模型、分配模型、指派模型、竞争模型、试探方法、行为方法、效用函数等方法、手段，为决策者创造一个较完善的集成操作环境，决策者利用模型的参数、变量与约束条件，去考虑决策问题。许多实际的决
18、策活动是以上几个方面的某些综合，模型库为决策者提供了支持这些决策活动的模型方法，以调节和修改用户的主观判断。,37,模型库的分类,（1）通用模型库 这类模型库的模型建立和编制均由用户完成。系统仅仅提供宿主语言和各种高级语言、专用语言和一些模型的求解方法，其结构如图所示。目前流行的交互式财务计划系统（IFPS）就是属于这种类型的模型库。,38,模型库的分类,（2）专用模型库这类模型库是专为某些决策或决策者设计的，用户并不创建模型，而是引用库中已有的预制模型，如图所示。由图可知，模型驱动程序和数据存取程序从用户和数据库两个方面收集信息。,39,模型库的分类,（3）智能模型库由模型的基本组件、问题识
19、别器和形式化机制等组成。用户只需给出对问题的陈述，系统就能自动识别问题，进行模型的形式化和模型的建立和分析。这种系统目前尚处于研制阶段。,40,4.3 模型字典与模型库结构,4.3.1模型字典模型字典用来存放有关模型的描述信息（如限制、约束、参数模型等）和模型的数据抽象。例如：l）模型的内容；2）模型的功能和用途；3）模型的编码；4）模型在模型库中存放的位置；5）模型来源、出处；6）模型的变量数和维数；7）模型使用的算法程序及在方法库的位置 等。所谓模型的数据抽象是模型关于数据存取的说明模型字典中有关模型模块的详细说明可作为用户和系统人员查询模型库内容之用。,41,4.3.2 模型库结构,1.
20、 模型库结构 模型库是通过模型字典组成起来的模型集，结构体现在模型字典上。模型字典MD（Model Direction）结构如下： MD=CL,SUBCL，ORD，TYPE，NAME，VAR，HELPN式中CL主类，与问题的子类相对应（见下页）； SUBCL子类，各成员模型库子类可不同（见下页） ； ORD序号，在子类内排序； TYPE型，即程序型数据型语句型； NAME模型名，也是访问名，以便利用操作系统文件管理进行存储管理； HELPN使用说明包括功能、性能、用法，是一文本文件名； VAR变量表名。,42,4.3.2 模型库结构,2. 模型字典MD结构的说明（1）MD不仅建立起模型集的结构
21、，而且建立起模型与数据库的映射关系。 （2）模型库分布在各节点机中而不是集中在服务器里，CL和SUBCL承担子目录的角色，以便利用操作系统的文件管理建立简洁的层次目录。,43,4.4 模型库管理系统（MBMS）,4.4.1模型库管理系统概述模型库管理系统是为生成模型和管理模型提供一个用户友好环境的计算机软件系统。用户可以通过模型库管理系统灵活地访问、更新、生成和运行模型。模型库管理系统使模型的适用范围拓宽，从而使决策者能方便地使用模型；同时它还要为决策者提供将现实问题抽象成模型的工具。所以可以说模型库管理系统是联系决策问题、数据与模型的桥梁。,44,4.4.1模型库管理系统概述,模型管理比数据
22、管理更加复杂其原因（1）目前市场上还没有较强功能的MBMS软件包 ；（2）很多模型类型没有类似数据的数据结构（如关系、层次、网状和面向对象的数据结构） ；（3）某些MBMS功能（例如选择使用的模型和决定插入的值）需要专门的知识和推理功能 。,45,4.4.2 模型库管理,模型库管理系统依据模型字典实现构模、模型存取和模型运行管理，其结构如图所示。其中，外部数据库是其他节点的数据库，内部数据库是本节点的数据库，故分别为单向和双向询问。,46,4.4.2 模型库管理,1. 构模管理构模管理是为用户构造和产生模型的支持机构，主要是提供一种模型定义语言MDI，支持用户实现模型生成，模型连接和模型重构。
23、（1）模型生成：如用户可在文本编辑状态下建立一个模型，又如利用矩阵生成器，只要给出一些数据，系统自动生成线性规划模型。 （2）模型的连接：进行子类中具体模型的连接，类似于批处理语句。（3）模型的重构：当模型的基本结构发生变化后，对模型重新定义。,47,4.4.2 模型库管理,2模型库存取管理模型存取管理类似于数据库的数据存取管理，实施模型的装人、修改、删除、更新和查询。在模型库管理系统的支持下，用户可以根据模型名称、建模方法或模型经济功能等多种分类路径，存取所需的模型。,48,4.4.2 模型库管理,3模型的运行管理运行管理包括运行条件的检查和运行监控。具体内容主要有以下几项： 运行前的条件准
24、备。 与方法连接。 与数据连接。 对模型进行组合。 模型的运行控制 .,49,4.4.2 模型库管理,4模型的组合模型的组合包含两个问题：一是模型间的组合在模型的基础上进行顺序、选择、循环的组合。模型可以独立运行，又能作为组合模型的一部分。对模型的组合能完成组合决策或综合决策，达到复杂问题辅助决策的目的。一是模型间数据共享和传递是组合模型的配套要求，只有达到各模型间数据共享和数据传递，才能使组合模型成为一个有机整体，而且也能减少数据的冗余和实现数据的统一管理。,50,4.4.3 模型库管理系统的语言体系简介,模型库管理系统语言体系应该分为模型管理语言MML、模型运行语言MRL和数据接口语言DI
25、L。 1.模型管理语言MML要求完成对模型的存储管理以及对模型的查询和维护。 2.模型运行语言MRL要求完成对单模型的调用、运行以及支持模型的组合运行。3.模型对数据库操作需要接口。一般模型程序是由数值计算语言来编写的，不具有数据库操作功能，只有通过模型程序和接口语言 相联结才能达到模型操作数据库的能力。,51,4.4.4 模型库管理系统的结构,设计新一代模型管理系统应考虑三种类型用户(决策者、建模者和工具用户)，为此把它分成三个不同层次，因而模型管理系统的结构也包括三个层次：外部层：1.外部模式逻辑层：2.逻辑结构管理物理计算层：3.物理计算管理其结构如下：,52,53,1.外部模式管理,模
26、型管理系统的外部层是管理模型的外部模式，模型的外部模式是输入到输出映射（变换）的抽象表示，所关心的是，在一定输入情况下，可能产生的输出。对于外部模式库，可用如下两个关系来表示模型： Input（模型名，输入名） Output（模型名，输出名）,54,例如，有一个模型 GROSS PROFIT，它计算销售毛利：,SALES=PRICE*QUANTITY COST0.5*QUANTITY SALE GROSS PROFIT=SALRSCOST 其外部模式可表示为： Input（GROSS PROFIT，PRICE） Input（GROSS PROFIT，QUANTITY） Output（GROSS
27、 PROFIT，SALE GROSS PROFIT）,55,1.外部模式管理,外部模式管理一般由以下4个部分组成：(1)与决策用户的接口。其功能是，接受决策用户使用模型及其输入、输出的要求，输出结果及显示模型的说明信息。 (2)模式管理。其功能是，分析使用模型的要求，形成相应管理命令及数据，进行外部模式的管理。(3)与模型的接口。其功能为：将外部模式的命令、数据转换为调用相应逻辑结构的命令及数据。(4)与数据库的接口。其功能是，根据外部模式有关数据的要求，转换成检索数据库的相应命令，将数据提供给运行模型之用。,56,2. 逻辑结构管理,逻辑结构管理模型，它把模型的各元素合理地组织起来，由外部摸
28、式调用。模型的逻辑结构反映了模型中引用的计算工具之间的逻辑关系，逻辑结构存放于模型库中 。 对这层的处理，需两种语言来支持：模型定义语言（MDL）和模型操作语言（MML）。MDL定义模型的每个组成部分如模型名、输入要求、输出数据、工具和其它相联决的模型；MML用于描述对模型的操作，如建立、存储、修改、增加、删除、联接、使用等。例如模型逻辑结构的形式之一如下：,57,2. 逻辑结构管理,Name:（模型名） Output:（输出名），.，（输出名） Input：（输入名），（输入名） Tool：（工具名），（工具名） Model：（模型名），（模型名） BEGIN USE（工具名） IF THE
29、N Link（模型名） ELSE USE（工具名 ） END,58,例如：上例简单模型GROSS PROPIT的逻辑结构如下：,Name： GROSS PROFIT Output： SALE GROSS PROFIT Input： PRICE，QUANTITY BEGIN SALES=PRICE*QUANTITY COST=05*QUANTITY SALE GROSS PROFIT =SALESCOST END,59,3.物理计算管理,物理计算管理层是指模型中所用到的工具的具体实现，即相应程序（机器代码），可把每个工具看成是独立的模块或一个子程序。模型建立者只须一条命令USE就可使用它们，这些
30、工具可存放在工具库（即方法库）中。物理计算管理一般由如下3部分组成：(1)与工具用户接口。其任务是接受工具用户建立工具的有关要求，输出或显示工具建立、运行情况的信息。(2)工具管理。其功能是将新的计算工具存于工具库，并对工具库进行管理，还对高级语言提供调用接口，以便工具的编译、调试。(3)与模型的接口。其任务是接受调用命令。,60,4.4.5 模型库管理系统的功能,（1）控制。需要为DSS的用户提供一些控制功能，系统应能提供完全自动和手动的模型选择，这对于用户应用是很有用的功能，还可以引入用户的主观信息。（2）灵活性。DSS用户可以用一种方法完成求解的部分工作，然后，如果用户愿意或需要，则能用另一种方法完成求解的其他工作。（3）反馈。DSS的MBMS应能提供足够的反馈信息，使用户能够知道任何时候问题求解的状态。（4）接口。DSS用户由于应用MBMS，而能很方便地使用模型。（5）减少冗余。用户可以共享模型，并减少冗余存储。（6）一致性。多个决策人可以使用相同的模型，并减少由于使用不同的数据和不同版本的模型所引起的不一致性。,61,第四章结束,
