国家粮食安全预警决策支持子系统的设计与开发1

国家粮食安全预警决策支持子系统的设计与开发1 北方工业大学 硕士学位 国家粮食安全预警决策支持子系统的设计与开发 姓名:曹明振 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:罗学科;杨方廷 20080510北方工业人学硕士学位论文 摘 要 国家粮食安全预警系统是我国电子政务重点建设工程??宏观经济管理信息系统 即金宏工程中由国家发展和改革委员会承建的子系统之一。本系统的建设目标是: 一方面实现国家粮食安全监测预警工作的电子化、信息化和网络化;另一方面通过与金 宏工程数据共享平台的互联实现各子系统之间的数据与资源共享。 粮食政策的制定对社会的稳定与发展有着至关重要的意义,粮食安全预警决策支持 子系统的主要作用是为粮食安全专家在制定决策时提供相关辅助决策支持信息,使专家 在制定相关政策时做到有据可依。由于粮食安全预警决策问题多属于多目标 非结构化问 题,但计算机善于处理半结构化或结构化的问题,因此如何将非结构化问题进行结构化 描述,以及如何把专家解决实际问题的流程与经验用计算机技术去实现是本文研究的重 点。 模型仿真是解决预测问题经常采用的方法,模型是对现实系统的功能、行为及其变 化规律的抽象,它只关注系统的本质属性与因素,忽略非本质因素,因此模型源于实 际,又高于实际。决策支持系统的另一个重要的作用就是实现的优选,我们将决策 方法按照决策流程通过计算机去实现,从而为专家提供一套能够优选经过格式化描述后 的方案的工具。借助控制系统的反馈理论,用户还要求对已经实施的方案进行评估,以 反映已发布方案的实施效果并做出相应的调整。 在系统设计时,我们不是按照传统的方法将所有的模型固化为一段或几段程序,而 是采用了动态建模的新技术,通过将表示模型的函数关系式存储在关系数据库中,结合 数据库的管理功能从而实现了模型的动态管理与维护,增加了系统的灵活 性。在技术实 现方面,我们采用了技术,不仅能够充分发挥计算机网络的优势,而且还能够 实 现不同平台下的开发与部署,并且提供了良好的人机交互界面。 关键词:粮食安全预警、决策支持系统、、模型仿真北方业大学硕士学位论文 锣 撕 酬 争?吼饥 够 硎 . 锄锄 , 州?, 酬?.细 . 瑚僦锄 姗吐蝴 出、忙撕番 砌, 的,向撕 、池? 、,训朗 锄 蛐 ; 慨 ? 鲫 塔吼町锄够 ?,、析 . 塔碰硒 赋: 毋锄 吐 南如?训妒 】雠锄’ 砷 南 嘶 、, 鲫. 曲酾 删 】帆】】 曲 俩 瑚.锣锄 俩, 烈】 】 培蛐曲 曲删邮锄..佗 ’锄一鲥玛锄 咖锄锄 南 ?既 耐? 枷撕 饥. 恤 】甜 锄, 地 向虹 啊锄’ 缸, 丘. 器锄白锄 ?:.. , 锄劬 哦哦 锄 , .肌.田” 童, ; 州 研【 蚰:弛 ?, 硒舡 锄. 耐 锄’蹴 吼豫既 ?砒 鼢.町 ,仃 : 也 弱 缪 ,、? ?,眦 :’ ’ , ?” 咖销 矾邪 , 【时? . , 咐,眦洲 ..北方工业大学硕士学位论文?伍嬲 觚 ? 南,? 而【衙既 州 啪猢 :刚 锄地撕删删饥 叫血 ,,..独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得垫直王 些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名瘩确扬冬字日期:学年钿/日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大堂有关保留、使用学位论文的规 定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论 文被查阅和借阅。本人授权友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名: 学位论文作者签名:茅碉才秀弋 签字日期:以年角/日 签字日期: 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 电话: 通讯地址: 邮编:北方工业大学硕士学位论文 .项目来源及背景简介 近年来,为了缩小与世界发达国家政府信息化水平的差距,更好的立党为公、执政 为民,提高政府机构的办事效率,我国开始加快政府部门的信息化建设。总的来说,我 国的政府信息化的建设大体可以分为三个阶段:一是世纪年代末期,中央和地方 党政机关开展的办公自动化工程,重点是政府各部门的内网及专网建设;二是 年底启动的“三金工程”,即金桥、金关和金卡工程,重点是基础设施建设,为重点 行业和部门传输数据和信息;三是电子政务,年正式启动的政府上网工程标志着 电子政务的起步。宏观经济管理信息系统即金宏工程即是在此背景下提出的。 金宏工程总体目标是依托国家电子政务网络平台,通过信息资源、信息共享平台、 重点领域业务应用系统和安全保障体系的建设,实现宏观经济管理部门的互联互通和信 息共享;促进宏观经济管理部门问的业务协同与互动,提高业务管理信息化和科学决策 水平;增强政府调控宏观经济、驾驭市场变化、应对经济突发事件、总揽经济全局的能 力;为党中央、国务院及时、准确、全面地掌握宏观经济运行态势提供信息服务。 金宏工程涉及国务院多个宏观经济管理部门,包括国家发展和改革委员会、财政 部、商务部、中国人民银行、国有资产监督管理委员会、海关总署、国家统计局、国家 外汇管理局等。 农村经济管理信息系统是国家发展和改革委员会承担的金宏工程子项之一。是金宏 工程一期工程重点建设的业务系统之一,系统包括农村经济规划编制指标测 算系统、农 村经济监测分析系统、农村水利项目管理系统和国家粮食安全预警系统四个部分。金宏 工程系统结构图如下: 图.金宏工程系统结构图北方工业大学硕士学位论文 国家粮食安全预警系统是农村经济管理信息系统的一个子项,是由国家发改委计 委立项,组织北京仿真中心仿真系统国家重点实验室与多家单位联合开发的一个 项目。北京仿真中心主要是负责预警模型系统建设、运行维护等工作。按照功能模块的 不同,我们又将国家粮食安全预警系统分为数据采集子系统,信息子系统,专家会商系 统与决策支持子系统四部分,数据采集子系统负责与金宏平台共享数据库的互联,信息 子系统负责各类信息的发布,专家会商子系统给粮食安全专家提供了一个在线交流的平 台,决策支持子系统负责为粮食安全专家提供决策支持信息。国家粮食安全预警系统结 构图如图.所示。 图.农村经济管理信息系统结构图 .系统建设意义及目标 粮食安全是关系国计民生与社会稳定的大计,世界上任何一个国家的经济与社会发 展都必须建立在粮食安全与农业劳动生产率高度发展的基础上,这就要求决策者能够从 整体上把握粮食问题的趋势,根据不同社会经济条件下粮食供求的规律,进一步解决好 粮食安全与社会经济发展的关系,为综合国力的提高提供坚实基础和有效保障。 由于粮食系统的复杂性,粮食生产、消费、存储等与自然条件、国内外市场、政 治、经济有着密切的联系。单凭决策者个人的经验,往往很难精确的预测粮食的安全状 态,而且会受到决策专家本人掌握信息的程度、专业知识、决策思想的影响,具有很大北方丁业大学硕士学位论文 的局限性,因此建立一个粮食安全预警决策支持系统是非常必要的。决策支持子系统的 建立一方面是为了响应国家信息化建设,可以提高决策部门的电子化、信息化、网络 化,提高行政部门办公效率,增强决策部门总揽全局信息的能力。另一方面可以把专家 在解决实际问题中的经验与决策科学、计算机技术的结合起来以增加决策的科学性。 粮食安全决策支持子系统的主要建设目标是: 实现中长期粮食安全的预测与预警. 决策支持系统的一个主要功能就是实现对现有数据的挖掘与处理,为决策者提供可 供可以借鉴的、比较直观的数据信息。因此本系统要为决策专家提供粮食安全中长期决 策数据的预测与预警功能。 预测与预警的概念并不完全相同,两者既有联系又有区别。预测侧重于对现有数据 的外向推导,结合不同的算法即可以实现不同模型的预测,预警,简单的说就是通过对 系统运行状况和系统发展态势的调查与分析,对可能出现的问题提前发出警告,使决策 者及时采取对策,解除警患,避免造成灾难性的损失,确保系统持续稳定地发展。根据 预警时间的长短,把一年左右的预警称为短期预警,三到五年称为中期预警,五年以上 为长期预警。两者都是依据历史资料,现实材料对未来状况的描述,但是两者的侧重点 不同,预测只是强调测的功能及其实现,预警则是在预测的基础上,对预测结果的再加 工处理。 实现对历史数据的查看与分析 如果说预测与预警报是对未来状态的估计,防患于未然,那么对历史数据的分析与 处理就是为了查看并寻找事务的发展规律,找出问题的根源。 实现粮食决策方案的建立、发布、查询与管理 并非所有的信息都是可以量化的,比如对粮食决策方案的描述,一个备选方案的制 定,我们一般要在此方案内容中包含决策时背景资料,采用的手段及方法,目的及意义 等等相关信息,对于这些信息很难在计算机中加以量化表示,即使我们能够从中抽取相 关数据信息进行量化处理,但往往会造成信息的丢失。对此,我们可以借助相关辅助信 息来描述此类信息,比如文字信息。这就需要决策支持系统能够提供一个对这类信息进 行加工处理的平台。 提供决策方案的比较和优选功能 制定的决策方案一方面是为了让专家相互评阅参考,另一方面是让专家借助系统提 供的比较和优选功能在多个备选方案中选择出一个最优的方案。 能够对已实施的决策方案进行评估北方:业大学硕士学位论文 借助控制系统理论,系统的稳定控制是一个从初始的不稳定状态到渐进稳定 的过 程,反馈信息用来反映系统输出的状态,系统根据输出的状态及时调节输入的大小。决 策后评估主要是为了实时监测评估已发布决策方案的实施效果,为决策者提供反馈信 息。 .国内外研究成果及现状 关于粮食安全预警系统国内外许多机构都进行了大量的研究工作,对于粮食生产的 预警,日本,美国,欧共体等发达国家和组织农业政策的核心是解决粮食过剩的问题, 政府每年根据对下一年的市场判断及环境目标和政府财政目标的要求,采取一定的诱导 政策,鼓励农户或农场主增加或减少停耕面积。这与中国存在的粮食供给潜在不足不 同,研究的方向就有所差异,不过国外一些组织也对世界或其他地区的粮食安全问题做 过预测预警研究,其中也包括中国,国内外主要研究成果如下: ..国外研究成果及现状 年,联合国粮农组织已经建立了一个全球粮食和农业信息及预警系统 ,通过收集分析各区域的粮食数据,卫星图片,粮食贸易信息等达到早期预警 的目的【。该系统分阶段报告全球或地区粮食产量短缺情况,提供快捷可靠 的未来粮食 展望信息。钍等为开发了辅助发展中国家政府检查和发现粮食安全问题的粮 食经济模型,模型描述了粮食生产、分配和消费的各个环节及政策环境对粮食生产在各 个环节的流动的影响【】。于年月召开了加强亚太地区国家早期预警和食物 信息系统的工作会议。年建立了粮食不安全和易受害信息及绘图系统??。系 统针对全世界范围内的粮食安全问题,从宏观的角度给出预警信息,对各国政府的粮食 政策提出建议。 .耐定量研究了影响中国粮食产量的主要因素,认 为价格和粮食的定购价格对增加粮食产量几乎无效,并且认为改革开放后乡村一级的地 方政府的粮食决策对粮食产量的变化影响最大【。 美国农业部利用计量经济方法开发了“中国农业预测模型”【】,模型在使用过程中 需要进行大量的参数估计,但实际预测的精度有待改进。他们还帮助印度耗资万美 元建立了一个粮食预警系统。 世界银行预测中国粮食生产将以年均..%的速度增长,年可达..亿 吨,年可达.和.亿吨,年可达.铷.亿吨。 ..分析了世界银行 对我国粮食生产及进出口的预测。认为世界银行做出的中国到年产量将降 低% 的预测是低估了中国粮食的生产、出口、储备能力【】。北方工业大学硕士学位论文 其他的还有: 年,美国“世界观察研究所所长,著名学者莱斯特布朗对中国粮食供求 的预测是最悲观的,从“耕地消失,生产率下降,环境破坏等影响预测年中国 粮食产量将从年的.亿吨下降%仅为.亿吨。得出世界将无法养活中国的 结论。 日本海外合作基金会对于中国未来的粮食产量同样持悲观态度,预测中 国粮食产量年均增长速度只有.%,到年粮食产量只有.亿吨,年只有 .亿吨。 年欧盟委员会资助建立了马拉维粮食安全预警信息系统。系统主要面向如何 解决非洲国家饥荒问题的粮食安全浅层次的问题。 ..国内研究成果及现状 粮食产量的预测在粮食课题的研究中通常是必不可少的,国内许多部门和专家对粮 食生产做过有意义的预测,有些还针对供给系统建立了专门的粮食产量预测系统。 中国气象科学研究院开发了“我国粮食产量综合预测系统。该系统由终端用户接 口,数据库系统,模型库系统,图形库系统,工作空间五个部分组成。系统的预测模型 包括气象预测法,社会经济因子预测法,气象和社会因子综合预测法以及模型预测集成 法。该系统的特点是所提出的综合预测模型同时引入了影响产量的变化的气象因素和社 会因素。 中国科学院建立的“中国农情遥感速报系统”包括作物长势监测、主要作物产量预 测、粮食产量预测、时空结构监测和粮食供需平衡预警五个子系统。监测范围从 年的中国东部逐步拓展到全国,年开始开展全球性农情遥感监测,包括北美、南 美、澳大利亚、泰国的作物长势、粮食总产和水稻面积估算。 黑龙江省建立了“产量预报年景分析预测系统。该系统利用黑龙江省粮食产量、 气温与太平洋海温资料,创建了三类四大作物单产与总产预报模式包括线性趋势气温模 式,曲线趋势海温模式,线性趋势海温三种模式,利用这三种模式进行粮食产量的年景 分析预测及粮食单产与总产的中、短期预报【】。 从上个世纪年代我国经济预警刚刚起步,国内一些专家学者也陆续出版了一些 与农业预警相关的著作,较有影响的有陶骏昌【】主编的《农业预警概论》, 系统的阐述 了农业预警的理论基础、基本原理和方法以及农业系统预警的一般过程;年代中后 期粮食安全与预警系统的研究大大增加,中国农业科学院“九五重点项目《中国粮食 与食物安全保障及早期预警系统研究》系统的阐述了粮食安全与食物保障及预警系北方工业人学硕士学位论文 统的理论基础,提出了粮食安全四种可供选择的模式及中国模式的选择,以及符合中国 国情的粮食安全预警指标体系和警情指标敏感区间。研制开发了个各具特色的早期预 警分析模型。开发了相应的数据库与网络支持系统,建立了种类型的数据库。从总体 上研制开发了中国粮食与食物安全保障及早期预警原形系统。 此外相关研究还有中国人民大学于~年间发表了农业经济预警研究报告; 年农业部市场信息司受委托就中国粮食安全预警及其组织机构与职能运作进 行了分析研究;国内贸易部也在着手进行粮食流通和粮食储藏的预警分析。 近年来,粮食安全、农业生产与农民生活等话题越来越受到政府的关注,在粮食问 题上的研究投入也越来越大,现在多个区域、省市、乃至地方县级单位都进行了诸多关 于生产预测、消费预测、粮食安全预警、存储等方面的研究【羽。在此不再一一详述。 。 .本文组织结构 本文主要在前人研究的基础上,结合目前的技术水平,针对用户需求,采用技术与 理论都比较成熟的模型仿真分析方法与关系数据库技术,结合技术来构建决策支 持系统,兼具了传统决策支持系统的特点,又可以实现分布式的群决策。本文分别从系 统需求、概要设计、各模块详细设计来论述了该决策支持子系统的开发过程,本文组织 结构如下: 第一章为绪论,主要介绍了课题的研究背景、意义、系统建设目标以及国内外研究 现状。 第二章为决策支持系统简介,主要介绍了决策支持系统的相关理论,与管理信息系 统的区别与联系,以及决策支持系统的发展阶段与趋势。 第三章为系统分析,在这一章我们对系统的运行环境以及用户的功能需求进行了分 析,并进行了简单的模块划分。 第四章为系统总体设计,即概要设计,主要包括系统设计原则和思想,系统采用的 关键技术、系统架构设计以及数据库概要设计。 第五章为模型仿真功能模块设计,包括模型的基本知识,系统模型表示方法及运行 机理,各仿真功能具体实现等。 第六章为系统辅助决策模块设计,系统辅助功能包括基础信息浏览、决策方案管 理、决策方案优选以及决策后评估。 最后对课题工作进行了总结并提出了下一步需要解决的问题。北方工业人学硕士学位论文 决策支持系统简介 .决策支持系统的概念及特点 到目前为止,学术界仍没有对决策支持系统给予一个权威的定义。在世纪年 代初期,美国麻省理工学院的 教授首先提出决策支持系统 “一种交互式的基于计算机的系统,该系统 贻,的概念,他将定义为: 能够帮助决策者使用数据和模型解决非结构化的问题【】,,,当时又称为“管理决策系 统”订 锄,。而后又经、、、&以 及趾等人的不断扩展与完善,概括为: “决策支持系统是以管理科学、运筹 学、 控制论和行为科学为基础,以计算机技术、模拟技术和信息技术为手段,面对半结构化 的决策问题,支持决策活动的具有智能作用的人.机计算机系统。它能为决策者提供决 策所需要的数据、信息和背景资料,帮助明确决策目标和进行问题的识别,建立或修改 决策模型,提供各种备选方案,并对各种方案进行评价和优选,通过人.机对话进行分 析、比较和判断,为正确决策提供有益帮助。,,【】后来多位学者与专家又提出了自己 的观点,一致认为决策支持系统是一种“以计算机为工具,应用决策科学及有关学科的 理论与方法,以人机交互方式辅助决策者解决半结构化或非结构化决策问题的信息系 统。 所追求的目标是:不断的研究和吸收信息处理其他领域的发展成果,研究决策 分析和决策过程中所特有的某些问题,并不断将其形式化、规范化,逐步用系统来取代 人的部分工作,以全面支持决策者进行更高层次的研究和更进一步的决策。 决策支持系统建造的主旨在于,它代表着信息系统对半结构化和非结构化决 策提供 辅助的一种不同的方法。它绝不是找出决策的结构并使之完全自动化,而是对各种半结 构化决策过程进行辅助。 决策支持系统强调的关键因素是响应性,即能力指回答重要问题的程度、可 能性即及时提供信息的程度、以及灵活性即适应环境变化的程度。结合 决策支持系统的功能:管理并随时提供与决策问题有关的组织内部信息。收集、管理并提供与决策问题有关的组织外部信息。收集、管理并提供各项决策方案执行情况的反馈信息。能以一定的方式存储和管理与决策问题有关的各种数学模型。北方工业大学硕士学位论文能够存储并提供常用的数学方法及算法。 ?上述数据、模型与方法能容易地修改和添加。 ?能灵活地运用模型与方法对数据进行加工、汇总、分析、预测,得出所需 的综合信息与预测信息。 ?具有方便的人机对话和图像输出功能,能满足随机的数据查询要求。提供良好的数据通信功能,以保证及时收集所需数据并将加工结果传送给 使用者。 决策支持系统的特点对准上层管理人员经常面临的结构化程度不高、说明不够充分的问题: ?把模型或分析技术与传统的数据存取技术及检索技术结合起来;易于为非计算机专业人员以交互会话的方式使用;强调对环境及用户决策方法改变的灵活性及适应性; ?支持但不是代替高层决策者制定决策。 . 与?的联系与区别 肌 决策支持系统与即管理信息系统 两者既有联 系又有区别【。决策支持系统是在管理信息系统基础上发展起来的。是利用 数据库技术实现各级管理者的管理业务,在计算机上进行各种事务处理工作,管理信息 系统借助计算机的帮助实现了办公的自动化、集成化,提高了效率,节约了成本,降低 了劳动强度;与管理信息系统能够提高数据处理速度、提高工作效率的作用不同,决策 支持系统也能够为决策者提供相关决策综合信息,但决策支持系统追求的不是高效率这 个“过程目标”,而是高效益这个“最终目标”。高效率并不等于高效益,只有科学 的、正确的决策才能带来好的效益,否则,在高效率的错误决策只会加重损失的程度。 因此,两者既有联系又有区别。 与的主要联系 ?收集、存储组织机构所提供的大量基础信息,是工作的基础,而 能使所组织和保存的信息真正发挥决策作用; ?需要负担起反馈信息的收集工作,可以支持进行结果检验和评 价; ?的工作可以对的工作进行检查和审计,为的改进及完善指 出了方向。北方工业人学硕士学位论文 ?经过反复使用,所涉及到的一些问题和模式和数据模式逐步明确,逐 步结构化,部分可并入的工作范围。 与的主要区别 ?完成的是例行业务活动中的信息处理任务,完成的是辅助决策支 持活动,提供决策所需的信息; ?所追求的目标是高效率,即设法将事情办得快一些;而追求的目 标则是有效性,既想办法办事情办得可能好些,亦即提高决策的效果; ?的设计是以数据驱动的,而的设计方法是以模型驱动的包括定 量模型和定性模型,模型库管理系统及知识库管理系统是软件系统 的核心:的设计也是用户驱动的,用户应该参加系统开发的全过程; ?的设计思想是实现一个相对稳定协调的工作系统,设计方法强调系统 的客观性,努力使系统设计符合实际情况;而的设计思想是努力实现 一个具有巨大潜力的、适应性强的开发系统,设计方法强调充分发挥人的 经验、智慧、判断力和创造性,努力使决策更加正确; ?趋向于信息的集中管理,而趋向于信息的分散使用;的分析着重体现系统 全局的、总体的信息需求,而的分析着重体 现决策者的信息需要。 综上所述,与是计算机应用的两个不同的发展阶段,两者的设计思 想和工作对象不同,也是人类认识逐步深入的过程。 .决策支持系统的发展趋势 在决策支持系统发展初期,最为常见的就是由提出的两库系统,以及在此 基础上发展而来的库系统。婴提出的两库系统有三个部分组成,他们分别是数 据库及其管理系统,模型库及其管理系统和对话系统,三库结构是在二库的基础上增加 了知识库,目的是提高系统的定性分析能力。四库结构是在三库的基础上增加了方法 库,实现了模型与方法的分立,为模型的生成与组合奠定了基础。五库结构是在四库基 础上增加了文本库,随着图形技术、多媒体技术和自然语言的发展,在五库基础上又增 加了图形、语言等属性,出现了六库和七库结构模式。典型的两库和三库系统结构如图 : 随着计算机技术的出现和迅速发展,的开发技术也正在迅速发展,新一代 主要向以下几个方向发展:群决策支持系统、分布式决策支持系统 、智能决策支持系统、决策支持中心与综合决策支持系统等【烈卜。北方工业大学硕士学位论文 用户咽 用户咽 .两库系统 .互群系统 图.典型的两库、三库决策支持系统 ..群决策支持系统 决策环境复杂度的增加使面向个体的逐渐显示出其局限性,现在多数决策一 般不能由单一的决策者完成,需要多个决策者协作才能做出正确的决定。群决策支持系 统的印 锄,即在此背景下提出来的,它是指多个决策者 通过彼此间的通信和协作产生决策方案,并最终通过协调和评估形成决策。的研 究一般集中在如何实现对群体决策的支持上,包括对群体提供更好的信息共享、交流和 通信渠道,研究群体间的协作机制、意见综合集成等。研究主要基于各种通信技术的发 展,通过网络支持实现电子会议电子投票、视频音频交流等。在群体意见处理和协作机 制方面。 是在的基础上发展而来的,但又不是原有部件简单的组合,两者 有类似之处,都能够实现对决策者的决策支持,但不仅包括信息表达和处理技 术,还涉及通讯、冲突解决、协同计算等计算机技术。随着社会和科学的进步,个人决 策正逐步走向群体决策。 ..分布式决策支持系统 主要用来研究多个物理位置上分离的决策体如何并发计算,协调一致地求解 问题。分布在不同物理位置上的工作单元分别代表一个结点,最终由这些节点构成决策 网络。 研究重点是分布性和并发性,人们在研究、求解问题的过程中发现:大型复 杂系统的求解需要不同专业人员之间的协作才能完成,正是将协作作为一个重要北方工业大学硕士学位论文 的问题求解方法来研究,研究的一个重要原因是某些问题领域的知识和行为在空 间上、时间上或逻辑上本身具有分布性;另一个重要原因是技术可将大型复杂问 题分化成多个子问题,使系统易于开发和管理,同时各子系统并行工作可提高整个大系 统的求解效率和速度;还有助于增强系统的可靠性、问题求解能力、容错能力和不精确 知识处理能力。 所支持的对象已不仅仅限于单个的决策人,或代表同一机构的决策群,而是 若干具有一定独立性而又存在某种联系的决策组织,随着础网络的迅速发展,各 种局域网、广域网的普及以及分布式操作系统、分布式数据库、知识库等成果的取得使 发展成为可能。与既有相似之处,但两者并不完全相同,与 都可以实现对多人决策的支持,但系统本身具有分布性并侧重于实现各节 点之间协作处理问题能力。强调的是对多个决策者的支持,他们可能在同一物理 位置附近,也可能分布在不同的物理位置上,决策者的角色没有包含出协同处理问题的 必要性,系统侧重于解决决策者之间通讯与交流以及信息的汇总与处理。 ..智能决策支持系统 是和人工智能相结合的产物,它着重研究把灿的知识推理技术和 的基本功能模块有机地结合起来。现实生活中一些半结构化和非结构化的问题很难 单纯用定量方法来解决,至少不能完全解决。为此最好在中建立知识库,以存放 各种规则、因果关系、决策人员的经验等,此外还应有综合利用知识库、数据库和定量 计算结果进行推理和问题求解的推理机。近年来人工智能领域中专家系统的研究发 展很快,专家系统主要参与解决管理科学中半结构和非结构化问题,主要是运用数 据和模型来解决问题,而专家系统主要是运用知识和推理。与专家系统的结合,使 注入了新的活力,增强了系统的主动功能。它们的互相结合和互相渗透,将 会把计算机用于决策支持技术推向一个新的高度,人工智能将为提供有效的 理论 和方法,例如,知识的表示和建模,推理、演绎和问题求解以及各种搜索技术,再加上 功能很强的人工智能语言等,都为的发展转向更加实用阶段提供强有力的理论与 方法的支持。 ..决策支持中心 决策支持中心即一个由了解决策环境的信息系统组成的决策支持小组作为决策 支持中心的核心,该中心采用先进的信息技术,通常在位置上和高层领导十分接 近。的特点是处在高层次重要决策部位,有一批参与政策制定、分析和系统开发的 专家,决策支持小组随时准备开发或修改以支持高层领导做出的紧急和重要的决北方工业大学硕士学位论文 策。在系统中,决策者将要解决的问题先发送给决策专家小组,专家通过通讯与 网络技术发布各自的意见和信息。我们可以借鉴兰德公司的特尔斐法:每位专家把自己 的处理意见通过网络发送给小组人员,为避免受到权威人士观点的影响,专家之间不面 对面的交流,也不公布他们的姓名和职务。此外专家之间还可采用其它研讨 方式对问题 进行定性分析,讨论问题,交流思想,直接的交流有助于启发创造性思维,可视化的会 议形成了一种学术性的氛围。专家小组在讨论中首先发表自己的意见,根据特尔斐的规 则把各种意见综合集成,然后再讨论,再集成,最后得出问题的定性描述模型。然后用 同样的工作方式生成定量模型。这时把定量模型和系统的其它信息发送给计算机决策支 持系统,最后得出定量分析结果,通过网络把定量分析结果送给专家决策小组,进行又 一轮的分析、集成、处理,经过多次循环,直至得到满意的决策意见,将意见交给决策 者,为决策提供依据,从而实现了从定性到定量,再到定性的螺旋式上升的决策过程。 .本章 在这一章,我们了解了决策支持系统的概念、特点以及与的联系与区别,最 后简要介绍了决策支持系统的发展趋势,随着科学技术的发展与人们认识问题、解决问 题能力的提高,人们不断将新的应用技术与理论引入决策中来,不断去完善、发展决策 支持系统,未来的决策支持系统处理问题的能力将会更强,也会更加智能化、 人性化。北方工业人学硕士学位论文 系统分析 .系统运行分析 ..系统运行环境 系统运行环境是系统开发的基础,粮食安全预警系统是金宏工程的一个子系 统,项 目建设的各方面工作需要符合金宏工程整体规范和要求,系统的最终运行环 境如下:网络环境:国家发展和改革委员会纵向网络。【』慨. 服务器操作系统:? ? 支持环境:服务器.,金蝶唧应用服务器软件. . 数据库: 服务器..,软件? ..系统用户 经过分析,在本系统中主要有以下四类用户: ?农经司系统公职人员:运用本系统查询、仿真功能动态跟踪粮食安全状 况,及时发现粮食安全警情。 ? 粮食安全决策专家:随时运用本系统查询、仿真功能动态跟踪、分析粮食 安全状况,及时发现粮食安全警情,运用系统辅助功能参与决策方案参制 定、优选与评估。决策专家由发改委确定。 ?数据库管理员:负责数据日常加载、审核、维护等信息处理工作。系统管 理员:主要进行系统模型库与数据库的管理、数据备份、软件更新 等工作。 ..用户决策流程 要实现良好的决策支持功能,就要弄清用户的业务流程,一切以用户需求为中心, 才能实现决策前、决策中、决策后的良好决策支持,经过分析,用户的主要业务流程如 图.: 各部分功能详细描述请参见.章节系统功能划分部分。北方业大学硕士学位论文 图.用户决策流程 .系统功能模块划分 根据用户需求,我们将系统分为模型仿真、系统管理与系统辅助功能三部分,系统 的功能结构图如图.: 粮食安全预警决策支持子系统 模型仿真功能 系统辅助决策 系统管理功能 粮食安伞运行仿真 基础信息浏览 数据库管理 安全问题凶果分析 决策方案管理 模犁库管理 粮食政策效果分析 决策方案优选 突发事件影响分析 决策后评估 图系统功能结构图 ..北方丁业大学硕士学位论文 ..模型仿真 模型仿真为农经司系统公职人员与粮食安全专家可用,主要是针对粮食安全预警的 系统需求,能够在分析问题、解决问题时通过模型仿真给出某些比较合理的数据,及时 了解事物发展趋势及状态,而不是让专家仅仅依靠以往的经验来下结论。在本系统中, 模型仿真包括粮食安全运行仿真、粮食安全问题因果分析、粮食政策效果分析、突发事 件影响分析四部分。相关用例图如图.: 图系统模型仿真用例图 模型仿真功能各部分详细功能如下: 粮食安全运行仿真 粮食安全运行仿真主要用来仿真预测粮食生产、消费、产销差的变化趋势以及我国 总体粮食安全水平在中长期就目前来说是指年年内的波动情况。 粮食政策效果分析 粮食政策效果分析可以让用户通过修改一些参数来模拟某项即将实施的政策可能对 某些指标产生的影响,结合仿真功能辅助专家查看政策的预期效果。 突发事件影响分析 突发事件影响分析主要是结合系统仿真功能,通过专家对一些参数的修改来模拟在 某一特定时刻的突发事件比如自然灾害、战争、蝗虫等对某些指标造成的影响,从而 进一步给出突发事件的后果。 粮食安全问题因果分析北方工业大学硕学位论文 粮食安全问题因果分析主要是用于解剖、跟踪变量变化的直接原因与深层原因,结 合仿真可以辅助专家在众多因素中判别究竟是哪一个指标的变化对粮食安全警情的波动 影响最大。 ..系统辅助功能 系统辅助功能包括基础信息浏览、决策方案管理、决策方案优选以及决策后评估四 部分。其中农经司系统公职人员还可以使用系统辅助功能中的基础信息浏览功能。系统 辅助功能用例图如图: 图系统辅助功能用例图 系统辅助功能模块各部分详细功能如下: 基础信息浏览 正确的决策首先是建立在决策者对相关基础信息及时准确而又全面的掌握 基础之上 的,对于粮食安全这类决策,其信息量可以用巨大来形容,而且具有很大的分布性与滞 后性,如果按照传统的方式从各地收集信息并逐层汇总上报,从信息源产生数据到决策 者看到相关数据要经历漫长的时间,显然不能满足快速响应的能力。并且信息在逐层汇 总上报的过程中,还会很容易产生误差,甚至曲解,造成决策信息的失真。基础信息浏 览能够充分发挥计算机网络的信息快速流转以及数据库在海量存储、组合查询方面的优 势,帮助决策者及时准确的获取到所需要的信息。还可以借助图、表实现查询结果的多 种显示方式等。 决策方案管理 模型仿真与基础信息浏览都依赖于具体的数据,但并非所有的信息都可以量化,比 如决策方案的描述,决策方案是专家针对粮食安全中的某些问题提出的解决方法。因此北方工业人学硕十学位论文 在描述决策方案时,必须采用格式化的描述方式。一个具体的方案包括方案名称、方案 创建者、创建时间、预计实施时间、方案摘要、当前问题描述、方案内容等, 用户还可 以添加一些与此方案相关联的指标并为其设定期望值作为定量描述此方案的预期效果。 系统将用户在本地创建的方案都保存至服务器端的数据库内。每个专家都可以借助系统 提供的方案管理功能来管理自己已经创建好的方案,还可以通过方案查询功查看其他专 家创建的方案,结合本系统中会商子系统提供的会商功能,大家可以对不同的方案发表一一 自己的看法,经过不断的修改与完善,最终可以产生一个最佳的方案,可以实现群决 策。决策方案管理包括创建决策方案、查询决策方案、管理决策方案。 决策方案优选 决策方案优选可以让用户对多个专家针对某一问题制定的方案结合自己的评判标准 来选择出最优的方案。决策方案优选主要使用基数法与序数法,基数法是指按照每个评 判标准对各个方案进行打分,然后按照所有标准的权重算出每个方案的最终得分;序数 法是指按照每个评判标准对各个方案进行排序,排序靠前者得到的分数最高,然后按照 所有标准的权重算出每个方案的最终得分。 决策后评估 决策后评估是指结合一定的评估方法对实施了一段时间的某一方案进行评价,使用 户了解这一方案的实际执行效果。 ..系统管理 系统管理主要用户包括系统管理员与数据库管理员,主要功能包括数据库管理与模 型库管理,数据库管理人员还要通过数据加载功能实现数据的实时加载与更新。系统管 理员拥有最高的权限,他既可以实现数据库的管理,同时也能够使用模型库管理功能实 现模型的管理与维护,相关用例图如图.: 图系统管理用例图北方工业大学硕士学位论文 .本章小结 本章主要介绍了系统的运行环境,分析了系统的用户角色,以及从用户需求的角度 分析了系统应该具有的功能并进行了简单的模块划分,系统分析将作为后续设计与开发 的基础。北方工业大学硕士学位论文 系统总体设计 .系统设计原则和思想 系统的设计方案应体现系统性、先进性、标准化、可扩展性、采用开放技术、 可靠 性、安全性、实用性、易维护和升级的原则。 系统性原则 从系统论的观点出发,以实现系统总体功能为目的,来构建整个系统结构,以达到 最优化的目标。 先进性原则 系统设计的技术水平应达到国内外同期同类系统的整体水平,并保证系统在今后一 段时间不落后。 标准化原则 坚持标准有两层含义,一是坚持技术标准和采用主流技术,保证系统开放灵活,并 具有坚实的可持续发展基础;二是采纳业务部门通行的业务模式和业务处理方法。 可扩展性原则 在发展迅速的领域,应用环境,系统的硬件或软件都会不断地加以更新,因此, 系统的可扩展性以及前后兼容一致性好坏决定着系统的发展步伐。 采用开放技术原则 开放技术是业界的主流技术,采用开放式系统平台已成为开发商、集成商和用户的 共识,因为开放不仅意味着标准,也意味着用户能够以更小的投资获得更高的性能,同 时降低整个系统开发和维护成本; 》可靠性原则 由于国家发展和改革委员会业务的关键性,本系统对可靠性有着很高的要求。一方 面要强调整个系统高可靠性,不仅能够在正常隋况下的稳定运行,而且保证在意外情况 故障或重负载情况下系统的稳定性,另一方面要保证在业务高峰期间的系统响应能力。 安全性原则 整个系统具有良好的安全管理功能,从数据传输、存贮、检索、提取、入库、发 布、管理等各个层面和角度都具有相应的安全机制,并建立一个安全实用、全面的计算 机网络管理系统。 实用性原则北方工业人学硕士学位论文 提供友好的用户操作界面,具备直观易用的人机界面,使得系统操作方便、快速、 简捷,满足业务人员日常工作习惯和流程。 易维护和升级原则 系统易于维护,不仅要求在系统建设和开发过程中的每个环节,必须遵循有 关国 际、国家主流技术标准,而且要求开发单位具有良好的售后技术支持和完善的服务体 系。 .关键技术介绍 本系统主要借助了体系架构与设计模式。 ..体系架构 是由公司开发的新一代编程语言,是一种简单的、面向对象、分布 式、健壮、安全、可移植、性能优异、多线程、动态的高级语言。目前, 平台有个版本,它们是适用于小型设备和智能卡的 平台版怕珊 ,、适用于桌面系统的 平台标准版 ,、适用于创建服务器应用程序和服务的 平台企业版 坟 ,。 是建立在的基础之上的,是开发和部署企业应用程序的一种平台或环 境。它由一系列服务、应用程序编程接口、提供多层开发的功能性的以及 基于的应用程序组成。它继承了一处编译、到处运行的优点,凭借其良好 的规范与业界认可程度,为搭建具有可伸缩性、灵活性、易维护性的商务系统提 供了良好的机制。 将应用开发划分为多个不同的层【锄,并在每一个层上定义组件。各个应用 组件根据他们所在的层分布在同一个或不同的服务器上,共同组成基于组件 的多层分布 式系统。典型的四层结构包括客户层、表示逻辑层层、商业逻辑层和企 业信息系统层。图是典型的四层结构: 四层结构及其主要技术如下: 客户端组件包括浏览器、客户端程序,还可以是一些等。 运行在服务器上的层组件主要包括与,负责动态页面的生 成。 运行在服务器上的业务逻辑层组件主要包括一些 或者模块, 他们主要负责业务的逻辑处理或者与数据库的操作等业务。北方工业大学硕士学位论文 图 典型的四层结构 有了,分布式系统的开发变的简单了,部署的速度也可以加快。组件的 分布与服务器环境无关,所有的资源都可通过分布式目录进行访问。这意味着开发人员 不再需要为组件和资源的分布问题耗费精力,从而可以有更多的时间专注于业务逻辑的 实现,提高开发效率。 的核心技术有:、?、、、仆、、??等。 .. 设计模式 设计模式是【】【灿?公司在世纪年代为配所设计的一种 软件设计模式【引,至今仍被广泛应用,并被推荐为吼公司平台的设计框架。 框架可以将业务逻辑 和组件、表示层、 ?,、控制器逻辑仃吲饥临动作清晰地分离开来。将 程序代码简单的划分为个部分,分别对应三层体系结构的客户显示层、业务 逻辑层、 数据层,?模式框架如图。 《’、。 ?麓、 ‖ 、 ‖ 视图 模型 鹗 ;, 用户请求。 控锘《嚣仃 : 状态改变一 蠢解释模型 封装应用程序状态一, 定义应用程序行为 模型变更涛求 响应状态查询 . 用户动作映射成模型更新 .视图选择 发送用户输入给控制器 一通知改变一 廊用程序功能, 逛许控制器选择视图鬈/ \择应视图 、夕 , 崾知祝图改变一,。夕 ????? ?一一? 方法调用 事件 图铊眦模式框架图 模型.:负责表达和访问系统数据,执行业务逻辑和操作,提供控制器和视图 之间交互的规则,通常使用或者普通的对象来实现;数据访问层也叫做数据 持久层,主要负责与数据库进行交互,用于从数据库中存取数据,通常用 或 北方工业大学硕士学位论文 来构建。本系统中主要使用构建业务逻辑层,用构建数 据访问层【??。 视图.:也叫客户显示层,即负责用户界面显示的代码,显示由控制器提供的 模型对象,通常通过及其标记库来实现,有时也可以使用??和,来实现 【】 控制器..:也叫业务逻辑层,即负责应用程序流程的代码,接受用户输入 的信息,并调用业务逻辑去创建和更新模型对象,通常使用 训或饥控制器 这样的类来实现。 框 目前基于的框架有很多,比较流行的有咖和埘. 架。 .系统架构设计 /和/是当今世界开发模式技术架构的两大主流技术,/州郇,盯结 构,即大家熟知的客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构,通过它可以 充分利用 两端硬件环境的优势,将任务合理分配到端和盯端来实现,降低了系统的通 讯开销。但是由于在特定的应用中无论是端还是惯端都还需要特定的软件支 持,因而增加了系统维护与升级的难度,而且/结构的软件需要针对不同的操 作系统 系统开发不同版本的软件,这样就会增加软件开发成本,一般来说/结构适合小型局 域网专用软件的开发。/凹结构即浏览器和服务器结构。它是随着 硫技术的兴起,对/结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下,用户工 作界面是通过浏览器来实现,极少部分事务逻辑在前端实现,主要 事务逻辑在服务器端惯实现,形成所谓三层结构。这样就大大简化了客户端的 工作量,特别是语言出现之后,能够很容易的实现跨平台的开发与部署,减轻了 系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本,但是由于所有的任务都是在 服务器端进行处理的,这种方便与灵活却增加了服务器端的负荷。随着计算机处理能力 的提高,/技术越来越得到广泛的应用。结合本系统的运行环境以及性能要求,我们 决定采用/结构。 按照的多层的分布式应用模型,以及设计模式,我们将应用逻辑按功 能划分为各个组件,每个应用组件完成不同的功能,并根据他们所在的层分布在不同的 机器上。通过层次划分,我们能够很好的将各模块进行解耦,降低模块之间的耦合性, 这样就会增加系统的灵活性与可扩展性。当系统需求发生变化或者某一部分业务需要变北方工业大学硕士学位论文 化时,我们只需要针对相应部分做出部分修改即可,而不会做全局的大的修改,不会造 成牵一发而动全身,系统层次结构如图: 仿真界面 信息浏览界面 辅助功能界面 爿 模型,垆理界面’ 匕广数据旋理界面 』 上 羔 』兰 』兰 模型库管理 辅助功能. 模型仿真数据库管理信息浏览 匝亟堕团 数据库访问接口 一 图系统层次结构图 .数据库设计 粮食安全预警数据库主要由模型计算库、会商方案管理库和决策支持信息库这三个 主要部分构成,总体基础容量约,年增长速度约为,主要数据类型为数值型 和字符型,会商和决策支持系统中有部分信息为类型考虑到今后可能的功能扩 充,希望数据库服务器预留的存储空间不少于,决策支持子系统主要使用了其中 的模型计算库与决策支持信息库两部分。 模型计算库中数据主要用于支持模型计算,模型仿真涉及到的数据庞大。我们按照 数据的用途及其性质将其分为公共数据、存储、生产、消费、价格、进出口、政策七大 类,每一类又包含许多不同的数据表,比如公共数据包括人口、经济指标、人均指标, 生产又包括面积数据、单产数据、产量数据、基础投入数据、气象预测数据以及畜、水 产品指标等。每一个表中包含一些表述自己的属性,这些属性也可以称为指标,主要用 来描述系统中的数据。这些指标的值主要来自各类统计年鉴以及金宏共享数据平台中与 粮食安全相关的数据,更新频率一般为月、季度、年,由数据库管理员负责加载维护。 决策支持信息库主要用来存放决策专家制定的各种备选方案以及其他在决策过程中 使用到的各类文本信息。此类信息的更新和访问频率主要依赖用户的工作安排,一 般设计为月度更新即可。系统的概念数据模型如图。 其中,表示用户信息,表示用户创建的方案相关信息,烈代 表指标相关数据,它又由七大类数据构成,每一大类包含多个数据表,在与 矾之间有一个联系 ,因为在创建方案的时候,我们需要为每一个北方工业大 学硕士学位论文 方案指定一些关联指标,每一个方案可以包含多个关联指标,而且还要为这 些相关的指 标设定当前值与期望值,以便日后评价方案时使用,如果用户没有输入当前 值则采用数 据库中该指标的最新值。 锄,即用表示此表属于 数据表命名规则如下:【 指标表, 锄表示数据表名, ?表示这个表所属的类型, 数据表公共字段如表禾: 表禾小数据表公共字段 字段名 含义 类型 是否为空 是否主键.? 指标的编号 二 嘶 指标的名称 . 指标对应的年份 .指标值 其它 系统的概念数据模型: 图系统概念数据模型北方工业大学