2010年 5月 17日 10时 35
分 1
(三)建立递阶结构模型的规范方法
? 建立反映系统问题要素间层次关系的递阶
结构模型,可在可达矩阵 M的基础上进行,
一般要经过区域划分、级位划分、骨架矩
阵提取和多级递阶有向图绘制等四个阶段。
这是建立递阶结构模型的基本方法。
? 现以 例 4-1所示问题为例说明:
? 与 图 4-5对应的可达矩阵(其中将 Si简记为 i)
为:
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分 2
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
1000011
0111000
0010000
0111000
0111100
0000011
0000001
1 2 3 4 5 6 7
1
2
3
4
5
6
7
M =
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分 3
1.区域划分
区域划分即将系统的构成要素集合 S,
分割成关于给定二元关系 R的相互独立的区
域的过程。
首先以可达矩阵 M为基础,划分与要
素 Si( i = 1,2,?, n)相关联的系统要素
的类型,并找出在整个系统(所有要素集
合 S)中有明显特征的要素。
有关要素集合的定义如下:
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分 4
① 可达集 R( Si)。系统要素 Si的可达集是在可达矩阵或有
向图中由 Si可到达的诸要素所构成的集合,记为 R( Si)。
其定义式为:
R( Si) = { Sj | Sj∈ S,mij = 1,j = 1,2,?, n }
i = 1,2,?, n
② 先行集 A( Si)。系统要素 Si的先行集是在可达矩阵或有
向图中可到达 Si的诸要素所构成的集合,记为 A( Si)。
其定义式为:
A( Si) = { Sj | Sj∈ S,mji = 1,j = 1,2,?, n }
i = 1,2,?, n
③ 共同集 C ( Si)。系统要素 Si 的共同集是 Si在可达集和先
行集的共同部分,即交集,记为 C ( Si) 。其定义式为:
C( Si) = { Sj | Sj∈ S,mij = 1,mji = 1,j = 1,2,?,
n } i = 1,2,?, n
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分 5
系统要素 Si的可达集 R( Si),先行集 A( Si),共
同集 C ( Si)之间的关系如图 4-7所示:
图 4-7 可达集、先行集、共同集关系示意图
Si
A( Si)
C ( Si)
R( Si)
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分 6
④ 起始集 B( S)和终止集 E( S)。系统要素集合 S的起始
集是在 S中只影响(到达)其他要素而不受其他要素影
响(不被其他要素到达)的要素所构成的集合,记为 B
( S)。 B( S)中的要素在有向图中只有箭线流出,而
无箭线流入,是系统的输入要素。其定义式为:
B( S) = { Si | Si ∈ S,C( Si) = B( Si),
i= 1,2,?, n }
如在于 图 4-5所对应的可达矩阵中,B( S) ={S3,S7}。
当 Si为 S的起始集(终止集)要素时,相当于使 图 4-
7中的阴影部分 C( Si)覆盖到了整个 A( Si)( R( Si))
区域。
这样,要区分系统要素集合 S是否可分割,只要研
究系统起始集 B( S)中的要素及其可达集(或系统终止
集 E( Si)中的要素及其先行集要素 )能否分割(是否
相对独立)就行了。
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分 7
利用起始集 B( S)判断区域能否划分的规则如下:
在 B( S)中任取两个要素 bu,bv:
① 如果 R( bu) ∩ R( bv) ≠ ψ ( ψ 为空集),则 bu,bv及
R( bu),R( bv)中的要素属同一区域。若对所有 u和
v均有此结果(均不为空集),则区域不可分。
② 如果 R( bu) ∩ R( bv) =ψ,则 bu,bv及 R( bu),R
( bv)中的要素不属同一区域,系统要素集合 S至少可
被划分为两个相对独立的区域。
利用终止集 E( S)来判断区域能否划分,只要判
定, A( eu) ∩ A( ev), ( eu,ev为 E ( S)中的任意
两个要素)是否为空集即可。
区域划分的结果可记为:
∏ ( S) =P1,P2,?, Pk,?, Pm
(其中 Pk为第 k个相对独立区域的要素集合)。经过区域
划分后的可达矩阵为块对角矩阵(记作 M( P))。
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分 8
为对给出的与图 4-5所对应的可达矩阵进行区域划分,
可列出任一要素 Si(简记作 i,i=1,2,?, 7)的可达集 R
( Si),先行集 A( Si),共同集 C ( Si),并据此写出系统
要素集合的起始集 B( S),如表 4-1所示:
表 4-1 可达集、先行集、共同集和起始集例表
Si R( Si) A( Si) C ( Si) B( S)
1
2
3
4
5
6
7
1
1,2
3,4,5,6
4,5,6
5
4,5,6
1,2,7
1,2,7
2,7
3
3,4,6
3,4,5,6
3,4,6
7
1
2
3
4,6
5
4,6
7
3
7
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分 9
因为 B ( S ) = {S3,S7},且有 R( S3) ∩ R( S7) = {S3,S4,S5,
S6}∩{ S1,S2,S7} =ψ,所以 S3及 S4,S5,S6,S7与 S1,S2分属两个
相对独立的区域,即有:
∏ ( S) =P1,P2 = {S3,S4,S5,S6} ∩{ S1,S2,S7} 。
这时的可达矩阵 M变为如下的块对角矩阵:
O
O
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
111
011
001
1110
0100
1110
1111
3 4 5 6 1 2 7
3
4
5
6
1
2
7
M( P) =
P1
P2
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分 10
2.级位划分
区域内的级位划分,即确定某区域内各要素所处
层次地位的过程。这是建立多级递阶结构模型的
关键工作。
设 P是由区域划分得到的某区域要素集合,若用 L1,
L2,?, Ll表示从高到低的各级要素集合(其中 l
为最大级位数),则级位划分的结果可写出,∏
( P) =L1,L2, ?, Ll 。
某系统要素集合的最高级要素即该系统的终止集
要素。级位划分的基本做法是:找出整个系统要
素集合的最高级要素(终止集要素)后,可将它
们去掉,再求剩余要素集合(形成部分图)的最
高级要素,依次类推,直到确定出最低一级要素
集合(即 Ll)。
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分 11
为此,令 LO=ψ (最高级要素集合为 L1,没有零级要
素),则有:
L1={Si|Si∈ P-L0,C0( Si) = R0( Si),i=1,2,…, n}
L2={Si|Si∈ P-L0-L1,C1( Si) = R1( Si),i<n}
Lk={Si|Si∈ P-L0-L1-… -Lk-1,Ck-1( Si) = Rk-1( Si),i<n}
( 4-3)
式( 4-3)中的 Ck-1( Si)和 Rk-1( Si)是由集
合 P-L0-L1-? -Lk-1中的要素形成的子矩阵(部分
图)求得的共同集和可达集。
经过级位划分后的可达矩阵变为区域块三角
矩阵,记为 M( L)。
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分 12
如对例 4-1中 P1={S3,S4,S5,S6}进行级位划分的
过程示于表 4-2中。
表 4-2 级位划分过程表
要素集合 Si R( S) A( S) C( S) C( S)
= R( S)
∏ ( P1)
P1-L0
3
4
5
6
3,4,5,6
4,5,6
5
4,5,6
3
3,4,6
3,4,5,6
3,4,6
3
4,6
5
4,6
√ L1 ={S5}
P1-L0-L1 3,4
6
3,4,6
4,6
4,6
3
3,4,6
3,4,6
3
4,6
4,6


L1 ={S4,S6}
P1-L0-L1-L2 3 3 3 3 √ L1 ={S3}
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分 13
对该区域进行级位划分的结果为:
∏( P1) =L1,L2, L3={S5},{S4,S6},{S3}
同理可得对 P2={S1,S2,S7}进行级位划分的结果为:
∏( P) =L1,L2, L3 = {S1}, {S2}, {S7}
这时的可达矩阵为:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
111
011
001
1111
0111
0111
0001
5 4 6 3 1 2 7
5
4
6
3
1
2
7
M( L) =
L1
L2
L3
L1
L2
L3
0
0
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分 14
3.提取骨架矩阵? 提取骨架矩阵,是通过对可达矩阵 M( L)的缩约和检出,建立起 M( L)
的最小实现矩阵,即骨架矩阵 A’。这里的骨架矩阵,也即为 M的最小实现
多级递阶结构矩阵。对经过区域和级位划分后的可达矩阵 M( L)的缩检
共分三步,即:
I,检查各层次中的强连接要素,建立可达矩阵 M( L)的缩减矩阵 M’( L)
如对原例 M( L)中的强连接要素集合 {S4,S6}作缩减处理(把 S4作为代
表要素,去掉 S6)后的新的矩阵为:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
111
011
001
111
011
001
5 4 3 1 2 7
5
4
3
1
2
7
M’( L) =
L1
L2
L3
L1
L2
L3
0
0
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分 15
? 去掉 M’( L)中已具有邻接二元关系的要素间的超级二
元关系,得到经进一步简化后的新矩阵 M’’( L)。
如在原例的 M’( L)中,已有第二级要素( S4,S2)
到第一级要素( S5,S1)和第三级要素( S3,S7)到第
二级要素的邻接二元关系,即 S4RS5,S2RS1和 S3RS4、
S7RS2,故可去掉第三级要素到第一级要素的超级二元
关系, S3R2S5”和, S7R2S1”,即将 M’( L)中 3→ 5和
7→ 1的, 1”改为, 0”,得:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
110
011
001
110
011
001
5 4 3 1 2 7
5
4
3
1
2
7
M’’( L) =
L1
L2
L3
L1
L2
L3
0
0
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分 16
? 进一步去掉 M’’( L)中自身到达的二元关系,
即减去单位矩阵,将 M’’( L)主对角线上的, 1”
全变为, 0”,得到经简化后具有最小二元关系
个数的骨架矩阵 A’。
如对原例有:
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
010
001
000
010
001
001
5 4 3 1 2 7
5
4
3
1
2
7
A’=M’’( L) - I =
L1
L2
L3
L1
L2
L3
0
0
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分 17
4.绘制多级递阶有向图 D( A’)
根据骨架矩阵 A’,绘制出多级递阶有
向图 D( A’),即建立系统要素的递阶结
构模型。绘图一般分为如下三步:
1,分区域从上到下逐级排列系统构成要素。
2,同级加入被删除的与某要素(如原例中的
S4)有强连接关系的要素(如 S6),及表
征它们相互关系的有向弧。
3,按 A’所示的邻接二元关系,用级间有向弧
连接成有向图 D( A’)。
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分 18
原例的递阶结构模型:
以可达矩阵 M为基础,以矩阵变换为主线的递阶结构模型的建立
过程:
M → M( P ) → M( L) → M’( L) → M’’( L) → A’→ D( A’)
S1
S2
S7 S3
S4
S5
S6
第 1级
第 2级
第 3级
区域
划分
级位
划分
强连接
要素
缩减
剔出
超级
关系
去掉
自身
关系 绘图
(块三角) (区域
块三角)
(区域
下三角)
结束
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分 19
? 例 4-1
某系统由七个要素( S1,S2,?, S7)组成。
经过两两判断认为,S2影响 S1,S3影响 S4,S4
影响 S5,S7影响 S2,S4和 S6相互影响。这样,
该系统的基本结构可用要素集合 S和二元关系
集合 Rb来表达,其中:
S = {S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}
Rb = {( S2,S1),( S3,S4),( S4,S5),
( S7,S2),( S4,S6),( S6,S4) }
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分 20
5
1
6
2
3
7
4
图 4-5 例 4-1 有向图 返回
21
2010年 5月 17日 10时 35

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