系统动力学基本概念构模原理ppt课件.ppt

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1、系 统 动 力 学,课程总体介绍,系统动力学，王其藩著，上海财经大学出版社，2009年社会系统动力学，李旭著，复旦大学出版社，2009年,教 材,参 考 资 料,1.第五项修炼-学习型组织的艺术与实践，彼得圣吉（Peter.M.Senge )著，2012，中信出版社2.增长的极限，德内拉梅多斯著，2006，机械工业出版社3.系统思考，丹尼斯舍伍德著，2007，机械工业出版社,课 程 大 纲,第1部分 系统动力学的基本概念及构模原理 第2部分 一阶、二阶系统及系统的震荡与延迟 第3部分 模型与方程的建立与应用 第4部分 系统动力学软件应用 第5部分 案例讲解与讨论,1.系统动力学的基本概念及构模

2、原理,1.1.1 什么是系统动力学 系统动力学(System Dynamics，SD)是一门分析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问题和解决系统问题交叉的综合性的新学科。 系统科学：系统动力学理论强调系统的、整体的、联系的、发展的、运动的观点。 管理学：系统动力学模型描述决策者的思考过程与决策过程，模仿决策的基本构造及系统在不同决策下的行为。,1.1 系统动力学的基本概念,1.1.2 系统动力学的产生与发展 第一阶段：产生（20世纪50-60年代） 第二次世界大战以后，工业化进程的加快，某些国家的社会问题日趋严重，如城市人口剧增、失业、环境污染、资源枯竭，这些问题具有系统性、矛盾性和动态

3、性等特点。 管理走向科学化和定量化，模型成为人们认识管理系统的重要工具。但是，模型和定量研究在应用过程中碰到了不少问题。 1）如何描述现实系统、对现实系统模型化并引入政策因素。 2）管理科学与实际管理所关注的系统特性和达成的目标不尽相同。 3）如何描述复杂系统的行为机理，培养系统思考的思维方式，提炼和整理产生复杂行为的简单结构。,1.1系统动力学的基本概念,1.1系统动力学的基本概念,20世纪50年代，美国麻省理工学院斯隆管理学院的福雷斯特教授推出了系统动力学，受到广泛欢迎，并被应用于解决各种复杂的系统性问题。,J.W.Forrester教授自50年代中期开创系统动力学以来，在一系列社会经济系

4、统问题的研究中取得了令人瞩目的创造性成果。,J.W.Forrester等在系统动力学方面的主要成果,1958年 发表著名论文工业动力学决策的一个重要突破口1961年 出版工业动力学(Industrial Dynamics)1968年 出版系统原理(Principles of Systems)1969年 出版城市动力学(Urban Dynamics)1971年 出版世界动力学(World Dynamics)1972年 学生梅多斯教授等出版增长的极限(The Limits to Growth),初期应用,工业制造业部门的管理问题：生产、分配、销售整个系统的一体化管理项目管理：RD系统动力学管理控制

5、、财务、金融：日本明治大学教授Toshiro Shimada 发表于1968年的周股价的系统动力学模型，模拟分析了以周为单位的股价动态行为特性。,1.1系统动力学的基本概念,第二阶段：壮大与成熟（20世纪70-80年代） 第一次挑战 1970年，罗马俱乐部成立由Meadows教授为首的国际研究小组，承担世界模型的研究任务。 研究成果：世界动力学增长的极限趋向全球的均衡。 基本观点：指数式增长的势头不能再持续下去，世界的发展将过渡到某种均衡发展的模式，从长远观点看，当代不发达国家按西方先进国家的模式所进行的工业化努力未必是明智的。第二次挑战 Forrester建立美国全国模型,历时11年，完成了

6、方程数达4000的美国系统动力学国家模型，解开了经济发展中长期存在的问题，尤其揭示了经济长波的奥秘。 SD在项目管理领域的新进展，Cooper用SD模型定量分析研究了一项大型军事造船工程中成本超支的原因。,1.1系统动力学的基本概念,第三阶段：广泛应用与传播（20世纪90年代至今） 系统动力学所涉及到的研究领域： 项目管理 物流与供应链 宏观经济 公司战略 管理复杂性与复杂性科学 研究的主要问题： 对信息的利用问题 模型简化、分割与复杂系统的建模技巧问题 SD模型中的优化问题,1.1系统动力学的基本概念,1.1.3 几个基本概念系统模拟与模型反馈系统系统的结构,1.1系统动力学的基本概念,系统

7、,1.1系统动力学的基本概念,常见的系统举例 大的如： 天体运行系统；全世界社会-经济-生态系统；可持续发展系统；我国宏观经济发展系统（涉及能源、人口、教育、交通、环境、经贸、文化、等）。,1.1系统动力学的基本概念,小的如 ： 城市住宅价格系统（市场供给、市场需求、土地价值、房产价值、城市人口等）,模拟与模型 模拟：对真实客观事物内在结构及其运动、发展的动态行为的模仿。 模型：对现实问题某些剖面的代表和简化描述，它突出本质的描述其内在结构、关系与规律。 好的模型不仅仅在于如何建立一个模仿的最像的系统，而是在于正确处理现实系统、模型和研究者三者之间的关系。,1.1系统动力学的基本概念,DIAG

8、RAM,反馈系统反馈：信息的传输与回授。反馈系统：包含有反馈环节与其作用的系统。反馈回路：由一系列因果与相互作用链组成的闭合回路或者说由信息与动作组成的闭合路径。,1.1系统动力学的基本概念,反馈系统分类 正反馈系统：正反馈起主导作用的系统。正反馈能产生自身运动的加强过程，此过程中运动或动作所引起的后果将回授，使原来的趋势加强。,BLOCK DIAGRAM,负反馈系统：负反馈起主导作用的系统。负反馈能自动寻求给定的目标，未达到（或者未趋近）目标时将不断作出响应。,系统结构 系统结构：组成系统的各个要素之间相互作用与相互依赖关系的秩序。 基于系统的整体性与层次性，系统的结构一般存在下述体系与层次

9、：确定系统S范围的界限； 子系统或子结构Si（i=1，2，p）； 系统的基本单元，反馈回路结构Ej（j=1， 2，）；反馈回路的组成与从属成分：反馈回路的主要变量，状态变量；反馈回路的另一主要变量，变化率(速率),系统的界限：指该系统的范围,它规定了形成某特定动态行为所应包含的最小数量的单元.,系统的基本结构 系统的基本结构是一阶反馈回路。,子系统的描述 子系统由基本单元、一阶反馈回路组成。一阶反馈回路包含三种基本的变量：状态变量、速率变量和辅助变量。这三种变量可分别由状态方程、速率方程和辅助方程表示。它们与其它一些变量方程、数学函数、逻辑函数、延迟函数和常数一起能描述客观世界的各类系统。,1

10、.1系统动力学的基本概念,1.1.4系统动力学的基本观点系统的主要特性 社会、经济、生态系统都是开放系统，但在一定条件下，可以把某些系统近似的简化成为封闭系统加以研究； 复杂系统是一类具有多变量、高阶次、多回路和强非线性的反馈系统； 系统具有整体性和层次性； 系统的相似性； 相关性观点系统的结构与功能系统的内部结构与其行为主导与非主导动态结构系统的历史性与系统的进化规律,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2.1构模基本原理 构思模型最基本的依据就是系统动力学对系统、系统特性的一系列观点。 一个“明确”三个“面向”：即明确目的，面向问题、面向过程和面向应用。 根据系统特性，在建模的构思、模拟

11、与测试的全过程中，正确的使用分解与综合的原理。一方面要从整体的观点研究系统，另一方面将系统分解为不同等级层次的子系统进行研究。 模型是模拟分析实际系统的“实验室”。 检验模型的一致性、有效性的最终标准是客观的实践。,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2.2 建模的主要目的与系统界限建模的主要目的 系统动力学建模的目的在于研究系统的问题，加深对系统内部反馈结构与其动态行为关系的研究与认识，并进行改善系统行为的研究，对社会经济系统而言，这方面的工作称之为政策研究。从系统动力学的应用重点看，以社会经济系统来说，我们将强调政策分析与政策改进。,1.2 系统动力学构模的基本原理,系统界限 按照系统动

12、力学的观点，正确的划出系统界限的一条准则是把系统中的反馈回路考虑成闭合的回路，力图把那些与建模目的关系密切、重要的量都划入边界，界限应是封闭的。,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2.3 问题的确定与模型构思构思模型的三条原则 明确建模目的； 集中于问题和矛盾，而不是整个系统； 系统动力学仅处理那些随时间变化和源自反馈结构的问题。,1.2 系统动力学构模的基本原理,动态的定义问题 从系统动力学的观点看，任何问题最好以随时间变化的变量图表示。 考虑重要变量的动态行为,1.2 系统动力学构模的基本原理,确定时间坐标 参考模式；（随时间变化的变量图形为行为参考模式）借助图形思考。,1.2 系统动

13、力学构模的基本原理,1.2.4 系统动力学解决问题的基本步骤,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2.5 系统动力学常用的图形表示法 系统结构框图因果关系图流图混合图速率状态变量关系图,系统结构框图 用方块或圆圈简明地代表系统的主要子块并描述它们之间物质与信息流的交换关系。,1.2 系统动力学构模的基本原理,国家 能 源 框图,1.2 系统动力学构模的基本原理,全国社会经济发展框图,因果关系图 一种定性描述系统中变量之间因果关系的图示模型，即用图的形式描述系统变量之间相互影响和相互作用的关系。因果链 A B正因果链,1.2 系统动力学构模的基本原理,因果回路：由两个或两个以上的因果链组成的闭

14、合回路。 正因果回路：自身具有加强其变化效果能力的闭合回路。,负因果链,1.2 系统动力学构模的基本原理,负因果回路：自身具有抑制变量变化和进行调节能力的闭合回路。,1.2 系统动力学构模的基本原理,判断正负因果关系回路的规则 在判定某一回路的正负时，假定回路外影响回路的所有因素不变。 在因果关系回路中，负因果链的总数为偶数时，此回因果路为正因果关系回路；负因果链的总数为奇数时，此回路为负因果关系回路。,1.2 系统动力学构模的基本原理,举例：城市移民系统,1.2 系统动力学构模的基本原理,因果互变的系统观 对于一个动态的复杂系统而言，因果关系并非总是单方向的。 出生率 总人口 许多情况下，何

15、时为因，何时为果不难判断，取决于那种因素是主动地，那种因素是被动的。 银行利率 投资者兴趣,1.2 系统动力学构模的基本原理,因果关系图应用实例,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2 系统动力学构模的基本原理,因果关系图的画法小结 找出系统的关键要素。 从系统中任何一个要素出发，画因果链和回路。 在因果关系的绘制中要注意两点：一是，在确定两者之间关系时，要假定其他要素不变；二是，要注意互为因果、一因多果、多因一果等情况。,1.2 系统动力学构模的基本原理,把因果图中的变量设想为能升降、增减与上下的量。暂不必担心是否能以现有的单位和量纲去度量。在因果关系图中采用名词或名词短语，不用动词。变量

16、之间的影响与作用以带箭头的因果链表示。尽可能确定变量的量纲，必要时可自己创造一些。例如某些心理学方面的变量，不得不采用诸如精神上的“压力”单位。确定量纲有助于突出因果图中的文字叙述的涵义。如果某因果链需加以扩充，以便于更详尽地反映反馈结构的机制，则毫不犹豫地将其扩充为一组因果链。尽可能定义变量本身为正值，不把诸如“衰减”、“衰退”、“降低”一类定义为变量。反馈结构应该形成闭合回路。,流图 是在因果关系图的基础上进一步区分变量的性质，用更加直观的符号刻画系统要素之间的逻辑关系，明确系统的反馈形式和控制规律，为深入研究系统打基础的图形表示法。,1.2 系统动力学构模的基本原理,流图中的基本要素及其

17、描述符号 变量的描述符号 存量：也称状态变量（Leve Variable) 是描述系统的积累效应的变量。,1.2 系统动力学构模的基本原理,流量：也称速率变量（Rate Variable),描述系统中积累效应变化快慢的变量。 描述符号：辅助变量：也称转换器，是状态变量和速率变量之间信息传递和转换过程的中间变量，表达如何根据状态变量计算速率变量的决策过程。 描述符号：,1.2 系统动力学构模的基本原理,常量：也称外生变量（Constant),指在研究期间变化甚微或相对不变的量。 描述符号： 源点、汇点的描述符号,1.2 系统动力学构模的基本原理,流图仿效阀门与浴缸的关系把速率与状态变量描述如图所

18、示：,1.2 系统动力学构模的基本原理,劳动力的两状态流图 劳动力队伍一般可分成两部分，一部分为已具有劳动技能的正式工人；另一部分为尚在培训的工人，培训需要一定时问，如半年或一年，称为培训延迟。,1.2 系统动力学构模的基本原理,流线的描述符号：守恒流：也称物质流，表示在系统中流动着的物质。非守恒流：也称信息流，是连接状态变量和速率变量之间的信息通道的流线。,物流与信息链的表示,因果关系图的另一个缺点：忽视信息链与物流链的差别。 在流图中，物质流实线箭头，信息链虚线箭头,库存劳动力系统反馈基本回路图,绘制流图的程序 确定系统的边界。 确定回路。 区分回路中不同性质的变量。 用流图符号描述和连接

19、系统中的各个变量。,1.2 系统动力学构模的基本原理,建立流图应该遵循的原则 一定要有守恒流流经状态变量，状态变量反映了这些守恒流对时间的积累。 只有速率变量能够改变状态变量。 经守恒流线与状态变量相连的变量只能是速率变量。 一般情况下在状态变量上要有信息取出线，在速率变量上要有信息流入线，表示根据系统状态进行决策，对系统实施控制 辅助变量只能有信息流线经过。 常量只能有信息取出线。,1.2 系统动力学构模的基本原理,流图的现实意义 流图所描述的信息完全可以用积分公式或微分公式来表达，流图同以数学为平台的微分方程是完全等效的。 存量和流量图同更数学化得正规符号包含着同样的信息，使我们更容易理解和修改。,1.2 系统动力学构模的基本原理,1.2 系统动力学构模的基本原理,混合图,1.2 系统动力学构模的基本原理,图解分析法-速率与状态关系作图法,Thank You !,