系統(tǒng)動力學基本概念、構模原理

1、系 統(tǒng) 動 力 學,,課程總體介紹,系統(tǒng)動力學，王其藩著，上海財經(jīng)大學出版社，2009年社會系統(tǒng)動力學，李旭著，復旦大學出版社，2009年,教 材,參 考 資 料,1.第五項修煉-學習型組織的藝術與實踐，彼得·圣吉（Peter.M.Senge )著，2012，中信出版社2.增長的極限，德內拉·梅多斯著，2006，機械工業(yè)出版社3.系統(tǒng)思考，丹尼斯·舍伍德著，2007，機械工業(yè)出版社,20

2、:34,課 程 大 綱,第1部分 系統(tǒng)動力學的基本概念及構模原理 第2部分 一階、二階系統(tǒng)及系統(tǒng)的震蕩與延遲 第3部分 模型與方程的建立與應用 第4部分 系統(tǒng)動力學軟件應用 第5部分 案例講解與討論,1.系統(tǒng)動力學的基本概念及構模原理,,1.1.1 什么是系統(tǒng)動力學 系統(tǒng)動力學(System Dynamics，SD)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學科，也是一門認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交

3、叉的綜合性的新學科。 系統(tǒng)科學：系統(tǒng)動力學理論強調系統(tǒng)的、整體的、聯(lián)系的、發(fā)展的、運動的觀點。 管理學：系統(tǒng)動力學模型描述決策者的思考過程與決策過程，模仿決策的基本構造及系統(tǒng)在不同決策下的行為。,1.1 系統(tǒng)動力學的基本概念,1.1.2 系統(tǒng)動力學的產(chǎn)生與發(fā)展 第一階段：產(chǎn)生（20世紀50-60年代） 第二次世界大戰(zhàn)以后，工業(yè)化進程的加快，某些國家的社會問題日趨嚴重，如城市人口劇增、失業(yè)、環(huán)境污染、資源枯竭

4、，這些問題具有系統(tǒng)性、矛盾性和動態(tài)性等特點。 管理走向科學化和定量化，模型成為人們認識管理系統(tǒng)的重要工具。但是，模型和定量研究在應用過程中碰到了不少問題。 1）如何描述現(xiàn)實系統(tǒng)、對現(xiàn)實系統(tǒng)模型化并引入政策因素。 2）管理科學與實際管理所關注的系統(tǒng)特性和達成的目標不盡相同。 3）如何描述復雜系統(tǒng)的行為機理，培養(yǎng)系統(tǒng)思考的思維方式，提煉和整理產(chǎn)生復雜行為的簡單結構。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,1.1系統(tǒng)動力

5、學的基本概念,20世紀50年代，美國麻省理工學院斯隆管理學院的福雷斯特教授推出了系統(tǒng)動力學，受到廣泛歡迎，并被應用于解決各種復雜的系統(tǒng)性問題。,J.W.Forrester教授自50年代中期開創(chuàng)系統(tǒng)動力學以來，在一系列社會經(jīng)濟系統(tǒng)問題的研究中取得了令人矚目的創(chuàng)造性成果。,20:34,J.W.Forrester等在系統(tǒng)動力學方面的主要成果,1958年 發(fā)表著名論文《工業(yè)動力學——決策的一個重要突破口》1961年 出版《工業(yè)動力學》(Ind

6、ustrial Dynamics)1968年 出版《系統(tǒng)原理》(Principles of Systems)1969年 出版《城市動力學》(Urban Dynamics)1971年 出版《世界動力學》(World Dynamics)1972年 學生梅多斯教授等出版《增長的極限》(The Limits to Growth),初期應用,工業(yè)制造業(yè)部門的管理問題：生產(chǎn)、分配、銷售整個系統(tǒng)的一體化管理項目管理：R﹠D系統(tǒng)動力學管理控

7、制、財務、金融：日本明治大學教授Toshiro Shimada 發(fā)表于1968年的《周股價的系統(tǒng)動力學模型》，模擬分析了以周為單位的股價動態(tài)行為特性。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,第二階段：壯大與成熟（20世紀70-80年代） 第一次挑戰(zhàn) 1970年，羅馬俱樂部成立由Meadows教授為首的國際研究小組，承擔世界模型的研究任務。 研究成果：《世界動力學》《增長的極限》《趨向全球的均衡》。 基本觀點：指

8、數(shù)式增長的勢頭不能再持續(xù)下去，世界的發(fā)展將過渡到某種均衡發(fā)展的模式，從長遠觀點看，當代不發(fā)達國家按西方先進國家的模式所進行的工業(yè)化努力未必是明智的。第二次挑戰(zhàn) Forrester建立美國全國模型,歷時11年，完成了方程數(shù)達4000的美國系統(tǒng)動力學國家模型，解開了經(jīng)濟發(fā)展中長期存在的問題，尤其揭示了經(jīng)濟長波的奧秘。 SD在項目管理領域的新進展，Cooper用SD模型定量分析研究了一項大型軍事造船工程中成本超支的原因。,1.

9、1系統(tǒng)動力學的基本概念,第三階段：廣泛應用與傳播（20世紀90年代至今） 系統(tǒng)動力學所涉及到的研究領域： 項目管理 物流與供應鏈 宏觀經(jīng)濟 公司戰(zhàn)略 管理復雜性與復雜性科學 研究的主要問題： 對信息的利用問題 模型簡化、分割與復雜系統(tǒng)的建模技巧問題 SD模型中的優(yōu)化問題,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,1.1.3 幾個基本概念系統(tǒng)模擬與模型反饋

10、系統(tǒng)系統(tǒng)的結構,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,系統(tǒng),1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,常見的系統(tǒng)舉例 大的如： 天體運行系統(tǒng)；全世界社會-經(jīng)濟-生態(tài)系統(tǒng)；可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)；我國宏觀經(jīng)濟發(fā)展系統(tǒng)（涉及能源、人口、教育、交通、環(huán)境、經(jīng)貿、文化、等）。,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,小的如 ： 城市住宅價格系統(tǒng)（市場供給、市場需求、土地價值、房產(chǎn)價值、城市人口等）,模擬與模型 模擬：對真實客觀事物內在結構及其運動、發(fā)展的動態(tài)行為的模仿。

11、 模型：對現(xiàn)實問題某些剖面的代表和簡化描述，它突出本質的描述其內在結構、關系與規(guī)律。 好的模型不僅僅在于如何建立一個模仿的最像的系統(tǒng)，而是在于正確處理現(xiàn)實系統(tǒng)、模型和研究者三者之間的關系。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,Diagram,反饋系統(tǒng)反饋：信息的傳輸與回授。反饋系統(tǒng)：包含有反饋環(huán)節(jié)與其作用的系統(tǒng)。反饋回路：由一系列因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說由信息與動作組成的閉合路徑。,1.1系統(tǒng)動力學的

12、基本概念,反饋系統(tǒng)分類 正反饋系統(tǒng)：正反饋起主導作用的系統(tǒng)。正反饋能產(chǎn)生自身運動的加強過程，此過程中運動或動作所引起的后果將回授，使原來的趨勢加強。,Block Diagram,負反饋系統(tǒng)：負反饋起主導作用的系統(tǒng)。負反饋能自動尋求給定的目標，未達到（或者未趨近）目標時將不斷作出響應。,系統(tǒng)結構 系統(tǒng)結構：組成系統(tǒng)的各個要素之間相互作用與相互依賴關系的秩序。 基于系統(tǒng)的整體性與層次性，系統(tǒng)的結構一般存在下述體系與

13、層次：   ①確定系統(tǒng)S范圍的界限；    ②子系統(tǒng)或子結構Si（i=1，2，…，p）；    ③系統(tǒng)的基本單元，反饋回路結構 Ej（j=1， 2，…）；    ④反饋回路的組成與從屬成分：反饋回路的主要變量，狀態(tài)變量；反饋回路的另一主要變量，變化率(速率),系統(tǒng)的界限：指該系統(tǒng)的范

14、圍,它規(guī)定了形成某特定動態(tài)行為所應包含的最小數(shù)量的單元.,系統(tǒng)的基本結構 系統(tǒng)的基本結構是一階反饋回路。,子系統(tǒng)的描述 子系統(tǒng)由基本單元、一階反饋回路組成。一階反饋回路包含三種基本的變量：狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量。這三種變量可分別由狀態(tài)方程、速率方程和輔助方程表示。它們與其它一些變量方程、數(shù)學函數(shù)、邏輯函數(shù)、延遲函數(shù)和常數(shù)一起能描述客觀世界的各類系統(tǒng)。,1.1系統(tǒng)動力學的基本概念,1.1.4系統(tǒng)動力學的基本觀點

15、系統(tǒng)的主要特性 社會、經(jīng)濟、生態(tài)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，但在一定條件下，可以把某些系統(tǒng)近似的簡化成為封閉系統(tǒng)加以研究； 復雜系統(tǒng)是一類具有多變量、高階次、多回路和強非線性的反饋系統(tǒng)； 系統(tǒng)具有整體性和層次性； 系統(tǒng)的相似性； 相關性觀點系統(tǒng)的結構與功能系統(tǒng)的內部結構與其行為主導與非主導動態(tài)結構系統(tǒng)的歷史性與系統(tǒng)的進化規(guī)律,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,1.2.1構?；驹?構思模型最

16、基本的依據(jù)就是系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)、系統(tǒng)特性的一系列觀點。 一個“明確”三個“面向”：即明確目的，面向問題、面向過程和面向應用。 根據(jù)系統(tǒng)特性，在建模的構思、模擬與測試的全過程中，正確的使用分解與綜合的原理。一方面要從整體的觀點研究系統(tǒng)，另一方面將系統(tǒng)分解為不同等級層次的子系統(tǒng)進行研究。 模型是模擬分析實際系統(tǒng)的“實驗室”。 檢驗模型的一致性、有效性的最終標準是客觀的實踐。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理

17、,1.2.2 建模的主要目的與系統(tǒng)界限建模的主要目的 系統(tǒng)動力學建模的目的在于研究系統(tǒng)的問題，加深對系統(tǒng)內部反饋結構與其動態(tài)行為關系的研究與認識，并進行改善系統(tǒng)行為的研究，對社會經(jīng)濟系統(tǒng)而言，這方面的工作稱之為政策研究。從系統(tǒng)動力學的應用重點看，以社會經(jīng)濟系統(tǒng)來說，我們將強調政策分析與政策改進。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,系統(tǒng)界限 按照系統(tǒng)動力學的觀點，正確的劃出系統(tǒng)界限的一條準則是把系統(tǒng)中的反饋回路

18、考慮成閉合的回路，力圖把那些與建模目的關系密切、重要的量都劃入邊界，界限應是封閉的。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,1.2.3 問題的確定與模型構思構思模型的三條原則 明確建模目的； 集中于問題和矛盾，而不是整個系統(tǒng)； 系統(tǒng)動力學僅處理那些隨時間變化和源自反饋結構的問題。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,動態(tài)的定義問題 從系統(tǒng)動力學的觀點看，任何問題最好以隨時間變化的變量圖表示。 考慮重要變量的動

19、態(tài)行為,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,確定時間坐標 參考模式；（隨時間變化的變量圖形為行為參考模式）借助圖形思考。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,1.2.4 系統(tǒng)動力學解決問題的基本步驟,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,1.2.5 系統(tǒng)動力學常用的圖形表示法 系統(tǒng)結構框圖因果關系圖流圖混合圖速率－狀態(tài)變量關系圖,系統(tǒng)結構框圖 用方塊或圓圈簡明地代表系統(tǒng)的主要子塊并

20、描述它們之間物質與信息流的交換關系。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,國家 能 源 框圖,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,全國社會經(jīng)濟發(fā)展框圖,因果關系圖 一種定性描述系統(tǒng)中變量之間因果關系的圖示模型，即用圖的形式描述系統(tǒng)變量之間相互影響和相互作用的關系。因果鏈 A B正因果鏈,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,因果回路：由兩個或兩個以上的因果鏈組成的閉合回

21、路。 正因果回路：自身具有加強其變化效果能力的閉合回路。,負因果鏈,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,負因果回路：自身具有抑制變量變化和進行調節(jié)能力的閉合回路。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,判斷正負因果關系回路的規(guī)則 在判定某一回路的正負時，假定回路外影響回路的所有因素不變。 在因果關系回路中，負因果鏈的總數(shù)為偶數(shù)時，此回因果路為正因果關系回路；負因果鏈的總數(shù)為奇數(shù)時，此回路為負因果關系回路。,1.2

22、系統(tǒng)動力學構模的基本原理,舉例：城市移民系統(tǒng),1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,因果互變的系統(tǒng)觀 對于一個動態(tài)的復雜系統(tǒng)而言，因果關系并非總是單方向的。 出生率 總人口 許多情況下，何時為因，何時為果不難判斷，取決于那種因素是主動地，那種因素是被動的。 銀行利率 投資者興趣,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,因果關系圖應用實例,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,

23、1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,因果關系圖的畫法小結 找出系統(tǒng)的關鍵要素。 從系統(tǒng)中任何一個要素出發(fā)，畫因果鏈和回路。 在因果關系的繪制中要注意兩點：一是，在確定兩者之間關系時，要假定其他要素不變；二是，要注意互為因果、一因多果、多因一果等情況。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,,把因果圖中的變量設想為能升降、增減與上下的量。暫不必擔心是否能以現(xiàn)有的單位和量綱去度量。在因果關系圖中采用名詞或名詞短語，不用動詞。變量之間

24、的影響與作用以帶箭頭的因果鏈表示。盡可能確定變量的量綱，必要時可自己創(chuàng)造一些。例如某些心理學方面的變量，不得不采用諸如精神上的“壓力”單位。確定量綱有助于突出因果圖中的文字敘述的涵義。如果某因果鏈需加以擴充，以便于更詳盡地反映反饋結構的機制，則毫不猶豫地將其擴充為一組因果鏈。盡可能定義變量本身為正值，不把諸如“衰減”、“衰退”、“降低”一類定義為變量。反饋結構應該形成閉合回路。,,流圖 是在因果關系圖的基礎上進一步區(qū)分

25、變量的性質，用更加直觀的符號刻畫系統(tǒng)要素之間的邏輯關系，明確系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律，為深入研究系統(tǒng)打基礎的圖形表示法。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,流圖中的基本要素及其描述符號 變量的描述符號 存量：也稱狀態(tài)變量（Leve Variable) 是描述系統(tǒng)的積累效應的變量。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,流量：也稱速率變量（Rate Variable),描述系統(tǒng)中積累效應變化快慢的變量。 描述符號

26、：輔助變量：也稱轉換器，是狀態(tài)變量和速率變量之間信息傳遞和轉換過程的中間變量，表達如何根據(jù)狀態(tài)變量計算速率變量的決策過程。 描述符號：,,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,常量：也稱外生變量（Constant),指在研究期間變化甚微或相對不變的量。 描述符號： 源點、匯點的描述符號,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,,流圖仿效閥門與浴缸的關系把速率與狀態(tài)變量描述如圖所示：,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,勞動力的兩

27、狀態(tài)流圖 勞動力隊伍一般可分成兩部分，一部分為已具有勞動技能的正式工人；另一部分為尚在培訓的工人，培訓需要一定時問，如半年或一年，稱為培訓延遲。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,,流線的描述符號：守恒流：也稱物質流，表示在系統(tǒng)中流動著的物質。非守恒流：也稱信息流，是連接狀態(tài)變量和速率變量之間的信息通道的流線。,,,20:34,物流與信息鏈的表示,因果關系圖的另一個缺點：忽視信息鏈與物流鏈的差別。 在流圖中，物質流

28、－實線箭頭，信息鏈－虛線箭頭,庫存－勞動力系統(tǒng)反饋基本回路圖,20:34,繪制流圖的程序 確定系統(tǒng)的邊界。 確定回路。 區(qū)分回路中不同性質的變量。 用流圖符號描述和連接系統(tǒng)中的各個變量。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,建立流圖應該遵循的原則 一定要有守恒流流經(jīng)狀態(tài)變量，狀態(tài)變量反映了這些守恒流對時間的積累。 只有速率變量能夠改變狀態(tài)變量。 經(jīng)守恒流線與狀態(tài)變量相連的變量只能是速率變

29、量。 一般情況下在狀態(tài)變量上要有信息取出線，在速率變量上要有信息流入線，表示根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進行決策，對系統(tǒng)實施控制‘ 輔助變量只能有信息流線經(jīng)過。 常量只能有信息取出線。,1.2 系統(tǒng)動力學構模的基本原理,流圖的現(xiàn)實意義 流圖所描述的信息完全可以用積分公式或微分公式來表達，流圖同以數(shù)學為平臺的微分方程是完全等效的。 存量和流量圖同更數(shù)學化得正規(guī)符號包含著同樣的信息，使我們更容易理解和修改。,1.2 系