系统动力学课件与案例分析系统仿真

3.系统动力学基本概念
系统流图：表示反馈回路中的各水平变量和各速率变量相 互联系形式及反馈系统中各回路之间互连关系的图示模型。 水平变量：也被称作状态变量或流量，代表事物(包括物质 和非物质的)的积累。其数值大小是表示某一系统变量在 某一特定时刻的状况。可以说是系统过去累积的结果，它 是流入率与流出率的净差额。它必须由速率变量的作用才 能由某一个数值状态改变另一数值状态。
1972年Forrester领导MIT小组，在政府与企业的资助下花 费10年的时间完成国家模型的研究，该模型揭示了美国与 西方国家的经济长波的内在机制，成功解释了美国70年代 以来的通货膨胀、失业率和实际利率同时增长的经济问题。 (经济长波通常是指经济发展过程中存在的持续时间为50 年左右的周期波动 )
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系统动力学发展历程
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系统动力学的原理
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系统动力学基本概念
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系统动力学分析问题的步骤
系统动力学实际案例 5
3.系统动力学基本概念
系统与反馈： 系统: 一个由相互区别、相互作用的各部分(即单元或要素) 有机地联结在一起，为同一目的完成某种功能的集合体。
反馈: 系统内同一单元或同一子块其输出与输入间的关系。 对整个系统而言，“反馈”则指系统输出与来自外部环境 的输入的关系。
1.系统动力学发展历程
2、系统动力学发展成熟—20世纪70-80年代
这阶段主要的标准性成果是系统动力学世界模型与 美国国家模型的研究成功。这两个模型的研究成功地解 决了困扰经济学界长波问题，因此吸引了世界范围内学 者的关注，促进它在世界范围内的传播与发展,确立了在 社会经济问题研究中的学科地位。
1.系统动力学发展历程
详细步骤和过程可以参考王其藩《系统动力学建模综述》
4.系统动力学分析问题的步骤
问题的识别
确定系统边界
因果关系图
政策分析
仿真实现 系统动力学过程图
各问题之间有密切的关联，而且往往存在矛盾的关系，例如经济增 长与环境保护等。
许多问题如投资效果、环境污染、信息传递等 有较长的延迟，因 此处理问题必须从动态而不是静态的角度出发。
许多问题中既存在如经济量那样的定量的东西，又存在如价值观念 等偏于定性的东西。这就给问题的处理带来很大的困难。
1.系统动力学发展历程
系统动力学基于系统论，吸收控制论、信息论的 精髓，是一门认识系统问题和解决系统问题交叉、综 合性的新学科。
从系统方法论来说，系统动力学的方法是结构方 法、功能方法和历史方法的统一。
2.系统动力学的原理
系统动力学是在系统论的基础上发展起来的，因 此它包含着系统论的思想。系统动力学是以系统的结 构决定着系统行为前提条件而展开研究的。它认为存 在系统内的众多变量在它们相互作用的反馈环里有因 果联系。反馈之间有系统的相互联系，构成了该系统 的结构，而正是这个结构成为系统行为的根本性决定 因素。
速率变量：又称变化率，随着时间的推移，使水平变量的 值增加或减少。速率变量表示某个水平变量变化的快慢。
3.系统动力学基本概念
水平变量和速率变量的符号标识： 水平变量用矩形表示，具体符号中应包括有描述输入 与输出流速率的流线、变量名称等。 速率变量用阀门符号表示，应包括变量名称、速率 变量控制的流的流线和其所依赖的信息输入量。
3.系统动力学基本概念
延迟： 延迟现象在系统内无处不在。如货物需要运输，
决策需要时间。延迟会对系统的行为有很大的影响， 因此必须要刻画延迟机制。延迟包括物质延迟与信息 延迟。系统动力学通过延迟函数来刻画延迟现象。如 物质延迟中DELAY1，DELAY3函数；信息延迟的 DLINF3函数。 平滑：
平滑是指从信息中排除随机因素，找出事物的真实 的趋势，如一般决策者不会直接根据销售信息制定决 策，而是对销售信息求出一段时间内的平均值。系统 动力学提供SMOOTH函数来表示平滑。
1.系统动力学发展历程
国内系统动力学发展状况
20世纪70年代末系统动力学引入我国，其中杨通 谊，王其藩，许庆瑞，陶在朴，胡玉奎等专家学者是 先驱和积极倡导者。二十多年来，系统动力学研究和 应用在我国取得飞跃发展。我国成立国内系统动力学 学会，国际系统动力学学会中国分会，主持了多次国 际系统动力学大会和有关会议。
System dynamics was created during the mid-1950s by Professor Jay W.Forrester of the Massachusetts Institute of Technology.
1.系统动力学发展历程
J.W.Forrester等教授在系统动力学的主要成果： 1958年发表著名论文《工业动力学——决策的一个重要突
目前我国SD学者和研究人员在区域和城市规划、 企业管理、产业研究、科技管理、生态环保、海洋经 济等应用研究领域都取得了巨大的成绩。
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系统动力学发展历程
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系统动力学的原理
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系统动力学基本概念
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系统动力学分析问题的步骤
系统动力学实际案例 5
2.系统动力学的原理
系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科。 它是系统科学中的一个分支，是跨越自然科学和社会 科学的横向学科。
通过上述过程完成了对系统结构的仿真，接下来 就要寻找较优的系统结构。
2.系统动力学的原理
寻找较优的系统结构被称作为政策分析或优化， 包括参数优化、结构优化、边界优化。参数优化就是 通过改变其中几个比较敏感参数来改变系统结构来寻 找较优的系统行为。结构优化是指主要增加或减少模 型中的水平变量、速率变量来改变系统结构来获得较 优的系统行为。边界优化是指系统边界及边界条件发 生变化时引起系统结构变化来获得较优的系统行为。
变量会如何变化。极性为正是指两
个变量的变化趋势相同，极性为负
指两个变量的变化趋势相反。
3.系统动力学基本概念
反馈回路的极性：反馈回路的极性取决于回路中各因果 链符号。回路极性也分为正反馈和负反馈，正反馈回 路的作用是使回路中变量的偏离增强，而负反馈回路 则力图控制回路的变量趋于稳定。
确定回路极性的方法 若反馈回路包含偶数个负的因果链，则其极性为正； 若反馈回路包含奇数个负的因果链，则其极性为负。
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系统动力学发展历程
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系统动力学的原理
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系统动力学基本概念
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系统动力学分析问题的步骤
系统动力学实际案例 5
4.系统动力学分析问题的步骤
问题的识别 。 确定系统边界，即系统分析涉及的对象和范围。 建立因果关系图和流图。 写出系统动力学方程。 进行仿真试验和计算等（Vensim软件）。
比较与评价、政策分析。寻找最优的系统行为。
破口》，首次介绍工业动力学的概念与方法。
1961年出版《工业动力学》(Industrial Dynamics)一书， 该书代表了系统动力学的早期成果。
1968年出版《系统原理》(Principles of Systems)一书， 论述了系统动力学的基本原理和方法。
1969年出版《城市动力学》(Urban Dynamics)，研究波 士顿市的各种问题。
系统动力学课件与案例分析系统仿 真
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系统动力学发展历程2Fra bibliotek系统动力学的原理
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系统动力学基本概念
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系统动力学分析问题的步骤
系统动力学实际案例 5
1.系统动力学发展历程
产生背景： 第二次世界大战以后，随着工业化的进程，某些国家
的社会问题日趋严重，例如城市人口剧增、失业、环境污 染、资源枯竭。这些问题范围广泛，关系复杂，因素众多， 具有如下三个特点：
3.系统动力学基本概念
反馈系统：
反馈系统就是包含有反馈环节与 其作用的系统。它要受系统本身 的历史行为的影响，把历史行为 的后果回授给系统本身，以影响 未来的行为。如库存订货控制系 统。 反馈回路：
反馈回路就是由一系列的因果与 相互作用链组成的闭合回路或者 说是由信息与动作构成的闭合路 径。
3.系统动力学基本概念
2.系统动力学的原理
系统动力学怎样寻找较优的结构？
系统动力学把系统看成一个具有多重信息因果反 馈机制。因此系统动力学在经过剖析系统，获得深刻、 丰富的信息之后建立起系统的因果关系反馈图，之后 再转变为系统流图，建立系统动力学模型。最后通过 仿真语言和仿真软件对系统动力学模型进行计算机模 拟，来完成对真实系统的结构进行仿真。
3.系统动力学基本概念
而且，主回路并非固定不变，它们往在在诸回路之间随 时间而转移，结果导致变化多端的系统动态行为。
非线性：线性指量与量之间按比例、成直线的关系，在空 间和时间上代表规则和光滑的运动；而非线性则指不按 比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。线 性关系是互不相干的独立关系，而非线性则是相互作用， 而正是这种相互作用，使得整体不再是简单地等于部分 之和，而可能出现不同于“线性叠加”的增益或亏损。 实际生活中的过程与系统几乎毫无例外地带有非线性的 特征。正是这些非线性关系的耦合导致主回路转移，系 统表现出多变的动态行为。
3.系统动力学基本概念
系统动力学一个突出的优点在于它能处理高阶次、 非线性、多重反馈复杂时变系统的问题。 高阶次：系统阶数在四阶或五阶以上者称为高阶次系统。 典 型的社会一经济系统的系统动力学模型阶数则约在 十至数百之间。如美国国家模型的阶数在两百以上。
多重回路：复杂系统内部相互作用的回路数目一般在三个 或四个以上。诸回路中通常存在一个或一个以上起主导 作用的回路，称为主回路。主回路的性质主要地决定了 系统内部反馈结构的性质及其相应的系统动态行为的特 性，
系统动力学就是通过计算机仿真技术来对系统结 构进行仿真，寻找系统的较优结构，以求得较优的系 统行为。
2.系统动力学的原理
系统动力学原理总结：
系统动力学把系统的行为模式看成是由系统内部 的信息反馈机制决定的。通过建立系统动力学模型， 利用DYNAMO仿真语言和Vensim软件在计算机上实 现对真实系统的仿真，可以研究系统的结构、功能和 行为之间的动态关系，以便寻求较优的系统结构和功 能。