系统动力学第一章.ppt

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1、南京农业大学南京农业大学管理工程系管理工程系Nanjing Agricultural University Department of Management Engineering 系统动力学系统动力学张 冬 青Email:1系统动力学的应用系统动力学的应用n世界模型世界模型20世纪世纪70年代，世界工业生产呈指数增长年代，世界工业生产呈指数增长,而金融与经济却而金融与经济却处在周期性衰退处在周期性衰退,通货膨胀；人口迅速增长，城市人口发展通货膨胀；人口迅速增长，城市人口发展失控，就业困难；非再生自然资源消耗呈指数增长失控，就业困难；非再生自然资源消耗呈指数增长,资源日资源日渐枯竭渐枯竭,生态

2、环境恶化。生态环境恶化。罗马俱乐部探索产生这些问题的原因，寻求未来世界与人类罗马俱乐部探索产生这些问题的原因，寻求未来世界与人类摆脱困境的出路。由于这些问题涉及社会、经济和技术等因摆脱困境的出路。由于这些问题涉及社会、经济和技术等因素，而且这些因素之间呈现错综复杂的关系，鉴于当时一些素，而且这些因素之间呈现错综复杂的关系，鉴于当时一些常用的理论方法、工具难以解决，他们求助于常用的理论方法、工具难以解决，他们求助于SD.2系统动力学的应用系统动力学的应用n美国国家模型美国国家模型20世纪世纪70年代，年代，Forrester教授又对美国国家模型进行研究，教授又对美国国家模型进行研究，建立了方程式

3、多达建立了方程式多达4000的美国国家系统动力学国家模型，该的美国国家系统动力学国家模型，该模型把美国的社会、经济问题作为一个整体加以研究，揭开模型把美国的社会、经济问题作为一个整体加以研究，揭开了当时一些令经济学家困惑的问题，如通货膨胀、失业率和了当时一些令经济学家困惑的问题，如通货膨胀、失业率和实际利率同时增长的问题；其最有价值的研究成果是揭示了实际利率同时增长的问题；其最有价值的研究成果是揭示了美国与西方国家经济长波（美国与西方国家经济长波（long wave）形成的内在原因。）形成的内在原因。3参考文献参考文献n王其藩王其藩.系统动力学系统动力学.上海上海:上海财经大学出版社上海财经大

4、学出版社,2009.n钟永光钟永光,贾晓菁贾晓菁,李旭李旭.系统动力学系统动力学.北京北京:科学出版社科学出版社,2009.(普通高校教育普通高校教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材)nJ.W.Forrester,系统原理系统原理,1986,清华版译本清华版译本.nJ.W.Forrester,工业动力学工业动力学,1985,科学版译本科学版译本.n蔡林蔡林.系统动力学系统动力学在可持续发展研究中的应用在可持续发展研究中的应用.北京北京:中国中国环境科学出版社环境科学出版社,2008.n俞金康俞金康.系统动态学原理及其应用系统动态学原理及其应用.北京北京:国防工业出版社国防工业出版社

5、,1993.n谭惠民谭惠民.系统动力学系统动力学.北京北京:国防工业出版社国防工业出版社,1989.4参考文献参考文献n苏懋康苏懋康.系统动力学原理及应用系统动力学原理及应用.上海上海:上海交通大学出版社上海交通大学出版社,1988.n都兴富都兴富.系统动力学原理及其应用系统动力学原理及其应用.成都成都:西南财经大学出版西南财经大学出版社社,1989.n系统动力学在中国系统动力学在中国,http:/.n喻学恒喻学恒.系统工程理论与应用第一卷系统工程理论与应用第一卷:系统动力学系统动力学.武汉武汉:武汉武汉大学出版社大学出版社,1988.n胡玉奎胡玉奎.系统动力学系统动力学战略与策略实验室战略与

6、策略实验室.杭州杭州:浙江人民浙江人民出版社出版社,1988.5主要内容主要内容n系统动力学概论系统动力学概论n基本概念和构模主要过程与步骤基本概念和构模主要过程与步骤n系统动力学构模原理、方法及模型体系的演进系统动力学构模原理、方法及模型体系的演进nVensimVensim建模基础建模基础n一阶系统一阶系统n二阶系统二阶系统n简单系统的振荡简单系统的振荡n系统动力学模型的建立系统动力学模型的建立n模型的调试、改进与检验n系统动力学实际应用系统动力学实际应用n系统动力学最新发展与未来展望系统动力学最新发展与未来展望6南京农业大学南京农业大学管理工程系管理工程系Nanjing Agricultu

7、ral University Department of Management Engineering第一章第一章 系统动力学概论系统动力学概论7本章主要内容本章主要内容n1.1 1.1 系统动力学概念系统动力学概念n1.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n1.3 1.3 系统动力学在我国的发展系统动力学在我国的发展n1.4 1.4 专用模型语言与软件的发展专用模型语言与软件的发展81.1 1.1 系统动力学概念系统动力学概念n系统动力学（系统动力学（system dynamics,SD）是基于系统科学理论，是基于系统科学理论，采用定性与定量相结合的方法，从系统微观结构入手，借助

8、采用定性与定量相结合的方法，从系统微观结构入手，借助计算机模拟技术来分析系统内部结构与其动态行为的关系，计算机模拟技术来分析系统内部结构与其动态行为的关系，并寻觅解决问题的对策的一门学科。并寻觅解决问题的对策的一门学科。91.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n系统动力学的发展过程大致可分为三个阶段系统动力学的发展过程大致可分为三个阶段：n第一阶段：第一阶段：20世纪世纪5060年代年代SD学科的诞生学科的诞生 SD起源于起源于1956年，创始人是年，创始人是MIT的的J.W.Forrester教授；教授；SD的初期主要用于工业企业管理；的初期主要用于工业企业管理；这一阶段明确了

9、结构的概念，即从反馈环或系统子结构的角这一阶段明确了结构的概念，即从反馈环或系统子结构的角度来认识系统，主要研究平衡条件的变动对稳态的影响，而度来认识系统，主要研究平衡条件的变动对稳态的影响，而不是增长或衰减等瞬态过程；系统概念在社会科学中得以巩不是增长或衰减等瞬态过程；系统概念在社会科学中得以巩固，有关系统原理的教材及实验手段得到普及；固，有关系统原理的教材及实验手段得到普及；SD主要致主要致力于公司的政策修订；力于公司的政策修订；101.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第一阶段：第一阶段：20世纪世纪5060年代年代SD学科的诞生学科的诞生 代表性成果代表性成果(1)Fo

10、rrester J W,Industrial Dynamics:A Breakthrough for Decision MakersJ.Harvard Business Review,1958,36(4):37-46.(2)Forrester J W,Industrial Dynamics M.Cambidge MA:Productivity Press,1961.(3)Forrester J W,Principles of Systems M.Cambidge MA:Productivity Press,1968.(4)Forrester J W,Urban Dynamics M.Cambi

11、dge MA:Productivity Press,1969.111.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第一阶段：第一阶段：20世纪世纪5060年代年代SD学科的诞生学科的诞生 应用领域应用领域主要是工业企业管理领域，如生产与雇员情况的波动、市场主要是工业企业管理领域，如生产与雇员情况的波动、市场股票与市场增长的不稳定性；涉及市场销售、初步提到股票与市场增长的不稳定性；涉及市场销售、初步提到“牛牛鞭效应问题鞭效应问题”、R&D项目管理、财务金融等方面。项目管理、财务金融等方面。121.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第二阶段：第二阶段：20世纪世纪70-80年

12、代的发展成熟年代的发展成熟 这一阶段为这一阶段为SD的进一步发展奠定了基础，迈开了由理论走的进一步发展奠定了基础，迈开了由理论走向实际应用的重要步伐。一些重要的专著，如向实际应用的重要步伐。一些重要的专著，如Forrester教授教授的的城市动力学城市动力学、世界动力学世界动力学，Meadows教授等的教授等的增长的极限增长的极限等相继问世等相继问世;这一阶段这一阶段SD的研究领域已远远超出工业系统的范围的研究领域已远远超出工业系统的范围,对于反对于反馈过程，馈过程，SD并不拘泥于数学上复杂的反馈理论，而作出了并不拘泥于数学上复杂的反馈理论，而作出了简明的实用解释，强调实用性简明的实用解释，强

13、调实用性;这一阶段以这一阶段以世界模型和美国国家模型世界模型和美国国家模型最为著名；最为著名；131.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第二阶段：第二阶段：20世纪世纪70-80年代的发展成熟年代的发展成熟 代表性成果代表性成果(1)Forrester J W,World Dynamics(2nd ed.)M.Cambidge MA:Productivity Press,1971.(2)Meadows D L,Meadows D W,Randers J,Bhrens W W.The Limits to Growth:a Report for the Club of Romes

14、Project on the Predicament of MankindM,New York:Universe Books,1972.(3)Meadows D L,Meadows D W eds.Toward Global Equilibrium:Collected PapersM,Cambidge MA:Productivity Press,1974.(4)Mass N J.Readings in Urban Dynamics Vol 1.M.Cambidge MA:Productivity Press,1974.141.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第二阶段：第二阶段

15、：20世纪世纪70-80年代的发展成熟年代的发展成熟 代表性成果代表性成果(5)Schroeder W W,Sweeney R E,Alfeld L E,eds.Readings in Urban Dynamics Vol.M.Cambidge MA:Productivity Press,1975.(6)Alfeld L E,Graham A K.Introduction to Urban Dynamics M.Cambidge MA:Productivity Press,1976.151.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第二阶段：第二阶段：20世纪世纪70-80年代的发展成

16、熟年代的发展成熟应用领域应用领域 世界模型世界模型 国家模型国家模型 项目管理领域项目管理领域161.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第三阶段：第三阶段：20世纪世纪90年代至今年代至今 SD广泛应用与传播广泛应用与传播SD在世界范围内得到广泛的传播，其应用范围更广泛在世界范围内得到广泛的传播，其应用范围更广泛;目前目前SD正加强与控制理论、系统科学、突变理论、耗散结正加强与控制理论、系统科学、突变理论、耗散结构与分叉、结构稳定性分析、灵敏度分析、统计分析、参数构与分叉、结构稳定性分析、灵敏度分析、统计分析、参数估计、最优化技术应用、类属结构研究、专家系统等方面的估计、最优化

17、技术应用、类属结构研究、专家系统等方面的联系；美、英、法、联邦德国、日本等国纷纷采用系统动力联系；美、英、法、联邦德国、日本等国纷纷采用系统动力学方法来研究各自的社会经济问题，涉及到经济、能源、交学方法来研究各自的社会经济问题，涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等广泛的领域。通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等广泛的领域。171.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第三阶段：第三阶段：20世纪世纪90年代至今年代至今 SD广泛应用与传播广泛应用与传播代表性成果代表性成果(1)Abdel-Hamid T K,Madnik S K.Software Pro

18、ject Dynamics:An Integrated Approach M.Englewood Cliffs NJ:Prentice Hall,1991.(2)Sterman J D.Modeling Managerial Behavior:Misperceptions of Feedback in a Dynamic Decision Making Experiment J.Management Science,1989,35(3):321-339.(3)Meadows D L,Meadows D W,Randers J.Beyond the Limits:Confronting Glob

19、al Collapse,Envisioning A Sustainable FutureM,Post Mills VT:Chelsea Green,1992.(4)Senge,peter M.The Fifth Discipline Fieldbook-Strategies and Tools for Building a learning Organization M.New York:Doubleday Currency,1990.181.2 1.2 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n第三阶段：第三阶段：20世纪世纪90年代至今年代至今 SD广泛应用与传播广泛应用与传播应用领域应用领域

20、（1）项目管理领域）项目管理领域（2）物流与供应领域）物流与供应领域（3）宏观领域）宏观领域（4）复杂性科学领域）复杂性科学领域（5）学习型组织理论）学习型组织理论191.3 1.3 系统动力学在我国的发展系统动力学在我国的发展n1 1、应用领域、应用领域80年代初，年代初，“2000年的中国年的中国”研究中的研究中的“我国长期发展趋势我国长期发展趋势”，建立，建立SD中国国家模型；随后有中国国家模型；随后有“SD在科研管理中的应在科研管理中的应用用”、“科技科技-教育教育-经济综合动态系统的理论和模型经济综合动态系统的理论和模型”、“高技术条件下科技高技术条件下科技-经济经济-教育协调发展研

21、究教育协调发展研究”、“可持续可持续发展的数学模型与仿真理论与应用研究发展的数学模型与仿真理论与应用研究”、“珠海市宏观经珠海市宏观经济系统动力学模型济系统动力学模型”、“货币政策决策支持模型系统货币政策决策支持模型系统中中国人民银行系统动力学长期经济预测模型国人民银行系统动力学长期经济预测模型”、“复杂系统特复杂系统特性研究及其在经济系统中的应用性研究及其在经济系统中的应用”等等；等等；201.3 1.3 系统动力学在我国的发展系统动力学在我国的发展n2 2、理论领域、理论领域我国学者在理论方面的研究，主要是以我国学者在理论方面的研究，主要是以SD理论为主框架，理论为主框架，综合应用多种理论

22、和方法的综合分析动态研究方法。综合应用多种理论和方法的综合分析动态研究方法。（1 1）SDSD和图论相结合和图论相结合应用图论分析方法给出应用图论分析方法给出SD的流量图的极大出树及反馈回路的流量图的极大出树及反馈回路一种确定方法，建立了系统动力学的流率基本入树建模法，一种确定方法，建立了系统动力学的流率基本入树建模法，枝向量行列式矩阵反馈环计算法，得到另一种系统动力学规枝向量行列式矩阵反馈环计算法，得到另一种系统动力学规范化建模方法范化建模方法基于入树结构理论的建模方法；基于入树结构理论的建模方法；（2 2）SDSD和和GAGA算法结合算法结合 利用利用GA算法来研究系统结构的变化。算法来研

23、究系统结构的变化。211.3 1.3 系统动力学在我国的发展系统动力学在我国的发展n3 3、我国学者在、我国学者在SDSD方面代表性文献方面代表性文献(1)王其藩王其藩.系统动力学系统动力学M.北京北京:清华大学出版社清华大学出版社,1994.(2)王其藩王其藩.高级系统动力学高级系统动力学M.北京北京:清华大学出版社清华大学出版社,1995.(3)王其藩王其藩.复杂大系统综合动态分析与模型体系复杂大系统综合动态分析与模型体系J.管理科管理科学学报学学报,1999,2(2):15-19,27.(4)宋世涛宋世涛,魏一鸣魏一鸣,范英范英.中国可持续发展问题的系统动力学中国可持续发展问题的系统动力

24、学研究进展研究进展J.中国人口、资源与环境中国人口、资源与环境,2004,14(2):42-48.221.3 1.3 系统动力学在我国的发展系统动力学在我国的发展n3 3、我国学者在、我国学者在SDSD方面代表性文献方面代表性文献(5)贾仁安贾仁安,伍福明伍福明,徐南孙徐南孙.SD流率基本入树建模法流率基本入树建模法J.系系统工程理论与实践统工程理论与实践,1998,18(6):90-95.(6)贾仁安贾仁安,丁荣华丁荣华.系统动力学系统动力学反馈动态性复杂分析反馈动态性复杂分析M.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2002.(7)胡玉奎胡玉奎,韩于羹韩于羹,曹铮韵曹铮韵.系统动力学模型

25、的进化系统动力学模型的进化J.系统系统工程理论与实践工程理论与实践,1997,(10):132-136.(8)程进程进,王华伟王华伟,何祖玉何祖玉.基于遗传算法的系统动力学仿真模基于遗传算法的系统动力学仿真模型研究型研究J.系统工程系统工程,2002,20(3):77-80.231.4 1.4 专用模拟语言与软件的发展专用模拟语言与软件的发展n1、DYNAMO系列模拟语言系列模拟语言在在20世纪世纪50年代年代SD发展初期，出现了发展初期，出现了DYNAMO(Dynamic Models)计算机模拟语言，借助计算机进行系统结构、功能与动计算机模拟语言，借助计算机进行系统结构、功能与动态行为的模

26、拟；随着计算机的发展，出现态行为的模拟；随着计算机的发展，出现DYNAMO、DYNAMO、Mini-DYNAMO；n2、Vensim软件软件90年代后，出现年代后，出现Vensim、iThink、STELLA、Powersim等可视化等可视化软件；其中软件；其中Vensim软件软件是美国是美国Ventana公司推出、使用最广泛的公司推出、使用最广泛的SD软件之一。软件之一。Vensim是一个可视化的建模软件，可以描述系统是一个可视化的建模软件，可以描述系统动力学模型的结构、模拟系统的行为，并对模型模拟结果进行分动力学模型的结构、模拟系统的行为，并对模型模拟结果进行分析和优化。该软件可从网站析和优化。该软件可从网站www.V上免费下载。上免费下载。24