系统工程系统动力学仿真.pptx

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1、第四章 系统仿真及系统动力学方法1.系统仿真概述2.系统动力学结构模型化原理3.基本反馈回路的DYNAMO仿真分析4.系统动力学模拟步骤5.常用软件第1页/共96页 教学内容1.系统仿真概述2.系统动力学结构模型化原理3.DYNAMO仿真分析教学要求1.熟悉系统仿真的相关概念2.掌握系统动力学建模的原理、方法及步骤3.熟练应用STELLA进行系统仿真教学重点及难点l因果关系图及流图的绘制lDYNAMO仿真第2页/共96页一一.系统仿真及系统动力学概述系统仿真及系统动力学概述（一）概念及作用（一）概念及作用 1.基本概念基本概念 所所谓谓系系统统仿仿真真，就就是是根根据据系系统统分分析析的的目目

2、的的，在在分分析析系系统统各各要要素素性性质质及及其其相相互互关关系系的的基基础础上上，建建立立能能描描述述系系统统结结构构或或行行为为过过程程的的、且且具具有有一一定定逻逻辑辑关关系系或或数数量量关关系系的的仿仿真真模模型型，据据此此进进行行试试验验或或定定量量分分析析，以以获获得得正正确确决决策策所所需需的各种信息。的各种信息。第3页/共96页实际系统计算机模型建模仿真第4页/共96页第5页/共96页2、系统仿真的实质、系统仿真的实质 (1)它它是是一一种种对对系系统统问问题题求求数数值值解解的的计计算算技技术。术。尤尤其其当当系系统统无无法法通通过过建建立立数数学学模模型型求求解解时时，

3、仿真技术能有效地来处理。仿真技术能有效地来处理。(2)仿仿真真是是一一种种人人为为的的试试验验手手段段。它它和和现现实实系统系统 实实验验的的差差别别在在于于，仿仿真真实实验验不不是是依依据据实实际际环环 境境，而而是是作作为为实实际际系系统统映映象象的的系系统统模模型型以以及及 相相应应的的“人人造造”环环境境下下进进行行的的。这这是是仿仿真真的主的主 要功能。要功能。(3)仿仿真真可可以以比比较较真真实实地地描描述述系系统统的的运运行行、演变演变 及其发展过程。及其发展过程。第6页/共96页3、系统仿真的作用、系统仿真的作用 (1)仿仿真真的的过过程程也也是是实实验验的的过过程程，而而且且

4、还还是是系系统统地地收收集集和和积积累累信信息息的的过过程程。尤尤其其是是对对一一些些复复杂杂的的随随机机问问题题，应应用用仿仿真真技技术术是是提提供供所所需需信信息息的的唯唯一一令人满意的方法。令人满意的方法。(2)对对一一些些难难以以建建立立物物理理模模型型和和数数学学模模型型的的对对象象系系统统，可可通通过过仿仿真真模模型型来来顺顺利利地地解解决决预预测测、分分析析和和评价等系统问题。评价等系统问题。第7页/共96页(3)(3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。(4)(4)通过系统仿真，能启发新的思想或

5、产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。的一些问题，以便及时解决。第8页/共96页（二）系统仿真方法（二）系统仿真方法 系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散由于连续系统和离散(事件事件)系统的数学系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分

6、为为两大类两大类，即，即连续系统仿真方法连续系统仿真方法和和离散系统仿离散系统仿真方法。真方法。第9页/共96页 在以上两类基本方法的基础上，还有在以上两类基本方法的基础上，还有一些用于系统一些用于系统(特别是社会经济和管理系统特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。法、蒙特卡洛法等。系统动力学方法通过建立系统动力学模系统动力学方法通过建立系统动力学模型型(流图等流图等)、利用、利用DYNAMO仿真语言在计算仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行

7、为之间的动态关系。系统结构、功能和行为之间的动态关系。第10页/共96页（三）系统动力学的发展及特点1、由来与发展系统动力学(SystemDynamics,简称SD)是美国麻省理工学院福雷斯特(JwForrester)教授提出来的研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。第11页/共96页1、背景第12页/共96页第13页/共96页第14页/共96页8080年代以来年代以来19561956年至年至6060年代初年代初6060年代初至年代初至7070年代初年代初7070年代初至年代初至8080年代年代SDSD的出现始于的出现始于19561956年，主要应用于工业企业管理，并创立年，主要应用于工业企业

8、管理，并创立了了“Industrial DynamicsIndustrial Dynamics”(1959)(1959)SDSD思想和方法的应用范围日益扩大。思想和方法的应用范围日益扩大。“Principles of Principles of SystemsSystems”(1968)(1968)，“Urban DynamicsUrban Dynamics”(1969)(1969)的出现的出现.19721972年美国年美国MITMIT的的J.W.ForresterJ.W.Forrester正式提出正式提出“Systems Systems DynamicsDynamics”。经历了两次严峻的挑

9、战。经历了两次严峻的挑战。SDSD成为一种重要的系统工程方法论和重要的模型方法。尤成为一种重要的系统工程方法论和重要的模型方法。尤其是随着国内外管理界对学习型组织的关注其是随着国内外管理界对学习型组织的关注,SD,SD思想和方法思想和方法的生命力更为强劲。的生命力更为强劲。系统动力学发展第15页/共96页20世纪70年代以来，SD经历的两次严峻挑战 第一次挑战第一次挑战(70(70(70(70年代中前期年代中前期)：70707070年代初，来自年代初，来自26262626个个国家的国家的75757575名科学家的名科学家的罗马俱乐部罗马俱乐部困惑于世界面临人口困惑于世界面临人口增长与资源日渐枯

10、竭的前景。鉴于当时一些惯用的工增长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用的工具难以胜任对此复杂问题的研究，于是寄希望于刚刚具难以胜任对此复杂问题的研究，于是寄希望于刚刚兴起的系统动力学方法。主要标志是两个世界模型兴起的系统动力学方法。主要标志是两个世界模型(WORLD(WORLD(WORLD(WORLD，）：）：(WORLD(WORLD(WORLD(WORLD “World Dynamics,1971,ForesterWorld Dynamics,1971,ForesterWorld Dynamics,1971,ForesterWorld Dynamics,1971,Forester”;WOR

11、LD WORLD WORLD WORLD -“The Limits to Growth,D.The Limits to Growth,D.The Limits to Growth,D.The Limits to Growth,D.Meadows,1972Meadows,1972Meadows,1972Meadows,1972”,和和“Toward Global Toward Global Toward Global Toward Global Equilibrium D.Meadows,1974Equilibrium D.Meadows,1974Equilibrium D.Meadows,19

12、74Equilibrium D.Meadows,1974”走向全球平衡走向全球平衡走向全球平衡走向全球平衡)。这些成果引起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。这些成果引起了一场令人瞩目、旷日持久的论战。系统动力学正是在这一番论战中，加速壮大成熟起来。系统动力学正是在这一番论战中，加速壮大成熟起来。第16页/共96页 罗马俱乐部：罗马俱乐部：国际性的未来学研究团体。国际性的未来学研究团体。1968196819681968年年4 4 4 4月在意月在意大利经济学家大利经济学家A.A.A.A.佩切伊和英国科学家佩切伊和英国科学家A.A.A.A.金倡议下，于罗马金倡议下，于罗马成立。宗旨是研究未来的科学技

13、术革命对人类发展的影响，成立。宗旨是研究未来的科学技术革命对人类发展的影响，阐明人类面临的主要困难以引起政策制订者和舆论注意。阐明人类面临的主要困难以引起政策制订者和舆论注意。会员限会员限300300300300名。现有名。现有100100100100多名国际上著名的学者和社会活动多名国际上著名的学者和社会活动家为个人会员。每年召开一次大会家为个人会员。每年召开一次大会，并经常召开国际性学，并经常召开国际性学术会议术会议。出版了。出版了增长的极限增长的极限（即（即米都斯报告米都斯报告）、）、重建国际秩序重建国际秩序、走出浪费的时代走出浪费的时代、人类的目的人类的目的、学无止境学无止境、第三世界

14、：世界的四分之三第三世界：世界的四分之三、关于财富和福利的对话关于财富和福利的对话、走向未来的道路图走向未来的道路图等著等著作。作。第17页/共96页The Limits to Growth 简介简介：地球是人类目前唯一赖以身存的星球，但是，人类的发展却总是给滋养哺育：地球是人类目前唯一赖以身存的星球，但是，人类的发展却总是给滋养哺育他的大地带来无尽的折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、海平面上升、人口的他的大地带来无尽的折磨和无法修复的毁坏。全球气候变暖、海平面上升、人口的暴涨、土地沙漠化暴涨、土地沙漠化种种迹象表明，人类正在为自己的所作所为付出代价。种种迹象表明，人类正在为自己的所作所为付

15、出代价。增长增长的极限的极限曾经是遥远的未来，但今天它们已经广泛存在。崩溃的概念曾经被认为是不曾经是遥远的未来，但今天它们已经广泛存在。崩溃的概念曾经被认为是不可思议的，但今天它已经进入公众的谈论话题可思议的，但今天它已经进入公众的谈论话题第18页/共96页The Limits to Growth 本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限的星球上无止境地追求增长所带本书可以说是第一次向人们展示了在一个有限的星球上无止境地追求增长所带来的后果。这本震惊了世界并畅销全球的书，在今天，带着来的后果。这本震惊了世界并畅销全球的书，在今天，带着30303030年来新增的数据，再年来新增的数据，再次就人类

16、对气候、水质、鱼类、森林和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟次就人类对气候、水质、鱼类、森林和其他濒危资源的破坏敲晌了警钟。第19页/共96页 第二次挑战第二次挑战(70(70(70(70年代初到年代初到80808080年代中年代中)：ForresterForresterForresterForrester 教授教授在多方资助之下开始研究美国全国模型，解开了一些在在多方资助之下开始研究美国全国模型，解开了一些在经济方面长期存在、令经济学家困惑不解的疑团。经济方面长期存在、令经济学家困惑不解的疑团。诸如，诸如，70707070年代以来的通货膨胀、失业率和实际利率同时年代以来的通货膨胀、失业率和实际利率

17、同时增长等问题。其最有价值的研究成果还在于揭示了美国增长等问题。其最有价值的研究成果还在于揭示了美国与西方国家经济长波与西方国家经济长波(Long Wave)(Long Wave)(Long Wave)(Long Wave)形成的内在奥秘。由形成的内在奥秘。由于在全国模型与长波理论研究方面取得成就，使系统动于在全国模型与长波理论研究方面取得成就，使系统动力学这一门学科在理论和应用研究两方面都取得了飞跃力学这一门学科在理论和应用研究两方面都取得了飞跃性进展。从此，系统动力学进入了蓬勃发展时期。性进展。从此，系统动力学进入了蓬勃发展时期。第20页/共96页 19721972年正式定名系统动力学：年

18、正式定名系统动力学：年正式定名系统动力学：年正式定名系统动力学：“系统动力学是系统动力学是系统动力学是系统动力学是研究信息反馈系统动态行为的计研究信息反馈系统动态行为的计研究信息反馈系统动态行为的计研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法算机仿真方法算机仿真方法算机仿真方法。它有效地。它有效地。它有效地。它有效地把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来，面对复杂实际问题，面对复杂实际问题，面对复杂实际问题，面对复杂实际问题，从研究系统的内部结构

19、入手从研究系统的内部结构入手从研究系统的内部结构入手从研究系统的内部结构入手，建立系统的仿真模型，并对模，建立系统的仿真模型，并对模，建立系统的仿真模型，并对模，建立系统的仿真模型，并对模型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的宏观行为，寻求解决问型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的宏观行为，寻求解决问型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的宏观行为，寻求解决问型实施各种不同的政策方案，通过计算机仿真展示系统的宏观行为，寻求解决问题的正确途径。题的正确途径。题的正确途径。题的正确途径。”第21页/共96页第22页/共96页 美美美美 彼得彼得彼得彼得 圣吉圣吉

20、圣吉圣吉（PeterMSengePeterMSenge）著著著著，第五项修炼第五项修炼第五项修炼第五项修炼学习学习学习学习型组织的艺术与实务型组织的艺术与实务型组织的艺术与实务型组织的艺术与实务，上海三联书店，上海三联书店，上海三联书店，上海三联书店，19981998。作者简介：作者简介：1970年从斯坦福大学获工学学士后进入年从斯坦福大学获工学学士后进入MIT攻读管理硕士学位，在此期间被攻读管理硕士学位，在此期间被Forrester教授的教授的SD整体整体动态搭配的管理新理念所吸引。动态搭配的管理新理念所吸引。1978年获得博士学位后，年获得博士学位后，一直和一直和MIT的工作伙伴及企业界人

21、士一道，孜孜不倦地的工作伙伴及企业界人士一道，孜孜不倦地致力于将致力于将SD与组织学习、创造原理、认知科学等融合，与组织学习、创造原理、认知科学等融合，发展出一种人类梦寐以求的组织蓝图发展出一种人类梦寐以求的组织蓝图学习型组织。学习型组织。第23页/共96页彼得彼得.圣吉提出圣吉提出“五项修炼五项修炼”培养成员的自我超越意识：坚持不懈地实现心中的渴望；培养成员的自我超越意识：坚持不懈地实现心中的渴望；改善心智模式：改变人们对世界的看法；改善心智模式：改变人们对世界的看法；建立共同愿景：建立组织共同追求的崇高理想；建立共同愿景：建立组织共同追求的崇高理想；搞好团队学习：成员间的心灵的相互交融和感

22、悟；搞好团队学习：成员间的心灵的相互交融和感悟；运用系统思考：真正认请自己在系统中的位置和作用。运用系统思考：真正认请自己在系统中的位置和作用。“系统思考”是“学习型组织”理论的第五部分，又是它的核心，为了突出它，该书定名为第五项修炼。第24页/共96页2、研究对象及其结构特点（1）研究对象社会系统（2）SD将社会系统当作非线性（多重）信息反 馈系统来研究（3）结构特点 抉择性具有决策环节（人、信息）自律性具有反馈环节 非线性具有延迟环节第25页/共96页第26页/共96页系统动力学模型的特点系统动力学模型的特点(1)多变量。主要是由SD对象系统的动态特性和复杂性所决定的。SD模型有三种基本变

23、量、五到六种变量。(2)定性分析与定量分析相结合。SD模型由结构模型(流图)和数学模型(DYNAMO方程)所组成。(3)以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。SD作为一种计算机仿真分析方法，是实际系统的“实验室”，可在PD-plus、VENSIM等软件支持下来运行。(4)可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂系统问题。第27页/共96页认识问题界定系统要素及其因果关系分析建立结构模型建立量化分析模型仿真分析比较与评价政策分析初步分析规范分析综合分析SD工作程序图4、工作程序第28页/共96页二、SD结构模型化原理1、基本原理决策信息行动系统状态速率变量水准变量信息流（行动）(Rate)(Lev

24、el)第29页/共96页第30页/共96页第31页/共96页第32页/共96页四个基本要素状态、信息、决策、行动两个基本变量水准变量（L）、速率变量（R）一个基本思想反馈控制第33页/共96页2、因果关系图和流图（1）因果关系图（因果反馈回路）因果箭因果链因果（反馈）回路利息(元/年)银行货币利率+(+)第34页/共96页第35页/共96页第36页/共96页正关系若满足下列条件之一：A加到B中；A是B的乘积因子；A变到AA，有B变到BB，即A、B的变化方向相同。则称A到B具有正因果关系，简称正关系，用“”号标在因果链上。第37页/共96页人口出生率人口总数利息(元/年)银行货币利率+(+)第3

25、8页/共96页下一年的销售增长每年的年收入增长速率+(+)恶性循环良性循环第39页/共96页负关系若满足下列条件之一：A从B中减去；1/A是B的乘积因子；A变到AA，有B变到BB，即A、B的变化方向相反。则称A到B具有负因果关系，简称负关系，用“”号标在因果链上。第40页/共96页人口死亡率人口总数第41页/共96页第42页/共96页第43页/共96页反馈反馈从控制论的观点看，任何一个具有使自身内部保持稳定的系统，都具有某种反馈机制。反馈（Feedback）:构成系统的某一成分的输出与输入之间的关系，或者说是输出变成了决定系统未来功能的输入。第44页/共96页生物群落的稳定性生物群落的稳定性例

26、1：例2：例3：天敌害虫种群系统天敌数量（输入）害虫数量（输出）害虫环境系统初春气温（输入）害虫数量（输出）害虫作物系统害虫数量（输入）作物长势（输出）反馈环反馈环反馈环第45页/共96页第46页/共96页第47页/共96页第48页/共96页第49页/共96页库存量订货量库存差额期望库存+-（-）第50页/共96页负反馈系统实例库存发货单期望库存定货途中货物量收货一个简单的库存控制系统：（）第51页/共96页对服务质量的重视程度有效的读者意见读者意见+-（-）偏见负反馈系统实例第52页/共96页第53页/共96页第54页/共96页人口分配生产消费流通消费水平资源消耗或占用量资源存量+-+-(-

27、)(-)第55页/共96页第56页/共96页第57页/共96页2第58页/共96页第59页/共96页第60页/共96页 3.流图绘制程序和方法明确问题及其构成要素；绘制要素间相互作用关系的因果关系图。注意一定要形成回路；确定变量类型（L变量、R变量和A变量）。将要素转化为变量，是建模的关键一步。绘制SD流图。在绘制流图时，应特别注意形成正确的回路和用好信息连接线，并注意不要把不同的实物流直连在一起.第61页/共96页a.水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时间点；而速率（R)变量只在一个时段才有意义。b.决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L变量。c.在反馈控制回路中，两个L变量或两个

28、R变量不能直接相连。d.为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量在数量上一般是较多的。第62页/共96页 库存量每周订货量库存差额+-（-）期望库存库存量水准变量每周订货量速率变量库存差额辅助变量3、举例第63页/共96页库存系统动力学流程图ID目标库存量实际库存量库存差周订货量R第64页/共96页利息(元/年)银行货币利率+(+)第65页/共96页组织绩效组织改善组织缺陷（-）-+第67页/共96页3、举例L1R1（利息1）C1(利率)IR1(订货量)库存量DY(期望库存)（库存差额）PR1R2(出生人口)(人口总量)(死亡人口)C1（出生率）C2

29、（死亡率）组织改善组 织绩效组织缺陷。第68页/共96页例：现分析某经营单一商品的零售店的订货策略问题，要求绘制系统动力学流程图。分析：由于零售店向顾客销售商品，使零售店的库存量不断减少，为了补充库存，店方要向生产厂家提出订货。接受订货的厂家计划生产该种商品以满足订货要求。这时零售店的库存量又相应增加。系统的边界可以定为由零售店和工厂两部分组成。1.确定系统边界第69页/共96页工厂订货供应系统边界顾客购货销售外生变量或扰动变量零售店第70页/共96页2.系统的组成要素零售店零售店的销售量；库存量；订货量工厂工厂未供订货量；生产量；生产能力；计划产量3.因果关系分析第71页/共96页零售店销售

30、零售店订货零售店库存工厂未供订货计划产量工厂生产能力工厂生产商店工厂第72页/共96页第73页/共96页第74页/共96页三、基于反馈回路的三、基于反馈回路的DYNAMO仿真分析仿真分析（一）DYNAMO简介 DYNAmic MOdel 的缩写。它将实际问题构造成具有反馈结构的动态模型，并通过计算机仿真得到该系统随时间变化的动态行为。DYNAMO模型由两种语句组成：方程式语句（直接用于仿真计算），命令语句（用于控制仿真过程、输入输出）第75页/共96页变量的时间标注DTDTJKKL前一时刻现在时刻下一时刻JKL第76页/共96页（二）（二）DYNAMO方程方程状态（水准）方程决策（速率）方程辅

31、助方程初值方程常数方程第77页/共96页（1）状态（水准）方程表述了系统动力学模型中状态积累的过程 L LEVELKLEVEL J DT（RIN JKROUT JK）用L方程式定义的流位变量必须用初值方程式给定初值例：L POPKPOP J DT（BIRTH JKDEATH JK）N POP10000第78页/共96页（2）决策（速率）方程决策方程（R方程）描述系统动力学中状态变化速率的方程。基本形式可表示为：R RATEKLf（状态变量，辅助变量，常量）速率R的值在K时刻进行计算，而在自K至L的时间间隔内（在DT内），假定保持不变第79页/共96页辅助说明速率变量或简化决策函数的方程。辅助说

32、明速率变量或简化决策函数的方程。基本形式可表示为：基本形式可表示为：A AUX.K=g(A.K,L.K,R.JK,C,)时间标注总是时间标注总是K可由当前时刻的其他变量求出可由当前时刻的其他变量求出（3）辅助方程（A方程）第80页/共96页（4）初值方程（N方程）为参数或变量设定初始值，一般形式：N 变量名称表达式，变量名，数值 仅在仿真过程中第一步运算时使用；左右两边的变量都不加时间标注；由N方程式定义的变量不能直接在重复运行中使用。第81页/共96页（5）常数方程（C方程）给参数赋值，可以在重复运行中使用 C 变量名常数第82页/共96页DYNAMO中变量名的字符数不超过6个，而且第一个字

33、符必须是字母。除“*”及“RUN”语句以外，其他语句可以任意安排顺序。DYNAMO语言运行时有一个严格的仿真顺序。第83页/共96页例：一阶正反馈回路年人口增加(+)PR+PPRPC1（人 口 年 自 然 增 长 率0.02）。LPK=PJ+DT*PRJKNP=100RPRKL=C1*PKCC1=0.02PPR0100211022.042104.042.0808p1000一阶正反馈（简单人口问题）系统输出特性曲线人口数+第84页/共96页例：L LCK=LCJ+DT*RTJKA A AJK=C2*LCK R R RTKL=AJK*C1投资产值积累+源工业产值LCRT积累AJ积累率C2投资率C1

34、第85页/共96页一级负反馈回路库存量库存差额订货量+()R1DI+期望库存Y1000Z（订货调整时间，5）IR1DY（6000）。LIK=IJ+DT*R1JKNI=1000RR1KL=DK/ZADK=Y-IKCZ=5CY=6000IDR10100050001000120004000800228003200640It60000一阶负反馈（简单库存控制）系统输出特性曲线1000第86页/共96页第87页/共96页4、系统动力学模拟步骤第88页/共96页第89页/共96页第90页/共96页第91页/共96页第92页/共96页5、常用软件第93页/共96页第94页/共96页小小 结结第95页/共96页感谢您的观看！第96页/共96页