系统动力学基本概念、构模原理

LOGO系统动力学LOGO课程总体介绍LOGO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LOGO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18:24LOGO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LOGO1.系统动力学的基本概念及构模原理LOGO1.1.1什么是系统动力学系统动力学(SystemDynamics，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LOGO1.1.2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。18:241.1系统动力学的基本概念LOGO1.1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统问题的研究中取得了令人瞩目的创造性成果。18:24LOGOJ.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》(IndustrialDynamics)1968年出版《系统原理》(PrinciplesofSystems)1969年出版《城市动力学》(UrbanDynamics)1971年出版《世界动力学》(WorldDynamics)1972年学生梅多斯教授等出版《增长的极限》(TheLimitstoGrowth)LOGO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：R﹠D系统动力学管理控制、财务、金融：日本明治大学教授ToshiroShimada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。18:24LOGO1.1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。LOGO1.1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LOGO1.1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LOGO1.1系统动力学的基本概念系统定义一个由相互区别、相互作用的诸元素有机的联结在一起，而具有某种功能的集合体。组成一个系统应该物质、信息和运动三部分。种类天然系统、人工系统、社会系统、工程系统、经济系统、政治系统、生理系统LOGO1.1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）。LOGO1.1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）LOGO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。18:241.1系统动力学的基本概念LOGODIAGRAM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。冷却器加热器室温温度继电器-期望室温+库存货物到达订货生产发货期望库存1.1系统动力学的基本概念LOGO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。工资要求工资物价所受压力物价每年出生人口总人口++LOGOBLOCKDIAGRAM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。钟摆位置速度力动量平衡位置实际温度温度设置人的适宜温度期望温度LOGO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：①确定系统S范围的界限；②子系统或子结构Si（i=1，2，…，p）；③系统的基本单元，反馈回路结构Ej（j=1，2，…）；④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)LOGO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.LOGO系统的基本结构系统的基本结构是一阶反馈回路。状态信息速率状态信息速率LOGO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。LOGO1.1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LOGO1.2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。LOGO1.2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。LOGO1.2系统动力学构模的基本原理系统界限按照系统动力学的观点，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。LOGO1.2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。LOGO1.2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LOGO1.2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。LOGO1.2系统动力学构模的基本原理任务调研问题定义划定界限反馈结构分析变量定义建立方程模型模拟政策分析与模型使用建立模型模型评估系统分析结构分析修改模型1.2.4系统动力学解决问题的基本步骤LOGO1.2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LOGO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LOGO1.2系统动力学构模的基本原理全国社会经济发展框图交通运输子块能源子块污染子块生产资料生产子块资本积累子块国民收入与分配子块消费资料生产子块农业生产能力子块非农业生产能力子块教育子块人口子块科技子块LOGOAB+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AB正因果链1.2系统动力学构模的基本原理LOGO因果回路：由两个或两个以上的因果链组成的闭合回路。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AB-AB++1.2系统动力学构模的基本原理LOGO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。AB-+ACB---1.2系统动力学构模的基本原理LOGO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LOGO举例：城市移民系统劳动力需求产业扩张城市人口城市移民就业机会1.2系统动力学构模的基本原理LOGO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LOGO因果关系图应用实例固定资产投资固定资产总量固定资产折旧+产品产出量+++-1.2系统动力学构模的基本原理LOGO1.2系统动力学构模的基本原理期望水位水位差决定添水斟水速率杯中水位++-++投资能力铁路数使用铁路的吸引力铁路拥挤程度建设新铁路的迫切性建设中铁路数-++++++LOGO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LOGO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