系统动力学VENSIM中文教程

第1章概述1.1.系统动力学简介1956年，JayW.Forrester放弃了其在电机控制领域的研究，转而将反馈控制的基本原则用于社会经济学系统。1961年，他在MIT工业管理学院研究公司管理问题，出版了其专著IndustrialDynomics,这标志着这一学科的创立。在过去的40年中，系统动力学有了长足的发展。系统动力学的理论、思想方法和工具，对于分析社会经济中许多复杂动态问题非常有效。另一方面，系统动力学的分析方法、建模方法、模拟方法和模拟工具比较规范，易于学习和应用。1、事件－行为－结构在日常生活中，我们往往是从事件开始认识事物的。例如股市暴涨暴跌，流行病发生，战争爆发等等。事件一般是在固定的时间点上出现的。我们要正确的认识事件，须要联系相关事件，并从它们的发展过程中去观察。也即，要考察事件所在的行为模式。行为模式是系统的外在表现，可表现为一系列的相关事件随事件的演变过程，是多个关联事件表现出的过去现在和未来。例如，我们看到的经济的缓慢增长，利率的变化，失业率的波动等。行为摸式是由系统的内部结构决定的。结构是产生行为模式的物质的、能量的、信息的内在关系。系统的结构决定其行为模式，而事件是行为模式的重要片段。利用系统动力学分析问题，要由事件出发，分析系统的结构与行为模式的关系，以采取成功的政策和策略，调整系统结构，干预和控制系统，改善系统的行为模式，大大避免坏的事件的发生。2、系统动力学处理问题的过程参考行为模式分析提出假设建立模型模型模拟提出问题z提出问题：明确建立模型的目的。即要明确要研究和解决什么问题。z参考行为模式分析：分析系统的事件，及实际存在的行为模式，提出设想和期望的系统行为模式。作为改善和调整系统结构的目标。z提出假设建立模型：由行为模式，提出系统的结构假设。由假设出发，设计系统的因果关系图，流图，并列出方程，定义参数。从而将一系列的系统动力学假设，表示成了清晰的数学关系集合。z模型模拟：调整参数，运行模型，产生行为模式。建立好的模型是一个实验室，可以由试验参数和结构的变化理解结构与系统行为模式的关系。1.2VensimPLE软件的特点VensimPLE全名为VentanaSimulationEnviromentPersonalLearningEdition.即Ventana系统动力学模拟环境个人学习版。1.利用图示化编程建立模型。在Vensim中，“编程”实际上并不存在，只有建模的概念。只要在模型建立窗口画出流图，再通过Equations输入方程和参数，就可以直接进行模拟了。如果用户需要查看有关方程和参数，可使用ModeDocument工具条。另外，Vensim提供两种模型文件保存方式，一种是二进制文1件，后缀为.vmf；另一种是文本文件，后缀为.mdf，这种文件可以用于模型的建立和修改，但这并不是Vensim推荐的方法。2.运行于Windows下，数据共享性强，提供丰富的输出信息和灵活的输出方式。由于采用了多种分析方法，因此Vensim的输出信息是非常丰富的。其输出兼容性较强。一般的模拟结果，除了即时显示外，还提供保存文件和copy到剪切板。例如建立好的模型可以copy到剪贴板，再由剪贴板转到MSWord的编辑文件中。3.对模型的多种分析方法Vensim提供对于模型的结构分析和数据集分析。其中结构分析包括原因树分析(逐层列举作用于指定变量的变量)、结果树分析(逐层列举该变量对于其它变量的作用)和反馈列表。模型运行后，可进行数据集分析。对指定变量，可以给出它随时间的变化图，列出数据表；可以给出原因图分析，列出所有作用于该变量的其它变量随时间变化的比较图；可以给出结果图分析，列出该变量与所有它作用的变量随时间变化的比较图；同时可以将多次运行的结果进行比较。作为昀终结果的图形分析和输出，可使用Graph，它不但可以列举多个变量随时间的变化图，而且可以列举变量之间的关系图。4.真实性检验对于我们所研究的系统，对于模型中的一些重要变量，依据常识和一些基本原则，我们可以预先提出对其正确性的基本要求。这些假设是真实性约束。将这些约束加到建好的模型中，专门模拟现有模型在运行时对于这些约束的遵守情况或违反情况，就可以判断模型的合理性与真实性，从而调整结构或参数。真实性检验是Ventana公司的专利方法，是一种非常有效的建模工具。1.3使用Vensim软件处理问题的一般过程分析系统行为模式提出真实性检验约束设定模型结构和参数建模：画出流程图填入方程和参数模型模拟结构分析建立真实性检验数据集分析1.4VensimPLE的使用说明VensimPLE3.0c可使用于Window3.X，Windows95,WindowsNT操作系统下。2硬件要求386以上PC机，2.0M内存，1.6M磁盘空间(安装时需6M硬盘空间)。对于Machintosh机型，也可使用。第2章Vensim的菜单和主窗口Vensim的用户界面是标准的Windows应用程序界面。除支持菜单和加速键外，还提供多个工具条。这使得用户操作非常方便。2.1VensimPLE的主菜单VensimPLE提供以下菜单。对于菜单的驱动，除了逐级打开外，还可以用相应的加速键。zFile文件管理：提供建立新模型(NewModle)，打开模型(OpenModle)，保存模型(Save,Saveas)，打印模型(Print,PrintOptions)等。模型打开和建立后，检查可通过Check完成。zView观察：对于模型的流图进行总体观察。提供按任意比例缩放。zModel模型检验：包括RealityCheck即真实性检验，TimeBounds时间控制设置。其中TimeBounds是用于调控Simulate和RealityCheck的时间参数的。zWindows窗口：包括Controlpanel控制面板（即VariableSelection分析变量选择，TimeAxis时间轴设置，Scalling纵坐标调整，Datasets数据集选择，Graph自定义作图等），以及PopForward实现由其它窗口转换到模型建立窗口，ErrorHistory是出错记录，SelectionHistory是选择记录。zHelp帮助：在该菜单下有Manual子菜单，它是Ventana公司提供的使用手册，比较详细。另外一个是AboutModles子菜单，它提供了Vensim对模型的基本概括，如变量数目，状态量数目等。并提供对模型设置加密口令。第3章模型的建立模型建立是在模型建立窗口，通过图示化的方式建立模型，或对已建立的模型进行修改。主要过程是画出流图，然后输入参数和方程。3.1开始在主菜单File下，选择NewModle或OpenModle，就可以开始一个新模型的建立或者已建模型的修改工作。在选择NewModle情况下，会出现如下窗口。它是用来对于模型初始化的。可以选择起始时间，结束时间，时间单位，时间步长(TimeStep)和数据记录步长SAVEPER。33.2画图工具条其功能依次为：zPointing指针：用于选中、移动和改变变量和图符。有三种选择方式。按下左键并拖动会看到一个虚线方框，松开左键则方框内所有变量和图符被选中，选中后可以用鼠标拖动之；可直接左键用点按变量或图符选中之，按下左键可以拖动，另外若选中图符操作柄(一个小圆圈)，可对图符进行伸缩放大；对变量用左键连续点按两次会将它选为工作台变量。zVariable变量：用于定义非状态变量的变量，如辅助变量和常量。zBoxVariable方框变量：用于创建状态变量。注意，Vensim一般约定，状态变量第一个字母大写，常量和表格量字母全大写，其余变量字母全小写。但用户也可以有自己的约定。zArrow箭头：用于创建表示因果关系的箭头，可以是直的或弯曲的。注意，创建时，先选中箭头，在因变量上按下左键，然后松开，移动鼠标到空白处点按左键，松开后移动到果变量再点按左键。在中间电按位置会有一个操作柄。zRates速率变量：用于创建速率变量。它有四部分构成，两个箭头，一个开关，两朵表示源和漏的云，和变量本身。可通过选择移动开关，移动和改变图符形状。速率变量一般至少有一端指向一个状态变量，在创建时可是其一端直接指到状态变量上。zShadowVariable：有时模型很大，若一个变量已在一个子块中定义，在另一子块中，只要用ShandowVariable再声明一次即可。zComment注释：用于为流图增加注释，使容易看懂。Vensim的注释方法很丰富，可以是文字，图符等。它在模型流图中无实质性作用。zDelete删除：用于删除相关内容。zEquations建立方程：用于方程建立，即建立等式，赋值，定义单位等。3.3对于图符和字体的调整Vensim提供图符和字体的丰富多彩的表示方式。对于已有的图符和字体，有两种方法实现调整。一种是用指针选中图符和变量(注意，图符要选其操作柄)，然后再点按底部工具条。一种是直接用鼠标右键点按图符操作柄或变量，就会出现相应的对话框。4(1)利用工具条对图符和字符作调整：图示工具条功能依次如下：1.字体选择：可用来对于当前变量或注释选择任何windows所提供的字体。也可选择汉字。2.字体的大小。3.b：字体的加粗。4.i：字体倾斜。5.u：字体加下划线。6.s：字体加中串线。7.设置字体颜色。8.设置变量边框颜色。9.变量边框形状选择。10.文本的位置选择。11.设置箭头的颜色。12.箭头的形状选择。13.设置箭头的极性。一般用“＋，－”，也可选择用“S，N”。14.将加亮的字符移到下面。熟练使用这些工具条可以使模型外观非常漂亮。但这些工具对于模型本身无实质影响。(2)利用对话框操作对图符和字符作调整：如上所述，用鼠标右键单击要操作的图符操作柄，则会出现相应的对话框。这些对话框主要有箭头选择对话框，开关选择对话框，注释对话框，变量选择对话框。其中注释对话框和变量设置对话框我们在后面讨论。z箭头选择对话框：图示可以选择极性(可以选择字体)，箭头可以隐藏，可以无头，可以选择颜色及线的形状和宽度。这是对于因果关系箭头和速率量箭头操作的。开关选择对话框：对于速率量的开关操作。用来调整速率变量相对于图符的位置，图符的颜色等。3.4对流图加注释通过选择建立模型工具条可打开如下注释对话框。注释可以是文字的或图形的。文字的注释可以选择字体、大小、颜色、加粗等。图形的注释可以选择点位图或者是可以是Windows的图元文件(均可由剪贴板获得)。可以对注释加边框，选择边框形状等。3.5方程和参数的输入方程的左边一定是某一变量，而Vensim是围绕这一变量来建立方程和输入参数的。在画图工具条中，有一个Equations项，当模型各种变量的关系建立完成以后，点击该项即可对任何一个变量进行建立等式和赋值等工作。点击任何一个变量后，会先出现对话框。主要内容包括：z方程编辑：可选择变量、函数、数字和运算符构成方程。zVariables输入变量：若流图正确，此变量的因变量均包含于此，并构成输入变量。在方程编辑中只要从此选择即可，不需要再写入变量了。zFunctions函数：此处列举了Vensim提供的所有函数，可选择进入方程编辑。5zType：确定变量类型，如表函数等。zUnits单位：方程右边必须有正确的单位。若是一个无量纲量，可不加或输入dmnl。zComment注释：可对于方程进行注释，以增加可读性。zErros错误信息：在方程书写中，会随时提示书写是否正确。3.6查找表的建立表函数是SD一个重要特征。它用于建立两个变量之间的非线性关系。特别是软变量之间的关系。例如员工士气对工作效率的影响程度。一般，两个变量先归一化，或者先规整化，再根据经验给出大致的关系图来。这样设计的变量是无量纲量。当在Type中选择Lookup项时，会有AsGraph选项，选择此选项，就会出现对话框。该对话框用于图形化定义一个查找表。包括自变量和函数值列举，自变量和函数的昀大值等。用鼠标左键在图形框中点按，会自动构成图形。3.7对于Limits模型重新设计以后的流图我们对于Vens