系統(tǒng)動力學(xué)基本概念、構(gòu)模原理

1、系 統(tǒng) 動 力 學(xué),,課程總體介紹,系統(tǒng)動力學(xué)，王其藩著，上海財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2009年社會系統(tǒng)動力學(xué)，李旭著，復(fù)旦大學(xué)出版社，2009年,教 材,參 考 資 料,1.第五項(xiàng)修煉-學(xué)習(xí)型組織的藝術(shù)與實(shí)踐，彼得·圣吉（Peter.M.Senge )著，2012，中信出版社2.增長的極限，德內(nèi)拉·梅多斯著，2006，機(jī)械工業(yè)出版社3.系統(tǒng)思考，丹尼斯·舍伍德著，2007，機(jī)械工業(yè)出版社,20

2、:34,課 程 大 綱,第1部分 系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念及構(gòu)模原理 第2部分 一階、二階系統(tǒng)及系統(tǒng)的震蕩與延遲 第3部分 模型與方程的建立與應(yīng)用 第4部分 系統(tǒng)動力學(xué)軟件應(yīng)用 第5部分 案例講解與討論,1.系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念及構(gòu)模原理,,1.1.1 什么是系統(tǒng)動力學(xué) 系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，SD)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交

3、叉的綜合性的新學(xué)科。 系統(tǒng)科學(xué)：系統(tǒng)動力學(xué)理論強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的、整體的、聯(lián)系的、發(fā)展的、運(yùn)動的觀點(diǎn)。 管理學(xué)：系統(tǒng)動力學(xué)模型描述決策者的思考過程與決策過程，模仿決策的基本構(gòu)造及系統(tǒng)在不同決策下的行為。,1.1 系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,1.1.2 系統(tǒng)動力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 第一階段：產(chǎn)生（20世紀(jì)50-60年代） 第二次世界大戰(zhàn)以后，工業(yè)化進(jìn)程的加快，某些國家的社會問題日趨嚴(yán)重，如城市人口劇增、失業(yè)、環(huán)境污染、資源枯竭

4、，這些問題具有系統(tǒng)性、矛盾性和動態(tài)性等特點(diǎn)。 管理走向科學(xué)化和定量化，模型成為人們認(rèn)識管理系統(tǒng)的重要工具。但是，模型和定量研究在應(yīng)用過程中碰到了不少問題。 1）如何描述現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型化并引入政策因素。 2）管理科學(xué)與實(shí)際管理所關(guān)注的系統(tǒng)特性和達(dá)成的目標(biāo)不盡相同。 3）如何描述復(fù)雜系統(tǒng)的行為機(jī)理，培養(yǎng)系統(tǒng)思考的思維方式，提煉和整理產(chǎn)生復(fù)雜行為的簡單結(jié)構(gòu)。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,1.1系統(tǒng)動力

5、學(xué)的基本概念,20世紀(jì)50年代，美國麻省理工學(xué)院斯隆管理學(xué)院的福雷斯特教授推出了系統(tǒng)動力學(xué)，受到廣泛歡迎，并被應(yīng)用于解決各種復(fù)雜的系統(tǒng)性問題。,J.W.Forrester教授自50年代中期開創(chuàng)系統(tǒng)動力學(xué)以來，在一系列社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)問題的研究中取得了令人矚目的創(chuàng)造性成果。,20:34,J.W.Forrester等在系統(tǒng)動力學(xué)方面的主要成果,1958年 發(fā)表著名論文《工業(yè)動力學(xué)——決策的一個重要突破口》1961年 出版《工業(yè)動力學(xué)》(Ind

6、ustrial Dynamics)1968年 出版《系統(tǒng)原理》(Principles of Systems)1969年 出版《城市動力學(xué)》(Urban Dynamics)1971年 出版《世界動力學(xué)》(World Dynamics)1972年 學(xué)生梅多斯教授等出版《增長的極限》(The Limits to Growth),初期應(yīng)用,工業(yè)制造業(yè)部門的管理問題：生產(chǎn)、分配、銷售整個系統(tǒng)的一體化管理項(xiàng)目管理：R﹠D系統(tǒng)動力學(xué)管理控

7、制、財(cái)務(wù)、金融：日本明治大學(xué)教授Toshiro Shimada 發(fā)表于1968年的《周股價的系統(tǒng)動力學(xué)模型》，模擬分析了以周為單位的股價動態(tài)行為特性。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,第二階段：壯大與成熟（20世紀(jì)70-80年代） 第一次挑戰(zhàn) 1970年，羅馬俱樂部成立由Meadows教授為首的國際研究小組，承擔(dān)世界模型的研究任務(wù)。 研究成果：《世界動力學(xué)》《增長的極限》《趨向全球的均衡》。 基本觀點(diǎn)：指

8、數(shù)式增長的勢頭不能再持續(xù)下去，世界的發(fā)展將過渡到某種均衡發(fā)展的模式，從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看，當(dāng)代不發(fā)達(dá)國家按西方先進(jìn)國家的模式所進(jìn)行的工業(yè)化努力未必是明智的。第二次挑戰(zhàn) Forrester建立美國全國模型,歷時11年，完成了方程數(shù)達(dá)4000的美國系統(tǒng)動力學(xué)國家模型，解開了經(jīng)濟(jì)發(fā)展中長期存在的問題，尤其揭示了經(jīng)濟(jì)長波的奧秘。 SD在項(xiàng)目管理領(lǐng)域的新進(jìn)展，Cooper用SD模型定量分析研究了一項(xiàng)大型軍事造船工程中成本超支的原因。,1.

9、1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,第三階段：廣泛應(yīng)用與傳播（20世紀(jì)90年代至今） 系統(tǒng)動力學(xué)所涉及到的研究領(lǐng)域： 項(xiàng)目管理 物流與供應(yīng)鏈 宏觀經(jīng)濟(jì) 公司戰(zhàn)略 管理復(fù)雜性與復(fù)雜性科學(xué) 研究的主要問題： 對信息的利用問題 模型簡化、分割與復(fù)雜系統(tǒng)的建模技巧問題 SD模型中的優(yōu)化問題,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,1.1.3 幾個基本概念系統(tǒng)模擬與模型反饋

10、系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,系統(tǒng),1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,常見的系統(tǒng)舉例 大的如： 天體運(yùn)行系統(tǒng)；全世界社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)系統(tǒng)；可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)；我國宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展系統(tǒng)（涉及能源、人口、教育、交通、環(huán)境、經(jīng)貿(mào)、文化、等）。,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,小的如 ： 城市住宅價格系統(tǒng)（市場供給、市場需求、土地價值、房產(chǎn)價值、城市人口等）,模擬與模型 模擬：對真實(shí)客觀事物內(nèi)在結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動、發(fā)展的動態(tài)行為的模仿。

11、 模型：對現(xiàn)實(shí)問題某些剖面的代表和簡化描述，它突出本質(zhì)的描述其內(nèi)在結(jié)構(gòu)、關(guān)系與規(guī)律。 好的模型不僅僅在于如何建立一個模仿的最像的系統(tǒng)，而是在于正確處理現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、模型和研究者三者之間的關(guān)系。,20:34,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,Diagram,反饋系統(tǒng)反饋：信息的傳輸與回授。反饋系統(tǒng)：包含有反饋環(huán)節(jié)與其作用的系統(tǒng)。反饋回路：由一系列因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說由信息與動作組成的閉合路徑。,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的

12、基本概念,反饋系統(tǒng)分類 正反饋系統(tǒng)：正反饋起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)。正反饋能產(chǎn)生自身運(yùn)動的加強(qiáng)過程，此過程中運(yùn)動或動作所引起的后果將回授，使原來的趨勢加強(qiáng)。,Block Diagram,負(fù)反饋系統(tǒng)：負(fù)反饋起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)。負(fù)反饋能自動尋求給定的目標(biāo)，未達(dá)到（或者未趨近）目標(biāo)時將不斷作出響應(yīng)。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：組成系統(tǒng)的各個要素之間相互作用與相互依賴關(guān)系的秩序。 基于系統(tǒng)的整體性與層次性，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般存在下述體系與

13、層次：   ①確定系統(tǒng)S范圍的界限；    ②子系統(tǒng)或子結(jié)構(gòu)Si（i=1，2，…，p）；    ③系統(tǒng)的基本單元，反饋回路結(jié)構(gòu) Ej（j=1， 2，…）；    ④反饋回路的組成與從屬成分：反饋回路的主要變量，狀態(tài)變量；反饋回路的另一主要變量，變化率(速率),系統(tǒng)的界限：指該系統(tǒng)的范

14、圍,它規(guī)定了形成某特定動態(tài)行為所應(yīng)包含的最小數(shù)量的單元.,系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是一階反饋回路。,子系統(tǒng)的描述 子系統(tǒng)由基本單元、一階反饋回路組成。一階反饋回路包含三種基本的變量：狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量。這三種變量可分別由狀態(tài)方程、速率方程和輔助方程表示。它們與其它一些變量方程、數(shù)學(xué)函數(shù)、邏輯函數(shù)、延遲函數(shù)和常數(shù)一起能描述客觀世界的各類系統(tǒng)。,1.1系統(tǒng)動力學(xué)的基本概念,1.1.4系統(tǒng)動力學(xué)的基本觀點(diǎn)

15、系統(tǒng)的主要特性 社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)，但在一定條件下，可以把某些系統(tǒng)近似的簡化成為封閉系統(tǒng)加以研究； 復(fù)雜系統(tǒng)是一類具有多變量、高階次、多回路和強(qiáng)非線性的反饋系統(tǒng)； 系統(tǒng)具有整體性和層次性； 系統(tǒng)的相似性； 相關(guān)性觀點(diǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其行為主導(dǎo)與非主導(dǎo)動態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的歷史性與系統(tǒng)的進(jìn)化規(guī)律,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,1.2.1構(gòu)模基本原理 構(gòu)思模型最

16、基本的依據(jù)就是系統(tǒng)動力學(xué)對系統(tǒng)、系統(tǒng)特性的一系列觀點(diǎn)。 一個“明確”三個“面向”：即明確目的，面向問題、面向過程和面向應(yīng)用。 根據(jù)系統(tǒng)特性，在建模的構(gòu)思、模擬與測試的全過程中，正確的使用分解與綜合的原理。一方面要從整體的觀點(diǎn)研究系統(tǒng)，另一方面將系統(tǒng)分解為不同等級層次的子系統(tǒng)進(jìn)行研究。 模型是模擬分析實(shí)際系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)室”。 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恢滦?、有效性的最終標(biāo)準(zhǔn)是客觀的實(shí)踐。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理

17、,1.2.2 建模的主要目的與系統(tǒng)界限建模的主要目的 系統(tǒng)動力學(xué)建模的目的在于研究系統(tǒng)的問題，加深對系統(tǒng)內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)與其動態(tài)行為關(guān)系的研究與認(rèn)識，并進(jìn)行改善系統(tǒng)行為的研究，對社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)而言，這方面的工作稱之為政策研究。從系統(tǒng)動力學(xué)的應(yīng)用重點(diǎn)看，以社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)來說，我們將強(qiáng)調(diào)政策分析與政策改進(jìn)。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,系統(tǒng)界限 按照系統(tǒng)動力學(xué)的觀點(diǎn)，正確的劃出系統(tǒng)界限的一條準(zhǔn)則是把系統(tǒng)中的反饋回路

18、考慮成閉合的回路，力圖把那些與建模目的關(guān)系密切、重要的量都劃入邊界，界限應(yīng)是封閉的。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,1.2.3 問題的確定與模型構(gòu)思構(gòu)思模型的三條原則 明確建模目的； 集中于問題和矛盾，而不是整個系統(tǒng)； 系統(tǒng)動力學(xué)僅處理那些隨時間變化和源自反饋結(jié)構(gòu)的問題。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,動態(tài)的定義問題 從系統(tǒng)動力學(xué)的觀點(diǎn)看，任何問題最好以隨時間變化的變量圖表示。 考慮重要變量的動

19、態(tài)行為,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,確定時間坐標(biāo) 參考模式；（隨時間變化的變量圖形為行為參考模式）借助圖形思考。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,1.2.4 系統(tǒng)動力學(xué)解決問題的基本步驟,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,1.2.5 系統(tǒng)動力學(xué)常用的圖形表示法 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖因果關(guān)系圖流圖混合圖速率－狀態(tài)變量關(guān)系圖,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 用方塊或圓圈簡明地代表系統(tǒng)的主要子塊并

20、描述它們之間物質(zhì)與信息流的交換關(guān)系。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,國家 能 源 框圖,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,全國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展框圖,因果關(guān)系圖 一種定性描述系統(tǒng)中變量之間因果關(guān)系的圖示模型，即用圖的形式描述系統(tǒng)變量之間相互影響和相互作用的關(guān)系。因果鏈 A B正因果鏈,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,因果回路：由兩個或兩個以上的因果鏈組成的閉合回

21、路。 正因果回路：自身具有加強(qiáng)其變化效果能力的閉合回路。,負(fù)因果鏈,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,負(fù)因果回路：自身具有抑制變量變化和進(jìn)行調(diào)節(jié)能力的閉合回路。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,判斷正負(fù)因果關(guān)系回路的規(guī)則 在判定某一回路的正負(fù)時，假定回路外影響回路的所有因素不變。 在因果關(guān)系回路中，負(fù)因果鏈的總數(shù)為偶數(shù)時，此回因果路為正因果關(guān)系回路；負(fù)因果鏈的總數(shù)為奇數(shù)時，此回路為負(fù)因果關(guān)系回路。,1.2

22、系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,舉例：城市移民系統(tǒng),1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,因果互變的系統(tǒng)觀 對于一個動態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)而言，因果關(guān)系并非總是單方向的。 出生率 總?cè)丝?許多情況下，何時為因，何時為果不難判斷，取決于那種因素是主動地，那種因素是被動的。 銀行利率 投資者興趣,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,因果關(guān)系圖應(yīng)用實(shí)例,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,

23、1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,因果關(guān)系圖的畫法小結(jié) 找出系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。 從系統(tǒng)中任何一個要素出發(fā)，畫因果鏈和回路。 在因果關(guān)系的繪制中要注意兩點(diǎn)：一是，在確定兩者之間關(guān)系時，要假定其他要素不變；二是，要注意互為因果、一因多果、多因一果等情況。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,,把因果圖中的變量設(shè)想為能升降、增減與上下的量。暫不必?fù)?dān)心是否能以現(xiàn)有的單位和量綱去度量。在因果關(guān)系圖中采用名詞或名詞短語，不用動詞。變量之間

24、的影響與作用以帶箭頭的因果鏈表示。盡可能確定變量的量綱，必要時可自己創(chuàng)造一些。例如某些心理學(xué)方面的變量，不得不采用諸如精神上的“壓力”單位。確定量綱有助于突出因果圖中的文字?jǐn)⑹龅暮x。如果某因果鏈需加以擴(kuò)充，以便于更詳盡地反映反饋結(jié)構(gòu)的機(jī)制，則毫不猶豫地將其擴(kuò)充為一組因果鏈。盡可能定義變量本身為正值，不把諸如“衰減”、“衰退”、“降低”一類定義為變量。反饋結(jié)構(gòu)應(yīng)該形成閉合回路。,,流圖 是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步區(qū)分

25、變量的性質(zhì)，用更加直觀的符號刻畫系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系，明確系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律，為深入研究系統(tǒng)打基礎(chǔ)的圖形表示法。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,流圖中的基本要素及其描述符號 變量的描述符號 存量：也稱狀態(tài)變量（Leve Variable) 是描述系統(tǒng)的積累效應(yīng)的變量。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,流量：也稱速率變量（Rate Variable),描述系統(tǒng)中積累效應(yīng)變化快慢的變量。 描述符號

26、：輔助變量：也稱轉(zhuǎn)換器，是狀態(tài)變量和速率變量之間信息傳遞和轉(zhuǎn)換過程的中間變量，表達(dá)如何根據(jù)狀態(tài)變量計(jì)算速率變量的決策過程。 描述符號：,,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,常量：也稱外生變量（Constant),指在研究期間變化甚微或相對不變的量。 描述符號： 源點(diǎn)、匯點(diǎn)的描述符號,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,,流圖仿效閥門與浴缸的關(guān)系把速率與狀態(tài)變量描述如圖所示：,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,勞動力的兩

27、狀態(tài)流圖 勞動力隊(duì)伍一般可分成兩部分，一部分為已具有勞動技能的正式工人；另一部分為尚在培訓(xùn)的工人，培訓(xùn)需要一定時問，如半年或一年，稱為培訓(xùn)延遲。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,,流線的描述符號：守恒流：也稱物質(zhì)流，表示在系統(tǒng)中流動著的物質(zhì)。非守恒流：也稱信息流，是連接狀態(tài)變量和速率變量之間的信息通道的流線。,,,20:34,物流與信息鏈的表示,因果關(guān)系圖的另一個缺點(diǎn)：忽視信息鏈與物流鏈的差別。 在流圖中，物質(zhì)流

28、－實(shí)線箭頭，信息鏈－虛線箭頭,庫存－勞動力系統(tǒng)反饋基本回路圖,20:34,繪制流圖的程序 確定系統(tǒng)的邊界。 確定回路。 區(qū)分回路中不同性質(zhì)的變量。 用流圖符號描述和連接系統(tǒng)中的各個變量。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,建立流圖應(yīng)該遵循的原則 一定要有守恒流流經(jīng)狀態(tài)變量，狀態(tài)變量反映了這些守恒流對時間的積累。 只有速率變量能夠改變狀態(tài)變量。 經(jīng)守恒流線與狀態(tài)變量相連的變量只能是速率變

29、量。 一般情況下在狀態(tài)變量上要有信息取出線，在速率變量上要有信息流入線，表示根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行決策，對系統(tǒng)實(shí)施控制‘ 輔助變量只能有信息流線經(jīng)過。 常量只能有信息取出線。,1.2 系統(tǒng)動力學(xué)構(gòu)模的基本原理,流圖的現(xiàn)實(shí)意義 流圖所描述的信息完全可以用積分公式或微分公式來表達(dá)，流圖同以數(shù)學(xué)為平臺的微分方程是完全等效的。 存量和流量圖同更數(shù)學(xué)化得正規(guī)符號包含著同樣的信息，使我們更容易理解和修改。,1.2 系