系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)課件與案例分析

1、第四章 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),2012.4.16,System Dynamics,Contents,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,2,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,3,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,4,,5,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,產(chǎn)生背景： 第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，某些國家的社會(huì)問題日趨嚴(yán)重，例如城市人口劇增、失業(yè)、環(huán)境污染、資源枯竭。這些問題范圍廣泛，關(guān)系復(fù)雜，因素眾多，

2、具有如下三個(gè)特點(diǎn)：各問題之間有密切的關(guān)聯(lián)，而且往往存在矛盾的關(guān)系，例如經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)等。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,許多問題如投資效果、環(huán)境污染、信息傳遞等 有較長(zhǎng)的延遲，因此處理問題必須從動(dòng)態(tài)而不是靜態(tài)的角度出發(fā)。許多問題中既存在如經(jīng)濟(jì)量那樣的定量的東西，又存在如價(jià)值觀念等偏于定性的東西。這就給問題的處理帶來很大的困難。 新的問題迫切需要有新的方法來處理；另一方面，在技術(shù)上由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破使得新的方法有

3、了產(chǎn)生的可能。于是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,System dynamics was created during the mid-1950s by Professor Jay W.Forrester of the Massachusetts Institute of Technology.,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,J.W.Forrester等教授在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的主要成果：1958年發(fā)表著名論文《工業(yè)動(dòng)力學(xué)——決策的

4、一個(gè)重要突破口》，首次介紹工業(yè)動(dòng)力學(xué)的概念與方法。1961年出版《工業(yè)動(dòng)力學(xué)》(Industrial Dynamics)一書，該書代表了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的早期成果。1968年出版《系統(tǒng)原理》(Principles of Systems)一書，論述了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法。1969年出版《城市動(dòng)力學(xué)》(Urban Dynamics)，研究波士頓市的各種問題。1971年進(jìn)一步把研究對(duì)象擴(kuò)大到世界范圍，出版《世界動(dòng)力學(xué)》(World D

5、ynamics)一書，提出了“世界模型II”。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1972年他的學(xué)生梅多斯教授等出版了《增長(zhǎng)的極限》(The Limits to Growth)一書，提出了更為細(xì)致的“世界模型III”。這個(gè)由羅馬俱樂部主持的世界模型的研究報(bào)告已被翻譯成34種語言，在世界上發(fā)行了600多萬冊(cè)。兩個(gè)世界模型在國際上引起強(qiáng)烈的反響。1972年Forrester領(lǐng)導(dǎo)MIT小組，在政府與企業(yè)的資助下花費(fèi)10年的時(shí)間完成國家模型的研究，該

6、模型揭示了美國與西方國家的經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)波的內(nèi)在機(jī)制，成功解釋了美國70年代以來的通貨膨脹、失業(yè)率和實(shí)際利率同時(shí)增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)問題。(經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)波通常是指經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中存在的持續(xù)時(shí)間為50年左右的周期波動(dòng) ),1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展過程大致可分為三個(gè)階段：1、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的誕生—20世紀(jì)50-60年代 由于SD這種方法早期研究對(duì)象是以企業(yè)為中心的工業(yè)系統(tǒng)，初名也就叫工業(yè)動(dòng)力學(xué)。這階段主要是以福雷斯特教授在哈佛商業(yè)評(píng)論發(fā)表的《工

7、業(yè)動(dòng)力學(xué)》作為奠基之作，之后他又講述了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法論和原理，系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)行為的基本原理。后來，以福雷斯特教授對(duì)城市的興衰問題進(jìn)行深入的研究，提出了城市模型。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,2、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展成熟—20世紀(jì)70-80年代 這階段主要的標(biāo)準(zhǔn)性成果是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)世界模型與美國國家模型的研究成功。這兩個(gè)模型的研究成功地解決了困擾經(jīng)濟(jì)學(xué)界長(zhǎng)波問題，因此吸引了世界范圍內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，促進(jìn)它在世界范圍內(nèi)的傳播與發(fā)展,確

8、立了在社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題研究中的學(xué)科地位。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,3、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)廣泛運(yùn)用與傳播—20世紀(jì)90年代-至今 在這一階段,SD在世界范圍內(nèi)得到廣泛的傳播,其應(yīng)用范圍更廣泛,并且獲得新的發(fā)展.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)正加強(qiáng)與控制理論、系統(tǒng)科學(xué)、突變理論、耗散結(jié)構(gòu)與分叉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、靈敏度分析、統(tǒng)計(jì)分析、參數(shù)估計(jì)、最優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用、類屬結(jié)構(gòu)研究、專家系統(tǒng)等方面的聯(lián)系。許多學(xué)者紛紛采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法來研究各自的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，涉及到

9、經(jīng)濟(jì)、能源、交通、環(huán)境、生態(tài)、生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、城市等廣泛的領(lǐng)域。,1.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,國內(nèi)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展?fàn)顩r 20世紀(jì)70年代末系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)引入我國，其中楊通誼，王其藩，許慶瑞，陶在樸，胡玉奎等專家學(xué)者是先驅(qū)和積極倡導(dǎo)者。二十多年來，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究和應(yīng)用在我國取得飛躍發(fā)展。我國成立國內(nèi)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)學(xué)會(huì)，國際系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)學(xué)會(huì)中國分會(huì)，主持了多次國際系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)大會(huì)和有關(guān)會(huì)議。 目前我國SD學(xué)者和研究人員

10、在區(qū)域和城市規(guī)劃、企業(yè)管理、產(chǎn)業(yè)研究、科技管理、生態(tài)環(huán)保、海洋經(jīng)濟(jì)等應(yīng)用研究領(lǐng)域都取得了巨大的成績(jī)。,Forrester教授與王其藩在其MIT辦公室,,Contents,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,2,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,3,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,4,,5,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics) 創(chuàng)始于1956年，在20世紀(jì)50年代末成為一門獨(dú)立完整的學(xué)科，其創(chuàng)始者為美

11、國麻省理工學(xué)院（MIT）的福瑞斯特（Forrester J. W.）教授。,工業(yè)動(dòng)力學(xué),系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),,定義： 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(shí)系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的綜合性交叉學(xué)科。它是系統(tǒng)科學(xué)與管理科學(xué)的一個(gè)分支，也是一門溝通自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域的橫向?qū)W科。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科。它是系統(tǒng)科學(xué)中的一個(gè)分支，是跨越自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的橫向?qū)W科。

12、 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基于系統(tǒng)論，吸收控制論、信息論的精髓，是一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交叉、綜合性的新學(xué)科。 從系統(tǒng)方法論來說，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法是結(jié)構(gòu)方法、功能方法和歷史方法的統(tǒng)一。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是在系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此它包含著系統(tǒng)論的思想。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)行為前提條件而展開研究的。它認(rèn)為存在系統(tǒng)內(nèi)的眾多變量在它們相互作用的反饋環(huán)里有因果聯(lián)系。反饋之間有系統(tǒng)的相互聯(lián)系，

13、構(gòu)成了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而正是這個(gè)結(jié)構(gòu)成為系統(tǒng)行為的根本性決定因素。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,人們?cè)谇蠼鈫栴}時(shí)都是想獲得較優(yōu)的解決方案，能夠得到較優(yōu)的結(jié)果。所以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解決問題的過程實(shí)質(zhì)上也是尋優(yōu)過程，來獲得較優(yōu)的系統(tǒng)功能。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)角度來分析系統(tǒng)的功能和行為，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了系統(tǒng)的行為。因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是通過尋找系統(tǒng)的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，來獲得較優(yōu)的系統(tǒng)行為。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)怎樣尋找較優(yōu)的結(jié)構(gòu)？

14、 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)把系統(tǒng)看成一個(gè)具有多重信息因果反饋機(jī)制。因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在經(jīng)過剖析系統(tǒng)，獲得深刻、豐富的信息之后建立起系統(tǒng)的因果關(guān)系反饋圖，之后再轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)流圖，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。最后通過仿真語言和仿真軟件對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，來完成對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。 通過上述過程完成了對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的仿真，接下來就要尋找較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,尋找較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被稱作為政策分析或優(yōu)化，包括參數(shù)優(yōu)化、

15、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、邊界優(yōu)化。參數(shù)優(yōu)化就是通過改變其中幾個(gè)比較敏感參數(shù)來改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來尋找較優(yōu)的系統(tǒng)行為。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指主要增加或減少模型中的水平變量、速率變量來改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來獲得較優(yōu)的系統(tǒng)行為。邊界優(yōu)化是指系統(tǒng)邊界及邊界條件發(fā)生變化時(shí)引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化來獲得較優(yōu)的系統(tǒng)行為。 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)就是通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，尋找系統(tǒng)的較優(yōu)結(jié)構(gòu)，以求得較優(yōu)的系統(tǒng)行為。,2.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理總結(jié)：

16、 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)把系統(tǒng)的行為模式看成是由系統(tǒng)內(nèi)部的信息反饋機(jī)制決定的。通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用DYNAMO仿真語言和Vensim軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的仿真，可以研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，以便尋求較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。,Contents,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,2,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,3,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,4,,5,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,模型,模型 模型是客觀存在的事物與系統(tǒng)的模

17、仿、代表或替代物。它描述客觀事物與系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關(guān)系與法則。 如：腦力模型、物理模型、數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)模型或者前述模型的組合。 SD模型 SD模型是按照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立起來的數(shù)學(xué)模型，采用專用語言DYNAMO, Vensim等，借助數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，以處理行為隨時(shí)間變化的系統(tǒng)問題。建?！獙W(xué)習(xí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要目的。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,本節(jié)主要是介紹系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中一些比較重要的概念，以便后面的案例分析。系統(tǒng)與

18、反饋： 系統(tǒng): 一個(gè)由相互區(qū)別、相互作用的各部分(即單元或要素)有機(jī)地聯(lián)結(jié)在一起，為同一目的完成某種功能的集合體。 反饋: 系統(tǒng)內(nèi)同一單元或同一子塊其輸出與輸入間的關(guān)系。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，“反饋”則指系統(tǒng)輸出與來自外部環(huán)境的輸入的關(guān)系。,系統(tǒng),什么是系統(tǒng)？ 系統(tǒng)是一個(gè)由相互區(qū)別、相互作用的各部分有機(jī)地聯(lián)結(jié)一起，為同一目的而完成某種功能的集合體。 系統(tǒng)的基本特征：整體性和層次性

19、 相似性 相關(guān)性在我們周圍，系統(tǒng)比比皆是。 例如電氣的、機(jī)械的、熱力學(xué)的、生物的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的，不勝枚舉。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)所研究的系統(tǒng)范圍廣泛，可大可小。大的如 天體運(yùn)行系統(tǒng)，社會(huì)一經(jīng)濟(jì)一生態(tài)系統(tǒng)，世界能源系統(tǒng)小的如 城市系統(tǒng)，企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)更小的如 動(dòng)物的心臟、肺和血液循環(huán)的供氧生理系統(tǒng)等。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

20、及描述,根據(jù)系統(tǒng)的整體性和層次性，系統(tǒng)S可劃分成若干個(gè)(p個(gè))相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)(子結(jié)構(gòu))Si。 S=｛Si∈S|1-p｝ 式中：S——整個(gè)系統(tǒng)； Si——子系統(tǒng)，i=1，2，…p。,對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及界限,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，所謂結(jié)構(gòu)是指單元的秩序。 ①是指組成系統(tǒng)的各單元； ②是指諸單元間的作用與關(guān)系。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著系統(tǒng)構(gòu)成的特征。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,

21、反饋系統(tǒng)： 反饋系統(tǒng)就是包含有反饋環(huán)節(jié)與其作用的系統(tǒng)。它要受系統(tǒng)本身的歷史行為的影響，把歷史行為的后果回授給系統(tǒng)本身，以影響未來的行為。如庫存訂貨控制系統(tǒng)。反饋回路： 反饋回路就是由一系列的因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說是由信息與動(dòng)作構(gòu)成的閉合路徑。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,因果回路圖(CLD): 表示系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的重要工具，因果圖包含多個(gè)變量，變量之間由標(biāo)出因果關(guān)系的箭頭所連接。變量是由因果鏈所聯(lián)系，因果鏈

22、由箭頭所表示。因果鏈極性：每條因果鏈都具有極性，或者為正(+)或者為負(fù) （-）。極性是指當(dāng)箭尾端變量變化時(shí)，箭頭端變量會(huì)如何變化。極性為正是指兩個(gè)變量的變化趨勢(shì)相同，極性為負(fù)指兩個(gè)變量的變化趨勢(shì)相反。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,反饋回路的極性：反饋回路的極性取決于回路中各因果鏈符號(hào)?；芈窐O性也分為正反饋和負(fù)反饋，正反饋回路的作用是使回路中變量的偏離增強(qiáng)，而負(fù)反饋回路則力圖控制回路的變量趨于穩(wěn)定。確定回路極性的方法若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)

23、負(fù)的因果鏈，則其極性為正；若反饋回路包含奇數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為負(fù)。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,系統(tǒng)流圖：表示反饋回路中的各水平變量和各速率變量相互聯(lián)系形式及反饋系統(tǒng)中各回路之間互連關(guān)系的圖示模型。 水平變量：也被稱作狀態(tài)變量或流量，代表事物(包括物質(zhì)和非物質(zhì)的)的積累。其數(shù)值大小是表示某一系統(tǒng)變量在某一特定時(shí)刻的狀況?？梢哉f是系統(tǒng)過去累積的結(jié)果，它是流入率與流出率的凈差額。它必須由速率變量的作用才能由某一個(gè)數(shù)值狀態(tài)改變另一數(shù)

24、值狀態(tài)。 速率變量：又稱變化率，隨著時(shí)間的推移，使水平變量的值增加或減少。速率變量表示某個(gè)水平變量變化的快慢。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,水平變量和速率變量的符號(hào)標(biāo)識(shí)： 水平變量用矩形表示，具體符號(hào)中應(yīng)包括有描述輸入與輸出流速率的流線、變量名稱等。 速率變量用閥門符號(hào)表示，應(yīng)包括變量名稱、速率變量控制的流的流線和其所依賴的信息輸入量。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,延遲： 延遲現(xiàn)象在系統(tǒng)內(nèi)無處不在。如貨

25、物需要運(yùn)輸，決策需要時(shí)間。延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的行為有很大的影響，因此必須要刻畫延遲機(jī)制。延遲包括物質(zhì)延遲與信息延遲。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過延遲函數(shù)來刻畫延遲現(xiàn)象。如物質(zhì)延遲中DELAY1，DELAY3函數(shù)；信息延遲的DLINF3函數(shù)。平滑： 平滑是指從信息中排除隨機(jī)因素，找出事物的真實(shí)的趨勢(shì)，如一般決策者不會(huì)直接根據(jù)銷售信息制定決策，而是對(duì)銷售信息求出一段時(shí)間內(nèi)的平均值。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)提供SMOOTH函數(shù)來表示平滑。,3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基

26、本概念,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)在于它能處理高階次、非線性、多重反饋復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的問題。高階次：系統(tǒng)階數(shù)在四階或五階以上者稱為高階次系統(tǒng)。典 型的社會(huì)一經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型階數(shù)則約在十至數(shù)百之間。如美國國家模型的階數(shù)在兩百以上。多重回路：復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的回路數(shù)目一般在三個(gè)或四個(gè)以上。諸回路中通常存在一個(gè)或一個(gè)以上起主導(dǎo)作用的回路，稱為主回路。主回路的性質(zhì)主要地決定了系統(tǒng)內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其相應(yīng)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的特性，,

27、3.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,而且，主回路并非固定不變，它們往在在諸回路之間隨時(shí)間而轉(zhuǎn)移，結(jié)果導(dǎo)致變化多端的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為。非線性：線性指量與量之間按比例、成直線的關(guān)系，在空間和時(shí)間上代表規(guī)則和光滑的運(yùn)動(dòng)；而非線性則指不按比例、不成直線的關(guān)系，代表不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)和突變。線性關(guān)系是互不相干的獨(dú)立關(guān)系，而非線性則是相互作用，而正是這種相互作用，使得整體不再是簡(jiǎn)單地等于部分之和，而可能出現(xiàn)不同于“線性疊加”的增益或虧損。實(shí)際生活中的過程與系統(tǒng)幾乎毫

28、無例外地帶有非線性的特征。正是這些非線性關(guān)系的耦合導(dǎo)致主回路轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)表現(xiàn)出多變的動(dòng)態(tài)行為。,模擬,模擬 模擬就是模仿、仿效真實(shí)的客觀事物和過程。計(jì)算機(jī)模擬 計(jì)算機(jī)模擬是數(shù)值分析方法的一種。它用計(jì)算機(jī)程序直接建立真實(shí)系統(tǒng)的模型，并且通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算了解系統(tǒng)隨時(shí)間變化的行為或系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)。專業(yè)軟件：DYNAMO / Powersim / Vensim,Contents,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1,

29、,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,2,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,3,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,4,,5,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,4.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,通過第二節(jié)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理的分析，可以知道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是通過模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尋找較優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來獲得較優(yōu)的系統(tǒng)行為。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)通過分析系統(tǒng)的問題，剖析系統(tǒng)獲得豐富的系統(tǒng)信息，從而建立系統(tǒng)內(nèi)部信息反饋機(jī)制，最后通過仿真軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模擬，進(jìn)行政策優(yōu)化來到達(dá)尋找較優(yōu)的系統(tǒng)功能。 因

30、此通過上述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，就可以知道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟：,4.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,問題的識(shí)別 。確定系統(tǒng)邊界，即系統(tǒng)分析涉及的對(duì)象和范圍。建立因果關(guān)系圖和流圖。寫出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。進(jìn)行仿真試驗(yàn)和計(jì)算等（Vensim軟件）。比較與評(píng)價(jià)、政策分析。 尋找最優(yōu)的系統(tǒng)行為。 詳細(xì)步驟和過程可以參考王其藩《系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模綜述》,,4.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過程圖,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究

31、問題的過程與步驟,模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的關(guān)系,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為：不存在終極的模型，任何模型都只是在滿足預(yù)定要求條件下的相對(duì)成果。,,實(shí)際系統(tǒng),系統(tǒng)行為結(jié)果,實(shí)施應(yīng)用,現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),模型,模型,模擬決策分析,評(píng)估,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的規(guī)范模型與其它類型的模型一樣，它只是實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與代表。,小結(jié),系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與其它分析工具最大的不同點(diǎn)在于：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具備處理非線性（Non-linearity）、信息反饋（Information feedback）、時(shí)間滯延

32、（Time delay）、動(dòng)態(tài)性復(fù)雜（Dynamic complexity）問題的能力。特點(diǎn)一 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門可用于研究處理社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和生物等一類高度非線性、高階次、多變量、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變大系統(tǒng)問題的學(xué)科。它可在宏觀與微觀的層次上對(duì)復(fù)雜多層次多部門的大系統(tǒng)進(jìn)行研究。特點(diǎn)二 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象主要是開放系統(tǒng)。它強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，聯(lián)系、發(fā)展與運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)；認(rèn)為系統(tǒng)的行為模式與特性主要根植于其內(nèi)部的動(dòng)態(tài)結(jié)

33、構(gòu)與反饋機(jī)制。特點(diǎn)三 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究處理復(fù)雜系統(tǒng)問題的方法是定性與定量結(jié)合，系統(tǒng)分析與綜合推理的方法。,特點(diǎn)四 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的模型模擬是一種結(jié)構(gòu)—功能的模擬。它最適用于研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與行為之間動(dòng)態(tài)的辯證對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系。特點(diǎn)五 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)最引人注目的特點(diǎn)之一是它的模型從總體上看是規(guī)范的，變量按系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的組成加以分類，盡管在輔助方程中可能含有半定量、半定性或定性的描述部分。特點(diǎn)六

34、 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模過程便于實(shí)現(xiàn)建模人員、決策者和專家群眾的三結(jié)合，便于運(yùn)用各種數(shù)據(jù)、資料、經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，也便于汲取、融匯其他科學(xué)理論的精髓。特點(diǎn)七 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可作為實(shí)際系統(tǒng)的“實(shí)驗(yàn)室”。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模過程就是一個(gè)學(xué)習(xí)、調(diào)查研究的過程，模型的主要功用在于向人們提供一個(gè)進(jìn)行學(xué)習(xí)與政策分析的工具。,2. 構(gòu)模原理、方法與 SD模型,構(gòu)?；驹砟Ｐ偷臉?gòu)思 SD模型體系,2.1

35、構(gòu)?；驹?構(gòu)思模型最基本的依據(jù)就是前章所述的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)系統(tǒng)、系統(tǒng)特性的一系列觀點(diǎn)。 一個(gè)“明確”三個(gè)“面向”，即明確目的，面向問題、面向過程與面向應(yīng)用。 根據(jù)系統(tǒng)特性，在建模的構(gòu)思、模擬與測(cè)試的全過程中，正確地使用分解與綜合的原理。模型是實(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。,2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模構(gòu)思,用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)與解決系統(tǒng)問題不可能一蹴而就，恰恰相反，這是一個(gè)逐步深入、多次反復(fù)循環(huán)

36、、螺旋上升的過程。系統(tǒng)分析（1） 構(gòu)思模型前期工作 “明確目的，確定問題”與“劃定邊界”是一個(gè)逐步深入了解系統(tǒng)和分析問題、認(rèn)識(shí)問題相輔相成的反復(fù)過程。,明確建模目的,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，建模是為了說明一組特定的問題。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模原則是面向問題，而不是系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的目的在于研究系統(tǒng)的問題，加深對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)與其動(dòng)態(tài)行為的關(guān)系的研究與認(rèn)識(shí)，并進(jìn)行改善系統(tǒng)行為的研究。 對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)而言，

37、這方面的工作稱之為政策研究。 理論模型——檢驗(yàn)理論 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)——政策分析與政策改進(jìn)明確建模目的有助于建立方程、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果以及政策研究。,確定問題,一旦初步明確建模目的之后，下一步就是要定義所要解決的問題與有關(guān)的變量，并初步確定所研究系統(tǒng)的界限。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究重點(diǎn)是那些源自反饋機(jī)制的動(dòng)力學(xué)問題。所謂動(dòng)力學(xué)問題至少具有兩個(gè)特點(diǎn)： （1）它是動(dòng)態(tài)的，即它所包含的量是隨時(shí)間變化的，能以時(shí)間為坐標(biāo)的圖

38、形表示。 如：人口的增長(zhǎng)、就業(yè)人數(shù)的增減、物價(jià)的漲落等都是動(dòng)態(tài)問題。 （2）它包含了反饋概念。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為各種組織系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)系統(tǒng)，事實(shí)上幾乎所有人工的系統(tǒng)都是反饋系統(tǒng)。 如：生理學(xué)中人體內(nèi)自動(dòng)平衡，就是典型的反饋系統(tǒng)。,動(dòng)態(tài)的定義問題,美國主要城市人口的增長(zhǎng)情況,從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，任何問題最好以隨時(shí)間變化的變量圖表示。如此用隨時(shí)間變化的圖形去描述問題的過程，可稱為動(dòng)態(tài)思考。參考模式是指用圖形表

39、示出重要變量，并推論和繪出與這些量有關(guān)的其他重要的量，從而突出、集中地勾畫出有待研究的問題的發(fā)展趨勢(shì)與輪廓。我們稱這類隨時(shí)間變化的變量圖形為行為參考模式。 在整個(gè)建模的過程中，構(gòu)模者要反復(fù)地參考這些模式。,時(shí)間坐標(biāo),變量的動(dòng)態(tài)行為,劃定系統(tǒng)邊界,系統(tǒng)的界限（或邊界） 界限是指該系統(tǒng)的范圍，它規(guī)定了形成某特定動(dòng)態(tài)行為所應(yīng)包含的最小數(shù)量的單元。它好比一個(gè)想象的輪廓，把建模目的所考慮的內(nèi)容圈入，而與其它部分（環(huán)境）

40、隔開。如何決定界限之所在？按照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，正確地劃出系統(tǒng)界限的一條準(zhǔn)則是把系統(tǒng)中的反饋回路考慮成閉合的回路。應(yīng)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。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為的模式是由系統(tǒng)界限內(nèi)各部分的相互作用所產(chǎn)生的。也就是說，“界限”兩字隱含著：某一特定的動(dòng)態(tài)行為，主要由系統(tǒng)內(nèi)部所決定。,構(gòu)思模型階段——小結(jié),確定問題、定義變量和構(gòu)思模型的一般原則：(1)明確建模目的；(2)

41、集中于問題與矛盾，而不是整個(gè)系統(tǒng)；(3)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)僅處理那些隨時(shí)間而變化和源自反饋結(jié)構(gòu)的問題。（即動(dòng)態(tài)性反饋問題 ）,階段過渡,一旦待研究的問題已明確，重要變量與參考模式已確定，模型研制者下一步的任務(wù)就是研究系統(tǒng)與其組成部分之間的關(guān)系，以及這些重要變量與有關(guān)量之間的關(guān)系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析（2） ——結(jié)構(gòu)回路圖,2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,基于系統(tǒng)的整體性與層次性，系統(tǒng)的

42、結(jié)構(gòu)一般存在下述體系與層次：    ①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，…m）；    ④反饋回路的組成與從屬成分：   

43、;      1．反饋回路的主要變量，狀態(tài)變量；       2．反饋回路的另一主要變量，變化率(速率)。          變化率的組成：目標(biāo)、現(xiàn)狀、偏差與行動(dòng)。,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)常用的圖形表示

44、法,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖因果與相互關(guān)系圖流圖混合圖速率－狀態(tài)變量關(guān)系圖,借助于圖形，我們可以簡(jiǎn)單、明晰地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次與回路。,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,框圖：用方塊或圓圈簡(jiǎn)明地代表系統(tǒng)的主要子塊并描述它們之間物質(zhì)與信息流的交換關(guān)系。,典型的全國社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型框圖,框圖是所要介紹的方法中最簡(jiǎn)便的一種。它通常用于系統(tǒng)分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的初步階段。例：國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型,因果與相互關(guān)系回路圖,因果與相互關(guān)系回路圖是由信息與動(dòng)作構(gòu)成的閉合路徑，形式上

45、主要由因果鏈（Link)組成。 因果圖常用于構(gòu)思模型的初始階段，以便直觀地描述模型結(jié)構(gòu)。圖例：杯中的水，鐵路的發(fā)展,因果鏈(link)的極性,因果鏈的極性表明了其影響作用的性質(zhì)。 粗略的說，正號(hào)表明，箭頭指向的變量將隨箭頭源發(fā)的變量的增加而增加，減少而減少；負(fù)號(hào)表示變量間取與此相反的關(guān)系。因果鏈A?+B: （即連接A與B的因果鏈取正號(hào)）（1）若增加A使B也增加，或（2）若A的變化使B在同一方向上發(fā)生變化。

46、因果鏈A?-B:（即連接A與B的因果鏈取負(fù)號(hào)）（1）若A的增加使B減少，或（2）若A的變化使B在相反方向上發(fā)生變化。,因果圖中反饋回路(loop)的極性,因果與相互關(guān)系回路圖的極性有正負(fù)之分。如何確定回路的極性？ 沿反饋回路繞行一周，看回路中全部因果鏈的累積效應(yīng)。 確定回路極性的一般原則:（1）若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為正；（2）若反饋回路包含奇數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為負(fù)。,因果圖中反饋回

47、路(loop)的極性,特點(diǎn)： 正反饋回路的作用是使回路中變量的偏離增強(qiáng)。具有諸如非穩(wěn)定的、非平衡的、增長(zhǎng)的和自增強(qiáng)的多種特性。 ?負(fù)反饋回路力圖縮小系統(tǒng)狀態(tài)相對(duì)于目標(biāo)狀態(tài)的偏離。具有穩(wěn)定、自我校正的特性。,,,流圖法（結(jié)構(gòu)圖法）,因果反饋回路表達(dá)了系統(tǒng)發(fā)生變化的原因即反饋結(jié)構(gòu)，但這種定性描述還不能確定使回路中的變量發(fā)生變化的機(jī)制。 即因果與相互關(guān)系圖的缺點(diǎn)：只能描述反饋結(jié)構(gòu)的基本方面，不能表示不同性質(zhì)的變量的區(qū)別。

48、流圖則可以清晰地描述影響反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的累積效應(yīng)，揭示系統(tǒng)各元素之間的數(shù)量關(guān)系。,流圖及其表示,流圖及其表示符號(hào),流圖的構(gòu)成要素：狀態(tài)變量(Level)速率或變化率(Rate)源(Source)與漏(Sink),狀態(tài)變量(Level)與決策變量(Rate),任何決策反饋回路一定要包含兩種基本變量，一種是狀態(tài)變量(或稱為流位變量Level)，另一種是決策變量，也稱變化率(或稱速率Rate)。所謂狀態(tài)變量是指能表征系

49、統(tǒng)某種屬性的量，一般它應(yīng)當(dāng)是一個(gè)積累量。如人口數(shù)量、固定資產(chǎn)、污染量、庫存量、需求量、供給量等，這個(gè)量表達(dá)了一種積分過程，但不是所有的積累都必須作為狀態(tài)變量。決策變量是指狀態(tài)變量的變化速度，在系統(tǒng)中描述的是物質(zhì)的實(shí)際流動(dòng)。如人口出生與死亡、固定資產(chǎn)的投資形成與折舊、污染的產(chǎn)生與消除、庫存的入庫與出庫、學(xué)生入學(xué)率與畢業(yè)率等都是速率變量。,源(Source)與漏(Sinks),圖中云狀的符號(hào)表示源(Source)與漏或溝(Sinks)，兩

50、者都是抽象的概念，它們代表輸入與輸出狀態(tài)的一切物質(zhì)。 相對(duì)于我們關(guān)心的有積累過程的真實(shí)系統(tǒng)，源與漏代表那些在系統(tǒng)界限以外的部分。,兔子頭數(shù)流圖,如兔子頭數(shù)流圖中的云狀符號(hào)——源與漏，表示此模型不考慮小兔的來源，也不考慮老兔的去向，即把它們都放在系統(tǒng)界限之外。,舉例:兔子的數(shù)量變化(流圖),因果關(guān)系和流圖轉(zhuǎn)化,比較因果關(guān)系圖和流圖就可以看出:因果關(guān)系圖只能描述反饋結(jié)構(gòu)的基本方面，不能反映不同性質(zhì)的變量的區(qū)別。 例如，狀態(tài)變量

51、與變化率是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中最重要的量，然而因果關(guān)系圖完全把它們與其他量不加區(qū)別地對(duì)待。流圖不僅能表達(dá)因果關(guān)系圖的全部含義，而且還能使系統(tǒng)的流量、變量及其性質(zhì)變得一目了然，反映出系統(tǒng)模型是怎樣通過系統(tǒng)內(nèi)部的各種流來溝通的。 進(jìn)一步地把流圖的關(guān)系定量化，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真便可以實(shí)現(xiàn)了。,2.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型體系,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)擁有規(guī)范的、定量的、用計(jì)算機(jī)語言書寫的模型。如：DYNAMO / Vensim模型1. 模型大小之分 按

52、照系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型階數(shù)與方程的數(shù)量可劃分為大、中、小三種。應(yīng)按照建模目的與要求加以選用。,2.4 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型體系,2. 主模型、分模型通常，模型以主模型為核心輔以一定數(shù)量的分模型。主模型描述整體與局部、上與下的關(guān)系；分模型對(duì)系統(tǒng)的子系統(tǒng)和組成部分分別加以詳細(xì)描述。主模型與分模型可聯(lián)合模擬運(yùn)行或獨(dú)立運(yùn)行。3.模型體系的演進(jìn)與應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為主體與其他理論、方法的結(jié)合：數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)，投入產(chǎn)出分析，優(yōu)化理論，非平衡

53、自組織理論，灰色系統(tǒng)理論，復(fù)雜系統(tǒng)理論（智能化綜合系統(tǒng)），等等。,通過實(shí)例理解構(gòu)模原理,咖啡冷卻系統(tǒng) （1）數(shù)學(xué)方程 dY(t)/dt=R(t) R(t)=C*(T-Y(t))則 dY(t)/dt= C*(T-Y(t)可解得： Y(t)=T-(T-Y(0))e-ct,因果圖,流圖,Contents,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)發(fā)展歷程,1,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的原理,2,,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析問題的步驟,3,,

54、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本概念,4,,5,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,5.系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)際案例,前面已經(jīng)介紹了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理和分析問題的過程，這節(jié)主要通過兩個(gè)案例來詳細(xì)講解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。1.企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足基模。2.主要研究供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng)(重點(diǎn)),5.1 企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,案例背景: S公司是一家高科技公司，因?yàn)橛幸豁?xiàng)能產(chǎn)業(yè)化的科技創(chuàng)新成果而創(chuàng)業(yè)，且一開始便以流星般的速度成長(zhǎng)。因?yàn)殇N售業(yè)績(jī)太好，以致積欠交貨的訂單在第2年就開始越積越多，

55、于是管理層決定擴(kuò)大產(chǎn)量，但是這需要時(shí)間；與此同時(shí)使原先對(duì)顧客允諾的交貨期一再拖延，但領(lǐng)導(dǎo)層認(rèn)為，企業(yè)的產(chǎn)品功能是無法替代，顧客能夠接受交貨期的延長(zhǎng)。同時(shí)為了繼續(xù)能使公司發(fā)展增長(zhǎng)，他們將收入的大部分直接投入營銷，到第3年公司銷售人員增加了一倍。但是，到了第3年年末開始出現(xiàn)困境，而第4年銷售業(yè)績(jī)出現(xiàn)危機(jī)。雖然企業(yè)雇用了更多的銷售人員和新裝置，但是銷售速度反而下滑。于是企業(yè)的注意力又是集中營銷：提高銷售獎(jiǎng)?lì)~、增加特別折扣和新的促銷廣告，跟著情

56、況一時(shí)好轉(zhuǎn)，但是很快困境再度出現(xiàn)；于是再進(jìn)一步加強(qiáng)營銷，如此循環(huán)如圖的變化形態(tài)，雖然有小幅度而間歇性的成長(zhǎng)，但是企業(yè)從來沒發(fā)揮它真正的潛力。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,問題分析：公司開始成長(zhǎng)十分迅速，但后面成長(zhǎng)逐漸慢下來達(dá)到困境。之后采取強(qiáng)化措施，有幾次周期性的改善，但是公司整體仍趨于惡化。不過市場(chǎng)對(duì)公司產(chǎn)品需求仍然很強(qiáng)勁，而且沒什么重大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，那么為什么出現(xiàn)這種振蕩試發(fā)展？怎樣才能改善公司的成長(zhǎng)，使得以指數(shù)方式增長(zhǎng)。,,,第3

57、年,第6年,第10年,營業(yè)收入,S公司營業(yè)收入變化形態(tài),,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,系統(tǒng)邊界的確定：劃定系統(tǒng)邊界應(yīng)根據(jù)建模目的，把那些與所研究的問題關(guān)系密切的重要變量劃入系統(tǒng)邊界內(nèi)。在此案例中，我們主要關(guān)注企業(yè)成長(zhǎng)問題，研究影響企業(yè)營業(yè)收入的因素。根據(jù)案例介紹因此我們將僅僅研究企業(yè)的生產(chǎn)、市場(chǎng)、銷售部門。不涉及其他部門，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手等等。因果關(guān)系圖：在確定系統(tǒng)邊界，并設(shè)定了系統(tǒng)變量以后，就應(yīng)該在詳細(xì)分析系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，找出反映

58、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的主要變量之間的因果關(guān)系，繪制因果關(guān)系圖。這一步也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的關(guān)鍵所在。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,1.首先我們主要研究企業(yè)的營業(yè)收入，那么考慮什么在影響它。營業(yè)收入嚴(yán)重依賴企業(yè)銷售人員所取得的訂單數(shù)量，那么訂單數(shù)目和營業(yè)收入是正反饋的，而銷售人員的規(guī)模和訂單數(shù)目是正反饋，營業(yè)收入和銷售人員的規(guī)模是正反饋，因此它們組成一個(gè)正反饋回路。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,2. 如果公司僅存在第一步的正反饋回路，那么營

59、業(yè)收入應(yīng)該按指數(shù)方式增長(zhǎng)，這樣實(shí)際情況不符，所以還應(yīng)該存在阻礙營業(yè)收入增長(zhǎng)的負(fù)反饋回路。公司銷售業(yè)績(jī)太好，但是產(chǎn)能跟不上，所以存在很多積壓的訂單，導(dǎo)致交貨期太長(zhǎng)。因此這樣影響到公司的聲譽(yù)，使得銷售變得困難，所獲得的訂單量會(huì)減少，從而導(dǎo)致營業(yè)收入的下滑。這就存在一條負(fù)反饋回路，同時(shí)交貨期對(duì)銷售的影響不會(huì)立刻顯現(xiàn)，會(huì)存在延遲的現(xiàn)象。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,3.那么從上圖可以看出正反饋回路使得營業(yè)收入增

60、長(zhǎng)，但負(fù)反饋回路使得營業(yè)收入減少。正是這兩個(gè)正負(fù)回路的耦合關(guān)系才導(dǎo)致了企業(yè)振蕩式成長(zhǎng)。因此要營業(yè)收入指數(shù)增長(zhǎng)必須消除負(fù)反饋回路的作用，那就是縮短交貨期。所以關(guān)鍵在于交貨期，但是該公司對(duì)這個(gè)沒有給予重視，只是一直注意正反饋回路的作用。我們可以通過擴(kuò)大企業(yè)的產(chǎn)能來縮短交貨期，也就是交貨期作為企業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)能的信號(hào)，當(dāng)交貨期超過一定的交貨標(biāo)準(zhǔn)，就需要等待產(chǎn)能擴(kuò)大到足夠的程度，但是產(chǎn)能擴(kuò)大需要時(shí)間，存在這個(gè)延遲就會(huì)影響企業(yè)的發(fā)展。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與

61、投資不足案例,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,通過因果關(guān)系分析可以知道，S公司的發(fā)展可以是一帆風(fēng)順的，在結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)杠桿點(diǎn)即公司承諾的交貨期，那么根本解是根據(jù)需要及時(shí)擴(kuò)大產(chǎn)能。我們知道企業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)能是必須花費(fèi)時(shí)日的，關(guān)鍵在于怎樣克服這個(gè)延遲。這里我們可以采取外包的方式或組成動(dòng)態(tài)聯(lián)盟方式來迅速擴(kuò)大產(chǎn)能。 這里由于案例數(shù)據(jù)不充分，就不進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)。 有一個(gè)與此案例相似的比較著名的案例，關(guān)于美國人民航空

62、公司案例。,5.1企業(yè)成長(zhǎng)與投資不足案例,通過以上兩個(gè)案例，知道它們之間存在一些共性。彼得.圣吉教授在《第五項(xiàng)修煉》一書中就這些系統(tǒng)之間共性進(jìn)行了研究，提出了七個(gè)系統(tǒng)基模。我們這里討論的兩個(gè)案例都屬于其中“成長(zhǎng)與投資不足基?！?。因此認(rèn)真研讀這些基模有利于我們培養(yǎng)新的洞察力，幫助我們繪制出系統(tǒng)的因果關(guān)系圖。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),背景知識(shí)： 牛鞭效應(yīng)：最早由寶潔公司在20世紀(jì)90年代提出的。寶潔公司對(duì)其中某項(xiàng)產(chǎn)品的訂貨進(jìn)行考察時(shí)

63、發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)品的零售商的庫存是穩(wěn)定的，波動(dòng)幅度不大，然后再考察分銷商的訂貨情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)分銷商的訂貨需求波動(dòng)比較大，而寶潔公司向它的供應(yīng)商訂貨幅度變化更大。從產(chǎn)品的零售商到供應(yīng)商，他們的訂貨需求的波動(dòng)幅度逐漸增大，形似一條鞭子，因此被稱為牛鞭效應(yīng)（如圖）。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),牛鞭效應(yīng)示意圖,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),啤酒游戲：該游戲是由麻省理工學(xué)院斯隆管理學(xué)院在20世紀(jì)60年代創(chuàng)立的庫存管理策略游戲，該游戲形象地反映出牛鞭效應(yīng)的存在及影

64、響。幾十年來，游戲的參加者成千上萬，但游戲總是產(chǎn)生類似的結(jié)果。因此游戲產(chǎn)生惡劣結(jié)果的原因必定超出個(gè)人因素, 這些原因必定是藏在游戲本身的結(jié)構(gòu)里。 在游戲中，零售商通過向某一批發(fā)商訂貨，來響應(yīng)顧客要求購買的啤酒訂單，批發(fā)商通過向生產(chǎn)啤酒的工廠訂貨來響應(yīng)這個(gè)訂單。該實(shí)驗(yàn)分成三組，分別扮演零售經(jīng)理、批發(fā)經(jīng)理和工廠經(jīng)理。每一組都以最優(yōu)的方式管理庫存，準(zhǔn)確訂貨以使利潤最大化。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),案例介紹：此案例主要是通過模擬

65、啤酒游戲來仿真供應(yīng)鏈中的牛鞭效應(yīng)，從為改善牛鞭效應(yīng)來提供幫助。首先假設(shè)啤酒游戲中包含零售商、批發(fā)商、供應(yīng)商三個(gè)成員。同時(shí)對(duì)游戲中的參數(shù)進(jìn)行如下假設(shè)：市場(chǎng)對(duì)啤酒的前4周的需求率為1000周/箱，在5周時(shí)開始隨機(jī)波動(dòng)，波動(dòng)幅度為±200，均值為0，波動(dòng)次數(shù)為100次，隨機(jī)因子為4個(gè)。假設(shè)各節(jié)點(diǎn)初始庫存和期望庫存為3000箱，期望庫存持續(xù)時(shí)間為3周，庫存調(diào)整時(shí)間為4周，移動(dòng)平均時(shí)間為5周，生產(chǎn)延遲時(shí)間和運(yùn)輸延遲時(shí)間均為3周，不存在訂

66、單延遲。仿真時(shí)間為0～200周，仿真步長(zhǎng)為1周。期望庫存等于期望庫存持續(xù)時(shí)間和各節(jié)點(diǎn)的銷售預(yù)測(cè)之積。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),問題識(shí)別：本案例主要研究供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng)，各個(gè)供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)庫存積壓，庫存波動(dòng)幅度比較大，不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致供應(yīng)鏈的成本居高不下，失去了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此急需采取措施來削弱牛鞭效應(yīng)，從而能夠降低整條供應(yīng)鏈的成本，建立穩(wěn)定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此本案例通過啤酒游戲來對(duì)供應(yīng)鏈進(jìn)行仿真，從而為尋找較優(yōu)的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)來削弱牛鞭效應(yīng)，降低成本。

67、系統(tǒng)邊界確定：本案例中只考慮供應(yīng)鏈中零售商、批發(fā)商、供應(yīng)商，而且僅考慮他們之間的庫存訂貨系統(tǒng)，沒有涉及供應(yīng)商的生產(chǎn)系統(tǒng)，供應(yīng)鏈中的物流供應(yīng)系統(tǒng)等等。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),因果關(guān)系圖：當(dāng)市場(chǎng)需求增加時(shí)，零售商的庫存將會(huì)減少，從而導(dǎo)致零售商期望庫存和零售商的庫存之差即零售商庫存差增加，當(dāng)零售商庫存差增加，零售商增加向批發(fā)商訂貨來彌補(bǔ)庫存差。零售商的訂貨增加會(huì)加快批發(fā)商對(duì)零售商的送貨率，但是這個(gè)過程存在兩個(gè)延遲過程。一個(gè)信息延遲過程，就

68、是零售商將市場(chǎng)需求變化情況反饋批發(fā)商過程。另一個(gè)是物質(zhì)延遲過程，就是批發(fā)商得到零售商的訂貨要求需要一個(gè)時(shí)間過程來滿足這個(gè)要求。同樣，批發(fā)商的庫存也會(huì)減少，這樣就引起批發(fā)商期望庫存和批發(fā)商庫存之差，批發(fā)商就會(huì)增加向供應(yīng)商訂貨來彌補(bǔ)庫存差。同理，批發(fā)商增加訂貨量會(huì)引起供應(yīng)商向生產(chǎn)商或上級(jí)供應(yīng)商增加訂貨量，在這兩個(gè)彌補(bǔ)庫存差的過程中同樣存在延遲過程，然后來響應(yīng)市場(chǎng)需求 。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),系統(tǒng)流程圖：根據(jù)因果關(guān)

69、系圖繪制系統(tǒng)流程圖。首先要識(shí)別系統(tǒng)中的水平變量、速率變量。本系統(tǒng)中包括零售商庫存、批發(fā)商庫存、供應(yīng)商庫存三個(gè)水平變量；市場(chǎng)需求率、批發(fā)商發(fā)貨率、供應(yīng)商發(fā)貨率、供應(yīng)商生產(chǎn)率、三個(gè)速率變量。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)貨率是根據(jù)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的訂單來決定的。各級(jí)節(jié)點(diǎn)的訂單又是由產(chǎn)品銷售預(yù)測(cè)和庫存差來決定的。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)貨率還需要輔助變量來表達(dá)。輔助變量包括各節(jié)點(diǎn)的訂單量，期望庫存、銷售預(yù)測(cè)量、供應(yīng)商生產(chǎn)需求。,5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),5.2供應(yīng)鏈中牛鞭效應(yīng),建立

70、仿真方程式：(1)市場(chǎng)銷售率=1000+IF THEN ELSE(TIME>4，RANDOM NORMAL(-200，200，0，100，4),0) 單位：箱/周(2)零售商銷售預(yù)測(cè)=SMOOTH(市場(chǎng)銷售率，移動(dòng)平均時(shí)間) 單位：箱/周(3)零售商期望庫存=期望庫存持續(xù)時(shí)間×零售商銷售預(yù)測(cè) 單位：箱(4)零售商庫存=INTEG(分銷商發(fā)貨率-市場(chǎng)銷售率，3000) 單位：箱(5)零售商訂單=MAX(0，