系统工程第六章.ppt

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1、同学们大家好,系统工程 经济管理学院管理科学与工程系,第六章 系统仿真模型系统动力学,主要内容 系统仿真的基本概念 系统仿真的实质 系统仿真的作用 系统动力学的学科性质、研究对象、研究方法和基本思想 国内外系统动力学的发展 因果箭、因果链的基本概念 反馈系统、反馈回路、多重反馈回路的基本概念,第六章 系统仿真模型系统动力学,学习目标 理解系统仿真的基本概念 理解系统仿真的实质 理解系统仿真的作用 掌握系统动力学的学科性质、研究对象、研究方法和基本思想 了解国内外系统动力学的发展 掌握因果箭、因果链的基本概念 掌握反馈系统、反馈回路、多重反馈回路的基本概念,第六章 系统仿真模型系统动力学 目 录

2、,6-1 系统仿真的基本概念及其实质 一、基本概念 二、系统仿真的实质 三、系统仿真的作用 6-2 系统动力学概述 一、系统动力学及其发展 二、反馈系统,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-1 系统仿真的基本概念及其实质,一、基本概念 系统仿真（Systems simulation）是对真实过程或系统在整个时间内运行的模仿。 依系统的分析目的进行构思 建立系统模型 建立描述系统结构和行为、具有逻辑和数学性质的仿真模型 依仿真模型对系统进行试验和分析 获得决策所需信息,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-1 系统仿真的基本概念及其实质,二、系统仿真的实质 对系统问题求解数值解的计算技术 是一种人

3、为的实验手段“人造环境” 比较真实地描述系统的行为、演变及其发展过程 计算机技术是系统仿真的关键,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-1 系统仿真的基本概念及其实质,三、系统仿真的作用 是一个实验的过程，尤其对复杂随机问题是目前唯一令人满意的的方法 对难以建立纯物理、数学的系统模型，仿真系统能顺利解决预测、分析和评价等系统问题 通过仿真，将复杂系统降阶成若干子系统，而便于分析 通过仿真，能启发产生新的策略或新的思想产生,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 1、什么是系统动力学（Systems dynamics, SD）? 学科性质： 是一门分析研究信

4、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之交叉综合性的新学科。它是系统科学和管理科学中的一个分支，也是一门沟通自然科学和社会科学领域的横向学科。 研究对象： 复杂系统问题，特别是社会、经济、生态的复杂大系统问题。研究复杂系统的结构、功能与行为之间动态的辨证对立统一关系。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （一）、什么是系统动力学（Systems dynamics, SD）? 研究方法： 定性与定量分析相结合，运用系统综合推理的方法，按照系统动力学的理论与方法建立SD结构模型、 SD数学模型，借助计算机技术，定性与定量地研究系统问题。 基

5、本思想： 反馈理论。由于反馈，使系统结构、变量之间形成反馈回路。正反馈或负反馈。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）、国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 1 国外学者SD研究现状 对系统动力学较为深入和突出的系统研究主要来自美国和欧洲，如德国、俄罗斯和西班牙等国家研究和应用的成果较多，在学术界影响较大。 1961年系统动力学主要创始人Forrest教授发表了工业动力学，讲述了工业系统中反馈控制理论的应用，包含了系统动力学的原理、基本结构与应用。1969年，系统动力学另一个著名的应用城市动力学诞生（Forrest，

6、1969），它通过建立城市SD模型（Urban Model， 19659），较好的解释了在许多美国城市如底特律、圣路易斯、波士顿、纽约发生的奇怪现象：城市人口先迅速增加而后回落。模型模拟了工业、人口、住房、税收等城市要素的相互关系，更重要的是揭示了西方城市从起步、发展、成熟、衰退大概200年生命周期的内在机制和共有过程。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）、国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 1 国外学者SD研究现状 1972年，系统动力学的一项研究成果增长的极限（Meadows et al，1972）更是引起了

7、全球轰动。它是由L梅多斯教授领导的国际研究小组对世界范围内人口增长和工业发展的展望，时间跨度由1900年至下世纪2100年，建立了世界SD模型 （WORLD），模拟食物和资源不断随着系统增加的情况，作者得出结论：地球资源并不足以维持现有人口和经济增长速率至2100年。所构筑的世界SD模型非常复杂，研究了人口、农业生产、自然资源、工业生产和环境污染五个因素的内在联系，以及产生的各种后果。出于种种原因，早期的世界模型并不很成熟，其结论被批评为新马尔萨斯理论观点，是一种对未来增长的悲观估计。尽管如此，世界SD模型辨证联系多因素研究问题的思想是可取和值得借鉴的。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2

8、 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）、国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 1 国外学者SD研究现状 世界SD模型也在不断的修改和完善中，1991年H梅多斯教授发表超越极限（DHMeadows et al，1991），修正了前著的某些结论，认为许多资源和污染的流动正在超越自身的支撑极限，必须建立可持续发展的社会来解决这一问题，该书结论利用了完善后的世界模型（WORLD模型，1991）。 除了工业、城市、环境等领域，系统动力学在经济领域也有突破，1976年佛瑞斯特教授领导的研究小组完成了一个庞大的SD国家模型美国国家SD模型（SDNM），这也是至今为止最大

9、的系统动力学模型，方程数4000，阶数200，相当于200个非线性微分方程。该模型可以较好的解释经济学长波理论，包括库兹涅茨中波（15-25年）和康德拉杰夫长波（50-60）的内在奥秘，除此之外模型还可以研究经济衰退、通货膨胀和滞胀等问题。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 1 国外学者SD研究现状 系统动力学在国外的应用非常广泛，其应用几乎遍及各类系统，深入到各类领域。在商业上模拟复杂竞争环境中的商业模型；在经济学上解释了Samuelson-Hicks模型；在医学研究上模拟不

10、同药物效用对病人的生理学反映，如测试经过胰岛素治疗后糖尿病病人血液葡萄糖水平的医学模型；在生物学上模拟并推导了捕食者被捕食者问题；还有模拟地区经济模型，模拟生态系统模型等研究。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 黄振中（1998）领导的研究小组建立了“中国可持续发展SD仿真模型”是较有代表性的整体宏观类SD模型27。模型包含社会、产业发展、资源环境、经济和能源投资。建模目的主要是为国家可持续发展宏观战略服务。中国国家 SD模型人口模块按照年龄和性别可分

11、成132个水平变量，人口受出生率和死亡率影响。出生率与生活条件 （人均 GNP）有联系，模型的假定为生活条件越高，出生率越小；死亡率则由拥挤、污染、卫生、营养等5个因素累积确定，这5个因素使用表函数获得。中国国家SD模型与世界SD模型在模型结构上非常类似。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 凌亢，王宛成（2002）建立了南京市可持续发展SD模型（NJDDM），由人口、资源、环境、社会、经济等子系统组成，根据建模目的又细分为农业、工业、建筑业、商业、交通

12、业、能源、水土资源、人口和生态环境9个模块，模型选择参数的方法为灰色预测和计量经济学。 类似的SD研究还有孙希华等（1996）对济南市可持续发展对策研究，姚建等（2000）对成都市可持续发展模拟，何有世等（2001）对镇江市可持续发展研究等。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 岳天祥（2001）提出了一套区域可持续发展的整体框架并计划应用于黄河三角洲流域研究，框架包含了GIS数据获取、SD模型、风险决策和多目标分析数据，应用可持续发展级指标体系构建，最

13、后得出战略目标政策，由于框架过于庞大，目前仍停留在理论阶段。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 方创琳（2003）也提出将指标体系和SD模型结合，先按生态承载力、生产承载力和生活承载力选取27个指标，通过层次分析法给指标赋值计算权重，然后以SD模型为主体，联合灰色系统预测模型、趋势外推模型、线性规划模型等多种方法对接。各种模型方法计算最终结果为一系列承载力指数，通过指数变化的总体趋势以及不同的变化情景得出地区的制约因素和发展对策。,第六章 系统仿真模型

14、系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 单一考虑区域（包括城市）水土资源承载力或环境承载力变化的研究较多，如魏斌，张霞（1995）将经济和取水变化作为外部政策变量，以人口、经济和水资源相互关系建立的SD模型。 高彦春，刘昌明（1996）以汉中平坝地区水资源的供需平衡为主要思路，建立水资源SD模型模拟不同方案结果，使用模糊数学方法建立5个指标并进行方案评判，外部政策变量是水资源投资系数和工业增长率。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展

15、（二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 2 国内学者SD研究现状 陈冰，郭怀成（2000）建立了柴达木盆地水资源SD模型，分人口、农业、工业、水资源与水污染系统，模型通过检验，提出高、中、低三个发展方案。 摆万奇（2000）对不同时段遥感数据分析深圳土地变化趋势，分析人口、产业、淡水、住房和土地之间的关系，建立深圳土地变化SD模型，显示其城镇土地长期S型变化趋势和规律。 徐瑞祥，张永勤等（2000）以结合GM（1，1）灰度分析SD模型参数，模拟分析温州耕地变化趋势。 陈新鹏，戴芹等（2002）建立SD模型估计西北干旱地区水土承载力，通过土地变化趋势，分析耕地可提

16、供的蛋白值与热量水平，判断地区的生态超载程度和发展变化。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 3目前我国SD研究的不足 （1）SD优化是政策优化，属于最优控制问题，但SD的非线性使常规的线性优化理论效果很差，因此关于SD优化方法与手段，常用的是试凑法（王其藩，2004）。即事先设计政策方案，通过模拟结果在方案中选优。由于政策方案有可能影响模型的参数与结构，对建模和分析人员的经验和技巧提出了很高的要求，也很难达到数学严格意义的最优。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力

17、学概述,一、系统动力学及其发展 （二）国内外系统动力学（Systems dynamics, SD）发展 3目前我国SD研究的不足 （2）缺乏适合区域问题系统动力学建模的共性结构的基础性研究工作（宋世涛，2004）。从区域系统性和整体性的内涵出发，建立区域级别的共性结构是当前这一领域的重要研究方向和研究热点。 （3）系统动力学模型的移植性差。多数系统动力学模型都是针对具体区域或行业一次性使用，在论文查阅的文献中还没有发现对模型的二次开发和跟踪研究。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （一）什么是反馈？ 反馈是指系统“输出”与来自系统外部环境“输入”之间的关系。

18、,为系统状态中能从系统外部直接测量的部分。,是指相对于单元、子块或系统的外部环境施加于系统本身的作用。,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （二）因果关系图 1、因果箭 始于原因要素，终于结果要素的有向边。,“+”,“-”,原因与结果方向一致,原因与结果方向不一致,出生人口与总人口 产品入库与库存量,死亡人口与总人口 产品出库与库存量,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （二）因果关系图,死亡 人口,总人口,产品 出库,库存量,-,-,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （二）因果关系图 2、

19、因果链 用因果箭将要素的因果关系加以描述所得到的递推性质关系。,+正极性因果链,-负极性因果链,所有因果箭为正,有偶数个负因果箭,有奇数个负因果箭,+,+,-,+,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （二）因果关系图,商品 销量,库存量,订货量,该商品 产量,-,-,+,其他商 品产量,-,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （三）反馈系统 包含有反馈回路并构成反馈控制作用的系统。 社会系统中的反馈回路是系统各要素间因果关系本身所固有的。,形成闭合反馈控制的因果关系之因果链,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概

20、述,二、反馈系统 （三）反馈系统,库存,订货,生产,在途 货物,期望 库存,发货,+,+,+,-,+,-,-,库存订货控制系统,开环系统,闭环系统,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （三）反馈系统 1、正反馈回路（内部放大器） 是系统强化促进发展（或复辟倒退）的因素。,人口,贫困,+,+,+,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （三）反馈系统 2、负反馈回路（内部稳定器） 是系统具有调节功能必不可少的因素。,总人口,死亡 人数,-,-,+,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （四）多重反馈回路 复杂系统中存在着2个反馈回路称为多重反馈回路。,总人口,年死亡 人数,-,-,+,死亡率,年出生 人数,出生率,+,+,+,+,+,第六章 系统仿真模型系统动力学 6-2 系统动力学概述,二、反馈系统 （四）多重反馈回路 复杂系统中存在着2个反馈回路称为多重反馈回路。,总人口,年死亡 人数,-,-,+,死亡率,年出生 人数,出生率,+,+,+,+,+,