系统仿真与系统动力学.ppt

系统工程 SystemsEngineering SE 现代管理的系统思维与系统分析方法 西安交通大学管理学院 第七章 系统仿真及系统动力学方法 第一节 系统仿真概述第二节 系统动力学模型化原理第三节 基本反馈回路的DYNAMO仿真分析第四节 DYNAMO函数思考讨论题 第七章 系统仿真及系统动力学方法 一 概念及作用1 基本概念所谓系统仿真 就是根据系统分析的目的 在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上 建立能描述系统结构或行为过程的 且具有一定逻辑关系或数学方程的仿真模型 据此进行试验或定量分析 以获得正确决策所需的各种信息 第一节 系统仿真概述 2 系统仿真的实质 1 它是一种对系统问题求数值解的计算技术 尤其当系统无法建立数学模型求解时 仿真技术却能有效地来处理这类问题 2 仿真是一种人为的试验手段 进行类似于物理实验 化学实验那样的实验 它和现实系统实验的差别在于 仿真实验不是依据实际环境 而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的 人造 环境下进行的 这是仿真的主要功能 3 在系统仿真时 尽管要研究的是某些特定时刻的系统状态或行为 但仿真过程也恰恰是对系统状态或行为在时间序列内全过程进行描述 换句话说 仿真可以比较真实地描述系统的运行 演变及其发展过程 3 系统仿真的作用 1 仿真的过程也是实验的过程 而且还是系统地收集和积累信息的过程 尤其是对一些复杂的随机问题 应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法 2 对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统 可通过仿真模型来顺利地解决预测 分析和评价等系统问题 3 通过系统仿真 可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析 4 通过系统仿真 能启发新的思想或产生新的策略 还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题 以便及时解决 二 系统仿真方法系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和数学模型 并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型 然后对模型进行仿真实验 由于连续系统和离散 事件 系统的数学模型有很大差别 所以系统仿真方法基本上分为两大类 即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法 在以上两类基本方法的基础上 还有一些用于系统 特别是社会经济和管理系统 仿真的特殊而有效的方法 如系统动力学方法 蒙特卡洛法等 系统动力学方法通过建立系统动力学模型 流图等 利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验 从而研究系统结构 功能和行为之间的动态关系 三 系统动力学的发展及特点1 由来和发展 80年代以来 1956年至60年代初 60年代初至70年代初 70年代初至80年代 SD的出现始于1956年 主要应用于工业企业管理 并创立了 IndustrialDynamics 1959 SD思想和方法的应用范围日益扩大 PrinciplesofSystems 1968 UrbanDynamics 1969 的出现 1972年美国MIT的J W Forrester正式提出 SystemsDynamics 经历了两次严峻的挑战 SD成为一种重要的系统工程方法论和重要的模型方法 尤其是随着国内外管理界对学习型组织的关注 SD思想和方法的生命力更为强劲 70年代以来 SD经历的两次严峻挑战第一次挑战 70年代初到70年代中 70年代初 来自26个国家的75名科学家的罗马俱乐部困惑于世界面临人口增长与资源日渐枯竭的前景 鉴于当时一些惯用的工具难以胜任对此复杂问题的研究 于是他们转向寄希望于刚刚兴起的系统动力学方法 其主要的标志是两个世界模型 WORLD 的研制和分析 WORLD WorldDynamics 1971 Forester WORLD TheLimitstoGrowth D Meadows 1972 TowardGlobalEquilibrium D Meadows 1974 这些论著引起了一场令人瞩目旷日持久的论战 系统动力学正是在这一番论战中 加速壮大成熟起来 第二次挑战 70年代初到80年代中 Forrester教授在多方资助之下开始研究美国全国模型 解开了一些在经济方面长期存在 令经济学家困惑不解的疑团 诸如 70年代以来的通货膨胀 失业率和实际利率同时增长等问题 其最有价值的研究成果还在于揭示了美国与西方国家经济长波 LongWave 形成的内在奥秘 由于在全国模型与长波理论研究方面取得成就 使系统动力学这一门学科在理论和应用研究两方面都取得了飞跃性进展 从此 系统动力学进入了蓬勃发展时期 美 彼得 圣吉 PeterM Senge 著 第五项修炼 学习型组织的艺术与实务 作者简介 1970年从斯坦福大学获工学学士后进入MIT攻读管理硕士学位 在此期间被Forrester教授的SD整体动态搭配的管理新理念所吸引 1978年获得博士学位后 一直和MIT的工作伙伴及企业界人士一道 孜孜不倦地致力于将SD与组织学习 创造原理 认知科学等融合 发展出一种人类梦寐以求的组织蓝图 学习型组织 系统动力学 SD 是一门基于系统论 吸取反馈理论与信息论的精髓 综合控制论 信息论 决策论的成果 籍助计算机模拟技术 对社会 经济 系统进行定性和定量相结合的系统分析的交叉学科 2 研究对象及其结构特点 1 研究对象 社会系统 2 结构特点 抉择性 具有决策环节 人 信息 自律性 具有反馈环节 非线性 具有延迟环节 3 SD将社会系统当作非线性 多重 信息反馈系统来研究 3 模型特点 多变量 定性分析与定量分析相结合 以仿真实验为基本手段和以计算机为工具 可处理高阶次 多回路 非线性的时变复杂系统问题 4 工作程序 流图 DYNAMO方程 第七章 系统仿真及系统动力学方法 第二节 系统动力学模型化原理 一 SD的基本工作原理四个基本要素 状态或水准 信息 决策或速率 行动或实物流两个基本变量 水准变量 LEVEL 速率变量 RATE 一个基本思想 反馈控制例子 注水系统的调节 流 行动 二 因果关系图和流 程 图1 因果关系图 1 因果箭 连接因果要素的有向线段 箭尾始于原因 箭头终于结果 因果关系有正负极性之分 正 为加强 负 为削弱 因果链 因果关系具有传递性 用因果箭对具有递推性质的因素关系加以描绘即得到因果链 因果链极性的判别标准 因果链的符号与所含因果箭符号的乘积符号相同 因果关系分析 2 因果 反馈 回路原因和结果的相互作用形成因果关系回路 因果反馈回路 环 它是一种特殊的 即封闭的 首尾相接的 因果链 如图5 3 a b 和 e 所示 社会系统中的因果反馈环是社会系统中各要素的因果关系本身所固有的 正反馈回路 起到自我强化的作用 负反馈回路具有 内部稳定器 的作用 多重因果 反馈 回路 社会系统的动态行为是由系统本身存在着的许多正反馈和负反馈回路决定的 从而形成多重反馈回路 如图5 3 c d f 所示 4 多重反馈回路 SD认为 系统的性质和行为主要取决于系统中存在的反馈回路 系统的结构主要就是指系统中反馈回路的结构 因果关系图举例见图5 3 其中包含了因果箭 因果链 因果反馈回路和多重因果反馈回路等 a c d 图5 3因果关系例图 2 流 程 图 流图绘制程序和方法 明确问题及其构成要素 绘制要素间相互作用关系的因果关系图 注意一定要形成回路 确定变量类型 L变量 R变量和A变量 将要素转化为变量 是建模的关键一步 在此 应考虑以下几个具体原则 a 水准 L 变量是积累变量 可定义在任何时点 而速率 R 变量只在一个时段才有意义 b决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L变量 c 在反馈控制回路中 两个L变量或两个R变量不能直接相连 d 为降低系统的阶次 应尽可能减少回路中L变量的个数 故在实际系统描述中 辅助 A 变量在数量上一般是较多的 在绘制流图时 应特别注意形成正确的回路和用好信息连接线 并注意不要把不同的实物流直连在一起 举例 3 SD结构模型的建模步骤明确系统边界 即确定对象系统的范围 阐明形成系统结构的反馈回路 即明确系统内部活动的因果关系链 确定反馈回路中的水准变量和速率变量 水准变量是由系统内的活动产生的量 是由流的积累形成的 说明系统某个时点状态的变量 速率变量是控制流的变量 表示活动进行的状态阐明速率变量的子结构或完善 形成各个决策函数 建立起SD结构模型 流图 SD结构模型建模举例 商店库存模型 商店库存问题的对象系统界定 D1 D3 L1 L2 S2 A1 S1 A2 D23 Y D1 期望的完成未供订货时间D2 调整生产时间D3 商店订货平滑化时间S1 平均销售量S2 库存差额Y 期望库存 商店库存问题的流 程 图 第五章 系统仿真及系统动力学方法 第三节 基本反馈回路的DYNAMO仿真分析 一 基本DYNAMO方程 水准方程 L方程 LL1 K L1 J DT RI JK RO JK 速率方程 R方程 RR1 KL f L1 K A1 K 辅助方程 A方程 AA1 K g L1 K A2 K R1 JK 赋初值方程 N方程 NL1 数值或L1 MM 数值常量方程 C方程 CC1 数值 DYNAmicMOdel 结构方程式 时间标号表 二 几种典型反馈回路及其仿真计算 2 一级负反馈回路 LI K I J DT R1 JKNI 1000RR1 KL DK ZAD K Y I KCZ 5CY 6000 LM K M J DT R1 Jk R2 JK NM VCV 5000RR1 KL D K ZAD K Y Q KCY 6000CZ 5RR2 KL M K WCW 5LQ K Q J DT R2 JK 0