系统动力学PPT1.ppt

教材及参考资料 教材 高级系统动力学 王其藩著 清华大学出版社 1995年9月系统动力学 王其藩著 清华大学出版社 1994年10月 王其藩教授 复旦大学 王其藩教授男 泉州市人 1959年毕业于清华大学电机系 复旦大学与同济大学教授 博士生导师 美国麻省理工学院 MIT 系统动力学 缩称SD 研究中心终身成员 同济发展研究院院长 兼任国际SD学会中国分会主席 中国系统工程学会SD专业委员会主任委员 中国系统科学研究会副会长 上海美国MIT同学会会长 上海欧美同学会常务理事 上海泉州市侨乡开发协会理事 国际SD评论 和 系统辩证学学报 副主编以及其他四种国内外权威与核心学术刊物编委等职 1981年赴美国MIT斯隆管理学院进修 访问 讲学2年余 获证书 1983年受聘为该校SD硏究中心终身成员 回国后从事管理科学理论与应用的科研和教学工作 推动SD在国内外的发展 联系方式 上海复旦大学管理学院 qfwang Forrester教授与王其藩在其MIT办公室 王其藩教授与Forrester Forrester妻子Susan Forrester长子NathanForrester 王其藩教授与JohnD Sterman及Sterman的妻子Cindy 王其藩教授与PeterSenge 王其藩与NathanForrester PeterSenge DavidAnderson JohnMorecroft 参考资料 贾仁安 丁荣华 系统动力学 反馈动态性复杂分析 2003J W Forrester 系统原理 1986清华版译本J W Forrester 工业动力学 1985科学版译本俞金康 系统动态学原理及其应用 1993谭惠民 系统动力学 1989喻学恒 系统工程理论与应用第一卷 系统动力学 1983苏懋康 系统动力学原理及应用 1988都兴富 系统动力学原理及其应用 1989胡玉奎 系统动力学 战略与策略实验室 1988张洪江 王礼先 长江三峡花岗岩坡面土壤流失特性及其系统动力学仿真 1997系统动力学在中国 学习型组织研修中心 第五项修炼 学习型组织的艺术与实务 美国 彼得 圣吉 Peter M Senge 著 郭进隆译 杨硕英校 上海三联书店出版一本探讨个人及组织生命的书 在中国大陆掀起了一股学习大潮 特别对企业家们产生过较大影响 彼得 圣吉在北大光华管理学院为EMBA学员作专场主题演讲 系统思考 让你 见树又见林 SeeingtheForestfortheTrees AManager sGuidetoApplyingSystemsThinking 英 DennisSherwood著 邱昭良 刘昕译 机械工业出版社 2004 4弥补了 第五项修炼 与现实世界之间的距离 展示了处理复杂问题的最佳理论 系统思考 有助于加深对系统思考的理解 也为如何使用相关的工具与方法绘制系统循环图 从而解决复杂的问题提供了详细的指南 并展示了通过计算机仿真模拟可以获得的神奇力量 通过对本书的研读 你将得到更好 更稳健 更睿智的决策能力 系统动力学的产生与早期发展回顾 产生背景 第二次世界大战以后 随着工业化的进程 某些国家的社会问题日趋严重 例如城市人口剧增 失业 环境污染 资源枯竭 这些问题范围广泛 关系复杂 因素众多 具有如下三个特点 各问题之间有密切的关联 而且往往存在矛盾的关系 例如经济增长与环境保护等 许多问题如投资效果 环境污染 信息传递等有较长的延迟 因此处理问题必须从动态而不是静态的角度出发 许多问题中既存在如经济量那样的定量的东西 又存在如价值观念等偏于定性的东西 这就给问题的处理带来很大的困难 背景 cont 新的问题迫切需要有新的方法来处理 另一方面 在技术上由于电子计算机技术的突破使得新的方法有了产生的可能 于是系统动力学便应运而生 J W Forrester教授自50年代中期开创系统动力学以来 在一系列社会经济系统问题的研究中取得了令人瞩目的创造性成果 J W Forrester Forrester whoinventedrandom accessmagnetic corememoryduringthefirstwaveofmoderndigitalcomputers alsopioneeredthefieldofsystemdynamics analysisofthebehaviorofsystems Hepursuesthreemaininterestsbasedonsystemdynamics theSystemDynamicsNationalModel whichgeneratesthemajorobservedmodesofeconomicbehavior anewmanagementeducationbasedontheinherent dynamiccomplexityofalltherelatedpartsofacorporationandbringsthemintoaunifiedsystem systemdynamicsasamethodologyforgivingcohesion meaning andmotivationtopre collegeeducation GermeshausenProfessorEmeritusofManagementSeniorLecturerUniversityofNebraska BS 39 ElectricalEngineeringMIT MS 45 ElectricalEngineering J W Forrester等在系统动力学方面的主要成果 1958年发表著名论文 工业动力学 决策的一个重要突破口 首次介绍工业动力学的概念与方法 1961年出版 工业动力学 IndustrialDynamics 一书 该书代表了系统动力学的早期成果 1968年出版 系统原理 PrinciplesofSystems 一书 论述了系统动力学的基本原理和方法 1969年出版 城市动力学 UrbanDynamics 研究波士顿市的各种问题 1971年进一步把研究对象扩大到世界范围 出版 世界动力学 WorldDynamics 一书 提出了 世界模型II 1972年他的学生梅多斯教授等出版了 增长的极限 TheLimitstoGrowth 一书 提出了更为细致的 世界模型III 这个由罗马俱乐部主持的世界模型的研究报告已被翻译成34种语言 在世界上发行了600多万册 两个世界模型在国际上引起强烈的反响 J W Forrester等在系统动力学方面的主要成果 cont 继世界模型之后 福雷斯特教授等又开始了历时10年以上的美国 国家模型 SystemDynamicsNationalModel 的研究 该模型在宏观经济学和微观经济学之间架起桥梁 成功地研究了通货膨胀和失业等等社会经济问题 并第一次从理论上阐明了西方经济学家长期争论不休的经济长波产生的机制 发展历史 系统动力学的发展过程大致可分为四个阶段 1 稳态动力学 1956 1961 由于SD这种方法早期研究对象是以企业为中心的工业系统 初名也就叫工业动力学 这一阶段明确了结构的概念 即从反馈环或系统子结构的角度来认识系统 主要研究的是平衡条件的变动对稳态的影响 而不是增长或衰减等瞬态过程 在这一 企业工程 时代 SD主要致力于公司的政策修订 该阶段以 工业动力学 一书的出版而告结束 发展历史 cont 系统动力学的发展过程大致可分为四个阶段 2 增长的动力学和一般系统理论 1962 1966 在这一阶段中 系统概念在社会科学中得以巩固 有关系统原理的教材及实验手段得到普及 SD模型发展到非线性占重要地位的实际系统 新产品开发 公司经营及经济活动等增长过程中的正反馈机制得以阐明 同时 SD的应用范围已不仅仅是企业政策的制定 而且扩充到工程 医学 管理 心理学 经济等领域 对如此广泛领域的系统 SD都是以一种统一的观点去把握系统结构的 因此SD是作为一般系统理论而得以发展的 发展历史 cont 系统动力学的发展过程大致可分为四个阶段 3 理论与应用的桥梁 1967 1975 这一阶段为SD的进一步发展奠定了基础 迈开了由理论走向实际应用的重要步伐 一些重要的专著 如福雷斯特教授的 城市动力学 世界动力学 梅多斯教授等的 增长的极限 等相继问世 由于这个方法的研究领域已远远超出工业系统的范围 1972年遂改称系统动力学 对于反馈过程 SD并不拘泥于数学上复杂的反馈理论 而作出了简明的实用解释 发展历史 cont 系统动力学的发展过程大致可分为四个阶段 4 渐趋成熟 1976 由福雷斯特教授等主持研究的美国国家模型 耗资600万美元 方程数4000 代表了系统动力学的最新成果 它标志着系统动力学在理论及应用方面进入了一个更为成熟的阶段 目前系统动力学正加强与控制理论 系统科学 突变理论 耗散结构与分叉 结构稳定性分析 灵敏度分析 统计分析 参数估计 最优化技术应用 类属结构研究 专家系统等方面的联系 美 英 法 联邦德国 日本等国纷纷采用系统动力学方法来研究各自的社会经济问题 涉及到经济 能源 交通 环境 生态 生物 医学 工业 城市等广泛的领域 系统动力学基本理论 什么是系统动力学 系统动力学 SystemDynamics 是一门分析研究信息反馈系统的学科 也是一门认识系统问题和解决系统问题交叉的综合性的新学科 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等领域的横向学科 从系统方法论来说 系统动力学的方法是结构方法 功能方法和历史方法的统一 系统动力学认为 系统的行为模式与特性主要地取决于其内部的动态结构与反馈机制 系统与反馈 系统 相互作用诸单元的复合体反馈 系统内同一单元或同一子块其输出与输入间的关系对整个系统而言 反馈 则指系统输出与来自外部环境的输入的关系 反馈可以从单元或子块或系统的输出直接联至其相应的输入 也可以经由媒介 其他单元 子块 甚至其他系统实现 反馈系统 所谓反馈系统就是包含有反馈环节与其作用的系统 它要受系统本身的历史行为的影响 把历史行为的后果回授给系统本身 以影响未来的行为 库存控制系统是一个反馈系统 发货使库存量减少 当库存低于期望水平以下一定数值后 库存管理人员即按预定的方针向生产部门订货 货物经一定延迟到达 然后使库存量逐渐回升 反映库存当前水平的信息经过订货与生产部门的传递最终又以来自生产部门的货物的形式返回库存 库存信息反馈调节过程 库存订货系统是一个简单的反馈系统 从图中可知它形成闭合的回路 或称环 称之为反馈回路 或环 反馈回路就是由一系列的因果与相互作用链组成的闭合回路或者说是由信息与动作构成的闭合路径 库存订货控制系统 回路 闭环系统 开环系统 反馈系统就是相互联结与作用的一组回路 反馈系统就是闭环系统 单回路的系统是简单系统 具有三个回路以上的系统是复杂系统 反馈系统俯拾皆是 生物的 环境的 生态的 工业的 农业的 经济的和社会的系统都是反馈系统 开环系统是相对于闭环系统 即反馈系统 而言的 因其内部未形成闭合的反馈环 像是被断开的环 故称为开环系统 库存 订货系统是一个闭环的反馈系统 系统中的库存缺货信息的收集与向生产部门提出订货的要求均由管理人员承担 假设系统中无管理人员或管理人员失职 则系统中失去反馈环节与反馈作用 处于无人管理状态 也就成为开环系统了 库存量就不可能保持在合理的水平 库存订货控制系统 正反馈 负反馈 正反馈回路 负反馈回路 正反馈系统 负反馈系统 正反馈的特点是 能产生自身运动的加强过程 在此过程中运动或动作所引起的后果将回授 使原来的趋势得到加强 负反馈的特点是 能自动寻求给定的目标 未达到 或者未趋近 目标时将不断作出响应 具有正反馈特性的回路称为正反馈回路 具有负反馈特点的回路则称为负反馈回路 或称寻的回路 分别以上述两种回路起主导作用的系统则称之为正反馈系统与负反馈系统 或称寻的系统 正反馈回路的特点 正反馈回路的特点是 发生于其回路中任何一处的初始偏离与动作循回路一周将获得增大与加强 正反馈回路可具有诸如非稳定的 非平衡的 增长的和自增强的多种特性 在实际系统中 就系统产生的后果而言 正反馈回路可导致良性循环与恶性循环两类 正反馈回路举例 负反馈回路的特点 负反馈回路的特点是 它力图缩小系统状态相对于目标状态 或某平衡状态 的偏离 负反馈回路亦可称为稳定回路 平衡回路或自校正回路 负反馈回路举例 系统动力学是分析复杂系统甚至特大系统的强有力工具 事实证明 由若干回路组成的反馈系统 即使诸单独回路所隐含的动态特性均简单明了 但是其整体特性的分析却往往使直观形象解释与分析方法束手无策 反馈结构复杂的实际系统与问题 其随时间变化的特性与其内部结构的关系的分析不得不求助于定量模型和计算机模拟技术 系统动力学的理论 构模原理与方法就是在人们面临上述困境 寻觅出路的时候 于50年代应运而生的 它为复杂系统甚至特大系统提供了分析研究并寻找解决问题的对策的强有力工具 系统动力学中常用的图形表示法 回路的概念最简单的表示方法是图形 系统动力学中常用三种图形表示法系统结构框图 structurediagram 因果关系图 causalrelationshipdiagram 流图 stockandflowdiagram 系统结构框图 用方块或圆圈简明地代表系统的主要子块并描述它们之间物质与信息流的关系 全国社会经济模型框图 因果关系图 因果关系图有时候也被称为影响图 influencemap 向图 因果环图 causalloopdiagram 普遍地用于构思模型的初始阶段图中的因果链可标明其影响作用的性质是正的还是负的粗略地说 正号表明 箭头指向的变量将随箭头源发的变量的增加而增加 减少而减少 而负号则表示变量间取与此相反的关系 因果图 确定回路极性的方法 为了确定回路的特性 即回路的极性 可沿着反馈回路绕行一周 看一看回路中全部因果链的累积效应如何 回路极性可为正或负 确定回路极性的方法若反馈回路包含偶数个负的因果链 则其极性为正 若反馈回路包含奇数个负的因果链 则其极性为负 因此 反馈回路的极性取决于回路中因果链符号的乘积 正反馈回路的作用是使回路中变量的偏离增强 而负反馈回路则力图控制回路的变量趋于稳定 负反馈作用并不坏 而正反馈作用并不一定都是好的 因果图应用指南 把因果图中的变量设想为能升降 增减与上下的量 暂不必担心是否能以现有的单位和量纲去度量 在因果关系图中采用名词或名词短语 不用动词 变量之间的影响与作用以带箭头的因果链表示 把变量增减的涵义弄确切用因果链去代表 然后 的语气尽可能确定变量的量纲 必要时可自己创造一些 例如某些心理学方面的变量 不得不采用诸如精神上的 压力 单位 确定量纲有助于突出因果图中的文字叙述的涵义 尽可能定义变量本身为正值 不把诸如 衰减 衰退 降低 一类定义为变量 由于 衰退 的增长或 降低 的上升的说法将令人费解 而且当检验因果链的极性与确定回路的极性时 将使人目眩 如果某因果链需加以扩充 以便于更详尽地反映反馈结构的机制 则毫不犹豫地将其扩充为一组因果链 反馈结构应形成闭合问路 因果图应用指南 错误的因果环画法 令人费解 因果图应用指南 未闭合的回路 PeterSenge基模 第五项修炼 学习型组织的艺术与实务成长的上限基模成长与投资不足基模舍本逐末基模恶性竞争 两败俱伤 基模富者愈富基模共同悲剧基模饮鸩止渴基模 成长的上限基模 成长的上限基模左边部分是促进成长的正反馈环右边部分是抑制成长的负反馈环刻画了各种组织运行的基本结构 成长与投资不足基模 成长与投资不足基模上半部分为成长上限基模下半部分为投资不足负反馈环 舍本逐末基模 舍本逐末基模只注重症状解 不注重根本解 恶性竞争 两败俱伤 基模 恶性竞争 两败俱伤 基模只把注意力放在对方的威胁上 富者愈富基模 富者愈富基模 共同悲剧基模 共同悲剧基模 饮鸩止渴基模 饮鸩止渴基模 正负反馈环作用下的物种模型 因果图 物种总数 与 出生速度 构成正反馈环 同时 物种总数 与 死亡速度 构成负反馈环 或者说 物种总数这个状态变量同时受 出生速度 所在的正环和 死亡速度 所在的负环控制 当 出生速度 所在的正反馈环的自我强化作用高于 死亡速度 所在的负反馈环的自我调节作用时 物种总数将呈现出无限增长的趋势 同理 当 死亡速度 所在的负反馈环自我调节作用强于 出生速度 所在的正环自我强化作用时 在一定生存条件下系统将趋于 平衡 物种的总数将趋于稳定值 由这样一个简单的模型展开 就可以形成很复杂的生态模型 从而研究其中的 政策 和 策略 例如 研究某个自然保护区各物种生态平衡策略 消灭害虫 杂草 保护禾苗的策略 控制传染病蔓延的策略等 都可以从这种基本概念出发 而形成具体系统的模型 产品销售模型 因果图 复杂系统 产品销售模型 产品销售模型 cont 环I的组成要素为推销员总数 推销员不足额 推销员调入速度 其功能主要是推销员总数的自调节作用 环II的组成要素是争取到的订货量 未处理的订货单 供货实际延迟 用户感到的供货延迟 供货声誉 这个环是控制实际订货量的负反馈环 是服务质量的描述 是实际的市场需求 是本模型的重要一环 环III的构成要素是供货速度 订单处理速度 未处理订单 其功能是控制订货速度 提高企业内部的运营效率 环IV是正反馈环 它的组成元素有销售额 推销花费预算 可调入推销员总数 推销员不足额 推销员调入速度 总推销员数 争取到的订货单 此环说明推销员增加的机理 产品销售模型 图中共有三个负反馈环和一个正反馈环 在三个负环中 有各自的组成 产品销售模型 cont 产品刚刚投放市场时 只要增加推销员数 就可增加订单数 由于销售产生了利润使得公司可以进一步开拓产品销路以获得更多的利润 因此公司的推销员数急剧地增加 影响销售量的因素还有环II所描述的供货声誉 当销售速度低于该公司的生产速度时 一般地说服务态度 即销售声誉是很好的 此时 环IV所描述的正反馈作用是主要的 当销售速度逐渐接近于或者超过公司的生产能力时 环II就开始发生作用 抑制订单的增加 从而限制公司的推销员数目的增加 就是说 由于环II的作用 当争取到的订单增加时 会使得未处理的订单增加而增加供货的延迟 一旦用户感到这种延迟已经无可容忍 就要削减或取消对公司的订货 而转向其他公司 即是 由于用户感到供货延迟增加后 供货声誉就下降了 从而使争取到的订单数减少 这时 公司的销售能力也就达到了饱和状态 若再增加推销员数 对公司的销售量已无很大影响 产品销售模型 产品销售模型 cont 当环II的自我调节作用小于环IV的自我强化作用时 公司就呈现出增长的现象 而当环II的自我调节作用强于环IV的自我强化作用时 产品的销售则呈现出饱和状态 由于环II和环IV的交互作用 以及环I和环III的调节作用 将使得公司的销售量会产生复杂的波动或振荡 但是一般地说 若不出现大的失误 总会逐渐趋于公司的生产能力的 管理者必须有清醒的头脑 把握各反馈环作用的强度及时机 才能切实地维持公司的稳定增长 不致因为盲目扩充而影响公司的长远发展能力 产品销售模型 流图 流图仿效阀门与浴缸的关系把速率与状态变量描述如图所示 水平变量 level 或称状态变量表示积累环节 水平 的涵义系源自流体在容器中积存的液面高度 如水位 速率 rate 又称变化率 随着时间的推移 使水平变量的值增加或减少 系统动力学认为反馈系统中包含连续的 类似流体流动与积累的过程 劳动力的两状态流图 劳动力队伍一般可分成两部分 一部分为已具有劳动技能的正式工人 另一部分为尚在培训的工人 培训需要一定时问 如半年或一年 称为培训延迟 流图中的反馈回路 流图中的反馈回路 就系统整体来说 反馈回路事实上就是联系决策 行动 系统水平变量 系统的状态 以及信息再回到决策点的整个闭合回路 从图中可以看到 决策控制行动 行动影响系统状况 系统状态的新信息又将决策修改 如此不断进行 所以 系统的动态现象是由反馈回路的决策过程所形成的 反馈回路也是管理系统的基本结构要素 反馈回路也是管理系统的基本结构要素 较复杂的管理系统是由较多的反馈回路所组成的 只要能掌握系统的反馈回路 自然能了解复杂管理系统的动态行为特性 水平变量 速率变量 水平变量的数值大小是表示某一系统变量在某一特定时刻的状况 速率变量表示某个水平变量变化的快慢 水平变量可以说是系统过去累积的结果 它是流入率与流出率的净差额 例如 水槽中的水量就是一个水平变量 水的多少主要由水的流入速率与流出速率的快慢决定 或者说 水平变量的大小就是系统内各种行动或活动结果的累积 水平变量本身不可能自我产生瞬间变化 它必须由速率变量的作用才能由某一个数值状态改变另一数值状态 水平变量 速率变量 水平变量本身虽不能自我产生变化 但由于它的存在 才使我们能在不同的时间间隔感觉到系统的连续性 有了水平变量的概念 才能建立系统连续性的概念 如果没有水槽中水量 水平变量 的概念 就没法感受到或了解到水槽水量的动态变化是一种连续性的过程 在一个复杂的管理系统中 若要清楚的辨认什么是水平变量时 可以运用系统连续性的概念 先假设系统为完全静止 然后分析在静止状况下系统中有哪些仍然能够被观察到的物质 这些在静止状态下代表着系统的延续而存在着的物质就是动态模型中的水平变量 水平变量 速率变量的区分方法 由于速率变量是一个行动变量 因此 当行动停止下来 速率变量的作用也就终止或消失 而水平变量是过去所有行动结果的积累 即使系统现在没有活动 水平变量仍然继续存在而且能被观察得到 所以 我们可以使一个系统的所有的活动完全停止 在静止状态下仍然存在并且能观察到的量就是水平变量 否则就不是水平变量 确定了水平变量后 再分析影响或改变水平变量的因素或动力是什么 这些因素和动力就是速率变量 一棵树可以停止生长 但代表这颗树木过去成长过程中积累的树木高度仍然存在可见 在一个工厂中 所有的活动可以暂时停止 而代表这家工厂的职工数 半成品数 成品数 机器设备数以及现金等水平变量都仍然存在 而且是可以度量的 在一个管理系统中 有些水平变量不一定是物质的 例如职工的积极性 公司的信誉 产品的质量等都不容易度量 但是它们都是存在的水平变量 系统动力学关于内因与外因的辩证关系 系统动力学著名的 内生 观点 系统行为的性质主要取决于系统内部的结构 也就是系统内部反馈结构与机制 这是系统动力学基本理论中的核心思想 系统的内部结构是指系统内部各反馈回路和结构及它们相互作用的关系与性质 尽管系统的行为丰富多彩 系统在外部涨落的作用下可能发生干变万化的反应 然而系统行为的发生与发展都主要地根植于系统内部 复杂系统 例如一国的国民经济 尽管有时候要受外部事件 比如国际金融危机 的严重影响 但其行为特性仍主要地取决于其内部组成部分之间的相互作用和所采取的政策 系统内部微观结构与其宏观行为的关系问题 创始人Forrester对此作了精辟的阐述 系统之宏观行为源自其微观结构 这已成为数十年来系统动力学界的经典 系统动力学强调内因与外因的辩证关系 内因是系统存在 变化 发展的依据 外因是系统存在 变化 发展的客观条件 在一定条件下 外部的干扰