【系统动力学理论基础概述2600字】

--9-系统动力学理论基础概述1.1系统动力学基本内涵与核心思想（1）系统动力学的含义系统动力学（SystemDynamics,SD）的产生起初来源于1957年福瑞斯特提出的工业动力学，在后来的研究中，研究对象从工程系统发展到社会系统，目前已成为政府和企业在决策时必需的科学方法和工具。从学科的定义上来说，系统动力学是研究信息反馈系统的科学，也是认识和解决系统问题、系统问题交叉的综合性新学科，是系统科学和管理科学的一个分支。系统动力学作为联系自然科学和社会科学的横向学科，通过将结构、功能和历史相结合，通过计算机建立模型与仿真，是定量研究高阶次、非线性、多重反馈复杂时变系统的系统分析理论与方法；这一理论与方法在可持续发展系统的研究中是一种成功而重要的方法[59]。（2）系统动力学的基本思想系统动力学以系统论为基础，不但吸收了控制论的精髓，还包括信息论的精髓，通过结构——功能分析和信息反馈来认识和解决系统问题。其解决问题的过程从本质上来说也是一种寻优的过程，其最终目的是找到最优问题解决方案，从而实现系统最大运行效能的发挥。从系统方法论来说，系统动力学理论是结构、功能和历史方法的有机统一，它具有如下一些特点[60]：1）系统动力学能够用于解决社会、经济、生态等高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈、复杂时变的系统问题。它在宏观与微观的层次上对复杂多层次、多部门的大系统进行综合研究。2）系统动力学的研究对象是开放系统，其强调系统与环境的相互联系、相互作用以及系统自身发展与运动的观点；认为系统的行为模式与特性主要植根于其内部的动态结构与反馈机制。3）系统动力学适用于研究数据不足的问题。系统动力学是定性与定量相结合、计算与推理相结合的整体思维方法。针对建模中数据不足或数据量化困难的问题，系统动力学可以根据系统各要素之间的因果关系，结合有限的历史数据，通过推理分析和计算来解决问题[61]。4）系统动力学适用于处理长期的周期性问题，如信息科学领域的数字信息资源的生命周期问题、社会系统中的经济危机问题等。它可以在宏观和微观层面对多层次、多因素的大系统工程进行综合研究，强调系统运行的内在规律和发展趋势，是实现科学决策和现代化管理的有利手段。5）系统动力学模型总体上比较规范。建模方法的规范，便于人们清晰地沟通，分析存在的问题，进而对政策实验进行假设。在建模过程中，很容易实现建模者、决策者和实际管理部门的有机结合，综合运用各种数据、材料、经验和知识来解决复杂的问题。1.2系统动力学仿真原理及模型（1）系统动力学的仿真原理系统仿真主要用于分析和研究系统的演化行为，揭示系统的动态过程和运动规律。复杂适应系统理论和系统动力学分别从不同的侧重点解释系统演化的原因和动力，其中复杂适应系统理论侧重于系统微观个体成分的构建，系统动力学侧重于系统结构的构建。根据复杂自适应系统理论，系统进化的驱动力在于系统内部的活跃个体。这种积极主动的个体能够积极地察觉到周围环境和其他个体的变化，不断调整自己的行为，从失败和成功中学习，总结经验[62]。因此，研究的目的主要是构建合适的活跃个体及其属性和行为。系统动力学认为，系统演化的动力来自于系统内部的流率变量。因此，目的是利用流量和流率的变化来刻画系统内部各组成成分之间相互影响的内在关系，并区分各组成成分在系统演化中的作用，进而构建整个系统的结构流程图，最后通过调节系统在不同条件下的控制变量来模拟系统的演化过程，为决策提供参考[63]。（2）系统动力学模型系统动力学模型仿真是一种结构-功能仿真。外因是变化的条件，内因是变化的基础，外因通过内因起作用，因此系统动力学模型内部的信息反馈机制定义了系统的行为模式。该模型能够分析和研究信息反馈的结构、功能和行为之间的动态对立辩证统一。系统动力学模型可以包含大量的变量，通常多达数千个以上。系统动力学模型主要通过仿真实验进行分析计算，主要计算结果是未来某一时期内各变量随时间变化的曲线[64]。根据模型建立的先后顺序，系统工程的系统模型可分为逻辑模型、物理模型和数学模型。1）逻辑模型定性研究的目的是建立系统的逻辑模型，反映系统的逻辑相互关系、相互制约和因果关系。它由系统工程和逻辑关联两部分组成。建立逻辑模型的过程是理解系统的过程，是系统分析的过程，是从抽象到具体[55]的迭代和分层的过程。逻辑模型作为物理模型的先驱，将系统尽可能地抽象为变量。逻辑相关可以分为正相关、负相关、直接相关和间接相关等。物理模型和数学模型进一步深化了这些关联的具体形式。2）物理模型作为从定性逻辑模型向定量数学模型的过渡，基于演化的物理模型可以在中间建立。它的基本组成部分是以循环形式表达的动态结构，物理模型反映了动态系统的具体相互关系、相互制约和因果关系，是建立数学模型的基础。3）数学模型在建立了系统工程物理模型的基础上，可以采用一定的映射手段将物理模型转化为相应的数学模型[63]。物理模型就可以转为如下的数学函数：。而系统工程的数学模型一般就是这一类的数学函数的耦合[64]。为了更好地研究系统特性，设系统输入变量、输出变量和参数能够从函数F中分离出来，可以采用数学方程组加以描述，即：式中，X为系统状态变量，U为输入变量，Y为输出变量，A、B、C为时变变量。1.3系统动力学仿真工具VENSIM软件Vensim是一种可视化建模工具，是由美国公司VentanaSystemsInc.（）研发的。该软件不仅能对系统动力学模型进行构思、仿真、分析和优化，也可以形成文档[65]。Vensim软件主要有4个特点，这些特点将在后面的建模应用中逐渐予以体现。（1）利用图示化编程进行建模在Vensim中，只有建模的概念，“编程”实际上并不存在。在启动Vensim系统得到的主窗口中，依据操作按钮画出简化流率因果关系图或流图，再通过EquationEditor输入方程和参数，就可以直接实现模拟。在Vensim中方程及变量不带时标，模型建立是围绕着变t间的因果关系展开的。（2）输出信息丰富在Windows操作系统下，应用了多种分析方法，使得Vensim输出的信息非常丰富。输出兼容性强，一般的模拟结果，除了即时显示外，还包括保存到文件和复制至剪贴板等方法输出。（3）提供多种模型分析方法Vensim可以对模型进行结构和数据集分析。其中结构分析包括原因树分析（逐层列举作用于指定变量的变量）、结果树分析（逐层列举该变量对于其他变量的作用）和反馈环列表分析。数据集分析包括变量