系统仿真及系统力学方法_精品文档.ppt

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第四章第四章系统仿真及系统系统仿真及系统动力学（动力学（SDSD）方法方法第一节：

系统仿真概述第一节：

系统仿真概述第二节：

系统动力学模型化原理第二节：

系统动力学模型化原理第三节：

第三节：

基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMO仿真仿真分析分析第四节：

第四节：

DYNAMO函数函数第一节第一节系统仿真概述系统仿真概述

（一）概念及作用

（一）概念及作用1.1.基本概念基本概念系系统统仿仿真真就就是是根根据据系系统统分分析析的的目目的的，在在分分析析系系统统各各要要素素性性质质及及其其相相互互关关系系的的基基础础上上，建建立立能能描描述述系系统统结结构构或或行行为为过过程程的的、且且具具有有一一定定逻逻辑辑关关系系或或数数量量关关系系的的仿仿真真模模型型，据据此此进进行行试试验验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

22、系统仿真的实质、系统仿真的实质

（1）

（1）它它是是一一种种对对系系统统问问题题求求数数值值解解的的计计算算技技术术。

尤尤其其当当系系统统无无法法通通过过建建立立数数学学模模型型求求解解时时，仿仿真技术能有效地来处理。

真技术能有效地来处理。

（2）

（2）仿仿真真是是一一种种人人为为的的试试验验手手段段。

它它和和现现实实系系统统实实验验的的差差别别在在于于，仿仿真真实实验验不不是是依依据据实实际际环环境境，而而是是作作为为实实际际系系统统映映象象的的系系统统模模型型以以及及相相应应的的“人人造造”环环境境下下进进行行的的。

这这是是仿仿真真的的主主要功能。

要功能。

（3）（3）仿仿真真可可以以比比较较真真实实地地描描述述系系统统的的运运行行、演变及其发展过程。

演变及其发展过程。

33、系统仿真的作用、系统仿真的作用

（1）

（1）仿仿真真的的过过程程也也是是实实验验的的过过程程，而而且且还还是是系系统统地地收收集集和和积积累累信信息息的的过过程程。

尤尤其其是是对对一一些些复复杂杂的的随随机机问问题题，应应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

（2）

（2）对对一一些些难难以以建建立立物物理理模模型型和和数数学学模模型型的的对对象象系系统统，可可通通过过仿仿真真模模型型来来顺顺利利地地解解决决预预测测、分分析析和和评评价价等等系系统统问题。

问题。

（3）（3）通通过过系系统统仿仿真真，可可以以把把一一个个复复杂杂系系统统降降阶阶成成若若干干子子系统以便于分析。

系统以便于分析。

（4）（4）通通过过系系统统仿仿真真，能能启启发发新新的的思思想想或或产产生生新新的的策策略略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。

仿真应用领域仿真应用领域-食品及服务领域http:

/系统仿真的基本方法是建立系统的系统仿真的基本方法是建立系统的结结构模型和量化分析模型构模型和量化分析模型，并将其转换，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，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。

然后对模型进行仿真实验。

系统根据其模型表示可以分为：

连续系统离散事件系统连续系统n连续系统：

其服从于物理学定律（电学、力学、热学），其数学模型可表示为传统意义上的微分方程或差分方程。

其系统的状态变量状态变量随时间而发生连续变连续变化化。

离散事件系统离散事件系统离散事件系统（DiscreteEventDynamicSystem）DEDS/DES:

指系统的状态系统的状态在一些离散时间点离散时间点上由于某种事件的驱动而发生变化。

其数学模型很难用数学方程来表示。

生产系统是生产系统是DES系统！

系统！

由于连续系统和离散由于连续系统和离散（事件事件）系统的数学系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即本上分为两大类，即连续连续系统仿真方法系统仿真方法和和离散离散系统仿真方法。

系统仿真方法。

在以上两类基本方法的基础上，还有一在以上两类基本方法的基础上，还有一些用于系统些用于系统（特别是社会经济和管理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。

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系统动力学方法通过建立系统动力学模型型（流图等流图等）、利用、利用DYNAMODYNAMO仿真语言在计仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从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而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。

态关系。

常见仿真软件n通用的vs.面向应用的仿真软件p通用的仿真软件包括：

Arena,Extend,FlexSim。

p面向应用的仿真软件包括：

生产领域：

Witness,AutoMod,ProModel等。

过程重组：

ProcessModel,SimProcess等。

卫生医疗：

MedModel呼叫中心：

ArenaCallCenter通信网络：

ComnetIII等。

Arena广泛应用于金融、电信、物流等行业的客户关系管理（CRM）、业务流程再造（BPR）等领域Extend包括物流机械和搬运、供应链管理、商业流程、医疗服务、生产计划调度、交通运输、物流配送、质量管理等Automod包括包裹与信件处理、仓储与配送、机场/行李处理、半导体、航空航天、汽车、制造、运输、物流等。

FlexSim主要针对离散事件仿真，解决三类问题：

服务问题、生产问题、物流问题。

SomeUsefulLinksnArena,http:

/http:

/AutoMod，http:

/11、由来和发展、由来和发展80年代以来年代以来1956年至年至60年代初年代初60年代初至年代初至70年代初年代初70年代初至年代初至80年代年代SD的出现始于的出现始于1956年，主要应用于工业企业管理，并年，主要应用于工业企业管理，并创立了创立了“IndustrialDynamics”（1959）SD思想和方法的应用范围日益扩大。

思想和方法的应用范围日益扩大。

“PrinciplesofSystems”（1968），“UrbanDynamics”（1969）的出现的出现.1972年美国年美国MIT的的J.W.Forrester正式提出正式提出“SystemsDynamics”。

经历了两次严峻的挑战。

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。

思想和方法的生命力更为强劲。

（三）系统动力学的发展及特点（三）系统动力学的发展及特点2020世纪世纪70年代以来，年代以来，SD经历的两次严峻挑战经历的两次严峻挑战第一次挑战第一次挑战（70（70年代中前期年代中前期）：

7070年代初，来自年代初，来自2626个国个国家的家的7575名科学家的罗马俱乐部困惑于世界面临人口增长与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，于是他们寄希望于刚刚兴起的系统对此复杂问题的研究，于是他们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动力学方法。

其主要的标志是两个世界模型（WORLDWORLD）（WORLDWORLD“WorldDynamics,1971,ForesterWorldDynamics,1971,Forester”;WORLDWORLD-“TheLimitstoGrowth,D.TheLimitstoGrowth,D.Meadows,1972Meadows,1972”,“TowardGlobalEquilibriumTowardGlobalEquilibriumD.Meadows,1974D.Meadows,1974”）。

这些成果引起了一场令人瞩目、旷这些成果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。

大成熟起来。

第二次挑战第二次挑战（70（70年代初到年代初到8080年代中年代中）：

ForresterForrester教授在多方资助之下开始研究美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、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，令经济学家困惑不解的疑团，诸如，7070年代以来年代以来的通货膨胀、失业率和实际利率同时增长等问题。

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其最有价值的研究成果还在于揭示了美国与西方国家国家经济长波经济长波（LongWave）LongWave）形成的内在奥秘。

由于形成的内在奥秘。

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取得了飞跃性进展。

从此，系统动力学进入了蓬勃发展时期。

勃发展时期。

22、研究对象及其结构特点、研究对象及其结构特点（11）研究对象）研究对象社会系统社会系统（22）结构特点）结构特点抉择性抉择性具有决策环节（人、信息）具有决策环节（人、信息）自律性自律性具有反馈环节具有反馈环节非线性非线性具有延迟环节具有延迟环节（33）SDSD将社会系统当作将社会系统当作非线性（多重）信息反非线性（多重）信息反馈系统馈系统来研究来研究33、工作程序、工作程序认识认识问题问题界定界定系统系统要素及其因要素及其因果关系分析果关系分析建立结建立结构模型构模型建立数建立数学模型学模型仿真仿真分析分析比较与比较与评价评价政策政策分析分析（流图）（流图）（DYNAMOYDYNAMOY方程）方程）1水塔2阀门3水箱4阀门5控制者水流系统示意图第二节第二节SD结构模型化原理结构模型化原理11、基本原理、基本原理决策决策信息信息行动行动系统系统状态状态速率变量速率变量水准变量水准变量信息信息流流（行动）（行动）（Rate）（Level）四个基本要素四个基本要素状态、信息、决策、行动状态、信息、决策、行动两个基本变量两个基本变量水准变量（水准变量（LL）、）、速率变量（速率变量（RR）一个基本思想一个基本思想反馈控制反馈控制22、因果关系图和流图、因果关系图和流图（11）因果关系图（因果反馈回路）因果关系图（因果反馈回路）因果箭因果箭因果链因果链因果（反馈）回路因果（反馈）回路因因果果箭箭：

连连接接因因果果要要素素的的有有向向线线段段。

箭箭尾尾始始于于原原因因，箭头终于箭头终于结果结果。

因因果果关关系系有有正正负负极极性性之之分分。

正正（+）（+）为为加加强强，负负（-）（-）为为削削弱。

弱。

n因因果果链链：

因因果果关关系系具具有有传传递递性性。

用用因因果果箭箭对对具具有有递递推推性性质质的的因因素素关关系系加加以以描描绘绘即即得得到到因因果链。

果链。

n因因果果链链极极性性的的判判别别标标准准：

在在同同一一因因果果链链中中，若若含含有有奇奇数数条条极极性性为为负负的的因因果果箭箭，则则整整条条因因果果链链是是负负的的因因果果链链。

否否则则，该该条条因因果果链链极极性性为正。

为正。

SDSD认认为为，系系统统的的性性质质和和行行为为主主要要取取决决于于系系统统中中存存在在的的反反馈馈回回路路，系系统统的的结结构构主主要要就就是是指指系系统统中中反反馈馈回回路路的的结结构构。

因因果果关关系系图图举举例例见见图图，其其中中包包含含了了因因果果箭箭、因因果果链链、因因果果反反馈馈回回路路和和多多重重因因果反馈回