1、Vensim使用说明书第1章 概述1.1.系统动力学简介 1956年,Jay W.Forrester 放弃了其在电机控制领域的研究,转而将反馈控制的基本原则用于社会经济学系统。1961年,他在MIT工业管理学院研究公司管理问题,出版了其专著Industrial Dynomics, 这标志着这一学科的创立。 在过去的40年中,系统动力学有了长足的发展。系统动力学的理论、思想方法和工具,对于分析社会经济中许多复杂动态问题非常有效。另一方面,系统动力学的分析方法、建模方法、模拟方法和模拟工具比较规范,易于学习和应用。 1、事件行为结构 在日常生活中,我们往往是从事件开始认识事物的。例如股市暴涨暴跌,
2、流行病发生,战争爆发等等。事件一般是在固定的时间点上出现的。我们要正确的认识事件,须要联系相关事件,并从它们的发展过程中去观察。也即,要考察事件所在的行为模式。行为模式是系统的外在表现,可表现为一系列的相关事件随事件的演变过程,是多个关联事件表现出的过去现在和未来。例如,我们看到的经济的缓慢增长,利率的变化,失业率的波动等。行为摸式是由系统的内部结构决定的。结构是产生行为模式的物质的、能量的、信息的内在关系。系统的结构决定其行为模式,而事件是行为模式的重要片段。 利用系统动力学分析问题,要由事件出发,分析系统的结构与行为模式的关系,以采取成功的政策和策略,调整系统结构,干预和控制系统,改善系统
3、的行为模式,大大避免坏的事件的发生。 2、系统动力学处理问题的过程提出问题:明确建立模型的目的。即要明确要研究和解决什么问题。参考行为模式分析:分析系统的事件,及实际存在的行为模式,提出设想和期望的系统行为模式。作为改善和调整系统结构的目标。提出假设建立模型:由行为模式,提出系统的结构假设。由假设出发,设计系统的因果关系图,流图,并列出方程,定义参数。从而将一系列的系统动力学假设,表示成了清晰的数学关系集合。模型模拟:调整参数,运行模型,产生行为模式。建立好的模型是一个实验室,可以由试验参数和结构的变化理解结构与系统行为模式的关系。1.2 Vensim PLE 软件的特点 Vensim PLE
4、 全名为 Ventana Simulation Enviroment Personal Learning Edition. 即Ventana 系统动力学模拟环境个人学习版。 1.利用图示化编程建立模型。在Vensim中,“编程”实际上并不存在,只有建模的概念。只要在模型建立窗口画出流图,再通过Equations输入方程和参数,就可以直接进行模拟了。如果用户需要查看有关方程和参数,可使用Mode Document工具条。另外,Vensim提供两种模型文件保存方式,一种是二进制文件,后缀为.vmf;另一种是文本文件,后缀为.mdf,这种文件可以用于模型的建立和修改,但这并不是Vensim推荐的方法
5、。 2. 运行于Windows下,数据共享性强,提供丰富的输出信息和灵活的输出方式。由于采用了多种分析方法,因此Vensim的输出信息是非常丰富的。其输出兼容性较强。一般的模拟结果,除了即时显示外,还提供保存文件和copy到剪切板。例如建立好的模型可以copy到剪贴板,再由剪贴板转到MS Word的编辑文件中。 3.对模型的多种分析方法 Vensim提供对于模型的结构分析和数据集分析。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它变量的作用)和反馈列表。 模型运行后,可进行数据集分析。对指定变量,可以给出它随时间的变化图,列出数据表;可以给出原因
6、图分析,列出所有作用于该变量的其它变量随时间变化的比较图;可以给出结果图分析,列出该变量与所有它作用的变量随时间变化的比较图;同时可以将多次运行的结果进行比较。作为最终结果的图形分析和输出,可使用Graph,它不但可以列举多个变量随时间的变化图,而且可以列举变量之间的关系图。 4.真实性检验 对于我们所研究的系统,对于模型中的一些重要变量,依据常识和一些基本原则,我们可以预先提出对其正确性的基本要求。这些假设是真实性约束。将这些约束加到建好的模型中,专门模拟现有模型在运行时对于这些约束的遵守情况或违反情况,就可以判断模型的合理性与真实性,从而调整结构或参数。真实性检验是Ventana公司的专利
7、方法,是一种非常有效的建模工具。1.3 使用Vensim软件处理问题的一般过程1.4 Vensim PLE 的使用说明 Vensim PLE3.0c可使用于Window3.X,Windows 95, Windows NT操作系统下。硬件要求386以上PC机,2.0M内存,1.6M磁盘空间(安装时需6M硬盘空间)。对于Machintosh机型,也可使用。第2章 Vensim的菜单和主窗口 Vensim的用户界面是标准的Windows应用程序界面。除支持菜单和加速键外,还提供多个工具条。这使得用户操作非常方便。2.1 Vensim PLE的主菜单 Vensim PLE提供以下菜单。对于菜单的驱动,
8、除了逐级打开外,还可以用相应的加速键。File 文件管理:提供建立新模型(New Modle),打开模型(Open Modle),保存模型(Save, Save as),打印模型(Print , Print Options)等。模型打开和建立后,检查可通过Check完成。View 观察:对于模型的流图进行总体观察。提供按任意比例缩放。Model 模型检验:包括Reality Check 即真实性检验,Time Bounds时间控制设置。其中Time Bounds是用于调控Simulate 和Reality Check的时间参数的。Windows 窗口:包括Control panel控制面板(即
9、Variable Selection分析变量选择,Time Axis时间轴设置,Scalling纵坐标调整,Datasets数据集选择, Graph自定义作图等),以及Pop Forward实现由其它窗口转换到模型建立窗口,Error History是出错记录,Selection History是选择记录。Help帮助:在该菜单下有Manual子菜单,它是Ventana 公司提供的使用手册,比较详细。另外一个是About Modles子菜单,它提供了Vensim对模型的基本概括,如变量数目,状态量数目等。并提供对模型设置加密口令。第3章 模型的建立 模型建立是在模型建立窗口,通过图示化的方式建
10、立模型,或对已建立的模型进行修改。主要过程是画出流图,然后输入参数和方程。3.1 开始 在主菜单File下,选择New Modle 或Open Modle,就可以开始一个新模型的建立或者已建模型的修改工作。在选择New Modle情况下,会出现如下窗口。它是用来对于模型初始化的。可以选择起始时间,结束时间,时间单位,时间步长(Time Step)和数据记录步长SAVEPER。 3.2 画图工具条其功能依次为:Pointing 指针:用于选中、移动和改变变量和图符。有三种选择方式。按下左键并拖动会看到一个虚线方框,松开左键则方框内所有变量和图符被选中,选中后可以用鼠标拖动之;可直接左键用点按变量
11、或图符选中之,按下左键可以拖动,另外若选中图符操作柄(一个小圆圈),可对图符进行伸缩放大;对变量用左键连续点按两次会将它选为工作台变量。Variable 变量:用于定义非状态变量的变量,如辅助变量和常量。Box Variable 方框变量:用于创建状态变量。注意,Vensim 一般约定,状态变量第一个字母大写,常量和表格量字母全大写,其余变量字母全小写。但用户也可以有自己的约定。Arrow 箭头:用于创建表示因果关系的箭头,可以是直的或弯曲的。注意,创建时,先选中箭头,在因变量上按下左键,然后松开,移动鼠标到空白处点按左键,松开后移动到果变量再点按左键。在中间电按位置会有一个操作柄。Rates
12、速率变量:用于创建速率变量。它有四部分构成,两个箭头,一个开关,两朵表示源和漏的云,和变量本身。可通过选择移动开关,移动和改变图符形状。速率变量一般至少有一端指向一个状态变量,在创建时可是其一端直接指到状态变量上。Shadow Variable:有时模型很大,若一个变量已在一个子块中定义,在另一子块中,只要用Shandow Variable 再声明一次即可。Comment 注释:用于为流图增加注释,使容易看懂。Vensim的注释方法很丰富,可以是文字,图符等。它在模型流图中无实质性作用。Delete 删除:用于删除相关内容。Equations建立方程: 用于方程建立,即建立等式,赋值,定义单位
13、等。3.3 对于图符和字体的调整 Vensim提供图符和字体的丰富多彩的表示方式。对于已有的图符和字体,有两种方法实现调整。一种是用指针选中图符和变量(注意,图符要选其操作柄),然后再点按底部工具条。一种是直接用鼠标右键点按图符操作柄或变量,就会出现相应的对话框。(1)利用工具条对图符和字符作调整:图示工具条功能依次如下:1.字体选择:可用来对于当前变量或注释选择任何windows所提供的字体。也可选择汉字。2.字体的大小。3.b:字体的加粗。4.i:字体倾斜。5.u:字体加下划线。6.s:字体加中串线。7.设置字体颜色。8.设置变量边框颜色。9.变量边框形状选择。10.文本的位置选择。11.
14、设置箭头的颜色。12.箭头的形状选择。13.设置箭头的极性。一般用“,”,也可选择用“S,N”。14.将加亮的字符移到下面。 熟练使用这些工具条可以使模型外观非常漂亮。但这些工具对于模型本身无实质影响。(2) 利用对话框操作对图符和字符作调整: 如上所述,用鼠标右键单击要操作的图符操作柄,则会出现相应的对话框。这些对话框主要有箭头选择对话框,开关选择对话框,注释对话框,变量选择对话框。其中注释对话框和变量设置对话框我们在后面讨论。箭头选择对话框:图示可以选择极性(可以选择字体),箭头可以隐藏,可以无头,可以选择颜色及线的形状和宽度。这是对于因果关系箭头和速率量箭头操作的。开关选择对话框:对于速
15、率量的开关操作。用来调整速率变量相对于图符的位置,图符的颜色等。3.4 对流图加注释 通过选择建立模型工具条可打开如下注释对话框。注释可以是文字的或图形的。文字的注释可以选择字体、大小、颜色、加粗等。图形的注释可以选择点位图或者是可以是Windows的图元文件(均可由剪贴板获得)。可以对注释加边框,选择边框形状等。3.5 方程和参数的输入 方程的左边一定是某一变量,而Vensim是围绕这一变量来建立方程和输入参数的。在画图工具条中,有一个Equations项,当模型各种变量的关系建立完成以后,点击该项即可对任何一个变量进行建立等式和赋值等工作。点击任何一个变量后,会先出现对话框。主要内容包括:
16、方程编辑:可选择变量、函数、数字和运算符构成方程。Variables输入变量:若流图正确,此变量的因变量均包含于此,并构成输入变量。在方程编辑中只要从此选择即可,不需要再写入变量了。Functions 函数:此处列举了Vensim提供的所有函数,可选择进入方程编辑。Type: 确定变量类型,如表函数等。Units 单位:方程右边必须有正确的单位。若是一个无量纲量,可不加或输入dmnl。Comment 注释:可对于方程进行注释,以增加可读性。Erros 错误信息:在方程书写中,会随时提示书写是否正确。3.6 查找表的建立 表函数是SD一个重要特征。它用于建立两个变量之间的非线性关系。特别是软变量
17、之间的关系。例如员工士气对工作效率的影响程度。一般,两个变量先归一化,或者先规整化,再根据经验给出大致的关系图来。这样设计的变量是无量纲量。当在Type中选择Lookup项时,会有As Graph选项,选择此选项,就会出现对话框。该对话框用于图形化定义一个查找表。包括自变量和函数值列举,自变量和函数的最大值等。用鼠标左键在图形框中点按,会自动构成图形。3.7 对于Limits 模型重新设计以后的流图我们对于Vensim PLE的modles子目录中的模型Limits进行重新编辑,得到以下。模型文件为:limitn.vmf。 第4章 模型建立后的静态分析 模型建立后,在运行前和运行后均可以进行静
18、态分析。这主要的是一种结构分析。Vensim是通过分析工具条操作的。其中,原因树分析、结果树分析和反馈回路分析是对于具体的变量进行的,因此首先要选择变量到工作台。而模型文档列举和量纲检查是对于整个模型的分析。4.1 将分析变量选人工作台 变量选入有两种方法,一是选择模型建立工具条的指针Pointing,然后连续两次点按要选择的变量,就会在主窗口标题栏看到被选中的变量。另一种方法是,选择Control panel下的变量选择(Variable),则会出现一个对话框,列出了模型的所有的变量,且可以分类显示,选择要分析的变量即可。4.2原因树分析 对于给定变量,列举作用于其上的变量;然后对于这些变量
19、,再列举作用于其上的变量;依次类推,逐级反向追溯,直到出现给定变量本身的一级为止。这时,就得到了给定变量的一个原因树,最末一级的所有变量(除变量本身),实际上是该子系统的边界。是这些变量的外部作用决定了给定变量的。图示是对于变量Rabbit Populationd的原因树分析图。可以锁定窗口,打印该图,也可以拷贝到剪贴板或以图元文件(wmf)保存。 4.3结果树分析 对于给定变量,列举其作用的变量;然后对于这些变量,再列举其作用的变量;依次类推,逐级正向追溯,直到出现给定变量的一级为止。给定变量的结果树也构成了一个子系统,其最末一级的所有变量(除给定变量本身),构成子系统边界,表示指定变量对于
20、整个系统的最终作用。图示是变量Rabbit Populationd的结果树分析图。 4.4模型文档 Vensim没有“程序”,用户可以看到的是方程列举的文档。该文档详细列举了所有等式、参数、表函数,以及用户注释及Vensim提供的用途分析。这一文档和模型流图构成了Veansim基本的模型文档。(01) AREA OF GRASSLAND = 20000 Units: square yards Uses: (03)carrying capacity - (02) AVERAGE RABBIT LIFE = 2 Units: Year Uses: (13)rabbit deaths - (03)
21、carrying capacity = AREA OF GRASSLAND / GRASS REQUIRED PER RABBIT Units: Rabbit (01)AREA OF GRASSLAND - (07)GRASS REQUIRED PER RABBIT - Uses: (12)rabbit crowding - (04) effect of crowding on deaths = EFFECT OF CROWDING ON DEATHS LOOKUP(rabbit crowding) Units: Dmnl (12)rabbit crowding - (05)EFFECT OF
22、 CROWDING ON DEATHS LOOKUP - Uses: (13)rabbit deaths - (05) EFFECT OF CROWDING ON DEATHS LOOKUP (0,0)- (10,10),(0,0.5),(1,1),(1.5,2),(2,5),(2.5,10) ) Units: Dmnl Uses: (04)effect of crowding on deaths - (06) FINAL TIME = 10 Units: Year The final time for the simulation.(07) GRASS REQUIRED PER RABBIT
23、 = 10 Units: square yards/Rabbit Uses: (03)carrying capacity - (08) INITIAL RABBIT POPULATION = 100 Units: Rabbit Uses: (14)Rabbit Population - (09) INITIAL TIME = 0 Units: Year The initial time for the simulation. Uses: (00)Time - Internally defined simulation time.(10) RABBIT BIRTH RATE = 1.1 Unit
24、s: 1/Year Uses: (11)rabbit births - (11) rabbit births = Rabbit Population * RABBIT BIRTH RATE Units: Rabbit/Year (14)Rabbit Population - (10)RABBIT BIRTH RATE - Uses: (14)Rabbit Population - (12) rabbit crowding = Rabbit Population/carrying capacity Units: Dmnl (14)Rabbit Population - (03)carrying
25、capacity - Uses: (04)effect of crowding on deaths - (13) rabbit deaths = (Rabbit Population / AVERAGE RABBIT LIFE) * effect of crowding on deaths Units: Rabbit/Year (14)Rabbit Population - (02)AVERAGE RABBIT LIFE - (04)effect of crowding on deaths - Uses: (14)Rabbit Population - (14) Rabbit Populati
26、on = INTEG(rabbit births-rabbit deaths,INITIAL RABBIT POPULATION) Units: Rabbit (08)INITIAL RABBIT POPULATION - (11)rabbit births - (13)rabbit deaths - Uses: (11)rabbit births - (12)rabbit crowding - (13)rabbit deaths - (15) SAVEPER = TIME STEP Units: Year The frequency with which output is stored.
27、(16)TIME STEP - The time step for the simulation.(16) TIME STEP = 0.125 Units: Year The time step for the simulation. Uses: (15)SAVEPER - The frequency with which output is stored.4.5反馈回路分析 对于给定变量,列举包含该变量的所有的反馈回路。注意,尽管在建立模型时标明了每个箭头的极性,但Vensim并不提供反馈性质分析。图示是包含变量Rabbit Populationd的反馈回路。 第5章 模型模拟及数据集分析
28、建立好了模型,就可以进行模拟和数据集分析。Vensim的数据集分析是对于模拟的结果数据文件.vdf进行比较分析。可以对于一次运行结果分析,也可以对于多次运行结果(即多个 .vdf文件)比较分析。同结构分析一样,数据集分析一般也是对于具体的变量进行的,须先选择要分析的变量。5.1模型模拟 选择主菜单下面的SET选项,会出现下面对话框。它允许用户修改有关参数,表函数,设定保存运行结果的文件名等。在对于同一模型反复调整参数,比较运行结果时很重要。注意,这里对于参数和表函数的修改不会保存到模型文件中去。 另外可以利用主菜Model中的Time Bounds,对于运行起始时间,步长进行重新设定。模型运行
29、后会产生供数据集分析用的文件.vdf。若是多次调整参数运行同一模型,并生成不同数据文件,则图形和表格显示是多次运行结果的比较。 例如,在不同的参数条件下,运行Limits模型,得到数据文件:Current.vdf,Current1.vdf,Current2.vdf。下面对于变量 Rabbit Population 进行分析。首先,在鼠标选择Pointing情况下,连续两次点按变量Rabbit Population。可以看到,该变量被选入工作台标题栏。5.2 数据集分析的工具条Run Compare运行比较:在多次运行同一模型,只是改变其参数时,显示和列举各次运行的参数比较。在此例中,按下该工具
30、条,则出现下面对话框。将其Export到剪贴板,最后得到参数比较的文本。它详细记录了三次运行模型参数的调整情况。由于这些变化,使模型表现出不同的行为模式来。 Comparing C:VENSIMMODELSCURRENT2 and C:VENSIMMODELSCURRENT1*Constant differences between C:VENSIMMODELSCURRENT2 and C:VENSIMMODELSCURRENT1*AVERAGE RABBIT LIFE - has changed in value 2 C:VENSIMMODELSCURRENT2 3 C:VENSIMMODE
31、LSCURRENT1-GRASS REQUIRED PER RABBIT - has changed in value 10 C:VENSIMMODELSCURRENT2 12 C:VENSIMMODELSCURRENT1-*Lookup differences between C:VENSIMMODELSCURRENT2 and C:VENSIMMODELSCURRENT1*EFFECT OF CROWDING ON DEATHS LOOKUP - has changed in value C:VENSIMMODELSCURRENT2 C:VENSIMMODELSCURRENT1 X | Y X | Y 0 | 0.5 0 | 0.5 1 | 1 1 | 1 1.778 | 1
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