系统动力学在中国环境科学领域的应用研究进展
海洋生态系统动力学模型及其研究进展_刘桂梅
第18卷第3期2003年6月地球科学进展ADVANCE I N E AR TH SCIE NCE SVol.18 No.3Jun.,2003文章编号:1001-8166(2003)03-0427-06海洋生态系统动力学模型及其研究进展刘桂梅1,2,孙 松1,王 辉3(1.中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学重点试验室,山东 青岛 266071;2.中国科学院大气物理研究所,I CCE S,北京 100029;3.国家自然科学基金委员会地球科学部,北京 100085)摘 要:海洋生态系统动力学研究是当前多学科交叉研究的热门领域,依据国内外研究进展,分别就人们在模型研究中所采用的过程模型、个体模型、种群模型、种间模型及生态系统模型进行了介绍,并概述了当前国际上的研究热点全球变化与海洋生态系统动力学研究,总结了我国的海洋生态系统动力学研究现状以及进一步研究中存在的问题和发展趋势。
关 键 词:海洋生态系统动力学;模型;全球变化中图分类号:P731.2 文献标识码:A 20世纪60年代后期,海洋生态系统结构、功能、食物链、生物生产力等方面的研究逐渐增多,科学家们注意到海洋生物资源的变动并非完全受捕捞的影响,环境变化对生物资源补充量有重要影响,与全球气候波动也密切相关。
一批生物、渔业海洋学家还认为,浮游动物的动态变化不仅影响许多鱼类和无脊椎动物种群的生物量,同时浮游动物在形成生态系统结构和生源要素循环中起重要作用,对全球的气候系统产生影响。
从全球变化的意义上研究海洋生态系统被提到日程上来,众多全球性的国际海洋计划应运而生:热带海洋与全球大气计划(TO-GA)、世界海洋环流实验(W OCE)、全球海洋通量联合研究(JGOFS)、海岸带陆海相互作用(LOICZ)和全球海洋观测系统(GOOS)等。
1995年全球海洋生态系统动力学研究计划(GL OBEC)被纳入国际地圈生物圈计划(I GBP)的核心计划,海洋生态系统动力学研究成为当今海洋科学跨学科研究的国际前沿领域[1～3]。
动力学模型及参数估计的研究
动力学模型及参数估计的研究动力学模型在许多领域中有着广泛的应用，如生态学、生物医学工程、经济学等等。
其中一个重要的问题是如何对模型的参数进行估计。
在本文中，我们将介绍动力学模型及其在参数估计方面的应用。
一、动力学模型的定义动力学模型是描述物理、生态和社会系统的数学模型。
在一个系统中，有一些变量、参数或者函数是相互关联的，我们可以用一个或多个方程式对它们进行描述。
动力学模型是一个动态过程的抽象表示，它可以用来预测未来的变化趋势或者分析系统的行为。
例如，在生物医学工程中，我们可以用动力学模型来描述一个药物在身体内的吸收和消失过程。
在一个药物体系中，有许多变量是相互关联的，如药物的浓度随时间的变化、药物在体内的运输速度等。
对于这些变量，我们可以通过构建一个数学模型来进行描述，并通过模型对药物在体内的动态过程进行预测和分析。
二、动力学模型的应用1.生态学领域动力学模型在生态学领域的应用非常广泛，可以用来描述生物种群和群落的动态变化、物种的交互关系、环境气候变化对生态系统的影响等等。
例如，在林业学中，我们可以用动力学模型来预测一片森林的生长速度和木材产出量；在地球环境科学中，我们可以用模型来预测地球环境系统的未来变化。
2.社会科学领域动力学模型也在社会科学领域中有着广泛的应用，如经济学、人口学等等。
在经济学中，我们可以用模型来预测国家经济的发展趋势、生产资料价格的变化等；在人口学中，我们可以用模型来描述人口的年龄结构、迁徙规律等。
3.生物医学工程领域生物医学工程领域也是动力学模型的主要应用领域之一。
生物体系中，各种生物化学反应相互作用，动力学模型可以用来描述药物在体内吸收和消失的过程、细胞的生长和分裂、肿瘤的生长和发展等等。
三、动力学模型参数估计的方法动力学模型参数的估计可以用来验证模型的准确性、预测未来的发展趋势、诊断系统中的故障等等。
在动力学模型中，一个参数是指描述系统中一个变量的变化规律的常数或系数。
系统动力学研究综述
系统动力学研究综述摘要本文首先对系统动力学进行简要概述，并回顾其在国外和国内的发展历程。
其次通过对文献综述的方式，对系统动力学的研究领域进行梳理和罗列，并且介绍了系统动力学的研究成果和应用情况。
本文的目的在于对系统动力学的发展和应用进行清洗明确的概括的，增进系统动力学的了解，并表述其目前的发展趋势。
关键词：系统动力学、综述、应用现状、研究成果一、引言系统动力学自创立以来，其理论、方法和工具不断完善，应用范围不断拓展，在解决经济、社会、环境、生态、能源、农业、工业、军事等诸多领域的复杂问题中发挥了重要作用。
随着现代社会复杂性、动态性、多变性等问题的逐步加剧，更加需要类似系统动力学这样的方法，综合系统论、控制论、信息论等，并于经济学、管理学交叉，使人们清晰认识和深入处理产生于现代社会的非线性和时变现象，做出长期的、动态的、战略的分析和研究。
这位系统动力学方法的进一步发展提供了广阔的平台，也为深入研究系统动力学的应用提供了机遇和挑战。
为此，本文从系统动力学的研究与应用现状着手，通过总结和分析当前系统动力学的应用情况，探寻系统动力学未来的应用前景和方向，希望能促进系统动力学方法在现代社会中的广泛应用。
二、系统动力学概述系统动力学（System Dynamics，简称SD）起源于控制论。
自Wienes在40年代建立控制论以来，随着现代工业与科学技术的日益发展，控制论的概念、领域和工具也得以拓展。
五十年代初，中国把自动控制理论翻译为“自动调节原理”。
苏联的B.B. COJIOJIOBHNKOB教授，在研究有关随即控制问题时，引入“系统动力学”的概念。
钱学森先生结合龚恒问题，编著了《工程控制论》，也阐述了系统动力学的有关问题。
苏联与后总共对系统动学的研究，是针对工程技术问题，限于自然科学领域。
美国在50年代后期，在系统动力学方面取得了很大的突破。
JW Forrester等发表了一系列关于SD方面的论文，使它的应用不限于工程技术，而是拓展到工业、经济、管理、生态、医药等各个领域，并出现了五花八门的各种动力学。
系统动力学国内外研究现状
系统动力学国内外研究现状
系统动力学是一种研究变化和相互作用的动态系统行为的跨学科方法，涉及系统的模拟、分析和决策支持等领域。
以下是系统动力学在国内外研究的现状：
国内研究现状：
1.学科发展：近年来，国内对系统动力学的研究逐渐兴起，
涉及的领域包括管理科学、经济学、环境科学、社会科学
等。
不少高校设立了系统动力学专业或开设了相关课程。
2.应用领域：国内研究主要集中在经济、环境、能源、政策
等领域。
例如，对于经济领域，系统动力学可以应用于宏
观经济建模、市场竞争分析、企业管理等方面的研究。
3.政府和企业应用：国内政府和企业对系统动力学的应用也
在逐渐增加。
一些地方政府和大型企业利用系统动力学建
立政策或经营模型，进行决策和风险分析。
国外研究现状：
1.学术研究：国外在系统动力学的学术研究方面相对较早，
具有较为丰富的理论基础和应用实践。
国际上一些知名的
学术期刊和研究机构也发布与系统动力学相关的研究成果。
2.应用领域：国外对系统动力学的应用领域更加广泛，包括
管理和组织学、环境管理、公共卫生、社会政策等。
例如，对于社会政策领域，系统动力学被应用于疾病传播模型、
城市规划和社会服务等方面。
3.软件工具：国外有多种成熟的系统动力学建模软件工具，
例如Vensim、Stella、AnyLogic等，为研究者提供了便捷的建模和分析平台。
总体而言，国内外在系统动力学的研究和应用方面都取得了一定的进展，但相对于其他传统方法，系统动力学在国内的研究和应用还相对较少，有待进一步加强学术研究和推广应用。
系统动力学方法原理、特点与进展
系统动力学方法原理、特点与进展一、本文概述本文旨在全面探讨系统动力学方法的原理、特点及其最新的发展进展。
系统动力学，作为一种跨学科的研究方法，旨在理解并模拟复杂系统的动态行为。
该方法强调系统内各组成部分之间的相互作用，并寻求通过反馈回路和存量流量的分析，揭示系统内部结构和行为模式之间的深层次关系。
本文首先概述了系统动力学的基本原理和核心概念，包括反馈回路、存量与流量、系统边界等。
接着，文章详细分析了系统动力学方法的主要特点，如强调系统整体性、注重动态分析、适用于长期和短期预测等。
本文还将对系统动力学在不同领域的应用案例进行梳理，以展现其广泛的应用前景。
文章将重点介绍系统动力学方法的最新研究进展，包括模型构建技术的创新、与其他方法的融合以及在实际问题中的应用成果。
通过对系统动力学方法的深入剖析和展望，本文旨在为相关领域的研究者和实践者提供有价值的参考和启示。
二、系统动力学的基本原理系统动力学是一门研究系统动态行为的学科，它深入探索了系统内部结构与行为之间的关系，以及系统如何通过反馈机制进行自我调节。
其基本原理主要包括以下几个方面：系统观：系统动力学认为，任何一个系统都是由多个相互关联、相互作用的要素构成的。
这些要素之间通过物质、能量和信息的流动与交换，共同维持系统的动态平衡。
因此，研究和分析系统时，必须从整体和全局的角度出发，把握系统的整体性和关联性。
反馈机制：反馈是系统动力学中的一个核心概念。
它指的是系统内部要素之间相互作用的结果，通过一定的路径返回到系统内部，对系统的行为产生影响。
反馈机制可以分为正反馈和负反馈两种类型。
正反馈会加剧系统的变化，使系统远离平衡态；而负反馈则会抑制系统的变化，使系统趋于稳定。
结构决定行为：系统动力学认为，系统的行为是由其内部结构决定的。
因此，通过改变系统的结构，可以有效地调整系统的行为。
这为我们提供了通过调整系统内部要素之间的关系和连接方式，来优化系统行为的可能性。
系统动力学方法在经济学中的应用
系统动力学方法在经济学中的应用经济学是研究人类社会进行生产、分配、交换和消费等活动的科学，而随着社会和经济的发展，对于经济学的研究也日益深入。
在现代经济学领域，系统动力学方法逐渐流行开来，成为了经济学研究中的重要工具之一。
那么，在经济学中，系统动力学方法有着怎样的应用呢？一、系统动力学方法简介系统动力学是一种科学的方法论，它旨在研究系统间的相互作用及其演变过程，以及系统在外界干扰下的复杂行为。
系统动力学的基本概念包括：系统、环路、强制、反馈等。
它的研究对象往往是一个具有互动关系的多元组成部分系统，这些组成部分之间相互影响、相互调节，眼前的问题与问题之间可能存在着密切联系，这使得它的分析与建模具有一定的难度。
二、1、宏观经济模型现代经济是一个精密的、巨大的、复杂的系统，这就需要一种能够系统地分析和预测其内部相互关系和发展趋势的模拟方法。
而系统动力学方法恰恰能够满足这个需求，它可以用来建立宏观经济模型，预测经济增长、通胀等宏观经济现象。
这一领域的经典模型包括剩余产出模型、价格-就业关系模型、货币-帐户关系模型等。
2、公司战略优化对于企业来说，如何制定有效的战略，进而在市场中获得更大的市场份额，稳定获利，是每个企业都必须面对的问题。
系统动力学方法可以用于企业战略制定，通过建立企业模型，研究其内在的发展机制，找出优化方案。
相比传统方法，系统动力学能够在模型中引入复杂的反馈关系，从而逐步完善和提高企业战略的可行性和有效性。
3、生态经济模型生态经济和环境经济是当前社会治理的重要领域。
而系统动力学方法在这一领域的应用，主要是建立生态经济模型，研究大气、水、土壤等环境因素与经济系统之间的相互作用。
这有助于找到环境与经济系统的平衡状态，推动可持续发展。
三、系统动力学方法的不足之处虽然系统动力学方法在经济学研究中具有较强的应用性，但其也存在一些不足之处。
其中最大的问题就在于缺乏数据的支持。
因为系统动力学的研究对象往往是比较复杂的系统，需要很多长时间序列的数据来支持模型，而在很多情况下，我们难以获取到所需的数据。
动力学模型在社会科学领域的应用研究
动力学模型在社会科学领域的应用研究概述动力学模型是一种用于描述系统随时间变化的数学模型。
在社会科学领域，动力学模型被广泛应用于研究社会系统、经济系统和人类行为等方面。
本文将就动力学模型在社会科学领域的应用进行探讨，从网络传播、政治学、经济学和社会行为学等方面分析其应用现状和发展趋势。
一、动力学模型在网络传播中的应用随着社交媒体的兴起，信息传播变得更加快速和广泛。
动力学模型在网络传播中的应用可以帮助我们理解信息的传播过程和规律。
例如，研究者可以利用动力学模型对社交网络中的信息传播进行建模，通过模拟不同的传播策略来预测信息在网络中的传播效果。
此外，动力学模型还可以用于分析网络中的信息瘟疫传播，从而为疫情防控提供决策支持。
二、动力学模型在政治学中的应用动力学模型在政治学中的应用主要集中在选举模拟、政策制定和决策分析等方面。
通过动力学模型，研究者可以模拟不同政治环境下选民的投票行为，从而预测选举结果和政策变化。
此外，动力学模型还可以用于分析政策制定的影响因素和政策的演化过程，帮助政策制定者更好地理解政策决策的动力学机制。
三、动力学模型在经济学中的应用动力学模型在经济学中的应用非常广泛，涉及到经济增长、消费行为、市场竞争和金融市场等方面。
例如，通过构建经济增长模型，研究者可以模拟经济增长的影响因素和动力机制，为经济政策制定提供科学依据。
另外，动力学模型还可以用于分析消费者的购买决策和市场竞争的演化，帮助企业制定更有效的市场策略。
此外，动力学模型在金融市场中的应用也非常重要，可以帮助投资者预测市场走势和风险。
四、动力学模型在社会行为学中的应用动力学模型在社会行为学中的应用涉及到社会网络、人类行为和群体行为等方面。
例如，通过动力学模型，研究者可以模拟社会网络中的人际关系和信息传播过程，帮助我们理解社会网络的形成和演化。
此外，动力学模型还可以用于分析人类行为的决策过程和演化机制，为社会行为的研究提供新的视角。
另外，动力学模型在群体行为中的应用也非常重要，可以帮助我们理解群体行为的动力学机制和演化规律。
系统动力学在流域水环境整治规划中的应用
或 者 说 是 重视 技 术 忽 视 管理 的倾 向。 因此 有 必 要 应 用 综合 性 高 、 操 作 性 强 的 方 法和 模 型 来解 决 这 些 问题 。针 对 传 统静 态分 析 中 ． 机 械 的 并 过 分 依 赖 于 数 据 且 很 难 联 系 研 究 环境 等 问题 ．决 定 采用 系 统 动 力学 Ｓ Ｄ （ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｄ ｙ －
ｎ ａｍｉ ｃ ｓ ） 模 型 系 统 的 角 度 考 虑 一 个 动 态 的 复杂 系统 的经 济 —— 环 境 耦 合 关 系 ．来 反 映 复 杂 系统 结 构 功能 与动 态 行 为 之 间 的相 互
规 划 设 计
系统 动 力学在流 域水 环境 整 治规 划 中的应 用
口 中国环境科学研究院环境技术工程有限公司 朱建超 孟繁华 王 月
■函疆
本研究基于系统动力学反馈控制理论与仿真技术，将其应用于流域水环境整治规划， 构建 区 域经济——环境耦
合 发 展 模 型 ，结 合 研 究 区域 近 年 来 经 济 统 计 数 据 、 环 境 污 染 统 计 数 据 对 模 型 参 数 率 定 以 及 模 型 验 证 。 结 果 表 明 ： 系 统 动 力 学应 用 于 流 域 环 境 整 治 规 划 可 有 效 为 规 划 的 规 模 、 结 构 、 布 局 等 全 局 性 优 化 调 整 提 供 科 学 决 策和 数 据 支 撑 。
环 境 容量 变化 发展 进 行 模 拟预 测 。参考 同类 型研 究 与 本研 究 区域
特 点 ．ＳＤ系 统分 为城镇 生 活 子系 统 、工业 生 产 子系 统 、农 业生 产
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２０ ０ ８年 第 ３期
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科
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系统 动 力 学 在 中 国 环 境 科 学 领 域 的 应 用 研 究 进 展
崔 亚伟
（ 西南林学 院环境科学与工程系 ，云南 昆 明 ６０ ２ ） ５ ２４
摘
要
系统动 力学作 为研 究信 息反 馈 系统 的 学科 ， 由于擅 长 处理 高阶 次、 非线 性 、 多重反 馈
的复杂 时变 系统 而受 到重视 。 应 用 系统动 力学 原理 对复 杂的 生 态 环境 系统 进行 建模 分析 ，可 为 发展 规 划决策提供 科 学依 据 。 文 中主要 介 绍 了 系统 动 力 学的概 念 、基 本理 论 及其 在 中 国环境 科
学领域 中的应 用研 究进 展 。 关 键词 系统动 力 学 环境 科 学 研 究进展
因，明确 目的。主要包括以下内容 ：调查收集有关 系统 的情 况 与统计 数据 ；了解 用户 提 出的要 求 、 目 的 ，明确 所要 解决 的问题 ；分 析 系统 的基本 问 题 与 主要 问题 、基本 矛盾与 主要 矛盾 、基本 变量 与 主要 变 量 ；初 步确 定 系统 的界 限 ，并 确 定 内生 变量 、外 生 变量 、输 人量 ；确定 系统行 为 的参考 模式 。 （ ）系统 的结构分 析 这 一步 主要 任务 在 于处 ２ 理 系统信 息 ，分析 系统 的反馈机 制 。 主要包 括分 析 系统 总体 与局 部 的反馈机 制 ；划 分 系统 的层 次 与子 块 ；分 析 系 统 的变 量 及 变 量 间 的关 系 ，定 义 变 量 （ 括常 数 ） 包 ，确 定 变量 的 种类 及 主 要 变量 ；确 定 回路 及 回路 间的反 馈耦合 关系 ；初步 确定 系 统 的主 回路 及其 性 质 ；分 析 主 回路 随 时 间转 移 的可 能 性 。 （ 可用 因果关联 图或 混合 图定性 地表 示 ）
“ 城市 的兴衰 、世 界 的发展 、环境 与 生 态 的变化 ” ，
小 到 “ 个 公 司 的 管 理 模 式 、一 种 产 品 的 开 发 ” 一 等等 ，给 出了人 们认 为 比较 合理 的解 释 ，所 以 ，系 问题 的第 一 步 ，其 主要 任务动力学解 决 问题 的步骤大 体可 分 为五 步 ： （ ）系统分 析 系统分 析是用 系统 动力 学 解决 １
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４ ・ ４
维普资讯
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（ ）模 型模 拟 及 有效 性 检 验 以系统 动 力学 模 式 可使农 林 牧 协 调 持 续 发展 ，土 壤 侵 蚀 量 减 少 ４ 的理论 为指导 进行模 型模拟 与政策 分析 ，更深 入地 ７ ． ％ ，生 态环境走 向 良性循 环 。 ６１
（ ）构造 规范 模 型 ３ 画出 流程 图 ；建 立 ｕ Ｃ
和信 息反馈 机 制 ，进 而 模 拟 与 分 析 系 统 的动 态 行 诸变 量方 程并 给变 量赋初 值 ；确 定 与估计 参 数 。
收稿 日期 ：２ ０ ０ ７—０ ２ ６— ９ 作者简介 ：崔亚伟， ，９７年生 ， 女 １７ 河北 石家庄人 ， 硕士 ， 讲师 ， 从事环境科学与工程教学研究．Ｅ—ｍａ ：ｓｎ ｙｈｎｎ ６ ｏ ｕ ｔｍ ｉ ｕ ｎｓｉｉ ０ ＠ｓｈ ． ｏ ｌ
统动力学赢得 了政界 、企业界、学术 界的高度评 价 。 目前 ，在宏 观经 济 、微 观 经 济 、社 会 与 人 口、 生 态与 环境 、科 技与教 育 、 医学 、生 物学及 工 程技 术 等领域 都有许 多研究 成果 。
１ 系统 动 力 学 的 研 究 方 法 及 其 解 决 问题 的 主要步骤 】
剖析 系统 ；修 改模型 ，包括结 构 与参数 的修 改。
系统 动力学 以系统 为研 究对象 ，以唯物 辩证 观 为指导 ，运用 系统概念 和 系统思路 把所 研究 的系统 问题构造 成系统 动力学 模 型 ，借 助 于计 算机 模拟 技
术 进行定 量研究 。 系统 动力学模 型 模 拟是 一种 结 构 一功 能 模 拟 。
它一 反 过 去 常 用 的功 能模 拟 （ 称 黑 箱 模 拟 ） ， 也 法 从系统的微观结构人手建模 ，构造 系统的基本结构
杨春伟等哺1针对塔里木河流域水资源调配的平衡性和合理性难题根据塔里木河水资源特征和供水的基本特征结合系统动力学原理建立了一个水资源调配sd模型对塔里木河进行了仿真模拟和研究并提出了水调配方案为国家实施塔里木河生态环境建设工程提供了科学依人们逐渐认识到要从根本上解决环境问题必须着眼于协调环境与经济的关系从环境一经济系统的高度着手运用系统的方法从整体上进行定性分析和定量研究
０ 引 言
为 。这 种 模型模 拟 可 以分析 研究信 息反 馈结 构 、功 能与行 为 之间 动态 的辩证对 立统一 关 系 。因此 ，系
系统动力学 是一 门分 析研究 信 息反馈 系统 的学 统 动力 学是 一种从 结 构机制 上认识 与理 解动 态 系统 科 ，也 是一 门认 识系 统问题 和解 决 系统 问题 的交叉 的科 学思维 方 法 。它是一种 定性 与定量 结合 、系统 的综合 的新学科 。它是 系统 科学 和 管理科 学 中的一 分 析 、综合 与推 理 的方法 。它是定 性分 析 与定 量分 个分支 ，也是 一门沟通 自然 科学 和社 会科 学等 领域 析 的统 一 ，以定 性 分 析 为先 导 ，定 量 分 析 为 支 持 ， 的横 向学 科 。美 国 麻 省 理 工 学 院 的 Ｆｒｓ ｒ ｏｅｔ ｗ 两者相 辅相 成 ，多次 反复循 环 ，逐 步深 化 ，螺旋 上 ｅＪ 教授 于 １５ ９６年创 立 了系 统 动 力 学 ，现 在 已形 成 了 升解决 问题 的方 法 。实践证 明 ，系统动 力学 对 于处 自己的学 科 体 系 Ｊ 。它 擅 长 处 理 “ 杂 的时 变 系 理高阶次、非线性 、多重反馈的复杂时变系统是得 复 统” ，并 且 对 于 许 多 人 们 关 注 的 问 题 ， 比 如 大 到 心应手 的 。