第五章系统动力学方法
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A AUX.K=g ( A.K, L.K, R.JK,C, …)
1、没有统一的标准格式。 2、时间标识总是K。
3、可由现在时刻的其他变量(A,L,R等)求出。
4、有时需用T方程进一步说明A方程
4. 赋初值方程
N N LEVEL=…… 或 C LEVEL=10 L0=……
5. 常量方程:
C CON = …….
在上述各种方程中:L方程是积累(或差分)方程;R、A方程 通常是代数运算方程;C、N、T为模型运行提供参数值,在一 次模拟运算中保持不变(C、T)
二、几种典型的反馈回路及其仿真计算: 1.一阶正反馈回路(简单人口关系)
1)结构模型 + PR1 人口数 (+) 量(P) + C1(人口年自然增长率,0.02) 简单人口系统因果关系图 简单人口系统流程图 年人口增 加(PR1) P 100
信息是决策的基础,通过信息流形成反馈回路是构造 SD模型的重要环节。
基本思想
• 系统动力学的基本思想是充分认识 系统中的反馈和延迟,并按一定的规则 从因果关系图逐步的建立系统动力学流 式图的结构模式。
二、 因果关系图和流程图
1.因果关系图 因果箭:连接因果要素的有向线段。箭尾始于 原因,箭头终于结果。因果关系有正负极之分。正 (+)为加强,负(—)为减弱。 因果链:因果关系具有传递性。在同一链中, 若含有奇数条极性为负的因果箭,则整条因果链是 负的因果链,否则,该条因果链为极性正。 因果反馈回路:原因和结果的相互作用形成因 果关系回路(因果反馈回路)。是一种封闭的、首 位相接的因果链,其极性判别如因果链。
DELAY3—— 三阶指数物质延迟 SMOOTH—— 对信息流进行一阶平滑(一阶信息延迟) DLINF3—— 三阶信息延迟 A,L或R 平滑时间
D E L A 输入率 Y 1,3
A,L或R 延迟时间
输出率
SMOOTH
平滑 变量
DLINF3
延迟 变量
源自文库延迟时间
系统动力学流图
系统动力学流图
控制作用
由信息 确定如 何控制
决策 决策函数 速率变量
信息
行动
信息 水准变量 (系统状态)
系统状态
图 1
图2
可以归纳出SD的四个基本要素、两个基本变量和一个基 本核心思想。
四个基本要素——状态或水准、信息、决策或速路、 行动或实物流
两个基本变量——水准变量、速率变量
一个基本思想——反馈控制
说明:信息流源于对象系统的内部,实物流源于系统外部;
系统动力学方法 (Systems Dynamics)
系统动力学方法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
系统动力学的发展以及特点 系统动力学结构模型化原理 基本反馈回路的DYNAMO仿真分析 DYNAMO函数 应用举例
第一节 系统动力学的发展及特点
1.简 介
系统动力学(Systems Dynamics,SD)是美国麻省
DT J 过去 K 现在 DT L 将来 时间
SD使用逐步(Step by Step)仿真的方法,仿真的时间步长记为DT。 DT一般取值为0.1~0.5倍的模型最小时间常数。
SD中的基本DYNAMO方程主要有:
1.水准方程:计算水准变量的方程。
L LEVEL.K=LEVEL.J+DT*(RIN.JK-ROUT.JK)
热量积累
热风调节
室温增加
室温
延迟+反馈
• 把这个因果关系图转换成流图。室温是一个存量,室温增加 是对应的速率,它们用实物流相连。热风调节使热量积累, 所以热量积累是一个存量,热风调节是使其增加的对应速率, 它们也用实物流相连。热量积累使室温增加,这是存量对速 率的影响,它是一个信息链,用温升时间常数辅助表示这个 关系。
_
室
温
热风调节
正反馈
• 相反,正反馈环总是加大环内的偏差或扰动,它具有不平 衡、不断增长的特性。例如在人口系统中,人口数增加了, 每年所出生的人就增加,这就使人口数按指数规律很快的 增长下去。这样,从“人口数”到“每年出生的人”又返 回到“人口数”之间就存在一个正反馈。增强而不是抵消 环中某个元素的变化是所有正反馈环的共同特征。
•
负反馈
• 室温高,则热风量应减小,可在室温对热风调节影响的箭 头上加一个负号。反之,热风量大,则室温增加,可在热 风调节对室温影响的箭头上加一个正号。从整体上看,室 温影响热风量,热风量又影响了室温。从室温回到了室温, 这就是一个反馈关系。另一方面,这些互相影响是相互制 约的。因为温度高,则热风量减小,使室温降低。反之, 室温低,则增大热风量,使室温升高。这种关系称为负反 馈。图中用一个带负号的环来表示,这个环称为负反馈环, 此处,负反馈环的目的是使室温接近恒定的温度。
SD结构模型建模举例
——商店库存问题
1、商店库存问题的对象系统界定
订货 销售 商店 产品 工厂
2、商店库存问题的因果关系图及变量类型
R1
+ 商店 销售
R3
商店 订货
+ (—) +
L2
L1
A1
工厂未 供订货
+ (—) +
预定 产量 + 生产 能力
- 商店 库存
-
工厂 生产
-
R2
A2
3、商店库存问题的流程图
反馈
• “反馈”是指信息的传送和返回。“反馈” 一词的重点是在“返回”上。
反馈的概念是普遍存在的。以取暖系统产生 热量温暖房间为例,屋内一个和它相连的探测器 将室温的信息返回给取暖系统,以此来控制系统 的开关,因此也控制了屋内的温度。室温探测器 是反馈装置,它和炉子、管道、抽风机一起组成 了一个反馈系统。
+
每年出 生人口
+
人口
+ 利息 银行 (+) 货币 (元/年) + 期望库存 —
库存量 (—) 库存差 +
+
利率
订货
读者意见
—
+ (—) 有效的 读者意见 偏见 +
对服务质量 的重视程度
延迟
• 系统动力学的另一个基本点是延迟。延迟也是普遍存在的, 物理学认为“在宏观的自然界中不存在突变”。一般来说, 原因并非立即就能产生结果,往往某个原因经过了一段时 间才能作用产生了效果。比如在调节室温的过程中,空调 机马力加大以后,室温不会马上就上升。要经过一定的热 传导的过程,热量不断积累,才会使室温上升。
70年代以来,SD经历两次严峻的挑战并走向世界, 进入蓬勃发展时期。 第一次挑战(70年代初到70年代中):SD与罗马 俱乐部一起闻名于世,走向世界,主要标志为两个世界 模型的研制与分析。 第二次挑战(70年代初到80年代中):对美国全国 SD模型的研制和对美国与整个西方国家经济长波问题 的研究。 近年来,SD正在称为一种新的系统工程方法论和重 要的模型方法,渗透到许多领域,尤其在国土规划、区 域开发、环境治理和企业战略研究等方面。
R1 L1 D1 Y D3 S1 S2 A2 A1 D2 D1—期望的完成未供订货时间 D2—调整生产时间 R2 D3—商店订货平滑化时间 S1—平均销售量 S2—库存差额 R3 L2 Y—期望库存
第三节
基本反馈回路的DYNAMO的仿真分析
一、基本DYNAMO方程
DYNAMO(Dynamic Models)是采用差分方程式描述有反 馈回路的社会系统 的宏观动态行为,并通过对差分及代数方程式 的求解进行计算机仿真的专用语言。其最大特点是简单明了,容 易使用 SD的对象系统是随时间变化的动态系统,在DYNAMO方程中 变量一般带有时间标号。规定如下图所示:
流;
实物(物资、设备、资金等)流 信息流
2、水准(Level):系统中子系统的状态,是实物流的积累;
L1
3、速率(Rate):系统中流的活动状态,是流的时间变化; 在SD中,R表示决策函数;
R1
4、参数量(Parameter):系统中的各种常数;
初值
5、辅助变量(Auxiliary Variable):其作用在于简化R,使复杂 的决策函数易于理解;
2. 研究对象
社会(经济)系统
该类系统的特点:
社会系统中存在着决策环节。社户系统的行为总是经 过采集信息,并按照某个政策进行信息加工处理作出决策 后出现的,决策是一个经过多次比较、反复选择、优化的 过程。
社会系统具有自律性。社会系统因其内部固有的“反 馈机构”而具有自律性。 社会系统的非线性。非线性指社会现象中原因和结果 之间所呈现初的极端非线性关系。如:原因和结果在时间 和空间上的分离性、出现事件的意外性、难以直观性等。
A1
6、源(Source)与洞(Sink):
洞
源
7、源(Source)与洞(Sink):信息的取出常见情况及符号如下 图所示
L1 R1
A1
8、滞后或延迟(Delay):由于信息和物质运动需要一定的时间,
于是就带来愿意和结果、输入和输出、发送和接受等之间的时差, 并有物流和信息流滞后之分。
DELAY1—— 对物流速率进行一阶指数延迟运算(一阶指数物质延迟)
4.
工作程序
认识 问题 界定 系统 要素分析及其 因果关系分析
仿真分析
建立量化 分析模型 (DYNAMO方程)
建立结 构模型 (流图)
比较与评价
政策分析
第二节 系统动力学结构模型化原理
一、基本原理
首先通过对系统的观察,采集有关对象系统状态的信息, 随后使用有关信息进行决策。决策的结果是采取行动。行动由 作用于实际系统,是系统发生变化。这种变化又为观察者提供 性的信息,从而形成系统中的反馈回路见图1所,用SD流图表 示为图2。
2)量化分析模型及仿真计算
L N
P.K=P.J+DT*(PR1.JK-0) P=100 PR1.KL=C1*P.K C1=0.02 P/人
R C
简单人口系统SD仿真计算结果 P PR1
0 1 2
100 102 104.4
2 2.04 2.0808
100 0 简单人口系统输出特性示意图 t
2. 一阶负反馈回路(简单库存关系)
理工学院(MIT)佛雷斯特(J.W.Forrester)教授最早
提出的一种对社会经济问题进行系统分析方法论和定性 与定量相结合的分析方法。 目的在于综合控制论、信息论和决策论的成果,以 计算机为工具,分析研究信息反馈系统的结构和行为。
SD的出现始于20世纪50年代后期,当时,主要应用 于工商企业管理,处理诸如生产与雇员情况的波动、企 业的供销、生产与库存、股票与市场增长的不稳定等问 题,并创立“Industrial Dynamics”(1959)。此后在 整个60年代,动力学思想和方法的应用范围逐渐扩大, 出现了“Principles of Systems”(1968)。总结美国城 市兴衰问题的理论与应用研究成果的“Urban Dynamics”(1969)和著名的“World Dynamics”(1971)。1972年正式提出“Systems Dynamics”。从20世纪50年代末到70年代初的十多年, 是SD成长的重要时期。
2.速率方程:计算速率变量的方程, 是决策函数的具体形式。
R RATE.KL=f( L.K, A.K, C, …) 1、无标准形式(f不定)。 2、速率的值在DT内不变。速率方程是在K时刻进行计算,而 在自K至L的时间间隔(即DT)中假定保持不变。
3.辅助方程:辅助说明速率变量或简化决策函数的方程。
1)、结构模型
1000
I 期望库 存 Y 库存量 — (-) 库存差 D + R1 + I
热量积累
多重反馈回路:社会系统的动态行为是由系统本身 存在着的许多正反馈和负反馈回路决定的,从而形成多 成反馈回路。
+ 出生 人口 平均出生率 (+) + 人口 总量 + (—) — 平均死亡率 死亡 人口
2.流程图
流程图是SD结构模型的基本形式,绘制流程图是 SD建模的核心内容。
1、流(Flow):系统中的活动和行为,通常只区分实物流和信息
3. 模型特点
多变量。由SD动态系统的动态性和复杂性所决定的。 定性分析与定量分析相结合。SD模型由结构模型(流 图)和数学模型(DYNAMO方程)组成。 以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。其实质为 一种计算机仿真分析方法,是实际系统的实验室。 可以处理高阶次、多回路、非线性的事变复杂系统问
题。
从系统 获取信 息
三、SD结构模型的建模步骤
1.明确系统边界,即确定对象系统的范围
2. 阐明形成系统结构的反馈回路,即明确系统内 部活动的因果关系链; 3.确定反馈回路中的水准变量和速率变量。水准 变量是由系统内的活动产生的量,是流的积累形成的, 说明系统某个时点状态的变量,速率变量是控制流的变 量,表示活动进行的状态; 4.阐明速率变量的子结构或完善、形成各个决策 函数,建立其SD结构模型流图。
1、没有统一的标准格式。 2、时间标识总是K。
3、可由现在时刻的其他变量(A,L,R等)求出。
4、有时需用T方程进一步说明A方程
4. 赋初值方程
N N LEVEL=…… 或 C LEVEL=10 L0=……
5. 常量方程:
C CON = …….
在上述各种方程中:L方程是积累(或差分)方程;R、A方程 通常是代数运算方程;C、N、T为模型运行提供参数值,在一 次模拟运算中保持不变(C、T)
二、几种典型的反馈回路及其仿真计算: 1.一阶正反馈回路(简单人口关系)
1)结构模型 + PR1 人口数 (+) 量(P) + C1(人口年自然增长率,0.02) 简单人口系统因果关系图 简单人口系统流程图 年人口增 加(PR1) P 100
信息是决策的基础,通过信息流形成反馈回路是构造 SD模型的重要环节。
基本思想
• 系统动力学的基本思想是充分认识 系统中的反馈和延迟,并按一定的规则 从因果关系图逐步的建立系统动力学流 式图的结构模式。
二、 因果关系图和流程图
1.因果关系图 因果箭:连接因果要素的有向线段。箭尾始于 原因,箭头终于结果。因果关系有正负极之分。正 (+)为加强,负(—)为减弱。 因果链:因果关系具有传递性。在同一链中, 若含有奇数条极性为负的因果箭,则整条因果链是 负的因果链,否则,该条因果链为极性正。 因果反馈回路:原因和结果的相互作用形成因 果关系回路(因果反馈回路)。是一种封闭的、首 位相接的因果链,其极性判别如因果链。
DELAY3—— 三阶指数物质延迟 SMOOTH—— 对信息流进行一阶平滑(一阶信息延迟) DLINF3—— 三阶信息延迟 A,L或R 平滑时间
D E L A 输入率 Y 1,3
A,L或R 延迟时间
输出率
SMOOTH
平滑 变量
DLINF3
延迟 变量
源自文库延迟时间
系统动力学流图
系统动力学流图
控制作用
由信息 确定如 何控制
决策 决策函数 速率变量
信息
行动
信息 水准变量 (系统状态)
系统状态
图 1
图2
可以归纳出SD的四个基本要素、两个基本变量和一个基 本核心思想。
四个基本要素——状态或水准、信息、决策或速路、 行动或实物流
两个基本变量——水准变量、速率变量
一个基本思想——反馈控制
说明:信息流源于对象系统的内部,实物流源于系统外部;
系统动力学方法 (Systems Dynamics)
系统动力学方法
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
系统动力学的发展以及特点 系统动力学结构模型化原理 基本反馈回路的DYNAMO仿真分析 DYNAMO函数 应用举例
第一节 系统动力学的发展及特点
1.简 介
系统动力学(Systems Dynamics,SD)是美国麻省
DT J 过去 K 现在 DT L 将来 时间
SD使用逐步(Step by Step)仿真的方法,仿真的时间步长记为DT。 DT一般取值为0.1~0.5倍的模型最小时间常数。
SD中的基本DYNAMO方程主要有:
1.水准方程:计算水准变量的方程。
L LEVEL.K=LEVEL.J+DT*(RIN.JK-ROUT.JK)
热量积累
热风调节
室温增加
室温
延迟+反馈
• 把这个因果关系图转换成流图。室温是一个存量,室温增加 是对应的速率,它们用实物流相连。热风调节使热量积累, 所以热量积累是一个存量,热风调节是使其增加的对应速率, 它们也用实物流相连。热量积累使室温增加,这是存量对速 率的影响,它是一个信息链,用温升时间常数辅助表示这个 关系。
_
室
温
热风调节
正反馈
• 相反,正反馈环总是加大环内的偏差或扰动,它具有不平 衡、不断增长的特性。例如在人口系统中,人口数增加了, 每年所出生的人就增加,这就使人口数按指数规律很快的 增长下去。这样,从“人口数”到“每年出生的人”又返 回到“人口数”之间就存在一个正反馈。增强而不是抵消 环中某个元素的变化是所有正反馈环的共同特征。
•
负反馈
• 室温高,则热风量应减小,可在室温对热风调节影响的箭 头上加一个负号。反之,热风量大,则室温增加,可在热 风调节对室温影响的箭头上加一个正号。从整体上看,室 温影响热风量,热风量又影响了室温。从室温回到了室温, 这就是一个反馈关系。另一方面,这些互相影响是相互制 约的。因为温度高,则热风量减小,使室温降低。反之, 室温低,则增大热风量,使室温升高。这种关系称为负反 馈。图中用一个带负号的环来表示,这个环称为负反馈环, 此处,负反馈环的目的是使室温接近恒定的温度。
SD结构模型建模举例
——商店库存问题
1、商店库存问题的对象系统界定
订货 销售 商店 产品 工厂
2、商店库存问题的因果关系图及变量类型
R1
+ 商店 销售
R3
商店 订货
+ (—) +
L2
L1
A1
工厂未 供订货
+ (—) +
预定 产量 + 生产 能力
- 商店 库存
-
工厂 生产
-
R2
A2
3、商店库存问题的流程图
反馈
• “反馈”是指信息的传送和返回。“反馈” 一词的重点是在“返回”上。
反馈的概念是普遍存在的。以取暖系统产生 热量温暖房间为例,屋内一个和它相连的探测器 将室温的信息返回给取暖系统,以此来控制系统 的开关,因此也控制了屋内的温度。室温探测器 是反馈装置,它和炉子、管道、抽风机一起组成 了一个反馈系统。
+
每年出 生人口
+
人口
+ 利息 银行 (+) 货币 (元/年) + 期望库存 —
库存量 (—) 库存差 +
+
利率
订货
读者意见
—
+ (—) 有效的 读者意见 偏见 +
对服务质量 的重视程度
延迟
• 系统动力学的另一个基本点是延迟。延迟也是普遍存在的, 物理学认为“在宏观的自然界中不存在突变”。一般来说, 原因并非立即就能产生结果,往往某个原因经过了一段时 间才能作用产生了效果。比如在调节室温的过程中,空调 机马力加大以后,室温不会马上就上升。要经过一定的热 传导的过程,热量不断积累,才会使室温上升。
70年代以来,SD经历两次严峻的挑战并走向世界, 进入蓬勃发展时期。 第一次挑战(70年代初到70年代中):SD与罗马 俱乐部一起闻名于世,走向世界,主要标志为两个世界 模型的研制与分析。 第二次挑战(70年代初到80年代中):对美国全国 SD模型的研制和对美国与整个西方国家经济长波问题 的研究。 近年来,SD正在称为一种新的系统工程方法论和重 要的模型方法,渗透到许多领域,尤其在国土规划、区 域开发、环境治理和企业战略研究等方面。
R1 L1 D1 Y D3 S1 S2 A2 A1 D2 D1—期望的完成未供订货时间 D2—调整生产时间 R2 D3—商店订货平滑化时间 S1—平均销售量 S2—库存差额 R3 L2 Y—期望库存
第三节
基本反馈回路的DYNAMO的仿真分析
一、基本DYNAMO方程
DYNAMO(Dynamic Models)是采用差分方程式描述有反 馈回路的社会系统 的宏观动态行为,并通过对差分及代数方程式 的求解进行计算机仿真的专用语言。其最大特点是简单明了,容 易使用 SD的对象系统是随时间变化的动态系统,在DYNAMO方程中 变量一般带有时间标号。规定如下图所示:
流;
实物(物资、设备、资金等)流 信息流
2、水准(Level):系统中子系统的状态,是实物流的积累;
L1
3、速率(Rate):系统中流的活动状态,是流的时间变化; 在SD中,R表示决策函数;
R1
4、参数量(Parameter):系统中的各种常数;
初值
5、辅助变量(Auxiliary Variable):其作用在于简化R,使复杂 的决策函数易于理解;
2. 研究对象
社会(经济)系统
该类系统的特点:
社会系统中存在着决策环节。社户系统的行为总是经 过采集信息,并按照某个政策进行信息加工处理作出决策 后出现的,决策是一个经过多次比较、反复选择、优化的 过程。
社会系统具有自律性。社会系统因其内部固有的“反 馈机构”而具有自律性。 社会系统的非线性。非线性指社会现象中原因和结果 之间所呈现初的极端非线性关系。如:原因和结果在时间 和空间上的分离性、出现事件的意外性、难以直观性等。
A1
6、源(Source)与洞(Sink):
洞
源
7、源(Source)与洞(Sink):信息的取出常见情况及符号如下 图所示
L1 R1
A1
8、滞后或延迟(Delay):由于信息和物质运动需要一定的时间,
于是就带来愿意和结果、输入和输出、发送和接受等之间的时差, 并有物流和信息流滞后之分。
DELAY1—— 对物流速率进行一阶指数延迟运算(一阶指数物质延迟)
4.
工作程序
认识 问题 界定 系统 要素分析及其 因果关系分析
仿真分析
建立量化 分析模型 (DYNAMO方程)
建立结 构模型 (流图)
比较与评价
政策分析
第二节 系统动力学结构模型化原理
一、基本原理
首先通过对系统的观察,采集有关对象系统状态的信息, 随后使用有关信息进行决策。决策的结果是采取行动。行动由 作用于实际系统,是系统发生变化。这种变化又为观察者提供 性的信息,从而形成系统中的反馈回路见图1所,用SD流图表 示为图2。
2)量化分析模型及仿真计算
L N
P.K=P.J+DT*(PR1.JK-0) P=100 PR1.KL=C1*P.K C1=0.02 P/人
R C
简单人口系统SD仿真计算结果 P PR1
0 1 2
100 102 104.4
2 2.04 2.0808
100 0 简单人口系统输出特性示意图 t
2. 一阶负反馈回路(简单库存关系)
理工学院(MIT)佛雷斯特(J.W.Forrester)教授最早
提出的一种对社会经济问题进行系统分析方法论和定性 与定量相结合的分析方法。 目的在于综合控制论、信息论和决策论的成果,以 计算机为工具,分析研究信息反馈系统的结构和行为。
SD的出现始于20世纪50年代后期,当时,主要应用 于工商企业管理,处理诸如生产与雇员情况的波动、企 业的供销、生产与库存、股票与市场增长的不稳定等问 题,并创立“Industrial Dynamics”(1959)。此后在 整个60年代,动力学思想和方法的应用范围逐渐扩大, 出现了“Principles of Systems”(1968)。总结美国城 市兴衰问题的理论与应用研究成果的“Urban Dynamics”(1969)和著名的“World Dynamics”(1971)。1972年正式提出“Systems Dynamics”。从20世纪50年代末到70年代初的十多年, 是SD成长的重要时期。
2.速率方程:计算速率变量的方程, 是决策函数的具体形式。
R RATE.KL=f( L.K, A.K, C, …) 1、无标准形式(f不定)。 2、速率的值在DT内不变。速率方程是在K时刻进行计算,而 在自K至L的时间间隔(即DT)中假定保持不变。
3.辅助方程:辅助说明速率变量或简化决策函数的方程。
1)、结构模型
1000
I 期望库 存 Y 库存量 — (-) 库存差 D + R1 + I
热量积累
多重反馈回路:社会系统的动态行为是由系统本身 存在着的许多正反馈和负反馈回路决定的,从而形成多 成反馈回路。
+ 出生 人口 平均出生率 (+) + 人口 总量 + (—) — 平均死亡率 死亡 人口
2.流程图
流程图是SD结构模型的基本形式,绘制流程图是 SD建模的核心内容。
1、流(Flow):系统中的活动和行为,通常只区分实物流和信息
3. 模型特点
多变量。由SD动态系统的动态性和复杂性所决定的。 定性分析与定量分析相结合。SD模型由结构模型(流 图)和数学模型(DYNAMO方程)组成。 以仿真实验为基本手段和以计算机为工具。其实质为 一种计算机仿真分析方法,是实际系统的实验室。 可以处理高阶次、多回路、非线性的事变复杂系统问
题。
从系统 获取信 息
三、SD结构模型的建模步骤
1.明确系统边界,即确定对象系统的范围
2. 阐明形成系统结构的反馈回路,即明确系统内 部活动的因果关系链; 3.确定反馈回路中的水准变量和速率变量。水准 变量是由系统内的活动产生的量,是流的积累形成的, 说明系统某个时点状态的变量,速率变量是控制流的变 量,表示活动进行的状态; 4.阐明速率变量的子结构或完善、形成各个决策 函数,建立其SD结构模型流图。