系统动力学基本概念、构模原理

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系统的界限：指该系统的范围,它规定了形成某特定动态 行为所应包含的最小数量的单元.
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系统的基本结构
系统的基本结构是一阶反馈回路。
状态 速率
速率
状态
信息
信息
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子系统的描述
子系统由基本单元、一阶反馈回路组成。一阶反馈回 路包含三种基本的变量：状态变量、速率变量和辅助变量 。这三种变量可分别由状态方程、速率方程和辅助方程表 示。它们与其它一些变量方程、数学函数、逻辑函数、延
迟函数和常数一起能描述客观世界的各类系统。
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1.1系统动力学的基本概念
1.1.4系统动力学的基本观点
系统的主要特性 社会、经济、生态系统都是开放系统，但在一定条件下，可以把某些系 统近似的简化成为封闭系统加以研究； 复杂系统是一类具有多变量、高阶次、多回路和强非线性的反馈系统； 系统具有整体性和层次性； 系统的相似性； 相关性观点 系统的结构与功能 系统的内部结构与其行为 主导与非主导动态结构 系统的历史性与系统的进化规律
+
1.2 系统动力学构模的基本原理
负因果回路：自身具有抑制变量变化和进行调节能力的 闭合回路。
A B
A
-
B
C
+
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1.2 系统动力学构模的基本原理
判断正负因果关系回路的规则 在判定某一回路的正负时，假定回路外影响回路的所 有因素不变。 在因果关系回路中，负因果链的总数为偶数时，此回 因果路为正因果关系回路；负因果链的总数为奇数时，此
第二次挑战
Forrester建立美国全国模型,历时11年，完成了方程数达4000的美 国系统动力学国家模型，解开了经济发展中长期存在的问题，尤其揭示 了经济长波的奥秘。 SD在项目管理领域的新进展，Cooper用SD模型定量分析研究了一项 大型军事造船工程中成本超支的原因。
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1.1系统动力学的基本概念
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1.1系统动力学的基本概念
1.1.2 系统动力学的产生与发展 第一阶段：产生（20世纪50-60年代） 第二次世界大战以后，工业化进程的加快，某些国家的社 会问题日趋严重，如城市人口剧增、失业、环境污染、资源 枯竭，这些问题具有系统性、矛盾性和动态性等特点。 管理走向科学化和定量化，模型成为人们认识管理系统的 重要工具。但是，模型和定量研究在应用过程中碰到了不少 问题。 1）如何描述现实系统、对现实系统模型化并引入政策因素。 2）管理科学与实际管理所关注的系统特性和达成的目标不 尽相同。 3）如何描述复杂系统的行为机理，培养系统思考的思维方 式，提炼和整理产生复杂行为的简单结构。
一种定性描述系统中变量之间因果关系的图示模 型，即用图的形式描述系统变量之间相互影响和相互 作用的关系。 因果链
A
正因果链
B
A
+
B
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1.2 系统动力学构模的基本原理
负因果链
A
-
B
因果回路：由两个或两个以上的因果链组成的闭合回路。 正因果回路：自身具有加强其变化效果能力的闭合回路。
+
A B
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建立模型
模型模拟 模型评估 政策分析与模型使用
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1.2 系统动力学构模的基本原理
1.2.5 系统动力学常用的图形表示法
系统结构框图
因果关系图
流图
混合图
速率－状态变量关系图
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1.2 系统动力学构模的基本原理
系统结构框图
用方块或圆圈简明地代表系统的主要子块并描述它们之间物质与 信息流的交换关系。
国 家 能 源 框 图
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1.2 系统动力学构模的基本原理
全国社会经济发展框图
交通运输子块 能源子块 污染子块
生产资料生产 子块
资本积累 子块
国民收入与 分配子块
消费资料生产 子块
农业生产 能力子块
非农业生产 能力子块
教育子块
人口子块
科技子块
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1.2 系统动力学构模的基本原理
因果关系图
第三阶段：广泛应用与传播（20世纪90年代至今） 系统动力学所涉及到的研究领域：
项目管理 物流与供应链 宏观经济 公司战略 管理复杂性与复杂性科学
研究的主要问题：
对信息的利用问题 模型简化、分割与复杂系统的建模技巧问题 SD模型中的优化问题
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1.1系统动力学的基本概念
1.1.3 几个基本概念 系统
1.1 系统动力学的基本概念
1.1.1 什么是系统动力学 系统动力学(System Dynamics，SD)是一门分 析研究信息反馈系统的学科，也是一门认识系统问 题和解决系统问题交叉的综合性的新学科。 系统科学：系统动力学理论强调系统的、整体 的、联系的、发展的、运动的观点。 管理学：系统动力学模型描述决策者的思考过 程与决策过程，模仿决策的基本构造及系统在不同 决策下的行为。
反馈系统
反馈：信息的传输与回授。 反馈系统：包含有反馈环节与其作用的系统。 反馈回路：由一系列因果与相互作用链组成的闭合回路 或者说由信息与动作组成的闭合路径。
发货
室温
库存
DIAGRAM 冷却器 - + 加热器
温度继电器
期望室温
货物到达 订货
期望库存
生产
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反馈系统分类
正反馈系统：正反馈起主导作用的系统。正反馈能产 生自身运动的加强过程，此过程中运动或动作所引起的后 果将回授，使原来的趋势加强。
工资
+
工资要求 物价所受压力
每年出生人口
总人口
+
物价
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负反馈系统：负反馈起主导作用的系统。负反馈能自 动寻求给定的目标，未达到（或者未趋近）目标时将不 断作出响应。
钟摆位置 平衡位置
实际温度
期望温度
速度
力
BLOCK DIAGRAM
动量
温度设置
人的适宜温度
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系统结构
系统结构：组成系统的各个要素之间相互作用与相互依 赖关系的秩序。 基于系统的整体性与层次性，系统的结构一般存在下 述体系与层次： ①确定系统S范围的界限； ②子系统或子结构Si（i=1，2，„，p）； ③系统的基本单元，反馈回路结构 Ej（j=1， 2，„ ）； ④反馈回路的组成与从属成分：反馈回路的主要变量， 状态变量；反馈回路的另一主要变量，变化率(速率)
出版社
3.系统思考，丹尼斯·舍伍德著，2007，机械工业出
版社
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课 程 大 纲
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第1部分 系统动力学的基本概念及构模原理
第2部分 一阶、二阶系统及系统的震荡与延迟
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第3部分 模型与方程的建立与应用
第4部分 系统动力学软件应用
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第5部分 案例讲解与讨论
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1.系统动力学的基本概念及构模原理
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1.2 系统动力学构模的基本原理
1.2.2 建模的主要目的与系统界限 建模的主要目的
系统动力学建模的目的在于研究系统的问题，加深对 系统内部反馈结构与其动态行为关系的研究与认识，并进 行改善系统行为的研究，对社会经济系统而言，这方面的 工作称之为政策研究。从系统动力学的应用重点看，以社
银行利率
投资者兴趣
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1.2 系统动力学构模的基本原理
因果关系图应用实例
模拟与模型
反馈系统
系统的结构
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1.1系统动力学的基本概念
系统 定义
一个由相互区别、相互作用的诸元素 有机的联结在一起，而具有某种功能 的集合体。
组成
一个系统应该物质、信息和运动三部 分。
种类
天然系统、人工系统、社会系统、工 程系统、经济系统、政治系统、生理 系统
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1.1系统动力学的基本概念
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1.2 系统动力学构模的基本原理
1.2.1构模基本原理
构思模型最基本的依据就是系统动力学对系统、系统特 性的一系列观点。 一个“明确”三个“面向”：即明确目的，面向问题、 面向过程和面向应用。 根据系统特性，在建模的构思、模拟与测试的全过程 中，正确的使用分解与综合的原理。一方面要从整体的观点 研究系统，另一方面将系统分解为不同等级层次的子系统进 行研究。 模型是模拟分析实际系统的“实验室”。 检验模型的一致性、有效性的最终标准是客观的实践。
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1.1系统动力学的基本概念
20世纪50年代，美国麻省理工学院 斯隆管理学院的福雷斯特教授推出了系 统动力学，受到广泛欢迎，并被应用于
解决各种复杂的系统性问题。
J.W.Forrester教授自50年代中期开创系统动 力学以来，在一系列社会经济系统问题的研究中取 得了令人瞩目的创造性成果。
1.2.3 问题的确定与模型构思 构思模型的三条原则
明确建模目的；
集中于问题和矛盾，而不是整个系统；
系统动力学仅处理那些随时间变化和源自反馈结构的问题。
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1.2 系统动力学构模的基本原理


动态的定义问题
从系统动力学的观点看，任何问题最好以随时间变化的变量图表示。 考虑重要变量的动态行为
模拟分析了以周为单位的股价动态行为特性。
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1.1系统动力学的基本概念
第二阶段：壮大与成熟（20世纪70-80年代）
第一次挑战
1970年，罗马俱乐部成立由Meadows教授为首的国际研究小组，承担 世界模型的研究任务。 研究成果：《世界动力学》《增长的极限》《趋向全球的均衡》。 基本观点：指数式增长的势头不能再持续下去，世界的发展将过渡 到某种均衡发展的模式，从长远观点看，当代不发达国家按西方先进国 家的模式所进行的工业化努力未必是明智的。
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J.W.Forrester等在系统动力学方面的主要成果
1958年 发表著名论文《工业动力学——决策的一个重要突 破口》 1961年 出版《工业动力学》(Industrial Dynamics) 1968年 出版《系统原理》(Principles of Systems) 1969年 出版《城市动力学》(Urban Dynamics) 1971年 出版《世界动力学》(World Dynamics)
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1.2 系统动力学构模的基本原理
确定时间坐标
参考模式；（随时间变化的变量图形为行为参考模式） 借助图形思考。
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1.2 系统动力学构模的基本原理
1.2.4 系统动力学解决问题的基本步骤
任务调研 问题定义 划定界限 反馈结构分析 变量定义 建立方程
系统分析 结构分析
修改模型
1972年 学生梅多斯教授等出版《增长的极限》(The
Limits to Growth)
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初期应用
工业制造业部门的管理问题：生产、分配、销售整个系统 的一体化管理 项目管理：R﹠D系统动力学 管理控制、财务、金融：日本明治大学教授Toshiro
Shimada 发表于1968年的《周股价的系统动力学模型》，
模拟与模型
模拟：对真实客观事物内在结构及其运动、发展的动态 行为的模仿。 模型：对现实问题某些剖面的代表和简化描述，它突出
本质的描述其内在结构、关系与规律。
好的模型不仅仅在于如何建立一个模仿的最像的系统， 而是在于正确处理现实系统、模型和研究者三者之间的关系。
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1.1系统动力学的基本概念
常见的系统举例
大的如： 天体运行系统；全世界社会-经济-生态系统 ；可持续发展系统；我国宏观经济发展系统（涉及能源、 人口、教育、交通、环境、经贸、文化、等）。
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1.1系统动力学的基本概念
小的如 ： 城市住宅价格系统（市场供给、市场需求、 土地价值、房产价值、城市人口等）
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1.1系统动力学的基本概念
会经济系统来说，我们将强调政策分析与政策改进。
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1.2 系统动力学构模的基本原理
系统界限
按照系统动力学的观点，正确的划出系统界限的一条 准则是把系统中的反馈回路考虑成闭合的回路，力图把那 些与建模目的关系密切、重要的量都划入边界，界限应是 封闭的。
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1.2 系统动力学构模的基本原理
回路为负因果关系回路。
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1.2 系统动力学构模的基本原理
举例：城市移民系统
劳动力需求
产业扩张
城市人口
就业机会
城市移民
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1.2 系统动力学构模的基本原理
因果互变的系统观 对于一个动态的复杂系统而言，因果关系并非 总是单方向的。
出生率
总人口
许多情况下，何时为因，何时为果不难判断， 取决于那种因素是主动地，那种因素是被动的。
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系
统
动
力
学
课程总体介绍
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Hale Waihona Puke Baidu 教
材
系统动力学，王其藩著，上海财经大学出版社，2009年 社会系统动力学，李旭著，复旦大学出版社，2009年 LOGO
参 考 资 料
1.第五项修炼-学习型组织的艺术与实践，彼得·圣 吉（Peter.M.Senge )著，2012，中信出版社
2.增长的极限，德内拉·梅多斯著，2006，机械工业