系统动力学综述

系统动力学研究现状综述
魏妍1
（1.西安石油大学，工管1003-06）
摘要：这篇文章扼要的回顾了国内外系统动力学的研究和发展主要历程，评述了系统动力学的由来和现今学术研究的状态。

最后指出了我国系统动力学今后的发展任务和方向以及需要完成什么具体工作。

关键词：系统动力学现状研究水平
1.引言
系统动力学作为系统科学的一个分支，已在世界范围内为人们所知晓，系统动力学从20世纪50年代产生到现在已经经历了60多年的历史了，在后期它已经发展成为了一门独立的新学科。

在系统动力学产生之初，它主要应用于工商企业管理，处理诸如生产与雇员情况的变动，企业的供销，生产与库存等问题历经多年的发展之后，应用范围日益扩大，几乎遍及各类系统和各个领域。

近年来SD更是成为一种新的系统工程方法论和重要的模型方法。

几十年来, 每年都召开国际会议, 都促进了系统动力学不断发展。

本文对国内外系统动力学的历史和现状进行了综述, 并指出了未来的努力方向
2.系统动力学简介
2.1系统动力学由来
系统动力学(简称SD—system dynamics)的出现于1956年，创始
人为美国麻省理工学院(MIT)的福瑞斯特(J．W．Forrester)教授。

系统动力学是福瑞斯特教授于1958年最早提出的一种对社会经济问题进行系统分析的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。

最初叫工业动态学。

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的交叉综合学科。

从系统方法论来说：系统动力学是结构的方法、功能的方法和历史的方法的统一。

它基系统论，吸收了控制论、信息论的精髓，是一门综合自然科学，社会科学的横向学科。

2.2 系统动力学的发展
（1）SD出现于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，企业的产销，生产与库存，股票与市场增长的不稳定性等问题，并创立“Industrial Dynamics”。

此后在整个60年代，动力学思想与方法的应用范围日益扩大，其应用几乎遍及各类系统，深入到各个领域。

在此期间出现了众多关于系统动力学的作品。

1958年, Forrester在哈佛商业评论上发表了奠基之作（1）,1961年,Forrester出版了文献（2）, 被公认为系统动力学理论与方法的经典论著。

书中所讨论的原理在系统的分析、决策和预测中具有普遍性和广泛的适用性。

尔后, Forrester 又从宏观层次上研究了的城市兴衰问题, 于1969 年出版了文献（4）,Mass N J 对城市动力学模型进行了扩充。

( 2) 20 世纪70年代以来SD经历了两次严峻的挑战并走向世界，进入蓬勃发展时期，这一时期的标志性成果是系统动力学世界模型与美国国家模型的研究。

从70 年代开始, Forrester, Dennis Meadows 先后建立WORLD II 与WORLD III 模型, 与罗马俱乐部学派研究了世界增长问题, 这一研究引起了广泛关注与持续争论。

主要成就有, WORLD II 模型及以此为基础的《世界动力学》（8）, WORLD III 模型及以此为基础的《增长的极限》（9）和《趋向全球的平衡》（10）;MeadowsDH、MeadowsD L 和Randers J在《增长的极限》的基础上, 通过模型预测出1972年所提出的许多问题已经恶化, 于1992 年出版了文献（11）。

几乎在同一时期, Forester 领导MIT 小组, 在美国企业与政府的资助下开展了国家模型的研究, 建立了4000 多个的方程的美国国家模型。

这些研究揭示了美国与西方国家的经济长波的内在机制, 美国70年代以来的通货膨胀、失业率和实际利率同时增长等问题, 其代表性的人物有Sterman J D, Saeed K,Forrester J W（12--16）。

这些研究使SD 受到了世界范围的关注, 促进它在世界范围内的传播与发展, 确立了在社会经济问题研究中的学科地位。

（3）近年来，SD已经成为一种新的系统工程方法论和重要的模型方法，渗透到各个领域。

目前，SD已经得到广泛应用与传播，其应用范围从公司战略到糖尿病的动态, 从美国和苏联之间冷战时的军备竞赛到艾滋病病毒与人类免疫系统间的斗争, 上至航天飞行器
下到锌工业的各种产业, 以及从艾滋病到福利改革的各种问题等, 都有SD的研究与应用。

其渗透领域，更是许多，包括宏观领域，项目管理，学习型组织领域和物流与供应领域等。

在宏观领域: Naill R F 于1992年用SD分析了国家能源政策计划[ 18], Naill R F 用SD 分析了美国旨在减轻全球气候变暖的能源政策所花费的成本。

在项目管理领域: 早在1980 年Cooper K G 就用SD 模型来分析、量化在一个大型军事造船工程成本超额的原因, 这是SD 在大规模工程管理中最初的运用, 同时也是最成功的应用之一。

1970 年, IngallsShipbuilding of Pascagoula 赢得了为美国海军建造一支拥有30 艘新驱逐舰舰队的大合同, 加上1969 年签订的9 艘LHA, Ingalls获得了世界上最大的两个造船项目, 并开始展望销售前景和高额利润。

但是到了70 年代中期, Ingalls 陷入了困境, 成本超出计划5 亿美元以上。

在海军多次拒绝弥补之后。

Ingalls 求助于SD 来量化因海军的设计更改而导致的损失, 并向海军提起诉讼, 要求取得 5 亿美元损失。

1978 年6月双方庭外和解, Ingalls 得到4. 47 亿美元。

传统的项目管理方法一般都假定项目能够按照项目开始时编制的/ 最优0计划进行, 而忽略了返工的影响, 导致对时间和成本的低估。

但是由于与项目的独特性相关的各种信息是随着项目的展开不断完备的, 因而在实际的项目运作中返工常常不可避免, 其影响也是不可忽视的。

这种影响往往是非线性的, 在传统的网络图中难以表达, 并且
超出了项目管理者脑力所能达到的理解范围。

系统动力学提供了一种自上而下的从战略层面描述项目进展估计项目时间、成本风险的方法。

这种方法把项目视为一个整体, 而不是一系列任务的简单组合, 并能有效的描述项目中的返工等回路和任务间的非线性关系, 有助于项目管理者理解项目过程对项目表现的影响, 从宏观上对项目进行估计和把握。

这方面的典型成果是文献。

学习型组织领域: 90年代初,MIT 的Senge P M 博士在Forrester 对企业设计理念的基础上, 出版了文献, 并于1992 年获得世界企业学会的开拓者奖。

在5第五项修炼6中, Senge 从系统的、整体的角度,运用系统动力学的方法、工具, 对学习型组织的特点和构建方法作了比较全面的论述。

学习型组织的灵魂是系统思考, 以系统思考为核心和共同脑力模型、共同前景、团队学习、个人进取的五项修炼相互融合贯通, 成为建立学习型组织的基本方法。

物流与供应链领域: Forrester 在上世纪60年代对于生产、库存与销售波动问题的研究, 被认为是供应链研究的经典, 即牛鞭效应。

1989 年Sterman 对啤酒分销游戏的结果进行了分析, 为此获得1988年Forrester 奖。

90 年代起研究成果较多, 相应的研究机构有英国Cardiff 大学的物流系统动力学小组、意大利Palermo 大学的CUSA- 系统动力学小组等。

供应链的高效取决于物流与信息流的协调, 系统动力学中的物质流、信息流的概念非常有利于描述供应链问题, 因此在供应链动态模拟分析与诊断, 协调、优化与决策研究中是
一种非常有效的方法。

3.国内系统动力学现状（18）
目前我国SD工作者和研究人员在区域和城市规划、企业研究、产业研究、科技管理、生态环保、海洋经济和国家发展等应用研究领域已取得巨大成绩, 有多项研究成果获国家级和部委级奖项。

在应用领域, 特别是在可持续发展领域,宋世涛、魏一鸣和范英给出了一个较全面的综述。

徐南孙、贾仁安、伍福明对王禾丘能源生态旧系统的主要矛盾进行分析, 阐述针对旧系统主要矛盾设计的新的系统工程, 确定其主导结构及主导结构的流率基本入树序列的过程、方法及结果。

涂国平、贾仁安等基于反馈结构分析理论, 分析吉安市以沼气为纽带的大型沼气工程综合开发利用和以家庭为单位的3 种典型的沼气生态农业模式的运行结构及其效益。

洪佩军、陈思根和张列平应用SD 对企业过程改进的困境进行分析, 指出企业过程改进的成败根源所在和避免过程改进进入困境的基本原则。

王晓昌承担国家自然科学基金重点项目西部干旱缺水地区水资源再生利用研究, 运用SD 原理, 进行水资源再生利用系统相关动态变量分析, 建立动态反馈模拟模型, 通过系统动力学分析预测系统动态趋势。

在理论领域, 反映了我国系统动力学研究的主要研究成果。

从系统基本的因果关系出发, 利用图论的相关理论和方法, 根据基本要素的因果关系研究整个系统的结构、构建系统流
图, 是SD 建模方法研究的重要内容。

应用图论分析方法给出了系统动力学流图的极大出树及反馈回路一种确定方法, 建立了系统动力
学的流率基本入树建模法, 枝向量行列式、矩阵反馈环计算法, 得到了另一种系统动力学规范化建模方法, 这有利于系统动力学规范化建模与反馈分析。

文献提出利用遗传算法来研究系统结构的变化, 即利用遗传算法构造出一些初始解, 模型将不断适应环境的变化, 按照/优胜劣汰, 适者生存的原则, 老模型不断向新模型传递信息, 新模型在生物进化过程中不断发育而成, 实现组织结构的进化。

4.我国系统动力学今后发展任务
4.1今后发展任务
系统动力学的理论与应用研究工作已在国内取得了引人瞩目的成绩，已有成绩应成为我们实现新的进取目标的起点。

基干国内系统动力学发展的现状和我国的国情，指导我国系统动力学未来发展的总方针应该是在继续普及的同时注意提高在继续向国外学习的同时开辟独创与创新的道路。

形成具有中国特色的系统动力学学派，争取在较短的期间内跨进世界的最前列。

（19）
1. 应用研究工作我们应该根据我国的具体国情开展应用研究工作。

工业化的时代将让位于未来的全面信息时代处于新的时代背景对我国的社会经济作历史的分析总结与未来发展的总体研究与规划是十分必要的。

系统动力学是研究解决这一类问题的有力工具，它还可以在许多应用领域中发挥作用。

(1 )关于我国社会、经济的历史、现状和未来的研究从总体上研究
我国全局性，长远性，综合性和战略性的理论与实践问题,并拟定对策与解决方案。

社会战略：人口、就业、家庭、生活水平、住房和教育等的相互关系。

经济战略：第一、二、三产业，资源，生态，人口和消费等的相互关系。

(3 )系统动力学普遍应用于企业的经营管理与决策。

（4）系统动力学在其他领域,诸如生物、医学和工程方面的广泛应用。

2理论研究工作任务
在理论研究方面有许多领域有待于人们去探索与开拓。

(1) 系统动力学的基本理论与方法。

系统动力学的哲学思想与方法论。

系统的结构与功能、行为的关系。

诸如系统振荡的内在机制,非线性系统的非稳定、分岔和混沌问题,涨落、随机因素对系统的影响,噪声对模型运行的影响以及复杂.系统主回路的判别等。

系统的建模与检验。

模型的简化,阶数与降价的问题。

通用结构的基本单元与通用单元,子系统与结构标准化、通用化的拼究,模型参数估计问题。

既简便又有效的新模型
检验方法的探索。

( 2 )动态模拟语言功能的改进与扩展。

汉字化的探索。

模型管理
信息系统的研制。

(3 )探索以系统动力学为基础,借幼模拟技术并汲取优化理论、数量经济及其她方法的髓,形成一种解决非线性复杂系统(特别是社会经济系统)问题更加有效的理论与方法的可能性。

3 培养一支素质好的理论与应用研究队伍为了在国内实现和完成前述目标和任务,其关键在子首先要建成一支素质优秀的理论与应用研究队伍。

唯物的求实精神》释谨的科学作，坚实的理论基础与丰富的实践经验应是系统动力学工作者努力追求的素质。

为了加速国内系统动力学理论与应用研究队伍的成长,
应尽量做好下面几件事。

(1 )促使更多的高等院校为本科生设置系统动力学必修课或选修课,促进更多的高等院校与科研机构培养以系统动力学为研究方向的硕士与博士研究生。

培养系统动力学的高级人才应立足于国内,一般在国内培养。

以我为主与国外合作的方式可作为培养部分博士研究生的补充手段。

(2 )积极开展国内外学术交流活动。

全国性系统动力学学术会议每年举行一次,并争取召开地区性学术研讨会及举办各种形式学习班。

努力争取每隔七、八年在我国举办一次国际系统动力学会议或区域性(如亚洲、亚太地区)的学术会议。

(3 )办好国内的《系统动力学评论》,为系统动力学工作者提供一块学术交流的园地。

我们深信,系统动力学的理论与应用研究工作将继续以较高的
速度在国内发展。

参考文献:
[ 1]
FORRESTER J W. Industrial Dynamics: A Breakthrough for DecisionMakers [ J]. Harvard Business Review, 1958, 36(4): 37- 66.
[ 2]
FORRESTER JW. Industrial Dynamics [M] . Cambridge MA: Productivity Press, 1961.
[ 3]
FORRESTER JW. Principles of Systems [M]. Cambridge MA: Productivity Press, 1968.
[ 4]
FORRESTER JW. Urban Dynamics [M] . Cambridge MA: Productivity Press, 1969. [ 5]
MASS N J. Readings in Urban Dynamics V ol I [M]. Cambridge MA: Productivity Press, 1974.
[6]
SCHROEDER W W, SWEENEY R E, ALFELD L E. Readings in Urban Dynamics V ol II [ M] . Cambridge MA: Productivity
[ 7]
ALFELD L E, GRAHAM A K. Introduction to Urban Dynamics [M] . Cambridge MA: Productivity Press, 1976.
#
[ 8]
FORRESTER JW. World Dynamics[M] . 2 ed. Cambridge MA: Productivity Press, 1973.
[9]
MEADOWS D H, MEADOWS D L, J BEHRENS III. The Limits to Growth: A Report for the Club of Rome. s Project on the
Predicament of Mankind [M] . New York: Universe Books, 1972.
[ 10]
MEADOWS D L, MEADOWS D H, Toward Global Equilibrium: Collected Papers [M]. Cambridge MA: Productivity Press, 1974.
[ 11]
MEADOWS D H, MEADOWS D L, RANDERS J. Beyond the Limits: Confronting Global Collapse, Envisioning A Sustainable
Future [M] . Post Mills VT: Chelsea Green, 1992.
[ 12]
STERMAN J D. A BehavioralModel of the Economic Long Wave [ J] . Journal of Economic Behavior and Organization, 1985, 6
(1) : 17- 53.
[ 13]
STERMAN J D. The Economic Long Wave: Theory and Evidence [ J] . System Dynamics Review, 1986, 2(2): 87- 125.
[ 14]
STERMAN J D. Deterministic Chaos in an Experimental Economic System [ J]. Journal of Economic Behavior and Organization,
1989, 12: 1- 28.
[15]
SAEED K. The Dynamics of Economic Growth and Political Instability in the Developing [ J] . Countries System Dynamics
Review, 1986, 2(1): 20- 35.
[ 16]
FORRESTER J W. The System Dynamics National Model: Macrobehavior from Microstructure Modelling Growth Strategy in a
Biotechnology Startup Firm [J]. System Dynamics Review, 1989, 7(2) : 93- 116.
[ 18]河南科技大学学报：自然科学版第27卷第四期
[ 19]系统工程第五卷第三期。