系统动力学简介及其相关软件综述_张波

2010年第2期
环境与可持续发展
E N V I R O N M E N TA N DS U S T A I N A B L ED E V E L O P M E N T N o.2,2010
系统动力学简介及其相关软件综述
张　波　虞朝晖　孙　强　李　顺　黄明祥　王利强
(环境保护部信息中心北京100029)
【摘要】本文介绍了系统动力学模型的特点,流、元素、建模组件等系统动力学基本概念,以及系统动力学的建模程序。

综述了系统动力学常用软件S t e l l a、I t h i n k、P o w e r s i m、V e n s i m、D Y N A-M O的基本信息以及系统动力学与数据库系统、与G I S以及与专家系统的整合方式。

【关键词】系统动力学;建模;综述
中图分类号:X3/N941.3 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2010)02-0001-04
1　系统动力学简介
系统动力学(S y s t e m D y n a m i c s,简称“S D”)是由麻省理工学院的J a yW.F o r r e s t e r教授于1956创立的一门研究系统动态复杂性的科学。

它以反馈控制理论为基础,以计算机仿真技术为手段,主要用于研究复杂系统的结构、功能与动态行为之间的关系。

系统动力学强调整体地考虑系统,了解系统的组成及各部分的交互作用,并能对系统进行动态仿真实验,考察系统在不同参数或不同策略因素输入时的系统动态变化行为和趋势,使决策者可藉由尝试各种情境下采取不同措施并观察模拟结果,打破了从事社会科学实验必须付出高成本的条件限制[1]。

系统动力学模型是一种因果机理性模型,它强调系统行为主要是由系统内部的机制决定的,擅长处理长期性和周期性的问题;在数据不足及某些参量难以量化时,以反馈环为基础依然可以做一些研究;擅长处理高阶次、非线性、时变的复杂问题。

由于系统动力学在研究复杂的非线性系统方面具有无可比拟的优势,已经广泛应用于社会、经济、管理、资源环境等诸多领域。

2　系统动力学的建模流程
2.1　系统动力学的基本元素
构成系统动力学模型的基本元素包含“流”
(F l o w)与“元素”。

“流”分为“实体流”(M a t e r i a l F l o w)和“信息流”(I n f o r m a t i o n F l o w);“元素”包括“状态变量”(L e v e l),“速率”(R a t e)和“辅助变量”(A u x i l i a r y)。

流的种类包含订单流、人员流、现金流、设备流、物流与信息流,这六种流归纳了一般组织或企业运作所包含的基本运作结构;状态变量表示真实世界中可随时间推移而累积的事或物。

除了实体可见的状态变量如存货、人数、金钱、污染物质的总量等,还包含无形不可见的状态变量如能量、压力等;状态变量的值由控制该状态变量的速率决定,一个状态变量可由数个速率来控制,速率又可分为流入速率与流出速率,则状态变量即是由流入速率与流出速率之间的差经过一段时间的累积所形成。

辅助变量主要有三种涵义,第一表示数据处理的过程;第二表示某些特定的环境参数值,为一常数;第三为系统的输入测试函数或数值。

前两种情况都可视为速率的一部份,其与速率共同形成某一特定目的的管理控制机制,最后一种则是用以测试模型行为的各种不同情境。

系统动力学建模有三个重要组件:因果反馈图、流图和方程式。

因果反馈图描述变量之间的因果关系,是系统动力学的重要工具;流图帮助研究者用符号表达模型的复杂概念;系统动力学模型的结构主要由微分方程式所组成,每一个连接状态变量和速率的方程式即是一个微分方程式。

系统动力学中以有限差分方程式来表示,再
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依时间步骤对各方程式求解,呈现出系统在各时间点的状态变化。

以S t e l l a软件为例,提供了三种算法作状态变量变化的估算,分别为E u l e r's、2n d-o r d e r R u n g e-K u t t a以及4n d-o r d e r R u n g e-K u t t a m e t h o d,每种算法都有其优缺点,需依照模型结构选择适当的算法。

2.2　系统动力学的建模流程
系统动力学建模程序分为以下几个步骤[2]: (1)了解问题、界定问题、确认目标;(2)绘制系统的因果反馈图;(3)建立系统动力学模型;(4)测试模型、确认模型是否可以再现真实系统的行为;(5)使用模型进行策略的选择;(6)执行策略。

其中(2)所提到的因果反馈图是系统动力学最重要的部份,也是系统动力学模型发展的基础,建立系统的因果反馈图应包含以下步骤:第一步,确定系统边界:系统结构建构初期,为避免系统架构过于庞大或太小,必须先确定系统边界。

系统边界的确定主要依据建模目的及解决问题的特性来决定,系统边界确定后,方可决定系统的内生变量及外生变量;第二步,找出系统中的反馈回路:反馈回路说明了系统内各变量的因果关系及其变化,系统动力学即是透过系统中各反馈回路的动态因果关系,描述与解释现实社会中的现象;第三步,找出反馈回路中的状态变量与速率:反馈回路中的状态变量与速率是组成系统动力学模型最重要的两种变量,是最终建立系统动力学模型的关键所在;第四步,决定速率的结构:速率的结构为系统结构的核心,速率为决策行动的起点,透过信息流及实体流的汇集与处理,为系统中主要的控制中心。

3　系统动力学软件简介
最早的系统动力学软件S I M P L E产生于二十世纪五十年代,开始是以专门的程序语言来说明模型的结构,直到八十年代后期才逐渐发展成为可视化界面的形式,常用系统动力学软件介绍如下[3]:
1)D Y N A M O
D Y N A M O的名称来自D Y N A M I CM O D
E L的缩写。

其为M I T的企业动态学研究小组所研究开发,用以在计算机上进行系统动力学模型建立及仿真的程序语言,自1958年开始研发以来,随着计算机系统的进步,目前已有D Y N A M O I I,
D Y N A M O I I/F,D Y N A M O I I I,D Y N A M O I I I/F, G A M I N GD Y N A M O,M i n i D Y N A M O等不同的版本,供不同的计算机系统使用;D Y S M A P所提供的功能与D Y N A M O相似,但可支持离散事件之模拟。

P u g h-R o b e r t s于1987年将D Y N A M O加以改进成为P r o f e s s i o n a l D Y N A M O,可提供简单的编辑、编译、模拟、浏览结果及储存功能,仿真结果能以图形及表列显示。

2)S t e l l a
S t e l l a为S t r u c t u r e T h i n k i n g E x p e r i m e n t a l L e a r n i n g L a b o r a t o r y w i t hA n i m a t i o n之缩写,为图形导向的系统动力学模型发展软件,原先在麦金塔(M A C)操作系统下运行,近年来也提供在M i-c r o s o f t W i n d o w s操作系统上执行的版本;由于其定位在个人之研究及教育上,S t e l l a提供拖放式的图形界面,使用者可以将模型组件(包括状态变量、速率、辅助变量及连结)自工具列拖动至图板上,进行模型之建构;在显示仿真结果上,
S t e l l a除了图形及表列以外,还可以透过动画显示仿真结果,而除了由管理者实际模拟并分析结果外,S t e l l a也提供图形化的控件组件,如输入框、开关、转盘等,让其他使用者能透过控件将参数输入模型,再透过动画或控件显示仿真结果。

3)I t h i n k
I t h i n k与S t e l l a属于同一个研发团队所开发,具有相同的图形化使用界面,功能也基本相同,但I t h i n k的定位是在提供企业及组织流程模型的建构及仿真上,除了提供离散事件的模拟外,其用户帮助文件也是针对企业人员为导向撰写。

4)P o w e r s i m
P o w e r s i m为1980年中期,由挪威政府赞助开发,其主要定位在改进学校高中教育使用系统动力学教学的质量,目前P o w e r s i m的最新版本P o w e r s i m 2005,除了提供S t e l l a的拖放式图形界面,可将组件自工具列拖放至图板外,也提供模型的显示(支持改变模型中组件的色彩及字型)及组件及模型管理(组件的树状检视管理)的相关功能。

5)V e n s i m
V e n s i m发展于20世纪80年代中期,于1992
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年改为商业化使用,目前用于企业,科学及教育等方面。

V e n s i m软件能够同时以图形与编辑语言的方式建立系统动力学模型,具有模型易于构建和能够人工编辑D Y N A M O方程式的优点,并且具有政策最佳化的功能。

4　系统动力学与其他系统的整合
系统动力学软件例如S t e l l a、V e n s i m、P o w e r-s i m等,模型参数和模型组件一起储存在系统动力学的模型内,而参数的输入和修改,也是使用模拟工具所提供的输入工具来进行,系统动力学模型在模拟过程中,并不能从模型外部取得模拟数据,也不能将模拟结果比如各变量在各期的值储存在模型之外。

但在实际应用中,系统动力学模拟软件的封闭接口难以满足应用需求,系统动力学需要与外部系统进行交互。

4.1　系统动力学与数据库系统的整合
如果将系统动力学模型中的模拟参数转移到模型外部的数据库系统中,成为独立的数据来源,在模拟过程中,从外部数据库获得模拟参数,模拟结果储存在外部数据库中,实现系统动力学与数据库系统的整合。

张国华使用F o x P r o 开发了一套具有数据库管理功能的系统动力学模型建构工具,以D Y N A M O语言为主要建模工具,将系统中的参数及模拟结果存在x B a s e格式的数据文件中,使用者能够借助S Q L语言的叙述,查询模拟结果;吴定芳[4]研究了藉由连结外部数据来源(例如企业的数据库、电子表格等)作为系统动力学模型仿真时的数据来源,提出了在传统系统动力学的模型架构中增加“数据来源”组件,提供模型连接外部数据源的功能,并根据所提出的模型架构,开发出实际的仿真工具软件-M a r i a。

4.2　系统动力学与G I S的整合
系统动力学不能处理大量的空间数据,更不能模拟系统的空间要素及其状态;G I S在空间数据处理和存储、空间信息分析与表达等方面具有很大的优势,可以很好地描述和模拟系统的空间要素及其状态。

因此在以空间分析为特色的G I S 技术环境下融入非空间动态模拟的系统动力学模型,能够同时在时间和空间上模拟系统的动态发展趋势,扩展和延伸G I S和系统动力学的现有功能。

余洁[5]将G I S与系统动力学方法相结合,动态模拟预测了不同社会经济发展策略对生态环境的影响,揭示了生态经济系统社会经济发展与生态环境相互影响关系;裴相斌[6]提出了一个可操作的G I S和系统动力学结合的概念框架,建立了大连湾水污染与控制系统模型,模拟该区域的不同增长计划(方案)对海域环境质量的影响;罗平[7]从理论和实践两方面构建了兰州市的系统动力学—G I S城市住宅价格时空仿真模型,并借助相应计算机软件对模型进行调试和分析,得到令人比较满意的时间序列地图。

4.3　系统动力学与专家系统的整合
将系统动力学的动态思考与因果反馈环路概念导入专家系统,并藉由专家系统的特性解决传统系统动力学不易处理非量化问题、无法掌握不确定或模糊型态的问题。

萧乃沂在进行系统动力学与规则式推理机制的整合研究中,提出以专家系统的多维仿真,使系统动力学模型能处理非量化变数;以专家系统的规则式推理,使系统动力学模型变量中,能够描述复杂的规则;引进专家系统的信赖因子,使系统动力学模型能仿真不确定情形下的决策。

并建议使用其他的程序撰写推论架构,再使用D Y N A M O的接口功能进行系统动力学与专家系统的连结。

5　常用系统动力学软件的比较
常用的系统动力学软件各有特色,都能提供建立系统动力学模拟的作业平台。

早期的D Y-N A M O软件是一种用来翻译并操作运算一组微分或差分方程式,进行的连续模拟的系统动力软件,只能以传统的D Y N A M O语言方式编辑,不能采用图形化的界面编辑系统动力学模型;S t e l l a 和I t h i n k软件利用图形界面建立系统动力学模型,使用者只需绘制系统动力模型的因果关系图,然后输入关系式,即可建立模型进行模拟,但是用户不能对系统自动生成的D Y N A M O语言编辑;P o w e r s i m软件也提供了图形界面建立系统动力学模型的功能,其内置的运算和统计分析功能较为完善,并且在运算过程中能够直接存取E x c e l表;V e n s i m软件能够以图形与编辑语言两种方式,建立系统动力学模型,因此同时具备模型建构容易与人工编辑D Y N A M O语言的优点,并且具有政策最佳化的功能。

2010年第2期
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环鄱阳湖地区农村垃圾现状调研及对策
李国朝　杨期勇　杨　涛　张新华
(九江学院化学化工学院江西九江332005)
【摘要】以鄱阳镇为例,本文在对城乡垃圾现状调研的基础上,结合当前存在的主要问题,提出了环鄱阳湖地区农村垃圾综合治理的对策。

【关键词】农村垃圾;鄱阳湖;调研;对策
中图分类号:X705 文献标识码:A 文章编号:1673-288X(2010)02-0004-03
鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊,是长江干流重要的调蓄性湖泊,在中国长江流域中发挥着巨大的调蓄洪水和保护生物多样性等特殊生态功能,是我国十大生态功能保护区之一。

随着环湖经济的发展,大量农村生产生活废水排入湖区,近年来,鄱阳湖水质也呈逐年下降趋势。

江西省委书记苏荣在深入鄱阳湖区调研时,做出了要切实做好农村垃圾无害化处理工作的指示[1]。

1　环鄱阳湖地区垃圾现状调研
主要对鄱阳镇的垃圾来源及处理现状做了调研。

1.1　城区调研
鄱阳镇城区人口约10.13万。

分城东、城北和城南三块主要生活区。

城中心湖“东湖”及“昌河”与饶河相通,饶河直接通往鄱阳湖。

鄱阳镇县城内工业不发达,生活固体垃圾主要有:一次性垃圾塑料袋、塑料瓶、塑料薄膜等白色垃圾;菜叶、尘土、包装废弃物、煤渣、灰渣及建筑等各种固体废弃物。

生活污水主要来自于人畜粪便,垃圾填埋后的渗液。

2009年前,鄱阳镇的固体垃圾主要采用露天堆放和简单的填埋,在县城周边如团林乡及其附近建有大型垃圾填埋场。

垃圾堆放地或填埋地通常是恶臭漫天,蚊蝇乱飞,并且占据了大量的土地。

垃圾的渗出液及各种生活污水导致了局部地区河流和地下水遭到污染,甚至发出恶臭。

镇内的全部生活污水分三部分流入东湖、昌河和饶河,最终全部流入鄱阳湖,由于未经任何处理,严重影响鄱阳湖的水质。

鄱阳县于2007年在鄱阳镇雷家洲附近动工建设鄱阳县污水处理厂,规划日污水处理能力8万t,其中一期日处理能力4万t,出水标注达一级B标准。

该工程已于2009年8月竣工并投入运营。

同时鄱阳县政府完成了城区污水排管网系统改造工程,实现了生活污水截流,有效防止了未经处理污水直接进入鄱阳湖。

参考文献
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台湾:台湾中山大学硕士论文,2002.
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[5]余洁.G I S支持下区域社会经济发展与环境响应动态模拟
S D方法研究[D].武汉:武汉大学博士学位论文,2002. [6]裴相斌,赵冬至.基于G I S-S D的大连湾水污染时空模拟与
调控策略研究[J].遥感学报,2000,4(2):118～124. [7]罗平,何素芳等.基于S D-G I S模型的兰州市住宅价格时空模拟
研究[J].兰州大学学报(自然科学版),2002,38(4):125～130.
作者简介:张波(1972—),男,山东济南人,副研究员,中国科学院遥感应用研究所博士,主要研究领域:环境地理信息系统,环境管理信息系统开发与项目管理。