1、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論 講授教師：孫玉峰講授教師：孫玉峰 教教 授授 博博 士士 單單 位：管理科學(xué)與工程學(xué)院位：管理科學(xué)與工程學(xué)院第一章第一章 緒論緒論第一節(jié)第一節(jié) 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概論系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概論1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)涵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)涵11系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的概念系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的概念系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（System Dynamics，縮成SD），是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的科學(xué)，也是一門認(rèn)識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交叉的綜合性的新學(xué)科。它是系統(tǒng)科學(xué)和管理科學(xué)中的一個(gè)分支，它也是一門溝通自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域的橫向科學(xué)。 SD研究處理問題的方法是定性與定量相結(jié)合，系統(tǒng)思考、分析、綜合與推理的方法。它是定性分析與定

2、量分析的統(tǒng)一，以定性分析為先導(dǎo)，定量分析為支持，兩者相輔相成，螺旋上升逐步深化、解決問題的方法。按照SD的理論與方法建立的模型，采用SD 專用語言（DYNAMO等），借助計(jì)算機(jī)模擬可以用于定性與定量地研究系統(tǒng)問題。 12 SD模型的基本特點(diǎn)：模型的基本特點(diǎn)： 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是一種以反饋控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段，通常用以研究復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的定量方法。 它與其它模型方法相比，具有下列特點(diǎn)： （1）適用于處理長期性和周期性的問題。 （2）適用于對數(shù)據(jù)不足的問題進(jìn)行研究。 （3）適用于處理精度要求不高的復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題。 （4）強(qiáng)調(diào)有條件預(yù)測。 2 國內(nèi)外國內(nèi)外SD的發(fā)展及應(yīng)用情況

3、的發(fā)展及應(yīng)用情況 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)的福瑞斯特(Jay Forrester)教授于1956年創(chuàng)立的。 本學(xué)科的代表著作： 1、工業(yè)動(dòng)力學(xué)（Industrial Dynamics）1961年 2、系統(tǒng)原理（Principles of System） 1968年 3、城市動(dòng)力學(xué)(Urban Dynamics) 1969年 21 國外國外SD的發(fā)展及應(yīng)用情況的發(fā)展及應(yīng)用情況 初期它主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)管理，處理諸如生產(chǎn)與雇員情況的波動(dòng)、市場股票與市場增長的不穩(wěn)定性等問題。此學(xué)科早期的稱呼是工業(yè)動(dòng)力學(xué)。 后來，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，從民用到軍用，從科研、設(shè)計(jì)工作的管理到城市

4、擺脫停滯與衰退的決策，從世界面臨人口指數(shù)式增長的威脅與資源儲(chǔ)量日趨殆盡的危機(jī)到檢驗(yàn)糖尿病的病理假設(shè)，從吸毒到犯罪問題等等。其應(yīng)用幾乎遍及各類系統(tǒng)，深入到各種領(lǐng)域。 所以，此學(xué)科由工業(yè)動(dòng)力學(xué)改稱為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 20世紀(jì)70年代初，福瑞斯特利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為擁有來自26個(gè)國家、75名科學(xué)家的羅馬俱樂部（The Club of Rome）構(gòu)建了一個(gè)全球模型，重點(diǎn)研究了決定增長的人口、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、資源、污染等五大因素的變化趨勢。根據(jù)模擬運(yùn)算結(jié)果寫出了著名的增長的極限一書。 從1972年開始，福瑞斯特教授又先后在數(shù)十家企業(yè)公司、本國和外國的政府部門的財(cái)政資助下，歷時(shí)十年，約耗資六百萬美元，完成了一個(gè)四千余

5、方程的美國國家系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。 22 國內(nèi)國內(nèi)SD的發(fā)展及應(yīng)用情況的發(fā)展及應(yīng)用情況 1980年6月，上海交通大學(xué)與上海機(jī)械學(xué)院的顧問楊通誼教授參加了麻省理工學(xué)院系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組舉辦的暑期學(xué)習(xí)班。回國后，他先后在上海、杭州等地做報(bào)告或撰文介紹系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其應(yīng)用情況。他還主持把福瑞斯特的著作工業(yè)動(dòng)力學(xué)等譯為中文。 許慶瑞、陶在樸等人也在國外進(jìn)修了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，回國后積極推動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用研究。 王其藩在上海機(jī)械學(xué)院的安排下到麻省理工學(xué)院，在福瑞斯特教授的指導(dǎo)下進(jìn)修系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。 1982年，王其藩完成了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的中國人口模型。 1983年12月，在上海召開的發(fā)展系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究的專門會(huì)議，討論并制訂

6、了應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技和生態(tài)問題的計(jì)劃。 我國的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)全國模型和中國2000年的環(huán)境總體模型等項(xiàng)目已取得顯著成果。 吳健中（上海交大）、胡玉奎（北京航空學(xué)院）、蘇懋康（上海交大）、賈仁安（南昌大學(xué)） 23 SD模型的主要應(yīng)用范圍模型的主要應(yīng)用范圍 1、世界動(dòng)力學(xué)模型。用于研究全球性的發(fā)展戰(zhàn)略；（P246 第十二章） 2、國家動(dòng)力學(xué)模型。用以研究國家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、對外關(guān)系等；（P246 第十二章 中國國家模型； 屈勝雙） 3、城市動(dòng)力學(xué)模型。研究城市發(fā)展戰(zhàn)略；（下載論文） 4、區(qū)域動(dòng)力學(xué)模型。研究特定地理區(qū)域的發(fā)展戰(zhàn)略； 5、工業(yè)動(dòng)力學(xué)模型。研究工業(yè)企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略； 6、

7、生長型動(dòng)力學(xué)模型。包括研究疾病發(fā)生、發(fā)展及防治策略的醫(yī)療SD模型； 7、研究作物、園藝、家禽飼養(yǎng)、蟲害防治和生態(tài)保護(hù)等的SD模型等。 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。該學(xué)科已經(jīng)廣泛用于各種微觀和宏觀系統(tǒng)，小到企業(yè)管理、產(chǎn)品開發(fā)、經(jīng)濟(jì)效益分析，中型的如行業(yè)規(guī)劃、城市規(guī)劃、資源開發(fā)與利用，大則有國家模型和全球模型等等。 例如： 3 SD建模工具簡介建模工具簡介 1、DYNAMO、PD PLUS、DYSMAP2等。 2、Vensim、Stella 、Ithink等。 Vensim軟件工具可分： PLE、PLE PLUS、STANDARD、PROFESSIONAL、DSS、READ

8、和VENAPP RUN等幾種，分別應(yīng)用于商務(wù)、專業(yè)設(shè)計(jì)、教學(xué)、科研以及一般設(shè)計(jì)和計(jì)算等方面。 第二節(jié)第二節(jié) 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的基本概念系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的基本概念 1 系統(tǒng)系統(tǒng) 系統(tǒng)的概念：一個(gè)由相互區(qū)別、相互作用的各個(gè)部分有機(jī)地聯(lián)結(jié)一起，為同一目的而完成某種功能的集合體。 系統(tǒng)包含物質(zhì)、信息和運(yùn)動(dòng)三部分。 SD所研究的范圍可大可小，其種類可分為： 天然的或人工的，社會(huì)的或工程的，經(jīng)濟(jì)的或政治的，心理學(xué)的、醫(yī)學(xué)的或生態(tài)的等。 在我們周圍系統(tǒng)比比皆是：電氣的、機(jī)械的、熱力學(xué)的、生物學(xué)的、社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的等等： （1）天體運(yùn)行系統(tǒng)：宇宙空間問題； （2）世界或國家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)：資源、能源、人口、

9、糧食、資產(chǎn)與工業(yè)化以及污染問題； （3）城鎮(zhèn)系統(tǒng)：企業(yè)建設(shè)、人口、就業(yè)、交通、住房與社會(huì)福利； （4）企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)：銷售產(chǎn)品、維持庫存、雇用與辭退工人； （5）航天飛行器、飛機(jī)、船舶、汽車系統(tǒng)：有駕駛員的機(jī)械、電子、液壓設(shè)備； （6）房屋的供暖空調(diào)系統(tǒng)； （7）供氧生理系統(tǒng)：動(dòng)物的心臟、肺、血液循環(huán) 2 反饋反饋 所謂反饋，是指系統(tǒng)輸出與來自外部環(huán)境的輸入的關(guān)系，亦即信息的傳輸與回授。 反饋可以分為正反饋和負(fù)反饋兩種。 如果事件A（原因）引起事件B（結(jié)果），AB簡便形成因果關(guān)系。若A增加引起B(yǎng)增加，稱AB構(gòu)成正因果關(guān)系；若A增加引起B(yǎng)減少，則成負(fù)因果關(guān)系。 正反饋的特點(diǎn)：能產(chǎn)生自身運(yùn)動(dòng)的加

10、強(qiáng)過程，在此過程中運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作所引起的后果將回授，使原來的趨勢得到加強(qiáng)； 負(fù)反饋的特點(diǎn)：能自動(dòng)尋求給定的目標(biāo)，未達(dá)到（或者未趨近）目標(biāo)時(shí)將不斷作出響應(yīng)。 3 反饋回路反饋回路 反饋回路，就是由一系列的因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說是由信息與動(dòng)作構(gòu)成的閉合回路。 正反饋回路，是具有正反饋特性的回路。 負(fù)反饋回路，是具有負(fù)反饋特性的回路（或稱尋的回路、穩(wěn)定回路、平衡回路、自校正回路）。 （a）工資物價(jià)系統(tǒng) (b) 人口系統(tǒng) 圖1.1 正反饋回路（系統(tǒng)）工資要求工資物價(jià)所受壓力物價(jià)每年出生人口總?cè)丝?（a）恒溫系統(tǒng) (b) 庫存訂貨控制系統(tǒng) 圖1.2 負(fù)反饋回路（系統(tǒng)）室溫冷卻器加熱器溫度繼電器

11、期望室溫貨物到達(dá)庫存發(fā)貨訂貨生產(chǎn)期望庫存 正反饋回路的特點(diǎn)：發(fā)生于回路中任何一處的初始偏離與動(dòng)作循回路一周將獲得增大與加強(qiáng)。 正反饋回路具有非穩(wěn)定、非平衡、增長和自增強(qiáng)等特性。 正反饋回路可導(dǎo)致良性循環(huán)和惡性循環(huán)。 負(fù)反饋回路的特點(diǎn)：它力圖縮小系統(tǒng)狀態(tài)相對于目標(biāo)狀態(tài)（或某平衡狀態(tài)）的偏離。 負(fù)反饋回路可導(dǎo)致系統(tǒng)趨于某一目標(biāo)。 4 反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng) 反饋系統(tǒng)就是相互聯(lián)結(jié)與作用的一組回路。或者說反饋系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)。 單回路的系統(tǒng)是簡單系統(tǒng)。 具有三個(gè)回路以上的系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)。 反饋系統(tǒng)：生物的、環(huán)境的、生態(tài)的、工業(yè)的、農(nóng)業(yè)的、經(jīng)濟(jì)的、社會(huì)的系統(tǒng)等。 正反饋系統(tǒng)，是正反饋起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)。 負(fù)反饋

12、系統(tǒng)，負(fù)反饋起主動(dòng)作用的系統(tǒng)。（尋的系統(tǒng)） 圖1.3 復(fù)雜系統(tǒng)（簡單的武器裝備競賽系統(tǒng)）EconomicCapacity 1TotalArmament 1armamentspending 1armamentobsolescence 1non armamentspending 1investmentspending 1growth incapacity1targetarmament 1time to correctarmament 1fractionarmamentcapacityused 1indicated armamentbuilding 1armamentlifetime 1fracti

13、on spending toinvestment 1investmenteffectiveness1initialarmament 1initialeconomiccapacity1max capacity toarmament 1capacitydegradation 1capacity lifetime1armamentcapacity 1desiredstrengthratio 1EconomicCapacity 2TotalArmament 2armamentspending 2armamentobsolescence 2non armamentspending 2investment

14、spending 2growth incapacity 2targetarmament 2time to correctarmament 2fractionarmamentcapacityused 2indicated armamentbuilding 2armamentlifetime 2fraction spending toinvestment 2investmenteffectiveness 2initialarmament 2initialeconomiccapacity2max capacity toarmament 2capacitydegradation 2capacity l

15、ifetime 2armamentcapacity 2desiredstrengthratio 2 5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與描述 從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看，所謂結(jié)構(gòu)是指單元的秩序。它包含兩層意思：一是指組成系統(tǒng)的各單元。二是指各單元間的作用與相互關(guān)系。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著系統(tǒng)構(gòu)成的特征。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含下述體系與層次： （1）系統(tǒng)S范圍的界限； （2）子系統(tǒng)或子結(jié)構(gòu)Si(i1，2，p)； （3）系統(tǒng)的基本單元，反饋回路的結(jié)構(gòu)Ei（j1,2,m）； （4）反饋回路的組成與從屬成分：狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量等。 界限是指系統(tǒng)的范圍，它規(guī)定了形成某特定動(dòng)態(tài)行為所應(yīng)包含的最小數(shù)量的單元。系統(tǒng)內(nèi)為系統(tǒng)的本身，而界限外則

16、為與系統(tǒng)有關(guān)的環(huán)境。 P13 圖1.4 系統(tǒng)界限與環(huán)境6 SD的圖形表示法的圖形表示法SD常用的圖形表示法有五種：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、因果與相互關(guān)系圖、流圖、混合圖、速率狀態(tài)變量關(guān)系圖。（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 就是用方塊或圓圈簡明地代表系統(tǒng)的主要子塊并描述它們之間物質(zhì)與信息流的交鏈關(guān)系。P38 圖1.5 礦區(qū)復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖資源子系統(tǒng)Resource環(huán)境子系統(tǒng)Environment經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)Economy人口子系統(tǒng)Population科技子系統(tǒng)Science&Technology生存環(huán)境生活排放資源利用資金投入空間支持維護(hù)改善科技轉(zhuǎn)換資金投入提供資金發(fā)展提高開發(fā)利用資源供應(yīng)基礎(chǔ)保障

17、工業(yè)排放技術(shù)支撐物質(zhì)保障 2、因果與相互關(guān)系圖、因果與相互關(guān)系圖 圖1.6 簡單的因果與相互關(guān)系圖訂貨庫存交貨延遲- 因果與相互關(guān)系圖的組成： （1）元素：訂貨、庫存、交貨延遲； （2）因果鏈：訂貨庫存、庫存交貨延遲、交貨延遲訂貨； （3）因果鏈的極性：“”或“”； （4）反饋回路； （5）反饋回路的極性：“”或“”。生活廢水排放量礦 井 水 排放量原 煤 產(chǎn)量總投資廢 氣 排 放量總?cè)丝谒菝娣e資 源 開 發(fā)投資利 稅 總額矸 石 總量能源燃燒總量回采率洗煤量儲(chǔ)采比焦 炭 產(chǎn)量環(huán) 境 投資其 它 產(chǎn) 業(yè)投資工業(yè)儲(chǔ)量可采儲(chǔ)量總收入其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值圖1.7 煤炭開發(fā)與利用系統(tǒng)因果與相互關(guān)系圖資源持續(xù)

18、利用程度+ 因果鏈極性的判斷原則： （1）正因果鏈：AB 若A增加使B也增加，或若A減少使B也減少；若A的變化使B在同一方向上發(fā)生變化； （2）負(fù)因果鏈：AB 若A的增加使B減少，或A的減少使B增加；若A的變化使B在相反方向上發(fā)生變化。 反饋回路極性的判斷原則： 沿著反饋回路繞行一周，看回路中全部因果鏈的積累效應(yīng)，積累效應(yīng)為正，則為正反饋回路，積累效應(yīng)為負(fù)，則為負(fù)反饋回路。 （1）若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為正； （2）若反饋回路包含奇數(shù)個(gè)負(fù)的因果鏈，則其極性為負(fù)。 因此，反饋回路的極性取決于回路中因果鏈符號的乘積。 正反饋回路的作用是使回路中變量的偏離增強(qiáng)，而負(fù)反饋回路則力圖控制回路的變量趨于穩(wěn)定。所以，負(fù)反饋?zhàn)饔貌⒉粔模答佔(zhàn)饔貌⒉灰欢ǘ际呛玫摹?3 流圖流圖 圖1.8 流圖及其表示符號LEV 狀態(tài)變量IN 輸入率OUT 輸出率 流圖包括： 狀態(tài)變量：Level 速率變量: Rate 輔助變量：Auxiliary 源: Source