系統(tǒng)工程導論

（SystemsEngineering,SE）

—系統(tǒng)工程方法論及其應用高欣北京郵電大學自動化學院gxin_mail98@2025/4/191系統(tǒng)工程理論、方法與應用第一節(jié)：系統(tǒng)仿真概述第二節(jié)：系統(tǒng)動力學結構模型化原理第三節(jié)：基本反饋回路的DYNAMO仿真分析第四講

系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動力學(SD)方法2025/4/192系統(tǒng)工程理論、方法與應用一、系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動力學概述

2025/4/193系統(tǒng)工程理論、方法與應用所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質及其相互關系的基礎上，建立能描述系統(tǒng)結構或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數(shù)量關系的仿真模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。

(一)概念及作用---基本概念2025/4/194系統(tǒng)工程理論、方法與應用(1)它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術。尤其當系統(tǒng)無法建立數(shù)學模型求解時，仿真技術卻能有效地來處理這類問題。(2)仿真是一種人為的試驗手段。它和現(xiàn)實系統(tǒng)實驗的差別在于，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)境，而是作為實際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應的“人造”環(huán)境下進行的。這是仿真的主要功能。(3)仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。(一)概念及作用---系統(tǒng)仿真的實質2025/4/195系統(tǒng)工程理論、方法與應用(1)仿真的過程也是實驗的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是對一些復雜的隨機問題，應用仿真技術是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。(2)對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。(3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。(4)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時解決。(一)概念及作用---系統(tǒng)仿真的作用2025/4/196系統(tǒng)工程理論、方法與應用

系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結構模型和量化分析（數(shù)學）模型，并將其轉換為（或作為）適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真實驗。由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件)系統(tǒng)的數(shù)學模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。(二)系統(tǒng)仿真方法(1)2025/4/197系統(tǒng)工程理論、方法與應用(二)系統(tǒng)仿真方法(2)

在以上兩類基本方法的基礎上，還有一些用于系統(tǒng)(特別是社會經(jīng)濟和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動力學方法、蒙特卡洛法等。

系統(tǒng)動力學方法通過建立系統(tǒng)動力學模型(流圖等)、利用DYNAMO仿真語言在計算機上實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的仿真實驗，從而研究系統(tǒng)結構、功能和行為之間的動態(tài)關系。2025/4/198系統(tǒng)工程理論、方法與應用

80年代以來1956年至60年代初60年代初至70年代初70年代初至80年代SD的出現(xiàn)始于1956年，主要應用于工業(yè)企業(yè)管理，并創(chuàng)立了“IndustrialDynamics”(1959)SD思想和方法的應用范圍日益擴大。“PrinciplesofSystems”(1968)，“UrbanDynamics”(1969)的出現(xiàn).1972年美國MIT的J.W.Forrester正式提出“SystemsDynamics”。經(jīng)歷了兩次嚴峻的挑戰(zhàn)。SD成為一種重要的系統(tǒng)工程方法論和重要的模型方法。尤其是隨著國內外管理界對學習型組織的關注,SD思想和方法的生命力更為強勁。(三)系統(tǒng)動力學的發(fā)展及特點

1、由來和發(fā)展

2025/4/199系統(tǒng)工程理論、方法與應用SystemDynamics,SD/J.W.Forrester(MIT)IndustrialDynamics(ID),1959PrinciplesofSystems,1968UrbanDynamics(UD),1969WorldDynamics(WD),1971SD,1972(三)系統(tǒng)動力學的發(fā)展及特點

1、由來和發(fā)展

2025/4/1910系統(tǒng)工程理論、方法與應用

20世紀70年代以來，SD經(jīng)歷的兩次嚴峻挑戰(zhàn)第一次挑戰(zhàn)(70年代中前期)：70年代初，來自26個國家的75名科學家的羅馬俱樂部困惑于世界面臨人口增長與資源日漸枯竭的前景。鑒于當時一些慣用的工具難以勝任對此復雜問題的研究，于是他們寄希望于剛剛興起的系統(tǒng)動力學方法。其主要的標志是兩個世界模型(WORLD

）(WORLD

“WorldDynamics,1971,Forester”;WORLD--“TheLimitstoGrowth,D.Meadows,1972”,“TowardGlobalEquilibriumD.Meadows,1974”)。這些成果引起了一場令人矚目、曠日持久的論戰(zhàn)。系統(tǒng)動力學正是在這一番論戰(zhàn)中，加速壯大成熟起來。2025/4/1911系統(tǒng)工程理論、方法與應用第二次挑戰(zhàn)(70年代初到80年代中)：

Forrester

教授在多方資助之下開始研究美國全國模型，解開了一些在經(jīng)濟方面長期存在、令經(jīng)濟學家困惑不解的疑團，諸如，70年代以來的通貨膨脹、失業(yè)率和實際利率同時增長等問題。其最有價值的研究成果還在于揭示了美國與西方國家經(jīng)濟長波(LongWave)形成的內在奧秘。由于在全國模型與長波理論研究方面取得成就，使系統(tǒng)動力學這一門學科在理論和應用研究兩方面都取得了飛躍性進展。從此，系統(tǒng)動力學進入了蓬勃發(fā)展時期。2025/4/1912系統(tǒng)工程理論、方法與應用[美]彼得·圣吉（PeterM·Senge）著，第五項修煉—學習型組織的藝術與實務。作者簡介：1970年從斯坦福大學獲工學學士后進入MIT攻讀管理碩士學位，在此期間被Forrester教授的SD整體動態(tài)搭配的管理新理念所吸引。1978年獲得博士學位后，一直和MIT的工作伙伴及企業(yè)界人士一道，孜孜不倦地致力于將SD與組織學習、創(chuàng)造原理、認知科學等融合，發(fā)展出一種人類夢寐以求的組織藍圖—學習型組織。2025/4/1913系統(tǒng)工程理論、方法與應用2、研究對象及其結構特點（1）研究對象——社會系統(tǒng)（2）結構特點

①抉擇性——具有決策環(huán)節(jié)（人、信息）②自律性——具有反饋環(huán)節(jié)③非線性——具有延遲環(huán)節(jié)（3）SD將社會系統(tǒng)當作非線性（多重）信息反饋系統(tǒng)來研究2025/4/1914系統(tǒng)工程理論、方法與應用3、工作程序認識問題界定系統(tǒng)要素及其因果關系分析建立結構模型建立量化分析模型仿真分析比較與評價政策分析（流圖）（DYNAMO方程）

認識問題探尋目標綜合方案模型化優(yōu)化或仿真分析系統(tǒng)評價決策（分析）NY2025/4/1915系統(tǒng)工程理論、方法與應用

流（行動）抉擇信息行動系統(tǒng)狀態(tài)速率變量水準變量信息

R（

ate）L（

evel

）

1、基本原理二、SD結構模型化原理

四個基本要素——狀態(tài)、信息、抉擇、行動兩個基本變量——水準變量(LEVEL)、速率變量(RATE)一個核心（基本）思想——反饋控制2025/4/1916系統(tǒng)工程理論、方法與應用工作程序認識問題界定系統(tǒng)要素及其因果關系分析建立結構模型建立量化分析模型仿真分析比較與評價政策分析（流圖）（DYNAMO方程）

2、因果關系圖和流（程）圖（1）（1）因果關系圖（因果反饋回路）

2025/4/1917系統(tǒng)工程理論、方法與應用2、因果關系圖和流（程）圖（1）（1）因果關系圖（因果反饋回路）

因果箭因果（反饋）回路

因果鏈→→AB+-ABBCABCCDD+++--2025/4/1918系統(tǒng)工程理論、方法與應用2、因果關系圖和流（程）圖（1）（1）因果關系圖（因果反饋回路）

因果箭利息(元/年)銀行貨幣利率++(+)因果（反饋）回路

因果鏈→→2025/4/1919系統(tǒng)工程理論、方法與應用(2)因果(反饋)回路原因和結果的相互作用形成因果關系回路(因果反饋回路、環(huán))。它是一種特殊的(即封閉的、首尾相接的)因果鏈。如圖5—3(a)、(b)和(e)所示。社會系統(tǒng)中的因果反饋環(huán)是社會系統(tǒng)中各要素的因果關系本身所固有的。正反饋回路，起到自我強化的作用，負反饋回路具有“內部穩(wěn)定器”的作用。多重因果(反饋)回路：社會系統(tǒng)的動態(tài)行為是由系統(tǒng)本身存在著的許多正反饋和負反饋回路決定的，從而形成多重反饋回路。如圖5—3(c)、(d)、(f)所示。2025/4/1920系統(tǒng)工程理論、方法與應用庫存量訂貨量+-（-）2、因果關系圖和流（程）圖（2）庫存量訂貨量庫存差額++-（-）期望庫存2025/4/1921系統(tǒng)工程理論、方法與應用對服務質量的重視程度有效的讀者意見讀者意見++-（-）偏見2025/4/1922系統(tǒng)工程理論、方法與應用2、因果關系圖和流（程）圖（3）組織績效

（-

）-++組織改善組織缺陷

2025/4/1923系統(tǒng)工程理論、方法與應用庫存量訂貨量庫存差額++-（-）期望庫存2、因果關系圖和流（程）圖（4）2025/4/1924系統(tǒng)工程理論、方法與應用出生人口人口總量死亡人口（平均）出生率（平均）死亡率（-）-++（+）+2、因果關系圖和流（程）圖（4）多重因果反饋回路2025/4/1925系統(tǒng)工程理論、方法與應用工作程序認識問題界定系統(tǒng)要素及其因果關系分析建立結構模型建立量化分析模型仿真分析比較與評價政策分析（流圖）（DYNAMO方程）

2025/4/1926系統(tǒng)工程理論、方法與應用

流（行動）抉擇信息行動系統(tǒng)狀態(tài)速率變量水準變量信息

R（

ate）L（

evel

）

2025/4/1927系統(tǒng)工程理論、方法與應用投資(元/年)工業(yè)資本折舊(元/年)平均資本投資率平均資本折舊率（-）-++（+）+2、因果關系圖和流（程）圖（4）2025/4/1928系統(tǒng)工程理論、方法與應用人口分配生產消費流通消費水平資源消耗或占用量資源存量+-++++++++-(-)(-)(f)圖5—3因果關系例圖

2025/4/1929系統(tǒng)工程理論、方法與應用

①流

實物流信息流②速率變量③水準變量

L1④輔助變量A1。3、流圖--流圖符號（1）

R12025/4/1930系統(tǒng)工程理論、方法與應用⑤參數(shù)（量）

（常量）（初值）⑥源與洞⑦信息的取出

L1。A1。。3、流圖--流圖符號（2）

2025/4/1931系統(tǒng)工程理論、方法與應用WFSXFS（分到新房戶數(shù)）YMS（已買家俱新房戶數(shù)）WMSFFL(分房數(shù)量)XSL(家俱數(shù)量)（未分到新房戶數(shù)）（未買家俱戶數(shù)）

[錯誤]2025/4/1932系統(tǒng)工程理論、方法與應用XFSYMSWFSWMS[正確]2025/4/1933系統(tǒng)工程理論、方法與應用IR1(訂貨量)庫存量DY(目標庫存)（庫存差額）3、流圖--流圖舉例

庫存量訂貨量庫存差額++-（-）期望庫存2025/4/1934系統(tǒng)工程理論、方法與應用3、流圖（2）流圖舉例

L1R1（利息1）C1(利率)PR1R2(出生人口)(人口總量)(死亡人口)C1（出生率）C2（死亡率）IR1(訂貨量)庫存量DY(目標庫存)（庫存差額）組織改善組織績效組織缺陷。

。2025/4/1935系統(tǒng)工程理論、方法與應用

（1）明確問題及其構成要素；

（2）繪制要素間相互作用關系的因果關系圖。注意一定要形成回路；

（3）確定變量類型（L變量、R變量和A變量）。將要素轉化為變量，是建模的關鍵一步。在此，應考慮以下幾個具體原則：

a.水準（L）變量是積累變量，可定義在任何時點；而速率（R)變量只在一個時段才有意義。b.決策者最為關注和需要輸出的要素一般被處理成L變量。c.在反饋控制回路中，兩個L變量或兩個R變量不能直接相連。d.為降低系統(tǒng)的階次，應盡可能減少回路中L變量的個數(shù)。故在實際系統(tǒng)描述中，輔助（A）變量在數(shù)量上一般是較多的。（3）流圖繪制程序和方法

2025/4/1936系統(tǒng)工程理論、方法與應用（4）形成子結構及流圖。

2025/4/1937系統(tǒng)工程理論、方法與應用SD結構模型建模舉例—商店庫存模型訂貨商店工廠銷售產品商店庫存問題的對象系統(tǒng)界定2025/4/1938系統(tǒng)工程理論、方法與應用商店訂貨工廠生產商店銷售商店庫存工廠未供訂貨生產能力預定產量R1R2A1A2L1―L2R3―+―(―)+++++(―)商店庫存問題的因果關系圖及變量類型2025/4/1939系統(tǒng)工程理論、方法與應用D1D3L1L2S2A1S1A2D23YR1R3R2D1:期望的完成未供訂貨時間D2:調整生產時間D3:商店訂貨平滑化時間S1:平均銷售量S2:庫存差額Y:期望庫存商店庫存問題的流(程)圖2025/4/1940系統(tǒng)工程理論、方法與應用工作程序認識問題界定系統(tǒng)要素及其因果關系分析建立結構模型建立量化分析模型仿真分析比較與評價政策分析（流圖）（DYNAMO方程）

2025/4/1941系統(tǒng)工程理論、方法與應用三、基本反饋回路的DYNAMO仿真分析1、基本DYNAMO方程水準方程（L方程）

LL1·K=L1·J+DT*(RI·JK-RO·JK)速率方程（R方程）

RR1·KL=f(L1·K,A1·K,…)輔助方程（A方程）

AA1·K=g(L1·K,A2·K,R1·JK,…)常量方程（C方程）

CC1=數(shù)值賦初值方程（N方程）

NL1=數(shù)值或L1=L10

L10=數(shù)值2025/4/1942系統(tǒng)工程理論、方法與應用三、基本反饋回路的DYNAMO仿真分析KLJDTDT水準方程（L方程）

LL1·K=L1·J+DT*(RI·JK-RO·JK)速率方程（R方程）

RR1·KL=f(L1·K,A1·K,…)輔助方程（A方程）

AA1·K=g(L1·K,A2·K,R1·JK,…)常量方程（C方程）

CC1=數(shù)值賦初值方程（N方程）

NL1=數(shù)值或L1=L10

L10=數(shù)值2025/4/1943系統(tǒng)工程理論、方法與應用2、一階正反饋回路

年人口增加人口數(shù)（+）P+PR

PR

PC1（人口年自然增長率0.02）。。LP?K=P?J+DT*PR?JKNP=100RPR?KL=C1*P?KCC1=0.02

PPR0100211022.042104.042.0808┆┆┆P1000一階正反饋（簡單人口問題）系統(tǒng)輸出特性曲線t2025/4/1944系統(tǒng)工程理論、方法與應用3、一級負反饋回路庫存量庫存差額訂貨量+(—)R1DI—+期望庫存Y1000

Z（訂貨調整時間，5）I

R1D

Y（6000）。。。。LI?K=I?J+DT*R1?JKNI=1000RR1?KL=D?K/ZAD?K=Y-I?KCZ=5CY=6000

IDR10100050001000120004000800228003200640┆┆┆┆It10000

一階負反饋（簡單庫存控制）系統(tǒng)輸出特性曲線2025/4/1945系統(tǒng)工程理論、方法與應用3、一級負反饋回路庫存量庫存差額訂貨量+(—)R1DI—+期望庫存Y1000

Z（訂貨調整時間，5）I

R1D

Y（6000）。。。。LI?K=I?J+DT*R1?JKNI=1000RR1?KL=D?K/ZAD?K=Y-I?KCZ=5CY=6000

IDR10100050001000120004000800228003200640┆┆┆┆It10000

一階負反饋（簡單庫存控制）系統(tǒng)輸出特性曲線2025/4/1946系統(tǒng)工程理論、方法與應用4、簡單庫存控制系統(tǒng)的擴展(1)庫存量入庫量途中存貨量訂貨量庫存差額I—（—）—+（—）GR2+R1+。。。。。。Z（5）Y（6000）

I

G100001000R1

R2DW（10）LG?K=G?J+DT*(R1?KL-R2?JK)CY=6000LI?K=I?J+DT?R2?JK