第四章-系统仿真及系统动力学方法

系统工程第一章系统工程概论第三章系统模型与模型化第五章系统评价方法第七章战略研究与管理第二章系统工程方法论第四章系统仿真及系统动力学方法第六章决策分析方法第八章系统工程应用实例第四章系统仿真及系统动力学方法第一节系统仿真概述第二节系统动力学结构模型化原理第一节系统仿真概述一、系统仿真的概念、实质及作用二、系统仿真的方法三、系统动力学的发展及特点一、系统仿真的概念、实质及作用1.基本概念所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。流程仿真、三维仿真、产品仿真、装配过程仿真、机加工过程仿真等。工艺仿真仿真需要模型一、系统仿真的概念、实质及作用2.系统仿真的实质

(1)它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。

(2)仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。

(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。一、系统仿真的概念、实质及作用3.系统仿真的作用

(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。

(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。

(3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。

(4)通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。二、系统仿真的方法系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。连续系统是指系统中的状态变量随时间连续地变化的系统；（数学模型）离散系统是离散事件动态系统的简称，是指系统状态变量只在一些离散的时间点上发生变化的系统。（服务模型、到达模型等）二、系统仿真的方法在以上两类基本方法的基础上，还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。系统动力学方法通过建立系统动力学模型(流图等)、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。三、系统动力学的发展及特点1、由来和发展麻省理工学院J.W.Forrester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。始于20世纪50年代后期20世纪70年代以来，两次挑战近年来，SD正在成为一种新的系统工程方法论和重要的模型方法，渗透到许多领域，尤其在国土规划、区域开发、环境治理和企业战略研究等方面，正显示出它的重要作用。三、系统动力学的发展及特点2、研究对象系统动力学的研究对象是社会（经济）系统。该类系统的突出特点是：（1）社会系统中存在着决策环节；（2）社会系统具有自律性；（3）社会系统的非线性。三、系统动力学的发展及特点3、系统仿真模型的特点（1）多变量；由动态特性和复杂性决定（2）定性分析和定量分析相结合；由结构模型和数学模型组成（3）以仿真实验为基本手段和以计算机为工具；（4）可处理高阶次、多回路、非线性的时变复杂系统问题。三、系统动力学的发展及特点4、系统动力学仿真的工作程序认识问题界定系统要素及其因果关系分析建立结构模型建立数学模型仿真分析比较与评价政策分析（流图）（DYNAMOY方程）

第二节系统动力学结构模型化原理一、SD的基本原理决策行动信息系统状态水准变量信息流（行动）（决策函数）（系统状态）四个基本要素、两个基本变量和一个基本思想说明：（1）信息流与物流不同，前者源于对象系统内部，后者源于系统外部；（2）信息是决策的基础，通过信息形成反馈回路是构造SD模型的重要环节。第二节系统动力学结构模型化原理二、因果关系图和流（程）图1.因果关系图（1）因果箭：因果箭：因果链：原因结果＋原因结果－－结果＋＋因果链的极性：正、负1.因果关系图（2）因果（反馈）回路利息（元/年）银行货币＋出生人口人口总量－死亡人口＋利率＋＋（＋）库存量库存差订货－＋（－）＋＋（－）（＋）投资（元/年）工业资本－折旧（元/年）＋＋＋（－）（＋）期望库存平均出生率平均死亡率平均资本投资率平均资本折旧率1.因果关系图（2）因果（反馈）回路读者意见有效的读者意见对服务质量的重视程度人口消费水平消费偏见生产分配流通资源消耗或占用量资源存量－＋＋（－）＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－（－）（－）（＋）2、流（程）图（1）流图符号

①流

实物流信息流②速率变量

③水准变量

L1④辅助变量

A1。R1R1(

)。物资、设备、人、资金等2、流（程）图（1）流图符号⑤参数（量）

（常量）（初值）⑥源与洞

⑦信息的取出

L1。A1。。2、流（程）图（2）流图绘制程序和方法①明确问题及其构成要素；②绘制要素间相互作用关系的因果关系图。注意一定要形成回路；③确定变量类型（L变量、R变量和A变量）。将要素转化为变量，是建模的关键一步。在此，应考虑以下几个具体原则：a.水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点；而速率（R)变量只在一个时段才有意义。b.决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L变量。c.在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量不能直接相连。d.为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量在数量上一般是较多的。④绘制SD流图。

在绘制流图时，应特别注意形成正确的回路和用好信息连接线，并注意不要把不同的实物流直连在一起(参见下例)。XFS（分到新房户数）YMS（已买家俱新房户数）FFL(分房数量)XSL(家俱数量)（未分到新房户数）（未买家俱户数）

[错误]

XFSYMS[正确]

举例

L1R1（利息1）C1(利率)IR1(订货量)库存量DY(期望库存)（库存差额）PR1R2(出生人口)(人口总量)(死亡人口)C1（出生率）C2（死亡率）组织改善组织绩效组织缺陷。

举例商店库存问题。P90三、基本反馈回路的DYNAMO仿真分析1、基本DYNAMO方程

DYNAmicMOdel水准方程（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,…)辅助方程（A方程）

AA1·K=g(L1·K,A2·K,R1·JK,…)赋初值方程（N方程）

NL1=数值或L1=L10

L10=数值常量方程（C方程）

CC1=数值{

2、一阶正反馈回路

年人口增加人口数（+）P+PR

PR

PC1（人口年自然增长率0.02）。。LP•K=P•J+DT*PR•JKNP=100RPR•KL=C1*R•KCC1=0.02

PPR0100211022.042104.042.0808┆┆┆p1000一阶正反馈（简单人口问题）系统输出特性曲线3、一级负反馈回路

库存量库存差额订货量+(—)R1DI—+期望库存Y1000

Z（订货调整时间，5）I

R1D

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

IDR10100050001000120004000800228003200640┆┆┆┆It10000

一阶负反馈（简单库存控制）系统输出特性曲线4、简单库存控制系统的扩展

库存量入库量途中存货量订货量库存差额I—（—）—+（—）GR2+R1+Z（5）Y（6000）

I

G100001000R1

R2DW（10）。。。。。。LG•K=G•J+DT*(R1•KL-R2•JK)LI•K=I•J+DT•R2•JKRR1•KL=D/ZAD=