系统动力学研究方法

系统动力学研究方延博

系统动力学系统动力学(简称SD—systemdynamics)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年为分析生产管理及库存管理等企业问题而提出的系统仿真方法，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。它基于系统论，吸收了控制论、信息论的精髓，是一门综合自然科学和社会科学的横向学科。系统动力学（systemdynamics）运用“凡系统必有结构，系统结构决定系统功能”的系统科学思想，根据系统内部组成要素互为因果的反馈特点，从系统的内部结构来寻找问题发生的根源，而不是用外部的干扰或随机事件来说明系统的行为性质。SD 工作程序1认识问题2界定系统3要素及其因果分析4建立结构模型5建立量化分析模型6仿真分析7评价与比较8政策分析适用对象适用于处理长期性和周期性的问题。如自然界的生态平衡、人的生命周期和社会问题中的经济危机等都呈现周期性规律并需通过较长的历史阶段来观察，已有不少系统动力学模型对其机制作出了较为科学的解释适用于对数据不足的问题进行研究。建模中常常遇到数据不足或某些数据难于量化的问题，系统动力学藉各要素间的因果关系及有限的数据及一定的结构仍可进行推算分析。适用于处理精度要求不高的复杂的社会经济问题。上述总是常因描述方程是高阶非线性动态的，应用一般数学方法很难求解。系统动力学则藉助于计算机及仿真技术仍能获得主要信息强调有条件预测。本方法强调产生结果的条件，采?quot;如果……则"的形式，对预测未来提供了新的手段社会经济系统突出特点1.存在决策环节，社会系统的行为总是经过采集信息并按照某个政策进行信息加工处理做出决策后出现的决定了他是一个经过多次比较反复选择优化的过程。2.社会系统具有自律性。就是自己做出决策自己管理控制约束自身的能力和特性。3.社会系统的非线性。非线性是指社会现象中原因和结果之间呈现的极端非线性关系。基本概念因果反馈。如果事件A（原因）引起事件B（结果），AB简便形成因果关系。若A增加引起B增加，称AB构成正因果关系；若A啬引起B减少，则负因果关系。两个以上因果关系链首尾相连构成反馈回路，亦分正、负反馈回路积累。本法视社会经济状态变化为由许多参变量组成的一种流，通过对流的研究来掌握系统性质和运动规律。流的规程量便是"积累"，用以描述系统状态，系统输入输出流量之差为积累增量。"流率"表述流的活动状态，亦称决策函数，积累则是流的结果。任何决策过程均可用流的反馈回路描述。流图。流图由"积累"、"流率"、"物质流"、"信息流"等符号构成，直观形象地反映系统结构和动态特征。延迟。任何决策实施均需一定时间，此现象即为延迟。图上不易表述，通常用计算机程序中延迟指令来实现/仿真语言。为使用方便，设计了DYNAM0专用语言，备有20多种函数，只需输入系统动力学议程和必要参数，即可向用户提供结果系统动力学核心思想是反馈控制工作原理是首先对实际系统进行观察。采集有关对象系统的信息随后使用有关信息进行决策依据决策结果采取行动行动又作用实际系统使系统状态发生变化这种变化又为观察者提供新的信息从而形成系统中的反馈回路正反馈回路具有自我强化作用负反馈回路具有内部稳定器作用也可以说是自动寻求给定目标高阶反馈回路实例甘肃省两西地区扶贫开发移民对策的系统动力学仿真研究甘肃省两西地区指甘肃的河西地区和定西地区为代表的中部干旱地区，这两个地区连同宁夏的西海固地区共成为“三西”地区，是我国集中连片的最贫困地区之一。从1983年起，在国家“三西”专项资金的支持下，甘肃省开始了两西地区扶贫开发建设，其中一项重要的建设内容就是将中部贫困地区的部分人口移往具有良好发展前景的河西走廊地区和中部引黄灌区，以缓解中部人口压力，恢复当地生态平衡，集中人力、物力、财力建设河西地区和中部黄灌区的开发。这样的移民有别于以往任何形式的移民，称作“扶贫开发移民”。这种扶贫开发移民的动力机制，主要来自三个方面。其中，第一方面是来自于中部地区贫困地区由于人口、贫困及生态环境问题所产生的推力；第二方面是来自于河西走廊灌区和中部引黄灌区良好的生产生活条件所产生的拉力；第三方面是国家和地方政府的政策引导与支持1界定系统模型仿真的时间界限定为1993～2008年，空间边界为甘肃中部地区和河西地区。中部地区包括定西、临洮、通渭、陇西、永靖、东乡、静宁、庄浪、华池、环县、秦安、永登、榆中、皋兰、靖远、会宁、景泰、白银区、平川区、古浪县等20个县（区）。河西地区包括张掖地区、酒泉地区、金昌市、嘉峪关市及部分国营农场。系统界限内还包括水利建设资金的投入，开发的难易程度（用土地开发成本表示），开发规模（用新增有效灌溉面积表示），国家政策优惠程度（用人均水地划分指标、新增灌溉面积分配给移民的比例表示），移民规模（用迁移人数表示）2系统的反馈结构从图中可以看出，河西地区移民系统中存在一个正反馈环，中部地区移民系统则存在一个反馈环。这表明，河西地区是今后移民的主战场，是国家投资建设的重点。3DYNAMO模型这里采用PDPlus软件提供的数组描述方式，用下标M与W分别代表中部地区与河西地区。模型主要方程式如下：LXZGM.K(A)=XZGM.J(A)+DT*XGZL.JK(A)新增有效灌溉面积RXGZL.KL(A)=DTZL.KL(A)/KFC(A)有效灌溉面积增长速率RDTZL.KL(A)=DELAY3(TZLKL(A).DEL(A))实际投资速率LDTZ.K(A)=DTZ.J(A)+DT*(DTZL.JK(A)实际投资率RTZL.KL(A)=STZ.K(A)投资速率AGXZGM.K=SUM(XZGM.K)新增有效灌溉总面积AGDTZ.K=SUM(DTZ.K)实际总投资LPQY.KL(A)=XGZL.KL(A)*YMGMB.K(A)/AVRD.K(A)迁移速率RQYL.KL(A)=XGZL.KL(A)*YMGM.K(A)/AVRD.K(A)迁移速率AGPQY.K=SUM(PQY.K)总迁移人口4模型的模拟调试、评价及对策分析

模型真实性、可靠性及有效性检验

在综合分析甘肃省两西地区移民前十年统计资料的基础上，本着合理选择参数的原则，笔者对两个地区的移民活动进行了仿真模拟，通过反复调试与合理修改，输出结果与历史数据基本吻合，变化规律一致，表明本模型与真实系统具有较好的对应性，能够满足研究目的，是可靠而有效的在仿真过程中，笔者确定了投资速率、水地开发成本、人均水地指标、新增有效灌溉面积分配给移民的比例作为方案变动的基础，它们的变动基于下列因素：

A)全国扶贫任务很重，国家财力紧张，今后甘肃省两西地区的建设投资不打算再增加。B)今后将从甘肃省两西地区移民费用中抽出一部分投入甘肃陇南山区的移民工作中。

C)考虑物价上涨因素，土地开发成本将有所上升

D)根据有关资料，随着灌溉技术的不断进步，灌溉定额到2000年以后可能减小一半。E)国务院规定从1992年1月1日起划分给移民的水浇地面积不得超过0.1hm2/人，这是因为安置移民的要求是帮助解决温饱，不是达到小康。F)如果考虑科技进步因素，如灌溉定额下降，水资源开发利用程度增强，则新增有效灌溉面积还会增加。通过仿真运算制定了6种移民方案。方案Ⅰ比较保守，在1992年的基础上只将水地开发成本指标提高，结果表明，2000年能超额完成原定后八年30万人的迁移任务，将多迁移16万人。其中，中部地区多迁移入14万人，河西地区多迁入2万人。2008年移民总数将达到116万人。方案Ⅱ表明，在方案Ⅰ的基础上，若把新增有效灌溉面积分配给移民的比例分别降低为中部地区50%和河西地区40%时，仍能顺利完成移民任务，2000年还可以多迁入2.3万人，2008年移民总数达到90万人。方案Ⅲ表明，在前两项方案的基础上，将人均水地指标和新增有效灌溉面积分配给移民的比例都稍作提高，仍能保证30万移民任务的实现，2000年移民达64万人，2008年移民达93万人，其中中部地区58.5万人，河西地区34.6万人。方案Ⅳ与方案Ⅴ表明，当投资递减时，在人均水地指标取不同值的情况下要保证2000年移民任务的完成，新增有效灌溉面积分配给移民的比例所取的上限与下限值。在方案Ⅳ中，这一比例分别取值中部地区50%与河西地区40%，2000年移民达到61.1万人，2008年达到80.8万人；在方案Ⅴ中，这一比例均取值70%，2000年移民达到62.6万人，2008年达到83.3万人。方案Ⅵ考虑了科技进步因素，将水地开发成本降低，结果表明在人均水地指标和新增有效灌溉面积分配给移民的比例两个数值都较低的情况下，仍能保证到2000年再迁30万人任务的完成，2008年总迁移人数至少可达91万人。当然，16年间两西地区发展变化必然很大，而方案Ⅰ中变动因素很少，故笔者认为其结果偏高，仅作为决策者的参考。上述方案共同的特点是均选择了一些极端点来仿真，对于人均水地指标与新增有效灌溉面积分配给移民的比例这两个参数的选择就体现了这种特点。基于全面地进行仿真还比较困难，这样做能够简化问题，只提供答案的上下限，便于决策人更灵活地选择行动方案。5结论与政策建议①从仿真结果看，甘肃两西地区移民的速度主要取决于投资速率，开发成本，人均水地指标，这三个要素为敏感要素。②建议在不影响移民基本任务完成的前提下，适当提高人均水地指标。③模型中将甘肃省两西地区人口自然增长做