区域物流系统动力学模型及其算法分析_桂寿平

收稿日期:2003-04-15

作者简介:桂寿平(1953-),男,教授,主要从事物流技术、物流规划及管理研究.文章编号:1000-565X(2003)10-0036-05

区域物流系统动力学模型及其算法分析

桂寿平 朱 强 陆丽芳 吕英俊 桂程飞

(华南理工大学交通学院,广东广州510640)

摘 要:根据中国区域经济的发展趋势,将系统动力学基本原理与现代物流有机结合,探讨了区域物流系统动力学的全新理念与建模方法,并根据区域物流系统动力学模型的特点,推导出了其数学解析式.通过对珠江三角洲区域物流系统的分析,论证了该模型的实用性与理论指导意义,为区域物流系统的整合与调配提供了一种新的研究方向.

关键词:区域物流;系统动力学模型;物流系统分析

中图分类号:F51;N9 文献标识码:A

物流已成为我国经济发展的重要因素之一,但我国的物流理论研究与经济发达国家相比仍显滞后.在经济发展较快、经济需求总量日增的情形下,物流业的发展缺乏系统性与大集成化,局部区域物流业发展的方向定位不明确,缺乏具有实际意义的理论指导,物流市场的需求分析与实际状况存在差距.

区域物流系统的合理化研究,以强化区域物流系统对区域经济发展的支撑力度、提高城市群整体综合功能为目的.随着工业化进程的加快,大城市或城市群的物流发展遇到很多棘手问题,如产业结构不合理、交通拥挤、外来人口高速增长、土地和住房价格飞涨等.对这些问题,由于相关复杂因素较多,应用传统的方法很难作出全面、正确的分析.因此,应用系统动力学的方法对一个经济区域的物流系统进行系统研究,建立相应的模型,并对该区域的物流相关问题作全面分析,使得在一较长时期内能对其进行正确的定量分析尤显必要[1,2].

1 区域物流系统动力学模型的组成及

建模步骤

传统的管理、组织理论和各类系统相应的基本理论为建立区域物流系统动力学模型提供了信息、经验和判断依据,它们与反馈理论融合即可提炼出系统的动力学模型.现代的计算机仿真技术提供了廉价、有力的仿真计算手段,使我们能根据模型方便地分析系统动态行为、评价政策,从而达到政策分析及优选目的[3].

区域物流系统动力学模型的组成如图1所示,相应的建模流程如图2所示[4]

.

图1 区域物流系统动力学模型的组成

F ig.1 Co mpo sit io n of the sy stem dynam ics m odel of

r egio nal log istics

根据系统动力学模型的建模流程,可以得出系统动力学研究的基本过程,分为6个部分:问题定义、模型概念化、模型数学表达、仿真、评价及政策分析.

模型的数学表达、仿真和政策分析3个阶段,完全按照反馈结构用DYNAM O语言表达,分析模型行为并依据相关统计数据评价行为的拟合度.政策分析则是通过效果检验得出模型的社会经济发展的适用程度.

华南理工大学学报(自然科学版)

第31卷第10期Jo urnal of So uth C hina Univ ersity o f Techno logy V o l.31 N o.10 2003年10月(Natur al Scie nce Editio n)O ctober 2003

图2 区域物流系统动力学模型的建模流程Fig.2 Flowchart of modeling the sys tem dynamics model of

r eg io nal lo gistics

2 区域物流系统动力学模型的建立

2.1

区域物流系统因果关系分析

图3 区域物流系统动力学模型的基本因果关系Fig.3 Basic

causality of the sy stem dy na mics model of

r egiona l log istics

在深入剖析物流系统的基础上,我们得到了如图3所示的物流系统的因果关系.在基本因果关系图中,包括如图4所示的几个基本反馈环[2].

环(a)为负反馈环,表示经济的发展将引起物流需求的增加,导致物流系统能力的短缺,货物积压,从而限制经济的进一步发展.环(b)为正反馈环,表示随社会经济发展,国家将增加物流设施投资,从而改善了物流供给状况,最终促进国民经济的进一步增长.供给的增加将使物流部门完成更多的物流量,在一定条件下能自我发展.环(c)为正反馈环,它描述了物流产业或物流企业的自我发展机制.物流供给能力的改善,将使物流企业能够完成更多的物流量,从而增加了物流企业的营业收入,使其在一定的条件下能够自我发展.环(d)为负反馈环,该环表示物流市场价格对物流需求的调节作用.环(e)为负反馈环,它表示物流市场价格对物流供给能力的调节机制.

图4 基本因果反馈环

F ig.4 Basic causalit y fe edback r ings

2.2 区域物流系统动力学模型的建立

区域物流系统可划分为5个模块:经济增长子构造、人口子构造、消费水平子构造、物流需求子构造和物流能力子构造.根据以上子构造,并在分析区域物流系统基本因果关系的基础上,可得出如图5所示的区域物流系统动力学模型.

3 区域物流系统动力学模型的数学方程

以5个水平变量(X 1~X 5)的反馈系统表述区域物流系统.系统向量的动态方程为[1~

3]

:

X 1=C 11X 1-C 15X 5(1) X 2=C 22X 2

(2) X 3=C 33X 3+C 32X 2

(3) X 4=C 44X 4+C 41X 1+C 43X 3

(4)

第10期桂寿平等:区域物流系统动力学模型及其算法分析37

图5 区域物流系统动力学模型

F ig.5 System dynam ics mo del o f r eg io nal lo gistics

X 5=C 55X 5+C 51X 1(5)故有

X =AX

(6)

式中,X R m

,A =

C 11000-C 150

C 2200 00C 32C 330 0C 410C 43C 44

0C 51

C 55

,

A 为转移矩阵,C 11为经济自增长率与阻碍率之差,C 15为延迟和理想物流费用对经济增长的阻碍系数,C 22为人口出生率与人口死亡率之差,C 32为人口生活消费对消费增长的影响系数,C 33为消费水平增长率与消费水平阻碍率之差,C 41为社会总产值对物流需求的促进系数,C 43为消费阻碍率对物流需求的促进系数,C 44为物流需求增长率与物流需求阻碍率之差,C 51为社会对物流部门投资量的作用系数,C 55为物流能力增长率与物流能力阻碍率之差.

由此得出系统的状态空间表达式如下:

X =AX =

C 11000

-C 150

C 220000C 32C 3300C 410C 43C 440C 51

C 55

X 1

X 2X 3X 4X 5

(7)

式(6)为线性定常系统齐次方程.当系统的初始时刻为t 0=0时,初始状态为X (0),即X (t 0)=X (0).

方阵A 的特征方程为 I -A = -C 11

000C 150 -C 220000-C 32 -C 3300-C 410-C 43 -C 44

0-C 51

-C 55

=0

(8)

式中, 为特征方程的根,I 为单位矩阵.

由此得出特征向量矩阵T :

T =

-

C 11+C 55-

2C 51

C 11-C 55-

2C 51

00(C 22-C 33)(C 22-C 44)

C 32C 43

0000C 22-C 44

C 43

C 33-C 44

C 43

01C 41(-C 11+C 55- )2C 51(-C 11-C 55- +C 44)

C 41(-C 11+C 55+ )2C 51(-C 11-C 55+ +C 44)

110

1

1

0,

其中 =

C 2

11-2C 11C 55+C 2

55-4C 51C 15.

又因为A =T T

-1

,

38 华南理工大学学报(自然科学版)第31卷

= 1

20

3

0 4

5

,其中 1, , 5为方阵

A的特征根,故有

(t)=e A(t-0)=T e 1t

e 2t0

e 3t

0e 4t

e 5t

T-1=

R11R12R13R14R15

R21R22R23R24R25

R31R32R33R34R35

R41R42R43R44R45

R51R52R53R54R55

.(9)

(t)=e A(t-0)表示由系统初始状态引起的系统的运动.

由此得区域物流系统数学模型的解析表达式:

X(t)= (t)X(0)(10) 4 珠江三角洲区域物流系统分析

下面以珠江三角洲为研究对象,对该区域的数据进行计算及系统仿真,根据计算及仿真的结果来分析区域物流模型的结构和特性.

4.1 数学方程的求解

珠江三角洲区域物流系统动力学模型的数学表达式的初值列于表1.

表1 数学方程的初值(1999年)

T able1 Initia l v alues o f the mathem atica l equatio n

(in1999)

变量初值

社会总产值/百万元643990

区域常住人口数量/万人2262.14

消费量/百万元248704

物流需求/万吨78456

物流能力/万吨39748

将表1所列各初值代入X(t0)=X(0),可得

X(t0)=X(0)=

643990 2262.14 248704 78456 39748

.

将上式和式(9)代入式(10),得

X(t)= (t)X(0)=

643900R11+2262.14R12+248704R13+78456R14+39748R15 643900R21+2262.14R22+248704R23+78456R24+39748R25 643900R31+2262.14R32+248704R33+78456R34+39748R35 643900R41+2262.14R42+248704R43+78456R44+39748R45 643900R51+2262.14R52+248704R53+78456R54+39748R55

.

4.2 社会总产值(G DP)发展仿真

社会总产值的仿真结果如图6所示.由仿真结果可以看出,珠江三角洲区域的社会总产值在1999年以后的20年里将持续上升,虽然自增长率在此期间出现上下波动,但是并不影响整个社会总产值的发展趋势.珠江三角洲区域社会总产值在1999年为6438.89亿元,到2009年将达到16467.9亿元左右,较1999年增长156%,而到2019年将达到40101 1亿元,较2009年增长143%.这说明随着经济的发展,国民经济的增长率将减缓,但是由于社会总产值的基数越来越大,经济的增长量也就越来越大.

图6 社会总产值仿真曲线

Fig.6 Simulatio n cur ve o f G D P

4.3 物流需求量变化仿真

由图7所示的物流需求仿真曲线可知,珠江三角洲区域的物流需求量越来越大,这一方面是社会经济发展的要求,另一方面是由于随着物流供需渐趋平衡的发展,人们对物流的需求量越来越大.因此,必须发展区域物流业,以满足社会及大众的需要.

图7 物流需求仿真曲线

Fig.7 Simulatio n curv e o f log istics need

第10期桂寿平等:区域物流系统动力学模型及其算法分析39

4.4 物流供给能力变化仿真

物流供给能力的仿真结果如图8所示.由仿真结果可以看出,物流供给能力在1999年以后的20年间将持续上升,珠江三角洲区域的物流供给能力在1999年为39748万吨,到2019年将增加到919081万吨,年增长率为22.12%.由于社会对物流的需求量是逐年增加的,因此物流供给能力也必须不断提高,才不会严重阻碍社会经济的发展

.

图8 物流供给能力仿真曲线

F ig.8 Simulation curv e o f log istics supply a bility

4.5 物流成本变化仿真

物流成本的仿真曲线如图9所示.由图9可以看出,物流成本总体呈下降趋势,在2005~2009年期间有微弱的局部上升趋势,这是因为此前物流成本的下降促使物流需求增加,物流需求的增加反过来又使物流供需比下降,使得物流成本增加.随着社会投资效果的发挥以及物流供给能力的提高,物流成本将越来越小,这是符合社会发展愿望的.由图9可见,物流成本的下降速度偏低,在20年的时间内,物流成本降低了0.17百万元/万吨.2019年物流成本还在1百万元/万吨以上,这是不理想的.因此,要想方设法降低物流成本

.

图9 物流成本仿真曲线

F ig.9 Sim ulatio n cur ve of lo gistics cost

5 结束语

本研究中所提出的区域物流系统动力学模型提供了一种新的方法,利用该方法,相关决策机构与有关部门可结合实际状态,在系统结构复杂、历史数据

少的情况下,建立区域物流系统动力学模型,了解区域物流系统的内部结构和动态行为特征,深化对区域物流系统本质的认识,并利用它来进行物流规划与政策对实际经济发展作用的模拟.参考文献:

[1] 桂寿平,何秋,朱强.系统动态学在区域物流系统研究

中的应用[J].起重运输机械,2002(329):1-4.[2] 何秋,桂寿平,朱强.区域物流系统动态学模型的建立与合

理性检验[J].交通与计算机,2002,20(106):30-33.[3] 王其藩.系统动力学[M ].北京:清华大学出版社,

1994.

[4] 王佩玲.系统动力学 社会系统的计算机仿真方法

[M ].北京:冶金工业出版社,1994.

System Dynamics M odel of Regional Logistics and

its Algorithm A nalysis

Gui Shou-ping Zhu Qiang Lu Li -fang L Ying -jun Gui Cheng -fei

(Co llege o f Tr af fic &Com munications,So uth Ch ina U niv.of T ech.,G uangzho u 510640,China)

Ab stract:Acco rding to the development trend of Chinese regional economy,and with the organic combination between the basic principle o f system dynam ics and mo dern lo gistics,a new idea and the corresponding modeling method of system dynamics of regional logistics were investigated.Then,according to the characteristics of the system dynamics model,the mathematical equation o f the system w as deduced.By the analysis of logistics sys -tem of the Pearl Delta area,the practicability of the mo del and the instructional meaning of the theory w ere proved,w hich pro vides a new research direction for the integration and harmony of regio nal logistics system.Ke y words:reg ional log istics;system dynam ics m odel;log istics sy stem analy sis

40 华南理工大学学报(自然科学版)第31卷