系统动力学预测模型
系统动力学模型
系统动力学模型什么是系统动力学系统动力学是一种研究系统行为的方法和工具，它主要关注系统结构形成的动力学过程。
它可用于预测系统变化的趋势和影响，以及设计改变系统行为的政策。
系统动力学是一种模拟性思维工具，用于解决涉及许多互相联系的因素的复杂问题，例如企业管理、城市规划、环境保护、流行病传播等。
系统动力学建立在一系列原理之上，包括动态、非线性、复杂性和反馈。
它将系统看作一个有机整体，受到内部和外部因素的相互作用和影响。
系统动力学的核心是建立一个结构模型，该模型基于特定系统的组成部分，系统变量和它们之间的动态关系。
系统动力学模型的基本组成部分一个典型的系统动力学模型包括以下四个主要部分：构建系统结构图系统结构图是系统动力学模型的核心。
它包括不同变量之间的关系，变量可以是数量、资料、质料、阈值或事件。
结构图可以通过新陈代谢循环、储备、增值、流动和调控来定义系统变量和它们的依赖关系。
确定变量因素每个系统变量都受多种因素的影响，并与其他变量相互影响。
变量因素可能是外部因素，如市场需求、公司预算、环境限制等，也可能是内部因素，如员工行为、财务报告、产品质量等。
定义动态性系统动力学模型是建立在动态性基础上的。
变量不断变化，相互作用和影响会产生系统行为和性能的变化。
动态模型可以从时间维度中展现出来，当然还要考虑到周期性和规律性。
分析政策通过模型的分析，会得出许多新见解，从而制定出需要采取的具体政策和措施。
可以评估不同政策的影响，从而制定最佳的决策方案。
系统动力学模型的使用系统动力学模型非常适合用于下列场景：多变量和相互影响如果一个问题涉及许多因素和相互的影响，系统动力学模型是一种非常有效的解决方案。
它允许解决复杂的问题，包括环境、制造、管理、公共政策等。
长期影响系统动力学模型还可以用于评估政策和措施的长期效果，以及它们及其组合可能产生的复杂后果。
它可以帮助预测趋势和影响，为政策制定提供依据。
数据不足当您对一个系统缺少足够的信息时，使用系统动力学模型可以预测未来的变化趋势，并识别最重要的变量和因素。
系统动力学模型
如：
用
表示。
系统动力学的建模步骤
例1：建立“一阶库存管理系统”的系统动力学模型，并分析系统 的
动态趋势。
例2,: 建立“二阶库存管理系统”的系统动力学模型，并分析系统 的
动态趋势。
思考题
• 物流系统的系统动力学模型构建
• 决策变量（又称流率）（r）：
描述系统物质流动或信息流动积累效应变化快慢的变 量，其具有瞬时性的特征。
——反映单位时间内物质流动或信息流量的增加或 减少的量
——相对量、速度、微积分中的变化率等
决策变量符号表示：
注 意：
(3) 常数：描述系统中不随时间而变化的量，
用
表示。
如：
(4) 辅助变量：从信息源到决策变量之间，起到辅助表达信息反 馈决策作用的变量。
——流图能反映出物质ห้องสมุดไป่ตู้积累值和积累效应变化快慢的区别
2. 流图 :
流图确定反馈回路中变量状态发生变化的机制，明确表 示系统各元素间的数量关系，反映物质链与信息链的区 别，能够反映物质的积累值及积累效应变化快慢的区别。
(1). 物质链与信息链
物质链：系统中流动的实体，连接状态变量 是不使状态值变化的守恒流。
物质链符号表示：要素A→要素B
• 信息链：连接状态和变化率的信息通道，是与因果关系相连 的信息传输线路。
信息链符号表示：A O···→B
（2）状态变量与决策变量
• 状态变量（又称流位）（x）：
描述系统物质流动或信息流动积累效应的变量，表 征系统的某种属性，有积累或积分过程的量
—— 绝对量、位移、微积分中的积分量等
1. 因果关系图: 2. 因果链：
3. 反馈回路：
综合“因果关系图”：
系统动力学模型
系统动力学模型系统动力学模型是指它是一种分析和模拟物理系统及其动力学过程的数学技术。
它可以用来研究运动学，控制系统，流体动力学，形式力学，电学，冲击学和弹性动力学等领域的数学模型，并可用于实际的工程问题的解决。
系统动力学模型基于物理系统的动力学处理和控制问题，用来研究物体的运动行为。
例如，系统动力学模型可以用来探讨汽车的运动性，即汽车在不同条件下的行驶特性，以确定汽车行驶性能的最佳状态。
此外，系统动力学模型还可以模拟任意静力学，力学，流体力学或热力学系统的运动模式。
系统动力学模型的建立要求具备完备的物理基础知识，形成一个系统模型的首要任务是了解物理系统的特性和行为，因此必须确定物理系统的运动方程和力学特征，物理量的表达式在构建模型时必须明确。
模式构建完成后，需要求解模型，并将模型运用到实际问题中，用以求解物理过程及其动力学运行状态。
为此，我们可以使用计算机模拟技术来求解模型，用以检验结果的正确性和准确性。
系统动力学模型在很多领域中都发挥着重要的作用，例如机械系统的设计，控制系统的调整，电子电气系统的设计，机器人的控制，航空航天技术，建筑工程设计等。
例如，在机器人技术中，系统动力学模型可以模拟机器人的运动特性，帮助机器人决定如何完成任务。
此外，系统动力学模型在工程设计中也有广泛应用，可用于分析和解决工程设计问题，以便改善工程性能。
例如，系统动力学模型可以帮助分析和解决结构物振动问题，提高结构物的稳定性和耐久性，以及改善系统的可靠性。
此外，系统动力学模型也可以帮助优化控制系统的性能，以提高系统的功率和可靠性。
综上所述，系统动力学模型是一个强大的工具，可以帮助我们研究和分析物理系统及其动力学过程，从而有效地改善工程性能。
它在机械，控制，电子，航空航天等各个领域都有广泛的应用，并被广泛用来分析和解决工程设计问题。
《系统动力学模型》课件
3 交通拥堵问题
利用系统动力学模型分析 交通系统中的关键影响因 素，提出拥堵缓解策略。
总结
系统动力学模型的优 点
能够综合考虑各种因素的复杂 相互关系，揭示潜在的系统行 为规律。
系统动力学模型的局 限性
构建和验证模型需要大量的数 据和计算资源，并且容易受到 参数估计误差的影响。
系统动力学模型的未 来发展
3
1 972 年
《The Limits to Growth》的发表使系统动力学模型成为一个热门研究领域。
系统动力学基本理论
系统动力学图形符号、流量与库存的关系以及系统动力学中的反馈思想是构建系统动力学模型的基本理论。
系统动力学模型的构建
步骤一：制定概念模 型
定义系统的边界和范围，确定 系统中的因素。
步骤二：建立定量模 型
全面考虑建模元素，建立动态 模型方程。
步骤三：模型验证和 仿真
模型验证的用案例
1 企业资源分配问题
通过系统动力学模型优化 企业的资源配置方案，提 高经济效益。
2 环境污染问题
应用系统动力学模型预测 环境污染的发展趋势，制 定相应的环境保护措施。
复杂性分析
适用于复杂问题，帮助发现问题背后的潜在因果 关系。
系统动力学模型的应用领域
商业与管理 公共政策 能源与资源管理
环境与可持续发展 社会科学 健康与医疗
系统动力学模型的历史发展
1
1940年代
系统动力学的基本概念和方法首先由Jay W. Forrester提出。
2
1960年代
MIT的Jay W. Forrester开始使用计算机来构建和模拟系统动力学模型。
(完整版)系统动力学模型案例分析
系统动力学模型介绍1.系统动力学的思想、方法系统动力学对实际系统的构模和模拟是从系统的结构和功能两方面同时进行的。
系统的结构是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。
而系统的功能是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构和功能，分别表征了系统的组织和系统的行为，它们是相对独立的，又可以在—定条件下互相转化。
所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素，才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。
系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。
其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度，而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系和相互作用关系与实际系统结构的一致程度。
模拟过程中所需的系统功能方面的信息，可以通过收集，分析系统的历史数据资料来获得，是属定量方面的信息，而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识和理解程度，其中也包含着大量的实际工作经验，是属定性方面的信息。
因此，系统动力学对系统的结构和功能同时模拟的方法，实质上就是充分利用了实际系统定性和定量两方面的信息，并将它们有机地融合在一起，合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。
2.建模原理与步骤(1)建模原理用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就是系统动力学的系统观和方法论。
系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性和相似性。
系统内部的反馈结构和机制决定了系统的行为特性，任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。
系统动力学模型的系统目标就是针对实际应用情况，从变化和发展的角度去解决系统问题。
系统动力学构模和模拟的一个最主要的特点，就是实现结构和功能的双模拟，因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。
与其它模型一样，系统动力学模型也只是实际系统某些本质特征的简化和代表，而不是原原本本地翻译或复制。
系统动力学9种模型
系统动力学9种模型系统动力学是一种系统分析和建模方法，通过对系统的结构和行为进行建模，研究系统内部的相互作用和反馈机制，从而预测其未来的发展趋势。
在系统动力学中，有9种常见的模型，分别是增长模型、衰退模型、饱和模型、振荡模型、周期性波动模型、滞后效应模型、优化模型、风险分析模型和政策评估模型。
1. 增长模型增长模型是最基本的系统动力学模型之一。
它描述了一个系统在没有外界干扰的情况下，如何随着时间推移而不断增长。
这种增长可以是线性的也可以是非线性的。
例如，在经济领域中，GDP随着时间推移而不断增加。
2. 衰退模型衰退模型与增长模型相反，它描述了一个系统在没有外界干扰的情况下如何随着时间推移而逐渐减少。
例如，在生态学领域中，物种数量会随着时间推移而逐渐减少。
3. 饱和模型饱和模型描述了一个系统在达到某个极限之后停止增长或减少。
例如，在市场经济学中，销售量可能会在达到一定数量之后停止增长。
4. 振荡模型振荡模型描述了一个系统在内部反馈机制的作用下如何产生周期性变化。
例如，在经济领域中，经济周期的波动就是一种典型的振荡模型。
5. 周期性波动模型周期性波动模型是振荡模型的一种特殊形式，它描述了一个系统在内部反馈机制的作用下如何产生固定频率的周期性变化。
例如，在天文学中，月相变化就是一种周期性波动模型。
6. 滞后效应模型滞后效应模型描述了一个系统在外界干扰下，其响应速度比干扰发生速度慢的现象。
例如，在宏观经济学中，货币政策对经济增长的影响可能需要几个季度或几年才能显现出来。
7. 优化模型优化模型描述了一个系统如何通过最大化或最小化某个目标函数来达到最佳状态。
例如，在工业领域中，企业可能会通过优化生产流程和降低成本来提高利润率。
8. 风险分析模型风险分析模型描述了一个系统在面临不确定性和风险的情况下如何进行决策。
例如，在金融领域中，投资者可能会使用风险分析模型来评估不同投资方案的风险和回报。
9. 政策评估模型政策评估模型描述了一个系统在政策干预下如何变化。
系统动力学模型特点
系统动力学模型特点
系统动力学模型是一种应用于系统分析和控制的模型技术。
具有一系列的特点：
1. 长期决策分析
系统动力学模型的主要应用是进行长期决策分析，根据系统的历史数据进行预测，指导长期决策。
例如，全球气候变化、人口增长、经济增长等问题。
2. 重视非线性因素
系统动力学模型认为，许多系统间的关系都是非线性的，线性模型不能完全的反映真实情况。
因此，它们采用非线性方法，更好的建立出系统间的关系来。
3. 从整合的角度构建模型
在系统动力学模型中，单一因素的影响并不是最终的因素，而是所有影响因素之间相互作用的结果，模型综合了所有相关因素，从而更准确地预测和控制系统的运行和行为。
4. 强调时间因素
系统动力学模型认为，时间是最重要的因素之一，而且时间是不可逆转的。
因此，模型建立在时间因素的考虑上，可以更好地预测未来的变化。
5. 迭代与反馈
系统动力学模型逐步演化、重复检验，并通过反馈修正模型，以更准确地反映实际情况。
这种迭代和反馈的过程可以保证模型的准确性，并能更好地控制系统。
6. 多维复杂度的考虑
系统动力学模型具有很强的可扩展性和可复用性，在处理多维复杂的问题时显得尤为重要。
这种模型可以更好地应对不同方向上的数据和来源，并更加准确的预测和控制系统。
综上所述，系统动力学模型认为时间、整合、迭代和反馈是建立复杂系统模型的重要组成部分。
因此，它们不断优化，提高了可预测性和可控性，为长期决策提供了有力的支持。
基于系统动力学的人口预测
3.2基于系统动力学的人口预测21世纪是人类面临三大问题：第一是人口膨胀，第二是就业困难，第三是环境污染，这三大问题的焦点在于人口。
因此，如何对未来的人口进行预测和控制，一直是人们关心的重要领域。
本课题是在宋健人口模型的基础上，考虑到上海作为一个开放城市，改良建立了双线性开放/动态人口模型。
采用上述基于人口结构模型，预测上海2010—2050年的人口年龄、性别结构。
为了更准确地研究人口系统，我们将人口按0-4岁、5-9岁、10-14岁、…、95-99岁、100岁及以上分群，分为21个群，并假设女性的生育时间以不同的概率分布在15-49岁之间。
然后以政策系数和生育时间的分布概率为政策参数进行仿真分析和政策试验。
3.2.1系统模拟的一些基本假设●人口分年龄数据2000年人口普查的数据上海常住人口总数为1640万，而根据上海统计年鉴2000年上海常住人口总数为1608万。
因为后续计算都是采用上海统计年鉴上的数据，所以按上海统计年鉴的常住人口总数1608万对2000年人口普查的数据进行了同比例调整。
通过《上海统计年鉴》、《上海市2000年人口普查资料》、《2005年上海市1%人口抽样调查资料》等文献的搜索，得2000年上海市分年龄段的男、女人数数据见表1。
表1 上海市2000年分年段男、女人数（单位：万人）第五次普查(2000年) 第五次普查(2000年)年龄段合计男女年龄段合计男女0~4岁49 25.7 23.3 55~59岁66.61 34.3 32.315~9岁58.67 30.53 28.14 60~64岁57.73 28.54 29.1910~14岁93.42 47.95 45.48 65~69岁68.31 32.25 36.0615~19岁129.51 64.9 64.62 70~74岁53.13 24.37 28.7620~24岁135.3 69.72 65.57 75~79岁36.71 15.94 20.7725~29岁135.4 72.09 63.31 80~84岁19.39 7.67 11.7330~34岁139.48 76.16 63.32 85~89岁7.9 2.71 5.1935~39岁150.65 81.27 69.38 90~94岁 2.16 0.61 1.5540~44岁170.02 88.98 81.04 95~99岁0.42 0.11 0.3245~49岁159.15 82.89 76.26 100岁及以上0.03 0.004 0.0250~54岁107.8 56.33 51.46●妇女生育时间根据人口生育的一般规律可知，对出生有贡献的只有15-49岁的女性人口。
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系统动力学的建模步骤
例1：建立“一阶库存管理系统”的系统动力学模型，并分析系统 的动态趋势。
例2,: 建立“二阶库存管理系统”的系统动力学模型，并分析系统 的 动态趋势。
思考题
• 物流系统的系统动力学模型构建
1. 因果关系图: 2. 因果链：
3. 反馈回路：
综合“因果关系图”：
例1：建立牧场“种草与养羊”的多种经营的因果关系图
要素：养羊 —— 羊总数、羊繁殖率、羊死亡数 种草 —— 草总数、草繁植率、草消亡数 因果关系图：
注 意：
因果关系图简洁明了地反映了要素之间的因果反馈回路关系。 但： 10· 不足以反映物质链和信息链的差别; 20· 也不能反映出物质的积累值和积累效应变化快慢的区别。
描述系统物质流动或信息流动积累效应变化快慢的变 量，其具有瞬时性的特征。 —— 反映单位时间内物质流动或信息流量的增加或 减少的量 ——相对量、速度、微积分中的变化率等 决策变量符号表示：
(3) 常数：描述系统中不随时间而变化的量， 如： 用 表示。
(4) 辅助变量：从信息源到决策变量之间，起到辅助表达信息反 馈决策作用的变量。
•
信息链：连接状态和变化率的信息通道，是与因果关系相连 的信息传输线路。 信息链符号表示：A O· · · →B
（2）状态变量与决策变量
• 状态变量（又称流位）（x）：
描述系统物质流动或信息流动积累效应的变量，表 征系统的某种属性，有积累或积分过程的量 —— 绝对量、位移、微积分中的积分量等
• 决策变量（又称流率）（r）：
———系统动力学模拟时间可长可短，尤长为好， 尤其适用中长期预测预报，这一特性对具有 大惯性的社会经济系统的模拟尤为珍贵。
系统动力学探讨的问题具备的特征：
第一:动态 第二:反馈
系统动力学研究问题的基本阶段
• • • • • • 问题定义 模型概念化 模型数学表达 仿真 评价 政策分析。
模型的表示方法
——流图能反映出物质的积累值态发生变化的机制，明确表 示系统各元素间的数量关系，反映物质链与信息链的区 别，能够反映物质的积累值及积累效应变化快慢的区别。
(1). 物质链与信息链
物质链：系统中流动的实体，连接状态变量 是不使状态值变化的守恒流。 物质链符号表示：要素A→要素B
第四章 系统动力学模型
什么是系统动力学？
系统动力学又称系统动态学（System Dynamics）——简称SD
◆ 系统动力学的理论基础：反馈控制理论 ◆ 系统动力学的技术手段：计算机技术 ◆ 系统动力学的研究对象：擅长研究复杂社会经济大系统
◆ 系统动力学的研究方法：从系统内部微观结构入手，建立SD数学模型。 运用计算机技术，并按时间步长（足够小）法 模拟上机运行。根据前一时刻系统状态，估算 出下一时刻系统状态，一步步展现系统动态演 变过程。