社会系统仿真PPT课件
系统仿真及系统动力学(SD)方法课件
在因果关系图中，用箭头表示因果关系，箭头的方向表示因果关系的方向，即因在先，果在后。流图则更进一步 地描述了系统中各要素之间的信息流动情况，包括物质流、信息流和能量流等。通过绘制因果关系图和流图，可 以更深入地理解系统的结构和行为。
方程式建立与参数设定
总结词
详细描述
仿真模型的建立与实现系统仿真在各 Nhomakorabea域的应用前景
工业领域
系统仿真将在工业生产、工 艺优化、设备维护等方面发 挥重要作用，提高生产效率 和产品质量。
交通领域
系统仿真将应用于交通规划、 物流优化、交通安全等方面， 提高交通系统的运行效率和 安全性。
环保领域
系统仿真将用于环境监测、 生态保护、污染物治理等方 面，为环境保护提供科学支 持。
模型验证与评估
模型验证 模型评估 模型改进
案例一：经济系统模拟
总结词
通过系统动力学方法模拟经济系统的动 态行为，分析经济系统的结构和机制。
VS
详细描述
利用系统动力学模型，模拟经济系统中各 因素之间的相互作用和影响，如供需关系、 价格波动、政策干预等，帮助决策者更好 地理解经济系统的运行规律，预测未来发 展趋势，制定有效的经济政策。
医疗领域
系统仿真将应用于疾病预测、 治疗方案优化、药物研发等 方面，提高医疗水平和治疗 效果。
• 系统仿真过程及分析 • 系统动力学(SD)方法应用案例 • 系统仿真及系统动力学(SD)方法展望
定义与概念
定义
概念
系统动力学的发展历程
起源
系统动力学最早起源于20世纪50 年代，由美国麻省理工学院的 Jay Forrester教授创立。
发展
经过多年的研究和发展，系统动 力学逐渐成为一种成熟的学科领 域，广泛应用于各个领域的系统 分析和仿真。
《典型Ⅱ型系统》课件
控制参数调整：通过实验或仿 真调整控制参数，使系统达到
最佳性能
控制算法验证：通过实验或仿 真验证控制算法的有效性和稳
定性
系统实现与调试
软件设计：编写系统软件， 包括操作系统、应用软件等
硬件设计：选择合适的硬件设 备，如处理器、内存、存储等
集成测试：将硬件和软件集成 在一起进行测试，确保系统正
常运行
开环控制原理
开环控制原理：通过反馈信号控制输出，实现系统稳定 开环控制特点：简单、易于实现，但稳定性较差 开环控制应用：在简单系统中，如温度控制、压力控制等
开环控制优缺点：优点是简单、易于实现，缺点是稳定性较差，容易受到干扰影响
控制算法的实现
控制算法：PID控制算法 控制原理：通过调整PID参数实现系统的稳定控制 控制过程：设定目标值，比较实际值与目标值，计算误差，调整PID参数 控制效果：实现系统的稳定控制，提高系统的性能和稳定性
Ⅱ型系统的特点
输入信号：正弦信号 输出信号：正弦信号 频率响应：线性 相位响应：线性 稳定性：稳定 动态性能：良好
Ⅱ型系统的应用场景
工业自动化：用于生产线的自动控制和优化 智能家居：用于家庭设备的智能控制和节能 交通管理：用于交通信号灯的控制和交通流量的优化 医疗设备：用于医疗设备的智能控制和诊断 环境监测：用于环境数据的采集和分析 农业自动化：用于农业生产的自动化和优化
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
稳态性能分析方法：包括时域分析 法、频域分析法、根轨迹法等
稳态性能分析结果：分析系统在不 同工况下的稳态性能，为系统优化 提供依据
典型Ⅱ型系统的 设计方法
确定系统参数
确定系统输入和输出参数 确定系统内部参数 确定系统外部参数 确定系统参数之间的关系和约束条件
系统仿真
系统仿真的历史·现状·未来系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。
仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程。
最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。
可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。
一、工程系统的仿真，起源于自动控制技术领域。
从最初的简单电子、机械系统，逐步发展到今天涵盖机、电、液、热、气、电、磁等各个专业领域，并且在控制器和执行机构两个方向上飞速发展。
控制器的仿真软件，在研究控制策略、控制算法、控制系统的品质方面提供了强大的支持。
随着执行机构技术的发展，机、电、液、热、气、磁等驱动技术的进步，以高可靠性、高精度、高反应速度和稳定性为代表的先进特征，将工程系统的执行品质提升到了前所未有的水平。
相对控制器本身的发展，凭借新的加工制造技术的支持，执行机构技术的发展更加富于创新和挑战，而对于设计、制造和维护高性能执行机构，以及构建一个包括控制器和执行机构的完整的自动化系统也提出了更高的要求。
二、系统仿真技术发展的现状工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满足越来越高和越来越复杂的要求。
因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。
其主要特征表现为：1、控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB＋AMESIM（提供平台级仿真技术的工具），可以覆盖整个自动控制系统的全部要求。
系统建模与仿真
❖5.2.1对系统模型的要求和建模的原则 ❖5.2.2系统建模方法与步骤
系统模型与仿真
5.3系统工程研究中常用的主要模型
❖5.3.1结构模型 ❖5.3.2网络模型 ❖5.3.3状态空间模型
5.4系统仿真概述
❖5.4.1系统仿真的概念 ❖5.4.2仿真技术的发展 ❖5.4.3系统仿真分类 ❖5.4.4系统仿真的基本步骤
外在的影响并对一些过程作合理的简化。
5.1系统模型
5.1.2建立系统模型的必要性
人类认识和改造客观世界的研究方法一般说来有三种，即实验法、 抽象法、模型法。
实验法是通过对客观事物本身直接进行科学实验来进行研究的，因 此局限性比较大。
抽象法是把现实系统抽象为一般的理论概念，然后进行推理和判断， 因此这种方法缺乏实体感，过于概念化。
三、岩溶旅游资源
岩溶旅游资源的概念
岩溶景观：又称“喀斯特景观”。地面往往崎岖 不平，岩石嶙峋，奇峰林立；地表河流稀疏；地 下则发育有地下河、溶洞等。中国广西的桂林山 水即为典型的岩溶景观。
三、岩溶旅游资源
岩溶旅游资源的分类 地上：石芽、峰丛、峰林、孤峰 地下：落水洞、漏斗、溶蚀洼地
三、岩溶旅游资源
10钟讲解
一、西南地区的位置与范围
本区包括云南、贵州和广西三个省区； 位于我国西南边陲，北部与四川、西藏相连，东部与广东
相连，南部及西南部与老挝、越南和缅甸唇齿相依；
多民族省区；云南有25个少数民族、贵州有17个、广西有 11个，民族文化绚丽多姿“三里不同风，五里不同谷，大
节三六九，小节天天有” 。
四、民俗文化文化旅游资源
民俗文化旅游资源分类
古遗迹：古城 建筑设施：灯塔、港口、庙会 人文活动：劳动生产、体育运动、民俗文化信仰 民俗文化商品：山珍、民俗文化工艺品、民俗文
系统仿真介绍及应用
系统仿真介绍及应用
01.系统仿真整体介绍
1.1 定义 1.2 如何实施 1.3 应用场景和领域 1.4 重要性
01.系统仿真整体介绍
“系统仿真” 定义
系统仿真（system simulation）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
EMULATION
02.在水运行业的应用
码头生产
滚装码头作业仿真截图
集装箱码头仿真截图 散货码头作业、堆场管理仿真截图
散货码头皮带机系统仿真截图
02.在水运行业的应用
港区及园区交通
建立港区和物流园区集疏运车流仿真模型，重点对 各种规划道路的交通流进行仿真，得出各种车流评 价指标，辅助优化道路设计以及立交桥设置的必要 性等问题。
SIMULATION
用于运营阶段
可以推演码头从当前开始运行数小时（或数分钟）后的 状态，实现对同码头生产作业决策的评价，最终为码头 生产提供决策的依据。 此外，码头的仿真推演可以与人工智能技术相结合，实 时分析某一决策下的仿真推演的结果与码头生产实际情 况，进而不断改善和提升仿真结果的准确性和可靠性。
03.在其他相关领域的应用
微观道路交通仿真
案例2：建立了考虑红绿灯的交叉口交通仿真模型。以车辆在系统内的滞留时间 作为评价指标，对不同的红绿灯灯时设置方案进行比选。
03.在其他相关领域的应用
行人流仿真
案例：建立了铁路站台的行人流仿真模型，模拟地铁进出站以及站台上行人进出闸口、上下楼梯、上下车的 过程，并以密度图的形式动态显示站台上的行人密度。
系统仿真介绍及应用
系统仿真
1.2系统仿真的方法及意义1.2.1系统仿真概述系统仿真是指使用数字计算机设备来模拟或描述一个系统或过程的行为从而解决问题的一种技术。
系统仿真是设计出系统的可以计算的模型（模拟模型），并利用它在计算机上进行试验以了解系统行为或评估系统运用的各种策略的定量分析过程或技术。
仿真技术是集控制论、系统理论、相似原理、计算机技术于一体的综合性高科技。
虽然它才仅仅出现几十年，却在社会、经济、科学、军事、教育和企业管理等各个领域得到了广泛的应用。
据估计，在日本企业，用系统工程解决的事件管理与决策的问题中，有80%以上是通过系统仿真方法解决的。
在我国，目前也正在大力推广和普及，并已在交通运输、军事训练、地区发展规划、工业工程设计、人口问题研究等方面取得了丰硕的成果。
系统仿真如此蓬勃发展，一方面由于我们面临的各种实际系统往往都是包括变量随机因素的动态的复杂系统。
对这些系统很难采用传统方法建立数学模型，分析求解。
另一方面是由于系统仿真方法具有可控性、无破坏性、安全、不受外界条件的限制等优点，它能通过建立逼真的仿真模型和在计算机上反复的仿真试验，对复杂问题进行综合分析和比较，从而为科学决策提供可靠的依据。
随着计算机的引入又发展了数值计算仿真方法，由于计算机求解复杂系统的数学模型功能强，故现代主要采用计算机仿真。
计算机仿真是先将系统模型转变为仿真模型，然后计算机运行这仿真模型，这样就仿真了待研究系统的行为和它的特性。
物理仿真、计算机仿真以及数学—物理仿真都是在系统模型上进行研究，把它们统称为系统仿真。
1.2.2系统仿真分类统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分按一定规律组合成的具有特定功能的有机整体。
一个系统是指自然界存在着的相互联系、相互作用、相互制约，并且按一定规律运动着的实体组合。
作为一个系统，它具有特定的功能和特性:(1)系统具有整体性(2)系统具有相关性。
模型就是真系统的结构和行为的一种描述形式。
凡是以某种方法从真实系统转换而来的形态，都可以称为该系统的模型。
系统建模与仿真讲义
通过实验或经验数据，确定数学模 型的参数值。
03
02
建立数学模型
根据系统特性，选择合适的数学模 型描述系统的动态行为。
模型验证与修正
对建立的数学模型进行验证，并根 据实际需求进行必要的修正。
04
仿真实验设计与分析
实验方案设计
根据仿真目标，设计合理的实验方案，包括 实验条件、输入输出等。
概率模型
概率分布
概率分布是描述随机事件发生可能性的数学工具，常见的概率分布有二项分布、 泊松分布、正态分布等。
随机过程
随机过程是描述一系列随机事件随时间变化的模型，例如马尔科夫链和泊松过程 等。
03
系统仿真基础
仿真模型的建立与实现
01
确定系统边界
明确仿真目标，确定系统边界，将 系统划分为可管理的子系统。
系统建模与仿真讲义
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目录
• 系统建模概述 • 数学建模基础 • 系统仿真基础 • 仿真技术的应用 • 系统建模与仿真的挑战与未来
发展
01
系统建模概述
定义与目的
定义
系统建模是对真实系统进行抽象、简 化和描述的过程，通过数学、逻辑和 图形等工具来表示系统的结构、行为 和性能。
目的
系统建模的目的是为了更好地理解、 分析和预测系统的行为，为系统设计 、优化和控制提供依据。
模型改进
根据性能优化需求，对数学模型进行改进，提应用于实际系统设计、分析和优化中，发挥仿真的价值和作用。
04
仿真技术的应用
工业系统仿真
总结词
工业系统仿真通过模拟工业生产过程，帮助企业优化生产流程、提高生产效率和降低成本。
详细描述
工业系统仿真通过对生产线的布局、工艺流程、设备运行等进行模拟，发现潜在的问题和瓶颈，为企 业提供改进方案。同时，仿真技术还可以用于新产品开发和设计阶段，预测产品的性能和可行性。
系统建模与仿真实验
系统仿真与建模分析实验实验一生态平衡建模实验系统描述：在一个封闭的海岛上，设有两个群体：1. 狐狸（FOXES）;2.啮齿动物（RODENTS情况是：1）狐狸出生后，需要八个月成长为成年狐狸，幼年狐狸每只（每月）要吃10 只啮齿动物，若没有吃的就饿死，幼年狐狸的出生率为4，成年狐狸死亡因素有两个，一是每只狐狸每月要吃60 只啮齿动物，若没有吃的就要饿死，二是从仿真时间算起，十年之后，每月要被猎人打死4 只。
2）啮齿动物RODY出生后，三个月即可长成为成年啮齿动物，啮齿动物的出生率为0.8 ，如果幼年啮齿动物的父母死亡，则以短缺扶养和保护而死亡。
成年啮齿动物每月的死亡率有两个原因决定：一个是被狐狸吃掉，一个原因是总数超过100000（十万）只，则以水草不足而饿死。
一、实验目的：通过此实验了解系统动力学的仿真方法，学会用所学的建模理论来对实际问题进行建模，并对实际问题进行分析。
对此生态平衡系统进行仿真实验，改变不同的控制参数，分析实验的结果，得出系统保持生态平衡的条件，为决策者决策提供理论分析基础。
二．实验原理系统动力学（System Dynamics）是美国麻省理工学院J.W福雷斯特（JayW Forrester教授创立的一门新兴学科。
它按照自身独特的方法论建立系统的动态模型，并借助于计算机进行仿真，以处理行为随时间变化的系统的问题。
系统动力学首先强调系统性的观点，以及联系、发展、运动的观点，是研究复杂系统，诸如:社会、经济、环境、人口、生态平衡、产业发展等的有效工具。
系统动力学的研究对象主要是社会经济系统。
社会经济系统的范围十分广泛，凡是涉及到人类的社会活动和经济活动的系统都属于社会系统。
诸如本文要研究的人口系统、资源系统、环境系统、经济系统、科技系统、能源系统，都属于社会经济系统。
系统动力学的基础是通过实验方法认识系统的行为，为管理决策者提供决策的依据。
系统动力学仿真的基本步骤是：（1）明确建模目的一般来说，系统动力学对社会系统进行仿真实验的主要目的是认识和预测系统的结构和设计最佳参数，为制定合理的政策提供依据。
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ships to/from harbors/piers, elevators
» Retail/Service :stores selling goods, service/repair
shops, logistics/inventory/distribution/MRP
Manufacturing Systems:
» Macroeconomic: taxation/interest rate cost/benefits
» Pollution: environmental intervention cost/benefits
» Project Management: completion time vs resources
on the knowledge gained
When there is incomplete information about the
system (can handle imprecise but not missing
pieces)
» Need at least inputs and related outputs for “black boxes”
system
2020/12/29
MPJ/UNM CS452/Mgt 532 I. Introduction
5
Definitions (cont.)
Model: representation of a system – three phases:
1. Verbal – always included in any representation 2. Graphical – see pages 22, 39, 50, 54, 367, and 536 3. Algorithm and/or computer program
» Mental capability: attention, memory, processing, …
Analysis: allows us to study systems too complex for analytic description and/or too dangerous for human safety – gain knowledge
2020/12/29
MPJ/UNM CS452/Mgt 532 I. Introduction
2e Systems:
» Traffic on Networks: messages to/from computers,
cars on roads/rails, airplanes to/from airports/gates,
» train operators on a model of an existing systems
System: purposeful, interrelated components with interdependencies and complexity Behavior: purposeful, interrelated sequences of activities Dynamic: time varying (static systems are dull!)
2020/12/29
MPJ/UNM CS452/Mgt 532 I. Introduction
4
When not to Simulate!
When theory can determine sufficient results
When it will cost more to simulate than the return
2020/12/29
MPJ/UNM CS452/Mgt 532 I. Introduction
3
Why Simulate?
To overcome human limitations in
» Physical capability: avoid injury and death; be able to control systems whose dynamics are not yet known, …
» Can assume missing information and check against known results – if agreement, support for assumptions
When it is not possible to develop a
representative, tractable simplification of the
I. Introduction
M. Peter Jurkat CS452/Mgt532 Simulation for Managerial Decisions The Robert O. Anderson Schools of Management
University of New Mexico
2020/12/29
MPJ/UNM CS452/Mgt 532 I. Introduction
1
Definitions
Simulation:
» process of experimenting with a model of a dynamic systems (e.g., process) to
– study or test the behavior of the system – improve, problem solve – design and/or select new systems , and/or
» Materials, Chemicals, Biologicals
» Appliances, Automobiles/Trucks, Toys, Clothing
» Electronics, Weapons Systems
Computations using models from other disciplines
Design: attempt changes in IVs to drive one or more DVs toward an “optimal” value or combination of values for design, improvement,
and/or problem solving