第6讲_系统动力学及Vensim建模分析
7
系统及其构成和结构
Page 8
系统及其构成和结构
8
系统动力学的两个重要原理
Page 9
分解原理
目标、边界、框架和结构 确定分析维度和视角（自然科学与社会科学的区分） 由粗到细（至上而下）逐步分解（结构演进）
综合原理
Page 6
系统动力学是一门基于系统论，吸取反馈理论与信息论等，并 借助计算机模拟技术的交叉学科。 系统动力学能定性与定量地分析研究系统，从系统的微观结 构入手建模，构造系统的基本结构，进而模拟与分析系统的 动态行为。 系统的行为由其结构和功能所决定。 “反馈”就是信息的传输与回授。顾名思义，反馈的重点应 在于”回授’’即“反”字上。
i
1 p
i 1,2,, p
S——代表整个系统； Si——代表子Fra bibliotek统，15
系统动力学的系统观点基础
Page 16
系统可以用一组随时间变化的状态变量X=(x1,x2,..n)描述：系统的相空间 系统有一定的输入： U=(u1, u2, ..,um)： 控制量 系统是通过相互作用而发展变化的：X’=f(X,U,t)
6
系统及其构成和结构
Page 7
系统：一个由相互区别、相互作用的各部分有机地联结一 起，为同一目的而完成某种功能的集合体。 系统动力学是认识系统问题和解决系统问题的有效工具之 一。 系统的结构：所谓结构是指单元的秩序。它包含两层意思 ，首先是指组成系统的各单元，其次是指诸单元间的作用 与关系。系统的结构标志着系统构成的特征。例：
11
系统动力学建模框架和结构
Page 12
策略的执行
对一个系统 的认识
策略分析 模型的建立 计算机模拟
问题的定义
系统的概念化
12
系统动力学解决问题的一般过程
Page 13
提出 问题
参考行为 模式分析
提出假设 建立模型
模型 模拟
得到 结论
提出问题：明确建立模型的目的。即要明确要研究和解决什么问题。
参考行为模式分析：分析系统的事件，及实际存在的行为模式，提出设 想和期望的系统行为模式。作为改善和调整系统结构的目标。
提出假设建立模型：由行为模式，提出系统的结构假设。由假设出发， 设计系统的因果关系图，流图，并列出方程，定义参数。从而将一系列 的系统动力学假设，表示成了清晰的数学关系集合。 模型模拟：调整参数，运行模型，产生行为模式。建立好的模型是一个 实验室，可以由试验参数和结构的变化理解结构与系统行为模式的关系 。
13
系统动力学建模流程
Page 14
任务调研 问题定义 划定界限 反馈结构分析 结构分析 系统分析
变量定义
建立方程 建立模型 模型模拟 模型评估 政策分析与模型使用
14
修改模型
系统动力学数学描述
Page 15
根据分解原理 系统S划分成若干个(p个)相互关联的子系统(子结构)St 。 式中： S S S
X(x1,x2,..,xn) X`(x1`,x2`,...,xn`)
U(u1,u2,...,um )
系统由多个子系统组成，最小的子系统是一阶反馈回路，它包含：一个状态 量，速率量，及辅助变量，是一个多元一阶微分方程
系统的未来发展取决于其结构及初始条件: U, f(X,U,t)) 系统动力学的模型，相当于这组微分方程组： X’=f(X,U,t)
反馈的概念是普遍存在的。比如，空调设备是人们所熟知的，为了维 持室内的温度，需要由热敏器件组成的温度继电器与冷却(或加热)系 统联合运行。由前者担负室内温度的检测，并与给定的期望室温加以 比较，然后把信息馈送至控制器，使冷却(或加热)器的作用在最大与 关停之间进行调节，从而实现控制室温的目的。其中温度继电器就是 反馈器件，上述的信息馈送过程就是信息反馈作用。
1950~60年代SD诞生
工业动力学、城市动力学
1970~80年代发展成熟
世界动力学、经济长波模型
1990~广泛应用与传播
第五项修炼——学习型组织
中国的系统动力学发展
杨通谊教授 王其藩教授 许庆瑞教授
4
系统动力学应用领域
Page 5
宏观经济 企业管理
5
系统动力学的基本观点
第6讲 系统动力学 及Vensim模拟
主要内容
(1)系统动力学简介 系统动力学发展历史 系统动力学主要应用领域 系统动力学学科基础 系统动力学建模基本过程
Page 2
(3)系统动力学及Vensim建模基础 因果链与反馈 因果回路图构建 流图构建
(2)Vensim 软件简介 软件配置 基本功能 用户界面 模型库及辅助知识
(4)简单系统与行为 一阶系统系统行为 二阶系统系统及行为
2
(1) 系统动力学简介
Page 3
系统动力学发展历史 系统动力学主要应用领域 系统动力学基本观点 系统动力学学科基础 系统动力学建模基本过程
3
系统动力学发展历史
Page 4
MIT和福瑞斯特（Jay W. Forrester）
分解的逆过程
9
系统动力学的特点
SD研究的对象主要是社会经济系统
Page 10
SD分析与解决问题的方法不是建立一组微分方程去求解 ，而是：
分析系统的结构：划分子系统 分析变量之间的相互作用：因果关系 区分速率变量，状态变量，辅助变量，研究反馈关系。
通过建立直观的模型，进行计算机模拟，从而解决问题。 事件—行为模式—系统结构：系统结构决定行为行为模式 ，行为模式决定具体事件，因此解决问题的根本出发点是 系统结构分析。
10
系统动力学能解决微分方程组方法难以解决的复杂非线性 系统问题。
系统动力学的学科基础
Page 11
系统动力学的学科基础可划分为三个层次： 方法论。系统动力学的方法论是系统方法论，其基本原 则是将所研究对象置于系统的形式中加以考察。系统方 法论目前还不很完善，系统动力学自身的发展也将会丰 富、充实系统方法论。 技术科学和基础理论。主要有反馈理论、控制理论、控 制论、信息沦、非线性系统理论，大系统理论和正在发 展中的系统学。 应用技术——第三层次。为了使系统动力学的理论与 方法能真正用于分析研究实际系统，使系统动力学模型 成为实际系统的“实验室”，必须借助计算机模拟技术 。
系统动力学及vensim建模与模拟技术
系统行为分析
预测系统行为
在构建系统动力学模型时，需要对系统的行为进行预测和分析，了 解系统在不同条件下的响应和变化规律。
分析行为特征
通过对系统行为的深入分析，可以了解系统的动态特性和变化趋势， 为模型建立提供依据。
确定行为目标
在分析系统行为的基础上，需要确定系统的行为目标，即希望系统 达到的状态或结果，以便对模型进行有效的优化和控制。
定义模型规则
根据系统行为的特点，定义模型规则，如时 间延迟、逻辑规则等。
参数化模型
根据已知数据和经验，为模型中的参数赋值。
模型验证与测试
01
模型验证
通过对比历史数据和模拟结果，验 证模型的准确性和可靠性。
模型测试
通过多种情景模拟，测试模型的预 测能力和适用范围。
03
02
敏感性分析
分析模型对参数变化的敏感性，了 解参数对系统行为的影响。
详细描述
城市交通系统是一个复杂的网络，包括道路、交通信号、车辆、行人等。通过 建立城市交通系统模型，可以模拟不同交通政策或基础设施改进方案的效果， 为城市交通规划提供决策支持。
案例三：企业运营系统模拟
总结词
企业运营系统模拟是应用系统动力学和Vensim建模与模拟技术的实际应用案例 ，用于优化企业资源配置和提高运营效率。
03 系统动力学模型构建
系统边界设定
1 2
确定研究范围
在构建系统动力学模型时，首先需要明确系统的 研究范围，即确定系统的边界，以避免不必要的 复杂性和不确定性。
排除外部因素
在设定系统边界时，应将注意力集中在系统内部 的相互关系上，暂时忽略外部因素的影响。
3
确定主要变量
在确定系统边界后，应确定对系统行为有重要影 响的主要变量，这些变量将成为模型中的状态变 量。
系统动力学-建模软件-Vensim-函数总结.pdf
Returns the square root of X. Same as: POWER(X,0.5). XIDZ (3, 4, 1) is equal to 0.75. XIDZ (3, 0, 1) is equal to 1.0. ZIDZ (3, 4) is equal to 0.75. ZIDZ (3, 0) is equal to 0. IF THEN ELSE( 1.0<2.0, 3.0, 4.0 ) is equal to 3.0. IF THEN ELSE( 1.0>2.0, 3.0, 4.0 ) is equal to 4.0.
time, initial value)
DELAY1I(X,10, -8 )
Y
-4
-5
-6
-7
-8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (Month)
Y : Current
Y
4
Y
-4
3
-5
2
-6
1
-7
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time (Month)
Returns BASE to the power of X. Same as BASE^X
SQRT(X) Square Root of X
X If Divided by Zero (otherwise A/B) Zero If Divided by Zero (otherwise A/B) Traditional If-Then Statement
7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 Time (Month)
4/6
新疆师范大学地理科学与旅游学院 “地理信息与城乡规划”系
系统动力学模型构建与Vensim软件应用教程
系统动力学模型构建与Vensim 软件应用教程第一部分系统动力学与Vensim 软件一、系统动力学概述系统动力学(SystemDynamics)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交叉的综合性的新学科。
系统动力学认为,系统的行为模式与特性主要地取决于其内部的动态结构与反馈机制。
系统:相互作用诸单元的复合体，例如:社会、经济、生态系统。
反馈:系统内同一单元或同一子块其输出与输入间的关系。
对整个系统而言，"反馈"则指系统输出与来自外部环境的输入的关系。
反馈可以从单元或子块或系统的输出直接联至其相应的输入，也可以经由媒介其他单元、子块、甚至其他系统实现。
所谓反馈系统就是包含有反馈环节与其作用的系统。
它要受系统本身的历史行为的影响，把历史行为的后果回授给系统本身，以影响未来的行为。
例如：库存控制系统是一个反馈系统，如图：发货使库存量减少，当库存低于期望水平以下一定数值后，库存管理人员即按预定的方针向。
生产部门订货，货物经一定延迟到达，然后使库存量逐渐回升。
反映库存当前水平的信息经过订货与生产部门的传递最终又以来自生产部门的货物的形式返回库存。
正反馈的特点是，能产生自身运动的加强过程，在此过程中运动或动作所引起的后果将回授，使原来的趋势得到加强；负反馈的特点是，能自动寻求给定的目标，未达到(或者未趋近)目标时将不断作出响应；具有正反馈特性的回路称为正反馈回路，具有负反馈特点的回路则称为负反馈回路(或称寻的回路)；分别以上述两种回路起主导作用的系统则称之为正反馈系统与负反馈系统(或称寻的系统)。
回路的概念最简单的表示方法是图形，系统动力学中常用三种图形表示法：系统结构框图(structurediagram)因果关系图(causalrelationshipdiagram)流图(stockandflowdiagram)系统动力学解决问题大体可分为五步：第一步要用系统动力学的理论、原理和方法对研究对象进行系统分析。
系统动力学ppt课件
⑴水平方程：水平方程描述系统动力学模型中的存量（状态 变量，LEVEL）变化的方程。
积分方程表述：
以上积分方程表示状态变量在t 时刻的值等于状态变量初 始值加上在[0,t可]编这辑课段件 时间净流量变化对时间的积累。 24
在系统动力学中用差分方程表述：
可编辑课件
25
⑵速率方程
速率方程是表示在时间间隔 DT 内流量是如何变 化的或者是政策调控存量的决策规则。
在社会经济问题的决策中，决策者在内心都有一 个对被研究系统的状态的心理预期，即在决策者 心里什么情况下被研究系统是最好的，把心理预 期和系统的现实情况作比较，就会出现状态偏差 。
（一）系统动力学的理论基础
控制论
决策论
系统 分析
仿真
反馈控制、 自动调节、 时间滞后和 噪声干扰等。 尤其是反馈 控制理论
根据信息和 评价准则， 用数量方法 寻找或选取 最优决策方 案，是运筹 学的一个分
从系统的观 点出发，采 用各种分析 工具和方法 对问题进行 研究。
仿真模型的建 立，模型中变 量、参数和常 数的处理，仿 真时间，仿真 时钟的推进， 仿真计算结果 的存储和输出
通过上述过程完成了对系统结构的仿真，接下来就要寻 找较优的系统结构。
可编辑课件
9
2.系统动力学的原理
寻找较优的系统结构被称作为政策分析或优化，包括 参数优化、结构优化、边界优化。
参数优化就是通过改变其中几个比较敏感参数来改变系统 结构来寻找较优的系统行为。
结构优化是指主要增加或减少模型中的水平变量、速率变 量来改变系统结构来获得较优的系统行为。
所以，引入辅助方程，将复杂的方程分解简化，由系 列方程替代一个复杂的方程，使用起来清晰明确。
vensim案例分析精品PPT课件精选全文完整版
1.系统动力学发展历程
❖ J.W.Forrester等教授在系统动力学的主要成果： ❖ 1958年发表著名论文《工业动力学——决策的一个重要突
破口》，首次介绍工业动力学的概念与方法。 ❖ 1961年出版《工业动力学》(Industrial Dynamics)一书，
该书代表了系统动力学的早期成果。 ❖ 1968年出版《系统原理》(Principles of Systems)一书，
2.系统动力学的原理
系统动力学是一门分析研究信息反馈系统的学科。它 是系统科学中的一个分支，是跨越自然科学和社会科学的 横向学科。
系统动力学基于系统论，吸收控制论、信息论的精髓， 是一门认识系统问题和解决系统问题交叉、综合性的新学 科。
从系统方法论来说，系统动力学的方法是结构方法、 功能方法和历史方法的统一。
论述了系统动力学的基本原理和方法。 ❖ 1969年出版《城市动力学》(Urban Dynamics)，研究波
士顿市的各种问题。 ❖ 1971年进一步把研究对象扩大到世界范围，出版《世界动
力学》(World Dynamics)一书，提出了“世界模型II”。
1.系统动力学发展历程
1972年他的学生梅多斯教授等出版了《增长的极限》 (The Limits to Growth)一书，提出了更为细致的“世界模 型III”。这个由罗马俱乐部主持的世界模型的研究报告已被 翻译成34种语言，在世界上发行了600多万册。两个世界 模型在国际上引起强烈的反响。
LOGO
系统动力学
System Dynamics
2009.10.31
Contents
1
系统动力学发展历程
2Leabharlann 系统动力学的原理3系统动力学基本概念
第6讲_系统动力学及Vensim建模 PPT
系统动力学的系统观点基础
系统可以用一组随时间变化的状态变量X=(x1,x2,..n)描述：系统的相空间 系统有一定的输入： U=(u1, u2, ..,um)： 控制量 系统是通过相互作用而发展变化的：X’=f(X,U,t)
X`(x1`,x2`,...,xn`)
X(x1,x2,..,xn)
U(u1,u2,...,um)
系统动力学建模框架和结构
策略的执行 策略分析
计算机模拟
对一个系统 的认识
模型的建立
问题的定义 系统的概念化
系统动力学解决问题的一般过程
提出 问题
参考行为 模式分析
提出假设 建立模型
模型 模拟
得到 结论
▪ 提出问题：明确建立模型的目的。即要明确要研究和解决什么问题。
▪ 参考行为模式分析：分析系统的事件，及实际存在的行为模式，提出设 想和期望的系统行为模式。作为改善和调整系统结构的目标。
Vensim 软件的历史
Vensim 软件的历史
(4)简单系统与行为 一阶系统系统行为 二阶系统系统及行为
(1) 系统动力学简介
系统动力学发展历史 系统动力学主要应用领域 系统动力学基本观点 系统动力学学科基础 系统动力学建模基本过程
系统动力学发展历史
MIT和福瑞斯特（Jay W. Forrester）
1950~60年代SD诞生
工业动力学、城市动力学
第6讲_系统动力学及Vensim建模
主要内容
(1)系统动力学简介 系统动力学发展历史 系统动力学主要应用领域 系统动力学学科基础 系统动力学建模基本过程
(2)Vensim 软件简介 软件配置 基本功能 用户界面 模型库及辅助知识
(3)系统动力学及Vensim建模基础 因果链与反馈 因果回路图构建 流图构建
系统动力学模型构建与Vensim软件应用教程
系统动力学模型构建与Vensim软件应用教程
教师简介
王普，博士，讲师，北京理工大学管理科学与工程专业博士，高校教师。
课程介绍
《系统动力学模型构建与Vensim软件应用课程》主要介绍了系统动力学模型的构建过程以及借助Vensim软件实现模型的求解过程。
通过本课程的学习，一方面可以掌握系统动力学模型的基本原理和建模实现。
另一方面，可以掌握Vensim软件对系统动力学模型进行求解的操作步骤和方法。
本课程适合初学者听，听完后，可以掌握基本的系统动力学模型构建与Vensim软件操作方法与结果解读。
本教程为高清视频，画面清晰生动，身临其境。
同步教程，举一反三，效果翻倍。
可登陆中国科学软件网或科学软件学习网免费试看。
课程大纲
本视频课程分为8讲，共11个视频，时长为522分。
读书会第14期系统动力学理论概述与Vensim软件课题应用.ppt
• 假设的实证 ✓回归分析——具备针对性 ✓结构方程——具备整体性
RIPAM
3 Vensim软件的课题应用
3.5 课题应用——测试
• 比较参考模式 ✓ 劳动力需用曲线、项目工人变动曲线（经验性总结）
• 测试灵敏度 ✓ 状态和速率对各种关键变量（如成长时间）的灵敏度
• 分析鲁棒性 ✓ 极端条件下系统模型的行为结果是否符合现实？ ✓ 如成长时间为零、招工间隔时间过长等极端条件
1 系统动力学的理论概述
1.3 系统动力学的表达工具
• 存量流量图的绘图原则 ✓ 状态变量必须附有流入或流出的变量 ✓ 只有速率变量才能改变状态变量 ✓ 状态变量—信息取出线；速率变量—信息流入线 ✓ 辅助变量只能有信息流线经过 ✓ 常量只能有信息取出线经过
RIPAM
1 系统动力学的理论概述
1.4 系统的行为模式与结构
第二章： 流动行为 机制的实 证分析
第三章： 流动行为 机制的系 统分析
第四章： 对策分析 与评估
RIPAM
3 Vensim软件的课题应用
3.2 课题应用——明确问题和边界
• 选择问题：研究问题是什么？ ✓ 产业工人的流动行为，体现为项目流动状态和流动速率
• 关键变量：必须考虑的概念是什么？ ✓ 项目上产业工人的数量变化、新老工人的比例 ✓ 人均劳动效能（质量指标）、人均劳动成本
Area
RIPAM
3 Vensim软件的课题应用
3.1 建模过程概述
• 明确问题，确定系统的边界 ✓ 选择问题、关键变量、时限
• 提出动态假说 ✓ 现有理论解释、反馈假设、绘制因果图
• 写方程 ✓ 明确决策规则、确定初始值、验证动态假设
• 测试 ✓ 比较参考模式、测试灵敏度、分析鲁棒性
系统动力学模拟软件Vensim使用指南资料讲解
系统动⼒学模拟软件Vensim使⽤指南资料讲解系统动⼒学模拟软件Vensim使⽤指南严⼴乐张志刚（上海理⼯⼤学管理学院）在⽬前系统动⼒学专⽤的计算机模拟语⾔软件中，V ensim是界⾯⾮常友好的⼀种模拟⼯具，它的功能⾮常强⼤，可以运⾏⽅程数⽬达数千的⼤型模型，因此被⼈们⼴泛使⽤，如美国的国家模型等。
⼀、Vensim软件简介Vensim是美国Ventana Systems公司推出的在Windows操作平台下运⾏的系统动⼒学专⽤软件包，其版本在不断升级，⽬前最新的版本为V5.0c。
Vensim PLE是Ventana Systems公司提供的个⼈学习版，可到公司的⽹站/doc/becd18277d1cfad6195f312b3169a4517723e5a6.html 上免费下载试⽤。
1.1 Vensim软件的主要特点Vensim是⼀款可视化的模型⼯具，使⽤该软件可以对动⼒学系统模型进⾏概念化、模拟、分析和优化。
Vensim PLE和PLE Plus是为简化系统动⼒学的学习⽽设计的Vensim的标准版本。
Vensim PLE提供了⼀个⾮常简单易⽤的基于因果关系链、状态变量和流图的建模⽅式。
Vensim⽤箭头来连接变量，系统变量之间的关系作为因果连接⽽得到确⽴，⽅程编辑器可以帮助⽅便地建⽴完整的模拟模型。
通过建⽴过程、检查因果关系、使⽤变量以及包含变量的反馈回路，可以分析模型。
当建⽴起⼀个可模拟的模型，Vensim可以从全局来研究模型的⾏为。
Vensim PLE适合于建⽴规模较⼩的系统动⼒学模型，⽽Vensim PLE Plus功能则更加强⼤，⽀持多视图，适合于⼤型的模型模拟。
Vensim提供了对所建模型的多种分析⽅法。
Vensim可以对模型进⾏结构分析和数据集分析，结构分析包括原因数分析、结果树分析和反馈回列表分析，数据集分析包括变量随时间变化的数据值及曲线图分析。
此外，Vensim还可以实现对模型的真实性检验，以判断模型的合理性，从⽽相应调整模型的参数或结构。
(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。