系统动力学模型部分集

第 10 章 系统动力学模型 系统动力学模型(System Dynamic)是社会、经济、规划、军事等 许多领域进行战略研究的重要工具， 如同物理实验室、 化学实验室一 样，也被称之为战略研究实验室， 自从问世以来， 可以说是硕果累累。 1 系统动力学概述

2 系统动力学的基础知识

3 系统动力学模型

第 1 节 系统动力学概述 1.1 概念 系统动力学是一门分析研究复杂反馈系统动态行为的系统科学 方

法，它是系统科学的一个分支， 也是一门沟通自然科学和社会科学 领域的横向学科， 实质上就是分析研究复杂反馈大系统的计算仿真方 法。 系统动力学模型是指以系统动力学的理论与方法为指导， 建立用 以研究复杂地理系统动态行为的计算机仿真模型体系， 其主要含义如 下： 1 系统动力学模型的理论基础是系统动力学的理论和方法；

2 系统动力学模型的研究对象是复杂反馈大系统；

3 系统动力学模型的研究内容是社会经济系统发展的战略与决 策问题，故

称之为计算机仿真法的“战略与策略实验室” ； 4 系统动力学模型的研究方法是计算机仿真实验法， 但要有计算

机仿真语言 DYNAMIC勺支持，如：PD PLUS VENSIM等的支持； 5 系统动力学模型的关键任务是建立系统动力学模型体系；

6 系统动力学模型的最终目的是社会经济系统中的战略与策略 决策问题计算机仿真实验结果，即坐标图象和二维报表； 系统动力学模型建立的一般步骤是： 明确问题，绘制因果关系图， 绘制系统动力学模型流图，建立系统动力学模型，仿真实验，检验或 修改模型或参数，战略分析与决策。 地理系统也是一个复杂的动态系统， 因此，许多地理学者认为应 用系统动力学进行地理研究将有极大潜力，并积极开展了区域发展， 城市发展，环境规划等方面的推广应用工作，因此，各类地理系统动 力学模型即应运而生。 1.2 发展概况

系统动力学是在 20世纪 50年代末由美国麻省理工学院史隆管理 学院教授福雷斯特（JAY.W.FORRESTERI出来的。目前，风靡全世 界，成为社会科学重要实验手段， 它已广泛应用于社会经济管理科技 和生态灯各个领域。 福雷斯特教授及其助手运用系统动力学方法对全 球问题，城市发展，企业管理等领域进行了卓有成效的研究，接连发 表了《工业动力学》，《城市动力学》，《世界动力学》，《增长的极限》 等著作，引起了世界各国政府和科学家的普遍关注。 在我国关于系统动力学方面的研究始于 1980 年，后来，陆续做 了大量的工作，主要表现如下： 1 ）人才培养

自从1980年以来，我国非常重视系统动力学人才的培养，主要 采用“走出去，请进来”的办法。请进来就是请国外系统动力学专家 来华讲学，走出去就是派留学生，如：首批派出去的复旦大学管理学 院的王其藩教授等，另外，还多次举办了全国性的讲习班。 2 ）编译编写专著 组织专家编译了《工业动力学》，《城市动力学》等。 编写专著有：王其藩著《系统动力学》，《高级系统动力学》；胡 玉奎著《系统动力学》，王洪斌著《系统动力学教程》，贾仁安著《系 统动力学教程》等。 3 ）引进专业软件

引进的软件有：MICRO-DYNAMDYNAMAPDYNAMO 二，STELLA PD PLUS等，近几年又引进的最先进实用的 VENSIM专业软件。并自 行研制了一

些专用软件。 4 ）新设课程

新开设了系统动力学专业课程。在几十所大学的管理系或管理学 院以及科研单位的研究生开设了系统动力学课程。 5 ）组织机构与学术会议

于19年成立了全国系统动力学委员会。组建了一些专门研究 机构和教学机构。开展了许多专项研究工作。建立了国家总体系统动 力学模型，省和地区的发展战略研究系统动力学模型，省级能源，环 境预测系统动力学模型及科技，工业，农业林业等行业发展战略研究 系统动力学模型等。 1986 年 8 月，在上海召开的“全国系统动力学学术研讨会“上，

140 多名代表提交了 95 篇有关系统动力学理论和应用研究方面的论 文。 1987年 6月，在上海召开的国际学术会议上我国代表交流了 29 篇论文，占会议论文数的 45%。1988年 7月，美国圣迭戈召开了国际 学术年会，我国有十名代表参加，交流论文十多篇。 1989 年 7 月， 在西德斯图加特召开的国际学术年会上，我国学者交流论文 14 篇， 有 4 人参加会议。 目前，在我国系统动力学已经发展成熟， 并正向深入和全面应用 延伸，形成了一支强大的研究力量，发展趋势看好，有理由相信，系 统动力学必将在我国社会，经济，科技，管理和生态等领域的研究中 发挥更大作用。

第 2 节 系统动力学的基础知识 系统动力学模型建立的基本知识， 基本原理主要有： 因果关系图， 模型流图及模型的组成等。现分别介绍。 2.1 因果关系

1 因果关系

因果关系是指由原因产生某结果的相互关系。 从哲学角度讲， 原 因和结果是揭示客观事物的因果联系的重要哲学概念， 它们是客观事 物普遍联系和相互作用的表现形式之一。 原因是某种事物或现象， 是 造成某种结果的条件； 结果是原因所造成的事物或现象， 是在一定阶 段上事物发展所达到的目标状态。 通常用箭头线来表示， 它有正因果关系和负因果关系两种， 如图 9— 1。 P

169

原因 结果 +

就业机会 E 迁入人口数 I

死亡率 R 总人口数 P 正因果关系：两个变量呈同方向变化趋势，如： E增加，I增加; E 减少， I 减少。 负因果关系：两个变量呈异方向变化趋势，如： R增加，P减少; R 减少， P 增加。

2 ）因果关系环图

因果关系环图是指由两个或两个以上的因果关系连接而成的闭 合回路图示。 它定性描述了系统中变量之间的因果关系。 它有正负因 果关系环图两种，如图 9—3，图 9--4 所示： P169

正因果关系环图：它会引起系统内部活动加强。 准则：若各因果关系均为正，则该环为正因果关系环; 若各因果关系为负的个数是偶数时， 则该环也为正因 果关系环。 负因果关系环图：它会引起系统内部活动减弱 准则：若各因果关系均为负，则该环为负因果关系环； 若因果关系为负的个数是奇数， 则该环为负因果关系 环。 再如：生态学人口增长因果关系环图， 如图 9—5，图 9--6 所示： P170

2.2 系统动力学模型流图 系统动力学模型流图简称 SD流图，是指由专用符号组成用以表 示因果关系环中各个变量之间相互关系的图示。 它能表示出更多系统 结构和系统行为的信息，是建立 SD模型必不可少的环节，对建立 SD 模型起着重要作用。其专用符号主要有八个： 1 ）水平变量

水平变量符号是表示水平变量的积累状态的符号，它是 SD模型 中最主要的变量。 它由五部分组成， 即：输入速率， 输出速率， 流线， 变量名称及方程代码（L）,如图 所示。 2）速率变量

速率变量符号是表示水平变量变化速率的变量。 它能控制水平变 量的变化速度，是可控变量。它由三部分组成，即：输入信息变量， 变量名称及方程代码（F）。如图 所示。 3）辅助变量

辅助变量符号是辅助水平变量等的变量。如图 所示

4）外生变量

外生变量符号如图 所示。 5）表函数

表函数符号如图 所示。 6）常数

常数符号如图 所示。 7）流线

流线符号又有物质流线， 信息流线，资金流线，及订货流线四种： 物质流线符号是表示系统中流动着的实体，如图 所示。 信息流线符号是表示联接积累与流速的信息通道，如图 所示。 资金流线符号是表示资金，存款及货币的流向，如图 所示。 订货流线符号是表示订货量与需求量的流向，如图 所示。 8）源与沟

源符号与沟符号如图 所示。 2.3 系统动力学模型 系统动力学模型是由六种基本方程和专门的输出语句

组成。 其六

A:辅助变量方程； N

:计算初始值方程；

种方程的标志符号分别为： L:水平变量方程； :速率变量方程； C:赋值予常数方程； T :赋值予表函数中Y 坐标值。 L方程是积累方程；

R, A方程是代数运算方程；

C, T, N方程是提供参数值方程，并在同一次模拟中其值保持不 变。

1) L方程

L方程是计算水平变量积累值的方程，其一般表示形式为：

L POPK =POPj+DT?(BR鬃K DR JK)

其中， L :水平变量方程代码，表示方程性质。

DT :时间间隔，即时间增量。

J :表示前一刻。

.K :现在时刻。

丄：未来一时刻。 POP,

:过去一时刻人口数。

POPK :现在时刻人口数。

POPL :未来一时刻人口数。

BRJK :过去至现在该段时刻的人口出生率。

DRJK :过去至现在该时刻段的人口死亡率。

积累是系统内部流的堆积量，它等于过去一时刻的积累加上积 累变动量，即变动增量。积累变动量是时间间隔与输入流速和输出流

速之差的乘积。