系统工程(动力学)基模
系统工程 第四章 系统动力学仿真-PPT课件
利率
+
+ 组织改善
组织绩效
（ -）
+
-
组织缺陷
3、举例
R1（利息1） L1
C1(利率)
R1(订货量)
库存量 I
（库存差额） D
主 要功能。
(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变 及其发展过程。
3、系统仿真的作用
(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收 集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问 题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意 的方法。
(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统， 可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等 系统问题。
4、工作程序
认识 问题
界定 系统
要素及其因 果关系分析
建立结 构模型
建立量 化分析
模型
仿真 分析
比较与 政策 评价 分析
初步分析
规范分析
综合分析
SD工作程序图
二、SD结构模型化原理
1、基本原理
决策
信息
行动
信息
(Rate)
速率变 量
流
（行动）
系统 状态
水准变量 (Level)
四个基本要素——状态、信息、决策、行动 两个基本变量——水准变量（L）、速率变量（R） 一个基本思想——反馈控制
d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的 个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量在数量上 一般是较多的。
3、举例
库存量
+ （-） -
每周订货 量
库存差额
期望
+
库存
速率变量
水准变量
辅助变量
周订
(完整版)系统动力学模型SD3
典型的变化率方程（构造复杂速率的基本单元）：
LEVEL.K*CONST
LEVEL.K/LIFE
(GOAL.K-LEVEL.K)/ADJTM
LEVEL.K*AUX.K与LEVEL.K/AUX.K EFFECT.K+NORM.K（某些因素的影响作用+额定速率）
状态变量与Level方程 速率（变化率）方程 辅助方程 SD模型举例
5.1.1 状态变量与Level方程
状态变量是随时间而变化的积累量，是物质、能量与信息的储存环节。 如：人口、企业雇员人数、库存、生产能力、银行存款等。
状态变量的输入、输出变化率使积累量增加或减少。 L LEVEL.K=LEVEL.J+DT * (INFLOW.JK- OUTFLOW.JK)
期望雇员的阶跃增长时的外部特性
状态变量：去耦作用 它使连接的各辅助变量更加具有 独立性。 辅助变量：瞬变
结论：
若因果链中的变量值可随其输入量的变化而瞬变，则它们可定义 为辅助变量；若一变量经因果链的传递将改变其波形，则宜以状 态变量表示。
状态变量方程小结
状态变量环节能改变随时间变化的输入量的形状，能削弱输 入量与输出量之间的联系，使它们多多少少能独立变化，从 而使模型可能具备不平衡的动力学性质。
HFR=0,
WF=WFS
雇员的累积作用流图
Байду номын сангаас
• 突增WFS的特性经由状态变量WF 自身的积累变换，WF表现平滑指数增 长自寻的特性。
R HFR.KL=(WFS.K－WF.K)/WFAT
状态变量在回路中的作用
具有积累作用的状态变量环节有 改变其各种形式输入量特性（曲 线形状）的能力。
因果关系图系统基模计算方法及其应用
南昌大学学报 （ 理科版 ）
Ｊｕ ａ ｏ ａｃａ ｇＵ ｉｅ ｉ （ ａ ｒ ｃｅｃ ） ｏ ｒｌ ｆ ｎｈｎ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｅ ｎ Ｎ ｓｙ ｕｌ ｎ
Ｖｏ ． ４ Ｎ ． １３ ｏ ２ Ａｐ ． ０ ０ ｒ２ １
）＝ “ ＋ ， 因果链 分 别记 为 Ｆ（ ｖ）＝ “ 一 Ｄ ”负 ｖ， ｊ Ｎ ”
统 中的不 同子 系统 之 间 的作 用 和 反 馈 ， 而 揭 示 系 进 统 的整 体 涌现 性 和复 杂 性 ， 因果 关 系 图 是 生 成 系 而
统动力 学 流图 的一个 重 要环 节 ¨ Ｊ 。系 统 基模 最 初 的 构 思 是 来 自 Ｍｉｈｅ Ｇ ｏ ｍａ 和 Ｐ ｔｒ Ｓｎ ｅ ｃ ａｌ ｏｄ ｎ ｅ ｅｇ、 ｅ Ｃ ａｌ ｉ ｅ、ｅｎ￣ ｅ ｅ ｙ 在 １ ８ ｈｒ ｅＫ ｅ ｒＪｎ ｉ ｒＫ ｍ ｎ ， ９ ０年 代 开 始 将 ｉ ｆ
系 统 动 力 学 是 美 国 麻 省 理 工 学 院 福 瑞 斯 特
（ｏｒｓ ｒＪｙＷ． 教授 创建 的一 种研 究 复杂 性 问题 Ｆｒ ｔ ａ ） ｅｅ
信息 反馈 系统 的重 要 方 法 ， 主要 通 过 流 图研 究 系 它
１ 关联数字矩阵 、 馈环 、 反 系统 基 模 的 定 义 及 性 质
文 章 编 号 ：０ ６— ４ ４ ２ １ ）２— １ １一 ６ １０ ０ ６ （ ００ ０ ０ ３ ｏ
因果 关 系 图 系统 基 模 计 算 方 法 及与 工程 系， 江西 南昌 摘 ３０ ４ ） ３ ０７
要： 因果关 系图系统基模 分析技术是管理 问题 动态性 复杂分 析 的一 个重要 工具 ， 掌握 因果关 系 图中所包 含的
系统动力学及Vensim建模与模拟技术PPT课件
主要内容Βιβλιοθήκη (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
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系统动力学建模流程
任务调研 问题定义 划定界限
系统分析
反馈结构分析 变量定义
结构分析
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
修改模型
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系统动力学数学描述
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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：
SSiS1p
S——代表整个系统；
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Vensim 软件的历史
Vensim 专利技术
Causal Tracing™ Subscripting Optimization Venapp Flight Simulators
(Learning Environments) Resource Allocation algorithm
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。
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系统动力学建模框架和结构
策略的执行 策略分析
数学工具选择的指导思想（以模拟为主、演绎为辅） 模型的精度与控制（社会复杂系统应用中建模与成本控制）
系统动力学简介
尽可能确定变量的量纲，必要时可自己创
造一些。例如某些心理学方面的变量，不 得不采用诸如精神上的“压力”单位。确 定量纲有助于突出因果图中文字叙述的涵 义。
因果关联图应用指南（二）
尽可能定义变量本身为正值，不把诸如
“衰减”、“衰退”、“降低”一类定 义为变量。由于“衰退”的增长或“降 低”的上升的说法将令人费解，而且当 检验因果链的极性与确定回路的极性时， 将使人目眩。 如果某因果链需加以扩充，以便于更详 尽地反映反馈结构的机制，则毫不犹豫 地将其扩充为一组因果链。 反馈结构应形成闭合问路。
的系统是复杂系统。 反馈系统俯拾皆是，生物的、环境的、生态的、 工业的、农业的、经济的和社会的系统都是反 馈系统。 开环系统是相对于闭环系统(即反馈系统)而言 的，因其内部未形成闭合的反馈环，像是被断 开的环，故称为开环系统。
1）正反馈回路
回路上的因果链全是正极性的，或者负极性的 因果链个数是偶数，则称为正反馈。
系统动力学基本理论
1、因果关联图 定义：反映系统各要素之间因果关系的图就称 为因果关系图。用箭线表示要素之间的因果 关系。
（1）因果链
如果A的增加使B也增加，则称为正极性，记作：
A
+
B
如果A的增加使B减少，则称为负极性，记作： A
-
B
例如，年出生人数增加导致人口总数增加，年死亡人数增 加导致人口总数减少。 BRTH + POP
Romeo and Juliet by William Shakespeare
罗密欧与朱丽叶相爱的二阶系统模型
Romeo's Love for Juliet change in Romeo's love ROMEO'S REACTION
123思维模型：系统动力学模型
123思维模型：系统动力学模型一、系统动力学的定义系统动力学(简称SD—system dynamics)的创始人为美国麻省理工学院(MIT)的福瑞斯特(J．W．Forrester)教授。
是福瑞斯特教授于1958年为分析生产管理及库存管理等企业问题而提出的系统仿真方法，最初叫工业动态学，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的交叉综合学科。
简单而言，“系统动力学是研究社会系统动态行为的计算机仿真方法”。
具体而言，系统动力学包括如下几点。
1、系统动力学将生命系统和非生命系统都作为信息反馈系统来研究，并且认为，在每个系统之中都存在着信息反馈机制，而这恰恰是控制论的重要观点，所以系统动力学是以控制论为理论基础的；2、系统动力学把研究对象划分为若干子系统，并且建立起各个子系统之间的因果关系网络，立足于整体以及整体之间的关系研究，以整体观替代传统的元素观；3、系统动力学的研究方法是建立计算机仿真模型和构造方程式，实行计算机仿真试验，验证模型的有效性，为战略与决策的制定提供依据。
随着系统动力学渗透到社会、经济、政治等多个领域，很快成为了系统科学与管理科学的一个重要分支，成为沟通自然科学和社会科学等领域的横向学科。
二、系统动力学的原理系统是一个由相互区别、相互作用的元素有机地联结在一起，为同一目的完成某种功能的集合体。
系统动力学研究的系统必须是远离平衡的有序的耗散结构。
耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构。
系统动力学主要研究的是开放复杂系统，例如：人脑系统、生命系统、生态系统、企业系统、经济系统和国家系统等。
开放复杂系统的一个重要特征就是多变量、高阶次、多回路和非线性，在非平衡状态下运动、发展和进化。
开放系统在不断与外界进行信息流、物流、能流的交换过程中，获得外部动力；同时，在系统内部的各组成部分相互耦合、作用，形成自然约束与相互协调，产生内部动力。
系统动力学模型讲稿
4．延迟(Delay)
• 在复杂的社会经济系统中存在广泛的延迟(Delay) 现象．即系统中的物流或信息流从它们的输入到 它们的输出响应，总不可避免地有一段时间的延 迟，这段时间就是延迟时间或延迟。 • 例如，从订货到收货，固定资产的投资到发挥经 济效益，从下种到庄稼收获，从投入教育经费到 人才的产出，从污染物散入环境到危害人类健康 ，等等都存在着一段或长或短的延迟时间，这些 是物流的延迟。 • 同样信息流也存在延迟。如，商品供求关系的变 化要经过一段时间才会引起商品价格的变动；产 品质量影响工厂的声誉也需要一段时间。
•Time (Year)
"population" Runs:
•0 •1 •2 •3 •4 •5 •6 •7 •8 •9 •10 •11 •12 •13 •14 •15 •16 •17 •18 •19
100 102 104.04 106.121 108.243 110.408 112.616 114.869 117.166 119.509 121.899 124.337 126.824 129.361 131.948 134.587 137.279 140.024 142.825 145.681
6．因果关系
• 系统由相互依存、相关作用的要素组成。如果 要素A的量的变化会引起要素B的量的变化，则 称A与B之间存在着因果关系。反映系统各要素 之间因果关系的图就称为因果关系图。 • 系统动力学用矢线表示系统中两个要素(变量) 之间的联系，称为因果链或因果环(Causal Link)。如果有两个因素(变量)A和B，它们之 间存在因果联系，如果A变化△A，则引起B变 化△B或-△B。这时，可把A看作B变化的原因 ，B是A的结果。
L L0 ( R1 R2 )dt
系统动力学模型
系统动力学模型系统动力学模型在近年来一直是许多学科的热点研究课题。
它具有宏观以及微观视角，可以被用来更好地探讨和理解复杂系统。
系统动力学模型可以用来研究各种复杂系统，比如社会系统、金融系统、医疗系统等。
系统动力学模型可以用来研究系统中的各种元素之间的相互作用，以及组成系统的元素如何受到环境的影响和变化。
系统动力学模型旨在帮助我们更好地了解复杂系统的变化规律，以便更好地控制、优化和调整。
系统动力学模型可以用来分析和研究系统中各种因素之间的相互影响，以及其组成元素如何受到外部环境的影响。
例如，在研究社会系统时，系统动力学模型可以用来分析社会系统中的多种元素（如，资本、社会关系、教育等）之间的关系，以及社会系统如何受到文化环境的影响。
类似的，在研究金融系统时，可以用系统动力学模型分析金融系统中多种元素之间的关系，以及金融系统如何受到政治环境的影响。
另外，系统动力学模型还可以用来研究环境影响下系统内部各个元素所受到影响的程度，以及这些元素之间的相互影响如何影响系统整体的结果。
例如，在研究社会系统时，可以用系统动力学模型分析文化环境如何影响社会系统中的多种元素，以及各个元素之间的相互影响如何影响社会系统的总体结果。
此外，系统动力学模型还可以用来研究系统控制、优化以及调整，即系统内部元素之间的相互作用、外部环境如何影响系统，以及系统如何通过控制、优化和调整来改变系统的最终结果。
例如，在研究社会系统时，系统动力学模型可以用来分析文化环境如何影响社会系统中的多种元素，以及社会系统如何通过控制、优化和调整来改变社会系统的最终走向。
综上所述，系统动力学模型是一种重要的研究工具，可以用来分析复杂系统中元素之间的相互作用、外部环境如何影响系统以及系统如何通过控制、优化和调整来改变系统的最终结果。
它可以用来研究社会系统、金融系统、医疗系统等等，进而帮助我们更好地理解复杂系统的变化规律，以便更好地控制、优化和调整。
在现今社会发展迅速的背景下，系统动力学模型可以帮助我们更有效地把握社会发展的方向，为不断改善人们的生活质量提供参考。
系统动力学及Vensim建模与模拟技术
系统动力学建模流程
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任务调研 问题定义 划定界限 反馈结构分析 结构分析 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 修改模型 系统分析
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系统动力学数学描述
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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：
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系统动力学建模框架和结构
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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
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系统动力学解决问题的一般过程
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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。
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。
系统建模中对问题的分解（结构建构） 系统分析中的共性结构分析 复杂模型的基模研究
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系统及其构成和结构
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系统及其构成和结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ10
系统动力学的两个重要原理
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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）
系统工程 第4章_系统动力学 仿真-精品文档
• 1972年正式定名系统动力学：“ 系统动力 学是研究信息反馈系统动态行为的计算机 仿真方法。它有效地把信息反馈的控制原 理与因果关系的逻辑分析结合起来，面对 复杂实际问题，从研究系统的内部结构入 手，建立系统的仿真模型，并对模型实施 各种不同的政策方案，通过计算机仿真展 示系统的宏观行为，寻求解决问题的正确 途径。”
每年的年 收入
+
恶性循环
良性循环
负关系
若满足下列条件之一： ①A从B中减去；②1/A是B的乘积因子； ③A变到A±△A，有B变到B＋△B，即A、B 的变化方向相反。 则称A到B具有负因果关系，简称负关系，用 “－”号标在因果链上。
－
人口死亡率 人口总数
反馈
• 从控制论的观点看，任何一个具有使自身 内部保持稳定的系统，都具有某种反馈机 制。 • 反馈（Feedback）: 构成系统的某一成分的 输出与输入之间的关系，或者说是输出变 成了决定系统未来功能的输入。
4、工作程序
认识 问题 界定 系统
要素及其因 果关系分析 建立结 构模型 建立量 化分析 模型 仿真 分析 比较与 评价 政策 分析
初步分析
规范分析
综合分析
SD工作程序图
二、SD结构模型化原理
1、基本原理
决策 (Rate) 速 率 变 量 行动 系统 状态
信息
信息
流 （行动） 水准变量 (Level)
系统工程
（Systems Engineering SE）
进入
第四章 系统仿真及系统动力学方法 1.系统仿真概述 2.系统动力学结构模型化原理 3.基本反馈回路的DYNAMO仿真分析
教学内容
1.系统仿真概述 2.系统动力学结构模型化原理 3. DYNAMO仿真分析