系统动力学第一章

南京农业大学管理工程系NanjingAgriculturalUniversityDepartmentofManagementEngineering1系统动力学张冬青Email:[e-mail]2系统动力学的应用世界模型20世纪70年代，世界工业生产呈指数增长,而金融与经济却处在周期性衰退,通货膨胀；人口迅速增长，城市人口发展失控，就业困难；非再生自然资源消耗呈指数增长,资源日渐枯竭,生态环境恶化。罗马俱乐部探索产生这些问题的原因，寻求未来世界与人类摆脱困境的出路。由于这些问题涉及社会、经济和技术等因素，而且这些因素之间呈现错综复杂的关系，鉴于当时一些常用的理论方法、工具难以解决，他们求助于SD.3系统动力学的应用美国国家模型20世纪70年代，Forrester教授又对美国国家模型进行研究，建立了方程式多达4000的美国国家系统动力学国家模型，该模型把美国的社会、经济问题作为一个整体加以研究，揭开了当时一些令经济学家困惑的问题，如通货膨胀、失业率和实际利率同时增长的问题；其最有价值的研究成果是揭示了美国与西方国家经济长波（longwave）形成的内在原因。4参考文献王其藩.系统动力学.上海:上海财经大学出版社,2009.钟永光,贾晓菁,李旭.系统动力学.北京:科学出版社,2009.(普通高校教育“十一五”国家级规划教材)J.W.Forrester,系统原理,1986,清华版译本.J.W.Forrester,工业动力学,1985,科学版译本.蔡林.系统动力学——在可持续发展研究中的应用.北京:中国环境科学出版社,2008.俞金康.系统动态学原理及其应用.北京:国防工业出版社,1993.谭惠民.系统动力学.北京:国防工业出版社,1989.5参考文献苏懋康.系统动力学原理及应用.上海:上海交通大学出版社,1988.都兴富.系统动力学原理及其应用.成都:西南财经大学出版社,1989.系统动力学在中国,喻学恒.系统工程理论与应用第一卷:系统动力学.武汉:武汉大学出版社,1988.胡玉奎.系统动力学——战略与策略实验室.杭州:浙江人民出版社,1988.6主要内容系统动力学概论基本概念和构模主要过程与步骤系统动力学构模原理、方法及模型体系的演进Vensim建模基础一阶系统二阶系统简单系统的振荡系统动力学模型的建立模型的调试、改进与检验系统动力学实际应用系统动力学最新发展与未来展望南京农业大学管理工程系NanjingAgriculturalUniversityDepartmentofManagementEngineering7第一章系统动力学概论8本章主要内容1.1系统动力学概念1.2系统动力学发展历史1.3系统动力学在我国的发展1.4专用模型语言与软件的发展91.1系统动力学概念系统动力学（systemdynamics,SD）是基于系统科学理论，采用定性与定量相结合的方法，从系统微观结构入手，借助计算机模拟技术来分析系统内部结构与其动态行为的关系，并寻觅解决问题的对策的一门学科。101.2系统动力学发展历史系统动力学的发展过程大致可分为三个阶段：第一阶段：20世纪50~60年代SD学科的诞生SD起源于1956年，创始人是MIT的J.W.Forrester教授；SD的初期主要用于工业企业管理；这一阶段明确了结构的概念，即从反馈环或系统子结构的角度来认识系统，主要研究平衡条件的变动对稳态的影响，而不是增长或衰减等瞬态过程；系统概念在社会科学中得以巩固，有关系统原理的教材及实验手段得到普及；SD主要致力于公司的政策修订；111.2系统动力学发展历史第一阶段：20世纪50~60年代SD学科的诞生代表性成果(1)ForresterJW,IndustrialDynamics:ABreakthroughforDecisionMakers[J].HarvardBusinessReview,1958,36(4):37-46.(2)ForresterJW,IndustrialDynamics[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1961.(3)ForresterJW,PrinciplesofSystems[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1968.(4)ForresterJW,UrbanDynamics[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1969.121.2系统动力学发展历史第一阶段：20世纪50~60年代SD学科的诞生应用领域主要是工业企业管理领域，如生产与雇员情况的波动、市场股票与市场增长的不稳定性；涉及市场销售、初步提到“牛鞭效应问题”、R&D项目管理、财务金融等方面。131.2系统动力学发展历史第二阶段：20世纪70-80年代的发展成熟这一阶段为SD的进一步发展奠定了基础，迈开了由理论走向实际应用的重要步伐。一些重要的专著，如Forrester教授的《城市动力学》、《世界动力学》，Meadows教授等的《增长的极限》等相继问世;这一阶段SD的研究领域已远远超出工业系统的范围,对于反馈过程，SD并不拘泥于数学上复杂的反馈理论，而作出了简明的实用解释，强调实用性;这一阶段以世界模型和美国国家模型最为著名；141.2系统动力学发展历史第二阶段：20世纪70-80年代的发展成熟代表性成果(1)ForresterJW,WorldDynamics(2nded.)[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1971.(2)MeadowsDL,MeadowsDW,RandersJ,BhrensWW.TheLimitstoGrowth:aReportfortheClubofRome’sProjectonthePredicamentofMankind[M],NewYork:UniverseBooks,1972.(3)MeadowsDL,MeadowsDWeds.TowardGlobalEquilibrium:CollectedPapers[M],CambidgeMA:ProductivityPress,1974.(4)MassNJ.ReadingsinUrbanDynamicsVol1.[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1974.151.2系统动力学发展历史第二阶段：20世纪70-80年代的发展成熟代表性成果(5)SchroederWW,SweeneyRE,AlfeldLE,eds.ReadingsinUrbanDynamicsVolⅡ.[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1975.(6)AlfeldLE,GrahamAK.IntroductiontoUrbanDynamics[M].CambidgeMA:ProductivityPress,1976.161.2系统动力学发展历史第二阶段：20世纪70-80年代的发展成熟应用领域世界模型国家模型项目管理领域171.2系统动力学发展历史第三阶段：20世纪90年代至今SD广泛应用与传播SD在世界范围内得到广泛的传播，其应用范围更广泛;目前SD正加强与控制理论、系统科学、突变理论、耗散结构与分叉、结构稳定性分析、灵敏度分析、统计分析、参数估计、最优化技术应用、类属结构研究、专家系统等方面的联系；美、英、法、联邦德国、日本等国纷纷采用系统动力学方法来研究各自的社会经济问题，涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业、城市等广泛的领域。181.2系统动力学发展历史第三阶段：20世纪90年代至今SD广泛应用与传播代表性成果(1)Abdel-HamidTK,MadnikSK.SoftwareProjectDynamics:AnIntegratedApproach[M].EnglewoodCliffsNJ:PrenticeHall,1991.(2)StermanJD.ModelingManagerialBehavior:MisperceptionsofFeedbackinaDynamicDecisionMakingExperiment[J].ManagementScience,1989,35(3):321-339.(3)MeadowsDL,MeadowsDW,RandersJ.BeyondtheLimits:ConfrontingGlobalCollapse,EnvisioningASustainableFuture[M],PostMillsVT:ChelseaGreen,1992.(4)Senge,peterM.TheFifthDisciplineFieldbook-StrategiesandToolsforBuildingalearningOrganization[M].NewYork:DoubledayCurrency,1990.191.2系统动力学发展历史第三阶段：20世纪90年代至今SD广泛应用与传播应用领域（1）项目管理领域（2）物流与供应领域（3）宏观领域（4）复杂性科学领域（5）学习型组织理论201.3系统动力学在我国的发展1、应用领域80年代初，“2000年的中国”研究中的“我国长期发展趋势”，建立SD中国国家模型；随后有“SD在科研管理中的应用”、“科技-教育-经济综合动态系统的理论和模型”、“高技术条件下科技-经济-教育协调发展研究”、“可持续发展的数学模型与仿真理论与应用研究”、“珠海市宏观经济系统动力学模型”、“货币政策决策支持模型系统——中国人民银行系统动力学长期经济预测模型”、“复杂系统特性研究及其在经济系统中的应用”等等；211.3系统动力学在我国的发展2、理论领域我国学者在理论方面的研究，主要是以SD理论为主框架，综合应用多种理论和方法的综合分析动态研究方法。（1）SD和图论相结合应用图论分析方法给出SD的流量图的极大出树及反馈回路一种确定方法，建立了系统动力学的流率基本入树建模法，枝向量行列式矩阵反馈环计算法，得到另一种系统动力学规范化建模方法——基于入树结构理论的建模方法；（2）SD和GA算法结合利用GA算法来研究系统结构的变化。221.3系统动力学在我国的发展3、我国学者在SD方面代表性文献(1)王其藩.系统动力学[M].北京:清华大学出版社,1994.(2)王其藩.高级系统动力学[M].北京:清华大学出版社,1995.(3)王其藩.复杂大系统综合动态分析与模型体系[J].管理科学学报,1999,2(2):15-19,27.(4)宋世涛,魏一鸣,范英.中国可持续发展问题的系统动力学研究进展[J].中国人口、资源与环境,2004,14(2):42-48.231.3系统动力学在我国的发展3、我国学者在SD方面代表性文献(5)贾仁安,伍福明,徐南孙.SD流率基本入树建模法[J].系统工程理论与实践,1998,18(6):90-95.(6)贾仁安,丁荣华.系统动力学——反馈动态性复杂分析[M].北京:高等教育出版社,2002.(7)胡玉奎,韩于羹,曹铮韵.系统动力学模型的进化[J].系统工程理论与实践,1997,(10):132-136.(8)程进,王华伟,何祖玉.基于遗传算法的系统动力学仿真模型研究[J].系统工程,2002,20(3):77-80.241.4专用模拟语言与软件的发展1、DYNAMO系列模拟语言在20世纪50年代SD发展初期，出现了DYNAMO(DynamicModels)计算机模拟语言，借助计算机进行系统结构、功能与动态行为的模拟；随着计算机的发展，出现DYNAMOⅡ、DYNAMOⅢ、Mini-DYNAMO；2、Vensim软件90年代后，出现Vensim、iThink、STELLA、Powersim等可视化软件；其中Vensim软件是美国Ventana公司推出、使用最广泛的SD软件之一。