第6讲-系统动力学及Vensim建模总结

第6讲系统动力学及Vensim模拟2Page2(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(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主要内容3Page3(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4Page4系统动力学发展历史MIT和福瑞斯特（JayW.Forrester）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5Page5系统动力学应用领域宏观经济企业管理6Page6系统动力学的基本观点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。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。7Page7系统及其构成和结构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：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8Page8系统及其构成和结构系统及其构成和结构9Page9系统动力学的两个重要原理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分解的逆过程10Page10系统动力学的特点SD研究的对象主要是社会经济系统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。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。11Page11系统动力学的学科基础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。12Page12系统动力学建模框架和结构策略的执行对一个系统的认识问题的定义策略分析计算机模拟系统的概念化模型的建立13Page13系统动力学解决问题的一般过程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。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14Page14系统动力学建模流程任务调研问题定义划定界限反馈结构分析变量定义建立方程模型模拟模型评估政策分析与模型使用建立模型系统分析结构分析修改模型15Page15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——代表整个系统；Si——代表子系统，系统动力学数学描述piSSS1pi,,2,116Page16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)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)X(x1,x2,..,xn)U(u1,u2,...,um)X`(x1`,x2`,...,xn`)17Page17(2)Vensim软件简介Vensim的历史Vensim软件的版本Vensim软件的功能Vensim软件的界面Vensim软件知识与资源18Page18Vensim软件的历史Vensim软件的历史VentanaSystems,Inc.成立于1985年，Harvard,MassachusettsVensim软件开发于1988年1993年Vensim1.50为一个稳定版本Vensim1.62发布于1995Vensim3.0发布于1997Vensim4发布于1999Vensim4.1，4.2发布于2000Vensim5发布于2002.Vensim5.3发布于2004Vensim5.5发布于2005Vensim5.6发布于2006Vensim5.7a发布于200819Page19Vensim软件的历史Vensim专利技术CausalTracing™SubscriptingOptimizationVenappFlightSimulators(LearningEnvironments)ResourceAllocationalgorithm(ALLOCP)RealityCheck主要开发者：BobEberleinPh.DinMIT前国际系统动力学学会主席2007国际系统动力学大会主席20Page20Vensim软件功能VensimPLE个人学习版。具有一般建模模拟功能，多视窗,原因追踪,复合模拟等功能。对教育机构免费。VensimPLEPlus除具有PLEPlus功能外,具有MonteCarlo灵敏度测试,输入输出控制等.VensimProfessional除具有PLEPlus功能外,具有真实性测试，灵敏度测试，模型优化，方程文本编辑，下标变量等高级功能VensimDSS具有模拟飞行器开发，宏定义及外部函数引用，通过DLL与其他程序交互。VensimModelReader供无Vensim及高版本的人者阅读，运行和分析模型。但是不能修改模型。免费Molecules分子软件，用于构建系统动力学模型的“块”或分子结构。用于多个建模者一起合作。Venapps自定义Vensim应用程序(飞行模拟器和其他接口模型)可以在Venappbuilder中开发；可用VisualBasicC,C++,VisualC++,Delphi,Excel等编程语言或多媒体工具。21Page21Vensim软件的界面标题栏：TitelBar菜单栏:Menu工具栏:ToolsBarMainToolsSimulationToolsAnalysisToolsSketchTools状态栏:StatusBar流图区22Page2223Page23Vensim软件的界面工具栏主工具MainTools绘图工具SketchToolsLock:图形锁定Move/Size:移动Variable:创建变量BoxVariable:用创建状态变量Arrow:创建箭头。Rate:建立速率变量Merge:合并变量Delete:删除模型的结构,变量及注释。ModelVariable:在图形中加进已存在模型变量和引起变量原因。ShadowVariable:在图形中加进已存在模型变量作为影子变量InputOutputObject:在图形中增加输入滑动器和输出曲线图及图表。SketchComment:对图表增加注释和图片。UnhideWand:在图表中显示被隐藏的变量HideWand:在图表中隐藏某变量Equations:使用方程编辑器创建模型方程ReferenceModel:绘制与编辑参考模型24Page24Vensim软件的界面工具栏模拟工具SimulationToolsControl:模拟控制Setupasimulation:建立模拟RunName:数据集名称ChooseRunname:选择数据集名称Simulate:模拟SyntheSim:符合模拟Game:游戏Sensitivity:灵敏度测试Optimize:优化RealityCheck:真实性检验BuildWindows:切换到建模窗口OutputWindows:切换到输出窗口ControlPanel:控制窗口Subscrip:下标变量分析工具AnalysisTools静态分析数据集分析25Page25Vensim软件的界面工具栏分析工具AnalysisTools结构分析工具–原因树–使用树–回路图–文档数据分析工具–原因带状图–曲线图–灵敏性曲线图–条线图–表格–运行比较–统计表其他工具–单元检查–方程式编辑器–Venapp编辑器–文本编辑器26Page26系统动力学及Vensim软件的资源Vensim软件相关软件中附带手册：在线手册及PDFs文件VensimUserGuideVensimModelingGuideVensimReferenceManualVensimDSSReferenceSupplement软件中附带有关模型Vesim\models\guideVesim\models\mguideVesim\models\sampleVensim网站：（3）系统动力学及Vensim建模基础系统动力学建模阶段划分系统框图因果回路图构建因果链与反馈分析模型流图构建方程建立模型模拟复合模拟28Page28系统动力学建模的阶段划分建模流程可分为三个阶段初期（系统分析、结构分析）中期（初步建立模型）后期（完成模型调试）任务调研问题定义划定界限反馈结构分析变量定义建立方程模型模拟模型评估政策分析与模型使用建立模型系统分析结构分析修改模型29Page29建模初期的几个重要环节建模初期有五个重要环节：1.系统框图2.因果回路图构建3.因果链与反馈分析4.模型流图构建5.变量与方程建立30Page301.系统框图（分解的结果）建模的系统结构性构建（系统分析的结果）交通运输子块生产资料生产子块能源子块资本积累子块污染子块国民收入与分配子块消费资料生产子块农业生产能力子块非农业生产能力子块科技子块人口子块教育子