第8章-物流系统动力学模型

第8章物流系统动力学模型本章学习目标掌握系统动力学的基本原理；掌握系统动力学模型方法；掌握Vensim软件及物流系统动力学建模；了解系统动力学的研究对象和应用范围；了解因果关系分析方法；了解系统模型流程图的画法。一、系统动力学的研究对象和应用范围二、系统动力学的特点三、系统动力学的基本原理第一节系统动力学概述第一节系统动力学概述系统动力学（SystemsDynamics，SD）是美国麻省理工学院（MIT）的弗雷斯特（J.W.Forrester）教授于1956年提出的一种以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为辅助手段的计算机仿真模型，当时主要是针对企业管理问题进行系统分析。第一节系统动力学概述一、系统动力学的研究对象和应用范围系统动力学的研究对象从开始的工商企业扩展到整个社会、经济系统。这些系统具有一些共同的特点：需要进行比较、选择或优化决策的系统，尤其是大规模复杂系统；具有自律性和由于系统中所存在的因果关系而形成反馈机制的系统；原因和结果相互作用具有多样性和复杂性，因而导致非线性多重反馈结构的系统。第一节系统动力学概述一、系统动力学的研究对象和应用范围（续）系统动力学的应用范围从科研、设计到城市规划，从人口问题到世界资源危机，从民用到军用，涵盖了企业系统管理、环境保护、城市发展与规划，国家和地方经济社会发展预测和系统研究、宏观经济控制以及各种技术项目的开发等各方面。第一节系统动力学概述二、系统动力学的特点（一）系统动力学基于系统论，强调系统行为主要是由系统内部机制决定的，能对系统内部因素及系统内外因素的相互关系予以明确的认识和体现。（二）系统动力学强调系统、联系、运动、发展的观点，能对系统的动态发展及其趋势进行考察。（三）系统动力学以计算机仿真为辅助手段，擅长处理高阶、非线性的问题。（四）系统动力学的模型结构是基于反馈环的，能明确认识和体现系统内所隐含的反馈回路，使系统行为模式对很多参数不敏感，从而克服缺乏数据或参数估计不足带来的困难。第一节系统动力学概述二、系统动力学的特点（续）（五）系统动力学能对系统设定各种控制因素，以观测当输入的控制因素变化时系统的行为和状态所发生的变化。（六）系统动力学可以通过输入不同的模型参数来模拟计算不同情况下的系统行为，起到模拟实验室的作用。（七）系统动力学便于实现建模人员、决策者和专家群众的结合。第一节系统动力学概述三、系统动力学的基本原理（一）系统动力学的理论基础（二）系统动力学的工作原理（三）系统动力学建模步骤第一节系统动力学概述三、系统动力学的基本原理（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，是运筹学的一个分支。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等。第一节系统动力学概述三、系统动力学的基本原理（二）系统动力学的工作原理系统动力学利用反馈控制的原理，用因果关系图和流程图来描述系统的内部联系，并用仿真语言来定量计算系统状态的动态变化。其中反馈控制的过程是：首先观察要研究的实际系统，搜集关于系统状态的信息，分析各要素之间的因果关系，使用相关方法进行决策，并根据决策的结果采取行动，行动又作用于实际系统，使系统的状态发生改变，这些变化提供的信息再次决定决策者的下一次行动，从而形成了反馈回路。第一节系统动力学概述三、系统动力学的基本原理（二）系统动力学的工作原理8－1系统动力学工作原理第一节系统动力学概述三、系统动力学的基本原理（三）系统动力学建模步骤明确目的确定系统边界因果关系分析建立系统动力学模型仿真试验结果分析模型修改一、建模目的与系统边界二、因果关系分析三、系统动力学模型第二节系统动力学建模第二节系统动力学建模一、建模目的与系统边界（一）建模目的检验理论更重要的是通过认识系统内部反馈结构与动态行为，来进行改善系统行为的决策1.目的是用结果而不是行为来描述的。2.目标应是可以达到的。3.建模过程尽可能地允许用户参与。4.目标需要是可以度量和量化的。5.考虑到模型改进的可能性。第二节系统动力学建模一、建模目的与系统边界（二）系统边界正确地划出系统的边界需要将系统中的反馈回路看作是闭合的回路，在定性分析的基础上辅以定量分析，把那些与建模目的关系密切和相对重要的因素都纳入系统的边界。在建模的过程中，需要不断检验系统边界的充分性。并当系统边界确定后，还应考虑当边界扩大（或缩小）后，原定的策略还是否有效。第二节系统动力学建模二、因果关系分析因果关系分析起着指明系统的变量间因果关系、作用方向和说明系统的反馈回路的作用。“如果……那么就……”第二节系统动力学建模二、因果关系分析（一）因果箭一般系统内变量间的因果关系用箭头图表示，一个箭头连接两个有因果关系的相关变量，称之为因果箭。因果箭的箭尾始于原因要素，箭头指向结果要素。第二节系统动力学建模二、因果关系分析（二）因果链因果链是用因果箭来描述的递推性的因果关系。所示图负因果箭的因果链，如正因果链：含有偶数个所示图负因果箭的因果链，如负因果链：含有奇数个)()b(c第二节系统动力学建模二、因果关系分析（三）因果关系的反馈回路当因果链中“原因”引起“结果”，“结果”又引起“结果的结果”，最终又作用于最初的“原因”，形成一个封闭的回路，则称为因果关系的反馈回路或因果反馈回路、因果反馈环。个负因果箭的反馈回路正反馈回路：含有偶数个负因果箭的反馈回路负反馈回路：含有奇数二、因果关系分析（四）多重因果反馈回路第二节系统动力学建模同一系统中存在的两个或两个以上的反馈回路称为多重反馈回路三、系统动力学模型（一）流程图（FlowDiagram）第二节系统动力学建模TextTextText状态变量•也称为流位变量，是描述系统积累效应的变量决策变量•也称为流率变量、速率，是描述系统积累效应的变化快慢的变量三、系统动力学模型（一）流程图（FlowDiagram）第二节系统动力学建模3.流程图常用符号流流位流率源与汇参数辅助变量【例8－1】进行存款活动时，存款与利息的因果关系反馈回路可表示为：第二节系统动力学建模可用流程图描述以上因果关系反馈回路为：其中：存款为状态变量利息为流率变量利率为辅助变量三、系统动力学模型（二）系统动力学方程第二节系统动力学建模1.状态变量方程LLEVEL.K=LEVEL.J+DT*(INFLOW.JK-OUTFOLW.JK)2.流率方程CON.K,AUX.K,LEVEL.K,RATE.KLfR3.辅助方程CON.K,RATE.JK,LEVEL.K,AUX.K,AUX.KgA三、系统动力学模型（二）系统动力学方程第二节系统动力学建模4.常量方程CONC注意：(1)常量方程中不能出现时间下标(2)常量可以依赖于其他常量。5.赋值方程LEVELN注意：(1)赋值方程中不能出现时间下标(2)模型中每一个状态变量方程都必须赋予初始值，因此每个L方程后都必须跟随一个N方程一、Vensim软件二、物流系统动力学概述三、一阶负反馈回路四、二阶负反馈回路第三节Vensim软件及物流系统动力学建模一、Vensim软件第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（一）Vensim软件简介早期的系统动力学仿真软件DYNAMO采用的是文本编程方式，需要用流程图描绘出系统模型后，在流程图里用不同的符号表示不同类型的函数，之后才编写程序，因此较为复杂。Vensim是由美国VentanaSystems公司开发的一款可视化系统动力学软件。与DYNAMO相比，Vensim提供了相对简单灵活的方式，在绘制流程图的过程中，同时已建立了模型的数学关系，无需使用许多图形符号。如Causetree用树状图形的形式表示出所有工作变量之间的因果关系分析工具结构分析如Causetree用树状图形的形式表示出所有工作变量之间的因果关系数据集分析一、Vensim软件第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（二）Vensim操作界面第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（三）Vensim绘图工具说明第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（四）Vensim建模1.绘制因果关系图1)启动Vensim，点击菜单栏“File”－“NewModel”，显示“ModelSettingsTimeBounds”对话窗口，点击“OK”按钮即可显示空白窗口，接下来可以开始绘制因果循环图。2)设定图中字体为宋体，大小为10，颜色为黑色：在状态栏中点击字体名称（初始默认为TimesNewRoman）。3)点击绘图栏的“Variable–Auxiliary/Constant”工具，在绘图窗口中任意一空白处点击（放置变量“利息”），此时显示编辑框，输入“利息”，然后按Enter。重复此步骤来建立变量“存款”。4)如果拼错变量名称，仍然在点击“Variable–Auxiliary/Constant”的情况下，点选拼错变量的名称，此时显示编辑框，即可更改。第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（四）Vensim建模1.绘制因果关系图5)点击绘图栏“Arrow”工具，单击变量“利息”，再移动鼠标单击变量“存款”，则显示有直线箭头指针从“利息”指向“存款”；接着点击绘图栏的“Move/SizeWordsandArrows”工具，拖曳直线箭头指针的小圆圈将直线箭头变为弧形。重复上述步骤可建立弧线箭头指针由“存款”指向“利息”。6)点击绘图栏“Move/SizeWordsandArrows”工具，将鼠标移至某个箭头中间的小圆圈上按右键，在出现的对话框中勾选“Polarity”下面的“＋”号，即可为该箭头添加“＋”号。重复上述步骤为另一箭头添加“＋”号。第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（四）Vensim建模1.绘制因果关系图7)选中绘图栏中的“SketchComment”工具，然后点击绘图窗中正反馈回路内一点，在显示的批注说明对话窗口内，选择“Shape”下的“LoopClkwse”(顺时针)，及“Graphics”－“Image”右侧下拉菜单中的“＋”，最后点击“OK”键。即可在改该反馈回路中添加正反馈回路的图形。8)点击菜单栏的“File”－“save”保存所完成的因果关系图。第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（四）Vensim建模2.绘制流程图及建立方程式1)新建一个模型，在“TimeBoundsforMode”对话窗口中设置“TIMESTEP”为0.25，“UnitsforTime”为“Year”，然后点击“OK”。2)绘制状态变量“存款”：点击绘图栏“BoxVariable–Level”工具，在窗口内任意处单击，出现编辑框，键入“存款”，再按Enter。3)绘制流率变量：点击绘图栏“Rate”工具，在状态变量的左方适当位置点击，则显示“源”，移动鼠标至“存款”处点击，出现编辑框，键入“利息”，再按Enter。如图8-14所示。4)点击绘图栏“Variable–Auxiliary/Constant”工具，在空白处键入变量“利率”。第三节Vensim软件及物流系统动力学建模（四）Vensim建模2.绘制流程图及建立方程式5)点击绘图栏“Arrow”工具，绘制弧线箭头由“存款”指向“利息”，及直线箭头由“利率”指向“利息”。6)建立方程式：点击绘图栏“Equations”工具，则三个变量将反白显示，表示尚未建置方程式。接着点击“利息”，显示编辑方程式对话窗口，在“＝”号旁输入“存款*利率”。(提示：对话窗口中右方有变量表列与数字键盘以供选择)，点击“OK”键完成。7)点击“存款”，显示编辑方程式对话窗口，Vensim自动认定“存款”等于“利息”的积分，将对话窗口中存款的初始值“InitialValue”设定为100。8)点击“利率”，显示编辑方程式对话窗口，在“＝”号右方键入0.0225，点击“ok”。第三节V