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1、系统动力学(systemdynamics,SD)是系统科学理论与计算机仿真紧密结合、研究系统反馈结构与行为的一门科学，是系统科学与管理科学的一个重要分支。p系统动力学认为：系统的行为与特性主要取决于其内部结构。p反馈：影响Y，反过来Y通过一系列的因果链来影响X；p非线性、高阶次、多重反馈的复杂时变系统往往表现出反直观、千姿百态的动态性。12.3模型与系统的关系Q：如何建立一个“好”的模型？：在不影响模型对所研究的系统行为模仿的前提下，尽量简化。建立模型并不是完全重构原现实系统，研究者要选择一种适当复杂程度的模型，根据问题出发选择合适的变量，并根据需要来量化它们之间的关系。通常从三方面进行考虑：
2、所谓的简化简化意味着：(1)元素更少，相互关系更简单；(2)把握关键要素；(3)更低的建模成本。2近似性可靠性目的适度2.5模型构成的要素o从数学建模的角度来看：o此外，系统具有层次性。一个系统可以有多个子系统，子系统还可以包含子系统。实际上，层次结构是人类认识复杂系统的一种重要的手段。通过将一个复杂系统不断分解为多个可理解的子系统，有助于理解整个系统的行为特征。3模型构成要素变量参数：系统的环境设置函数关系：表示系统内各要素的关系内生变量：系统输出端出现的变量，不可控变量外生变量：可控变量，形成系统的输入状态变量：系统内全体属性的表征量，记录系统的状态4建模的步骤建模的步骤包含的问题和使用的
3、主要工具包含的问题和使用的主要工具1.明确问题，确定系统的边界选择问题：问题是什么？为什么它是一个问题？关键变量：关键变量是什么？我们必须考虑的概念是什么？时限：问题的根源应追溯过去多久？我们应考虑多远的将来？参考模式：关键变量的历史行为是什么？将来它们的行为会怎样？2.提出动态假说现有的理论解释：对存在问题的行为现在的理论解释是什么？聚焦于系统的内部：提出一个由于系统内部的反馈结构导致动态变化的假设。绘图：根据初始假设，关键变量、参考模式和其它可用的数据建立系统的因果结构图，这一过程中可以使用的工具包括系统边界图、子系统图、因果回路图、存量流量图、政策结构图以及其它可以利用的工具。3.写方程
4、明确决策规则确定参数，行为关系和初始化条件测试目标和边界的一致性4.测试与参考模式比较：模型能完全再现过去的行为模式吗？极端条件下的强壮性分析：在极端条件下模式的行为结果符合现实吗？灵敏度：模型的各个参数、初始化条件、模型边界和概括程度的灵敏度如何？其它测试（详见第13章模型测试）5.政策设计与评估具体化方案：可能产生什么样的环境条件？设计政策：在现实世界中我们可以实施哪些新的决策规则、策略和结构？它们怎样在模型中表示？“如果则”分析：如果实施这些政策，其效果如何？灵敏度分析：不同的方案和不确定性条件下，各种政策的强壮性如何？政策的耦合性：这些政策会相互影响吗？相互抵消吗？n步骤：(1)建立参
5、考模式；(2)明确的设定时限o(1)建立参考模式n系统动力学建模者追求的是动态地定义问题动态地定义问题，即作为一种行为模式，随时间展开，显示出问题如何产生以及在未来如何演变。n参考模式：一套图形和其它描述数据显示出问题随时间的发展变化。5o3.5.2提出动态假说n动态假说:解释所研究问题的行为的假说。o动态：因为它必须以内在反馈和系统存量流量图的形式对问题的动态特征提出解释。o假说：因为它总是暂时的，随着你从建模过程和现实世界中的学习而随时作出更正或放弃。n建模者在早期要做一个有想法的聆听者，使用各种诱导、绘图工具在会谈中激发讨论，以引出人们关于问题原因的假说。n讨论的目标是帮助客户对动态问题
6、给出一个内生性的解释。67因果回路图模型边界图和子系统图显示了模型的边界和体系，但没有显示变量之间的关系。因果回路图(CLD,causalloopdiagrams)是一种定性描述系统中变量之间因果关系的图示模型，即用图的形式描述系统变量之间相互影响和相互作用的关系。是刻画反馈结构的一个灵活有用的工具，其结构是用因果链构成的简图，因果链是用从原因到结果的箭头表示。因果链：正因果链：负因果链：因果回路：由两个或两个以上的因果链组成的闭合回路。正因果回路：自身具有加强其变化效果能力的闭合回路。负因果回路：自身具有抑制变量变化和进行调节能力的闭合回路。+表明关系的极性为正，意味着，自变量的增加或减少将
7、导致因变量的同向增加或减少。表明关系的极性为负，意味着，自变量的增加或减少将导致因变量的反向减少或增加。8正因果回路：负因果回路：在因果关系回路中，负因果链的条数为奇数的，此回路为负因果关系回路；否则，此回路为正因果关系回路。正因果回路负因果回路其中，或回路标识符：正反馈（增强型）回路。或回路标识符：负反馈（平衡型）回路。196919791989199920092019020040060080010001200深圳1979-2014年末总人口数判断因果关系链的极性及回路类型9工程师试图将项目在截止期前完成的因果回路图10存量流量图存量流量图是在因果关系图的基础上进一步区分变量的性质，用更加直观
8、的符号刻画系统要素之间的逻辑关系，明确系统的反馈形式和控制规律，为深入研究系统打基础的图形表示法。因果回路图强调了系统的反馈结构，存量流量图强调了其背后的物理结构。存量(也称状态变量,Levelvariable)是累计量，它表征系统的状态，并为决策和行动提供信息基础。如库存量、企业员工人数、银行账户存款额等。流量(也称速率变量,Ratevariable)使存量发生变化，流量是速率量，它表征存量变化的速率。如每周完工的零件数、每月雇佣的员工数、每月收入和支出等。库存模型因果关系图库存模型存量流量图11库存模型存量流量图n使用公式描述库存系统o库存(t+1)=库存(t)+订货(t)*DT-销售(t
9、)*DTo订货(t)=库存偏差/库存调整时间o库存偏差(t)=期望库存-库存(t)n在Vensim软件中写方程o库存调节时间=8o期望库存=300o库存偏差=期望库存-库存o订货=库存偏差/库存调节时间o库存=INTEG(订货-销售,500)o销售=100件/月速率的含义12o在动态建模中，术语“速率”通常是指数量变化的绝对速率。如“人口数量越大，出生速率越高”，这里“出生速率”是指每个时段内出生的人数。例如：一个100万人口的城市，出生速率=20000人/年。o然而，在日常应用中，术语“某某率”常被简记做一个变量变化的比率或比例。例如：一个100万人口的城市，每年每千人出生20个，则自然出生
10、率=2%/年。再如：利率是指利息额相对于储蓄额的比率；失业率是失业人数相对于劳工人数的比率。o因此，在建模时，必须谨慎区分“绝对速率”与“相对速率”以及“速率”与“比率”。正确选择变量名，记住速率变量的计量单位。区别起见，动力学建模中“速率”是指数量变化的绝对速率，而使用“某某比例”来表示相对速率。例如：模型中使用“自然出生比例”来表示“自然出生率”。o人口模型例子：人口=INTEG(出生速率-死亡速率,200000)单位：人出生比例=0.04单位：1/年出生速率=人口*出生比例单位：人/年小组作业o根据第3章构思练习所思考的模型，从其系统行为中辨识反馈结构。对所辨识的回路画出因果回路图。尽可
11、能找出其中的：n对于正反馈回路，找出可能中止增长的负反馈回路。n对于寻的行为的负反馈回路，辨识系统的状态、目标以及纠偏行动。什么阻力可能阻止系统达到其目标。n对于震荡系统，辨识系统的状态、目标、纠偏行动以及延迟。估计你辨识出的时间延迟的长度。13o三种基本行为模式指数增长、寻的和震荡指数增长、寻的和震荡是由三种基本反馈结构引起：正反馈结构、负反馈正反馈结构、负反馈和带有延迟的负反馈结构和带有延迟的负反馈结构，其他更复杂的行为模式是由这些结构彼此的非线性相互作用引起的。14o产生S形增长的关键条件n首先，负反馈回路不应包括任何显著的时间延负反馈回路不应包括任何显著的时间延迟迟如果包括，则系统将围
12、绕承载能力过度调整(超调)与震荡。n其次，承载能力必须固定承载能力必须固定，它不能随种群的增长而消耗，以免种群耗尽其资源而被迫绝灭。如酵母菌消耗酒桶中的糖分，最终导致发酵停止。5.1因果图中的记号o因果回路图(causalloopdiagram,CLD)是表示系统反馈结构的重要工具。CLD可以迅速表达你关于系统动态形成原因的假说，引出并表达个体或团队的心智模型。n一张因果回路图包含多个变量，变量之间由标出因果关系的箭头(因果链)所连接，因果链具有极性。n重要回路用回路标识符标出，以显示该回路为正反馈(增强型)还是为负反馈(平衡型)。16工程师试图将项目在截止期前完成的因果回路图o判断回路的极性
13、：在因果关系回路中，负因果链的条数为奇数的，此回路为负因果关系回路；否则，此回路为正因果关系回路。案例：17图5-7在汽油需求和支出相对于价格做出响应时的不同时间延迟o存量是累计量，它表征系统的状态，并为决策和行动提供信息基础。比如：了解库存是制定生产计划的基础。o流量使存量发生变化，流量是速率量，它表征存量变化的速率。流入量（正）使存量增加，流入量大，则存量增加的快，反之则慢；流出量（正）使存量减少，流出量大，则存量减少的快，反之则慢；o要注意的是：n(1)存量的变化由且仅由流量引起；n(2)一个存量可以有多个流入量和流出量。比如：一地的人口，流入量可以包括人口出生和人口迁入，流出量可以包括
14、人口死亡和人口迁出。187.1一阶正反馈系统o系统动力学中的阶(order)指的是系统中状态变量的个数。一阶系统仅包括一个存量状态，是系统动力学模型最小最基本的系统。o一阶正反馈系统是指只有一个正反馈回路，或者称为加强型回路的系统。19o20一阶正反馈系统的一般结构(Sterman,商务动态分析方法)21通过求解微分方程，可知该系统的行为特征可以归结到一个指数函数：S=INTEGRAL(净流入量,S(0)净流入量=f(S)若系统是线性的，则净流入量=gS即：dS/dt=净流放速率=gSo下图给出了人口模型一阶正反馈系统的行为。当净增长比例大于零(netincreasefractional0)时
15、，系统呈现指数增长。当净增长比例小于零(netincreasefractional0时，当时间t经历过一个时间常数，人口达到初始值的2.73倍。当净出生比例0)，令：可得，倍增时间t=t2-t1=Tln2=0.69T。即倍增时间约等于0.69倍的时间常数T。每经过一个倍增时间，系统状态值将增加一倍。倍增时间典型的案例是摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。2425o倍增时间/减半时间n所谓减半时间，是指状态变量(此处指总人口)由当前值减至原来一半所需的时间(此处，时间常数T0)，令：可得，减半时间t=t2-t1=Tln2=0
16、.69T。即减半时间与倍增时间关系式一样，只不过一个是增加，一个是减少。7.2一阶负反馈系统o一阶负反馈系统只有一个负反馈回路，或者说平衡型回路的系统。o7.2.1一阶负反馈系统举例n以库存系统为例的一阶负反馈系统的存量流量图如下图所示：26o根据存量流量的概念，这个库存系统可以用以下公式来表示：o这里，sales为外生变量，处于系统之外，系统模拟结果如下：27模型参数：INITIALTIME=0Units:MonthFINALTIME=100desireinventory=300inventory=INTEG(order-sales,500或100)inventoryadjustmentti
17、me=8inventorygap=desireinventory-inventoryorder=inventorygap/inventoryadjustmenttimesales=07.2.2一阶负反馈系统的重要参数o时间常数n一阶负反馈系统的一般数学模型可以描述为：其中，T为时间常数。当t=T时，代入上式得：即，经过时间T，系统的状态将变为原来的0.63倍。当t=2T时，代入上式得：即，经过时间2T，系统的状态将变为原来的0.86倍。可见，时间常数T决定了负反馈系统寻求目标的速度。T越大，系统变化的越慢，变化曲线较平缓。28o倍增时间n寻的系统的倍增加时间不是常数，由于系统的寻的特性，随着时
18、间的推移，增长速度减慢，倍增时间逐渐增大。29一般S形增长曲线o产生S形增长特性的必需条件是，系统内部起主导的反馈回路发生了变化。下图可以看出总人口数和人口净出生速率之间的变化关系。30o以上两个延迟实例被统称为物质延迟(materialdelay)，因为它们都是描述物料(信件或原材料)的物理流动。o物质的延迟是守恒的：输入量或累积在存量中，或者从输出流流出。31o延迟是一个过程，它的输出以某种模式落后于它的输入。o任何一个延迟都至少包括一个存量(Stock)，存量累积了输入与输出的差别。o与物质延迟相对，存在另一种形式的延迟，称为信息延迟(informationdelay)。信息延迟描述感知
19、(perception)或认定(beliefs)的逐渐调整。o信息延迟有多方面的因素n首先是信息的收集需要时间n另外，得到信息后，改变我们的感知或认定需要时间o与物质延迟不同，信息延迟系统不是守恒的系统。328.2.3管道延迟o延迟时间是常数，物料离开延迟过程的顺序与进入顺序完全一样，这种延迟称为管道延迟(pipelinedelay)，也被叫做运输滞后(transportationlag)。FIFO，进入延迟的所有内容都按照完全相同的顺序来处理，并且在经过同样的时间后离开。这种延迟称为管道延迟。o运输途中的物质延迟可以用如下存量流量图描述：33MaterialsinTransit=Integr
20、al(Inflow(t)-Outflow(t),MaterialsinTransit(0)对于管道延迟来说，输出流就是输入流滞后平均延迟时间D：Outflow(t)=Inflow(t-D)8.2.4一阶物质延迟o很多延迟存在混合以及个体处理时间的差异，导致输出流分布产生差异；因此这些延迟不能使用管道延迟来近似。o一个极端的例子就是完美混合(perfecmixing)。o在完美混合情况下，任何一个水分子在下一时刻被排出水池的可能性都是一样的，而与这个水分子在水池中逗留的时间长短无关。完美混合意味着离开顺序与进入顺序完全无关；换言之，完美混合破坏了有关进入顺序的全部信息。34o一阶物质延迟可用下图
21、的模型来描述：o一阶物质延迟的输出流总是与存量(materialsintransit)成比例：Outflow=materialsintransit/D其中，D代表平均延迟时间。o注意：输出流速率仅与物料存量和延迟时间有关，而与物料进入运输线的顺序无关。o上式是一阶负反馈系统，输出流速率构成一个负反馈回路，因为存量越大，输出流越大，从而减少存量。3536模型参数：D=6Inflow=100*PULSE(5,1)Materialsintransit=INTEG(Inflow-Outflow,0)Outflow=Materialsintransit/D8.2.6延迟中有多少物料存量？Little法则
22、o假设输入流可以保持恒定足够长的时间直到延迟过程达到平衡(equilibrium)，这时运输线上的物料存量是多少？n在任何输入为I输出为O的延迟中，运输线上的物料存量是：n对一个管道延迟，S(0)=0，在时间0处，其输入从0突增到I，当tD时，O(t)=0,当tD时，O(t)=I，所以其物料存量的平衡值为：37o对于一阶延迟的情况：n一阶延迟的输出是Outflow=Materialsintransit/D，因为达到平衡时的输入流和输出流是相等的，所以对于输入持续为I，达到平衡时，输出就是I，所以，Materialsintransit=DI与管道延迟一样。n事实上，不管输出的概率分布是怎样的，一
23、个延迟过程的运输线上物料存量的平衡值总是DI。这一重要的性质称为Little法则。nLittle法则说明，达到平衡时，运输线上的物料存量完全可以由平均延迟时间和输入速率来刻画。n例如：一家生产商每天订购10000个零件，且零件运输需要5天，那么达到平衡时，该生产商的在途订单有50000个零件，这个数据与零件到达的概率分布无关。n反之，如果已知物料存量和输出流情况，也可使用Little法则来计算平均延迟。D=S/O=S/I。注意：只有当处于平衡状态时才能使用这个方法求解延迟时间。388.3.1为感知建模：自适应预期和指数平滑o最简单的信息延迟模型，同时也是在判断调整和预测的模型中使用最广泛的，就
24、是指数平滑(exponentialsmoothing)，或者说自适应预期(adaptiveexpectation)。自适应预期是指判断向该变量的实际值逐渐地调整。39自适应系统的存量流量图o在自适应预期中，输入量的感知值或者判断Y是一个存量(stock)：Y=积分(感知值的变化速率，Y(0)o感知值发生变化的速率与当前输入：变量实际值X和感知值之间的差距成比例。感知值的变化速率=(X-Y)/Do在物料延迟中，存量是运输线上的物料数量，延迟的输出是一个物流。而在信息延迟中，预期（或者感知）本身就是存量。n这是因为，感知或者判断就是系统的一个状态，这个状态会一直保持，直到有原因出现去改变这个判断。
25、当实际情况与感知存在差距时，判断发生调整，差距越大，调整判断的速率越快。n这个系统的状态根据你当前的判断与变量的实际情况的差距而调节。这个结构被称为一阶信息延迟或一阶指数平滑。4041模型参数：Units:DayINITIALTIME=0FINALTIME=100实际值和感知值之间的差距=输入：变量实际值X-输出：输入量的感知值Y感知值的变化速率=实际值和感知值之间的差距/调整时间(D)调整时间(D)=7输入：变量实际值X=100+STEP(100,5)输出：输入量的感知值Y=INTEG(感知值的变化速率,100)o指数平滑法因为其简单并且不需要复杂计算而被广泛应用于预测。n指数平滑法一个理想
26、的特性是它自动寻求消除预测的差异。下图显示了自适应预期对一个模拟的产品订单流的输出结果。42o指数平滑法会造成延迟。如上图中，订货速率的峰值和谷值都落后于实际中的订货速率。延迟的原因是自适应预期中负反馈结构存在时间常数，负反馈消除预期差异，但差异的消除是逐渐完成的，使得系统不会对暂时的输入值变化调整过度，这样反过来反映了变量以前的历史，即：Y(t)=wY(0)+(1-w)X*。o移动平均法中，权限表示历史数据对当前预期的相对重要程度。例如在时间常数为7天的移动平均中，昨天的订单权重与一周前的一样大，而更早的订单就被忽略不计了。这个假设并不是很合理，更加合理的模型应该假设历史数据的权重随着时间的
27、推移而减小。o指数平滑法是最常用的预测工具之一。其所显示的简单性、低成本和纠错性使得它成为为们极好的选择。4311.2常见的系统基模oPeterM.Senger给出了描述现代管理系统的7个基模，所有的基模都是由正反馈、负反馈和时间滞延组成的。44成长上限基模舍本逐末基模(目标侵蚀)恶性竞争基模(两败俱伤)富者愈富基模共同悲剧基模成长与投资不足基模饮鸩止渴基模11.2.1成长上限基模o正反馈导致增长，增长总会遇到各种限制与瓶颈，然后大多数的成长之所以停止，却不是因为达到了真正的极限，而是由于触动抑制成长的负反馈回路，使增长减缓、停顿，甚至下滑。o上图左边部分是组织成长的正反馈环，右边是抑制成长的
28、负反馈环，这一反馈结构刻画了各种组织运行的基本结构。o管理方针（杠杆解）是：不要去推动“增强(成长)环路”，应该要除去（或减弱）限制的来源。45成长上限基模46成长上限实例一成长上限实例二11.2.2成长与投资不足基模o如果公司或个人的成长接近上限时，可以投资在“产能”的扩充上，以突破成长的上限，但这种投资必须积极，且必须在成长降低之前，不然将永远无法做到。o成本与投资不足基模的结构图中存在因果关系：绩效-认识投资需求，这条负因果链的含义是：当绩效低时，才认识到增加投资的重要性，才着手投资，而投资到产出存在延迟时间，所以企业就面临因投资不及时而生产下滑，甚至破产。o管理方针（杠杆解）是：如果确
29、实有成长的潜能，应在需求之前迅速扩充产能，如果成长已经开始减缓，此时切忌再努力推动成长环，应致力于扩充产能并减缓成长的速度。（将上面的因果关系改为正）47成本与投资不足基模48成本与投资不足实例一49成本与投资不足实例二：美国人民航空案例11.2.3舍本逐末（目标侵蚀）基模o使用一项头痛医头的治标方式来处理问题，在短期内产生看起来正面而快速的效果。但如果这种暂时消除症状的方式使用过多，治本措施的使用也就相对越来越少。一段时间后，使用治本措施的能力可能萎缩。o该基模的管理方针（杠杆解）是：将注意力集中在根本解。但如果问题急迫，由于根本解的效果受到时间滞延影响，在进行根本解的过程中，可暂时使用症状
30、解来换取时间。50舍本逐末基模51舍本逐末基模实例一舍本逐末基模实例二：目标侵蚀11.2.4恶性竞争（两败俱伤）基模o不论组织或个人，往往认为要保有自己的利益，必须建立在胜过对手的基本上，但这样会产生一个对立情势升高的恶性竞争。o该基模结构的管理方针（杠杆解）是：寻求一个双赢政策，将对方的目标也纳入自己的决策考量。52恶性竞争基模53恶性竞争基模实例11.2.5富者愈富基模o两个活动同时进行，表现成绩相近，但为有限的资源而竞争。其中一方开始做的比较好，便占有较多的优势去争取更多的资源；而另一方却陷入资源越来越少，表现也越来越差的循环。o管理方针（杠杆解）是：在决定两者之间的资源分配时，除了成绩
31、表现这项标准外，更应重视整体均衡发展的更上层目标。有些状况可以将“同一”资源予以“区分”规划，创造公平的竞争环境，统筹发展。54富者愈富基模11.2.6共同悲剧基模o许多个体基于个别的需求而共同使用同一项很充裕但有极限的资源。起初他们使用这项资源逐渐扩展，但是到后来，收益开始递减，并且越努力，成长越慢。最后，资源显著减少或告罄。o管理方针（杠杆解）是：通过教育、自我管制、政府调控，由参与者共同设计的正式调节机制，以管理共同的资源。55共同悲剧基模共同悲剧基模实例11.2.7饮鸩止渴基模o在管理实践中，常常出现这样的现象：一个管理对策在短期内有效，长期而言，会产生越来越严重的后遗症，使问题更加恶化，这种结构被称为饮鸩止渴基模。o管理方针（杠杆解）是：眼光凝聚在长期焦点。如果可能的话，完全屏除那种短期对策。除非短期对策只是用来换取时间，以寻求更妥善的长期解决方案。56饮鸩止渴基模饮鸩止渴基模实例
