管理系統(tǒng)仿真

1、管理系統(tǒng)仿真管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)仿真仿真內(nèi)容簡(jiǎn)介：內(nèi)容簡(jiǎn)介：系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真（亦稱系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬）是指通過建立和運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的全過程。這是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)學(xué)科。公共管理的對(duì)象通常是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等復(fù)雜系統(tǒng)，一般都不能通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術(shù)就成為十分重要甚至必不可少的工具。本實(shí)驗(yàn)在介紹管理系統(tǒng)模擬的概念以及一般原理、方法和步驟的基礎(chǔ)上，主要介紹四種基本的模擬方法及其模型，即蒙特卡洛模擬方法蒙特卡洛模擬方法、排隊(duì)排隊(duì)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬、多agent系統(tǒng)模擬。通過蒙特

2、卡洛模擬可以具體了解管理系統(tǒng)模擬的基本原理及方法，排隊(duì)模型與多agent系統(tǒng)體現(xiàn)了離散事件系統(tǒng)模擬離散事件系統(tǒng)模擬的特點(diǎn)與規(guī)律，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬則是一種可以廣泛應(yīng)用于公共管理決策及政策分析的連續(xù)系統(tǒng)模擬方法。 教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)通過本課程及實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使大家了解系統(tǒng)模擬的概念、原理、方法和步驟，掌握蒙特卡洛模擬方法、排隊(duì)系統(tǒng)模擬方法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬方法與多agent系統(tǒng)模擬方法，以期為提高公共管理問題的決策水平服務(wù)。 重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)v系統(tǒng)模擬的概念v蒙特卡洛模擬方法v排隊(duì)的概念v單服務(wù)臺(tái)與多服務(wù)臺(tái)模型v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法v因果反饋結(jié)構(gòu)v多agent系統(tǒng)方法v關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬 連續(xù)系

3、統(tǒng)模擬連續(xù)系統(tǒng)模擬 離散事件系統(tǒng)模離散事件系統(tǒng)模擬擬 蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬 排隊(duì)論排隊(duì)論 單服務(wù)臺(tái)排隊(duì)單服務(wù)臺(tái)排隊(duì) 多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)多服務(wù)臺(tái)排隊(duì) 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 因果關(guān)系因果關(guān)系 因果因果反饋回路反饋回路 流圖流圖 信息流信息流 物質(zhì)流物質(zhì)流 狀態(tài)變量狀態(tài)變量 流率變量流率變量 多多agentagent系統(tǒng)系統(tǒng)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1譚躍進(jìn)，陳英武等，系統(tǒng)工程原理。長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，19992（加）唐納德沃特斯著。張志強(qiáng)等譯.管理科學(xué)實(shí)務(wù)教程。北京：華夏出版社，20003黃衛(wèi)偉編著.管理系統(tǒng)模擬的方法及應(yīng)用.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，1991第一節(jié) 管理系統(tǒng)模擬概述管理系統(tǒng)模擬概述 一

4、、一、管理系統(tǒng)模擬的概念管理系統(tǒng)模擬的概念 二、二、系統(tǒng)模擬的分類系統(tǒng)模擬的分類 三、三、系統(tǒng)模擬的基本步驟系統(tǒng)模擬的基本步驟 問題描述與定義問題描述與定義 建立模擬模型建立模擬模型 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 模型的確認(rèn)模型的確認(rèn) 模型的編程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證模型的編程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì) 模型的模擬運(yùn)行模型的模擬運(yùn)行 模擬結(jié)果的輸出與分析模擬結(jié)果的輸出與分析 四、管理系統(tǒng)模擬的應(yīng)用管理系統(tǒng)模擬的應(yīng)用第二節(jié) 蒙特卡洛模擬方法蒙特卡洛模擬方法 蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬是一種特殊而應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)模擬方法，它是充分利用計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)方法。蒙特卡羅模擬的關(guān)鍵是生成優(yōu)良的隨機(jī)數(shù)。對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn):

5、實(shí)驗(yàn)一:基于高級(jí)編程語(yǔ)言及matlab的隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)二:蒙特卡洛模擬算法實(shí)現(xiàn)許多程序語(yǔ)言中都自帶生成隨機(jī)數(shù)的方法，如 c 中的 random() 函數(shù)，matlab中的rand()函數(shù)等。但這些生成器生成的隨機(jī)數(shù)效果很不一樣，比如 c 中的函數(shù)生成的隨機(jī)數(shù)性質(zhì)就比較差，如果用 c ，最好自己再編一個(gè)程序。matlab 中的 rand() 函數(shù)，經(jīng)過了很多優(yōu)化?？梢援a(chǎn)生性質(zhì)很好的隨機(jī)數(shù)，可以直接利用。第三節(jié) 連續(xù)系統(tǒng)仿真方法用通用的軟件開發(fā)工具，開發(fā)連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真模型，理解連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)值積分算法（龍格庫(kù)塔法等） 對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)三:連續(xù)系統(tǒng)仿真 第四節(jié) 排隊(duì)模型排隊(duì)模型 一

6、、排隊(duì)系統(tǒng)基本概念一、排隊(duì)系統(tǒng)基本概念 二、二、單服務(wù)臺(tái)排隊(duì)單服務(wù)臺(tái)排隊(duì)模型模型 三、三、多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)多服務(wù)臺(tái)排隊(duì)模型模型 四、四、排隊(duì)系統(tǒng)模擬排隊(duì)系統(tǒng)模擬 對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)四:離散系統(tǒng)仿真第四節(jié) 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬 一、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法一、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法二、二、因果反饋結(jié)構(gòu)因果反饋結(jié)構(gòu) 因果關(guān)系因果關(guān)系 因果反饋回路與反饋系統(tǒng)因果反饋回路與反饋系統(tǒng) 反饋系統(tǒng)實(shí)列反饋系統(tǒng)實(shí)列 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流圖 三、三、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)例系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)例對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)五:系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬第五節(jié) 基于多agent系統(tǒng)的模擬模擬 1.agent概念和特性2.agent模型：bdi

7、3.agent結(jié)構(gòu)4.agent通信語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)六:基于多agent系統(tǒng)的模擬模擬 實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真工商管理學(xué)院工商管理學(xué)院 工業(yè)工程系工業(yè)工程系賴朝安賴朝安 博士博士系統(tǒng)仿真概述系統(tǒng)仿真概述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理基本反饋回路的基本反饋回路的dynamo仿真分析仿真分析系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)仿真及sd方法方法3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)

8、構(gòu)或行為過程的、且上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。所需的各種信息。 一、概念及作用一、概念及作用1.基本概念基本概念2、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 (1)它是一種對(duì)系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。它是一種對(duì)系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿尤其當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿真技術(shù)能有效地來(lái)處理。真技術(shù)能有效地來(lái)處理。 (2)仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系

9、仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的應(yīng)的“人造人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。功能。 (3)仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。變及其發(fā)展過程。 3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真3、系統(tǒng)仿真的作用、系統(tǒng)仿真的作用 (1)仿真的過程也是實(shí)驗(yàn)的過程，而且還仿真的過程也是實(shí)驗(yàn)的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是

10、對(duì)一些復(fù)雜的隨機(jī)問題，應(yīng)用仿真技術(shù)是對(duì)一些復(fù)雜的隨機(jī)問題，應(yīng)用仿真技術(shù)是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。提供所需信息的唯一令人滿意的方法。 (2)對(duì)一些難以建立物理模型和數(shù)學(xué)模型對(duì)一些難以建立物理模型和數(shù)學(xué)模型的對(duì)象系統(tǒng)，可通過仿真模型來(lái)順利地解的對(duì)象系統(tǒng)，可通過仿真模型來(lái)順利地解決預(yù)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)等系統(tǒng)問題。決預(yù)測(cè)、分析和評(píng)價(jià)等系統(tǒng)問題。 (3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降通過系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。階成若干子系統(tǒng)以便于分析。 (4)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的新的策略，還能暴

11、露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時(shí)解決。一些問題，以便及時(shí)解決。3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真二、系統(tǒng)仿真方法二、系統(tǒng)仿真方法 系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合在計(jì)算機(jī)上編程的仿真模型，然后對(duì)模型在計(jì)算機(jī)上編程的仿真模型，然后對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 由于連續(xù)系統(tǒng)和離散由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件事件)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法

12、和離散系統(tǒng)仿真方法。散系統(tǒng)仿真方法。3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 在以上兩類基本方法的基礎(chǔ)上，還有在以上兩類基本方法的基礎(chǔ)上，還有一些用于系統(tǒng)一些用于系統(tǒng)(特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng)特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡洛法等。方法、蒙特卡洛法等。 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型型(流圖等流圖等)、利用、利用dynamo仿真語(yǔ)言在計(jì)仿真語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

13、系。3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理1、由來(lái)與發(fā)展、由來(lái)與發(fā)展 systems dynamics, sd/ j.w. forrester(mit)industridl dynamics (id), 1959principles of systems, 1968urban dynamics (ud), 1969world dynamics (wd), 1971sd, 19723.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理2、研究對(duì)象及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、研究對(duì)象及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1 1）研究對(duì)象）研究對(duì)象社會(huì)系統(tǒng)社會(huì)系統(tǒng)（2 2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 抉擇性抉擇性具有決策環(huán)節(jié)（人、信息）具有決策環(huán)節(jié)（人、信息） 自

14、律性自律性具有反饋環(huán)節(jié)具有反饋環(huán)節(jié) 非線性非線性具有延遲環(huán)節(jié)具有延遲環(huán)節(jié)（3 3）sdsd將社會(huì)系統(tǒng)當(dāng)作將社會(huì)系統(tǒng)當(dāng)作非線性非線性( (多重多重) )信息反信息反饋系統(tǒng)饋系統(tǒng)來(lái)研究來(lái)研究3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)問題問題界定界定系統(tǒng)系統(tǒng)要素及其因要素及其因果關(guān)系分析果關(guān)系分析建立結(jié)建立結(jié)構(gòu)模型構(gòu)模型建立數(shù)建立數(shù)學(xué)模型學(xué)模型仿真仿真分析分析比較與比較與評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)政策政策分析分析（流圖）（流圖）（dynamoydynamoy方程）方程） 3、工作程序、工作程序3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理4、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型（1 1）常用要素）常用要素流流速率速率水平變量水平變

15、量源與匯源與匯參數(shù)參數(shù)（2 2）流圖符號(hào)）流圖符號(hào) 流流 實(shí)物流實(shí)物流信息流信息流 速率變量速率變量 水準(zhǔn)變量水準(zhǔn)變量 l1 輔助變量輔助變量 a1 。r1r1( )。3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理 明確問題及其構(gòu)成要素；明確問題及其構(gòu)成要素； 繪制要素間相互作用關(guān)系的因果關(guān)系繪制要素間相互作用關(guān)系的因果關(guān)系圖。注意一定要形成回路；圖。注意一定要形成回路； 確定變量類型（確定變量類型（l l變量、變量、r r變量和變量和a a變變量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量，是建模的關(guān)鍵一步量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量，是建模的關(guān)鍵一步。在此，應(yīng)考慮以下幾個(gè)具體原則：在此，應(yīng)考慮以下幾個(gè)具體原則：（3 3）流圖繪制

16、程序和方法）流圖繪制程序和方法3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理 a. 水準(zhǔn)（水準(zhǔn)（l）變量是積累變量，可定義在任）變量是積累變量，可定義在任何時(shí)點(diǎn)；而速率（何時(shí)點(diǎn)；而速率（r)變量只在一個(gè)時(shí)段才有變量只在一個(gè)時(shí)段才有意義。意義。 b. 決策者最為關(guān)注和需要輸出的要素一般決策者最為關(guān)注和需要輸出的要素一般被處理成被處理成l變量。變量。 c. 在反饋控制回路中，兩個(gè)在反饋控制回路中，兩個(gè)l變量或兩個(gè)變量或兩個(gè)r變量不能直接相連變量不能直接相連 。 d. 為降低系統(tǒng)的階次，應(yīng)盡可能減少回路為降低系統(tǒng)的階次，應(yīng)盡可能減少回路中中l(wèi)變量的個(gè)數(shù)。故在實(shí)際系統(tǒng)描述中，輔變量的個(gè)數(shù)。故在實(shí)際系統(tǒng)描述中，輔

17、助（助（a）變量在數(shù)量上一般是較多的。）變量在數(shù)量上一般是較多的。 繪制繪制sd流圖。流圖。3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理5 5、舉例、舉例 l1r1（利息1）c1(利率)ir1(訂貨量)庫(kù)存量dy(期望庫(kù)存)（庫(kù)存差額）pr1r2(出生人口)(人口總量) (死亡人口)c1（出生率）c2（死亡率）組織改善組 織績(jī) 效組織缺陷。 3.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理1、基本、基本dynamo方程方程( dynamic model)水準(zhǔn)方程（水準(zhǔn)方程（l l方程）方程） l l1l l1k=l1k=l1j+dtj+dt* *(ri(rijk-rojk-rojk)jk)速率方程（速率方程（r

18、r方程）方程） r r1kl=f ( l1k,a1k,)輔助方程（輔助方程（a方程）方程） a a1k=g(l1k,a2k, r1jk, )賦初值方程（賦初值方程（n方程）方程） n l1=數(shù)值數(shù)值 或或 l1=l10 l10=數(shù)值數(shù)值常量方程常量方程 （c c方程）方程） c c1=數(shù)值數(shù)值3.3 基本反饋回路的基本反饋回路的dynamo仿真分析仿真分析2、一階正反饋回路、一階正反饋回路 年人口增 加人 口數(shù)（+）p +pr pr pc1（人口年自然增長(zhǎng)率（人口年自然增長(zhǎng)率0.02）。l pk=pj+dtj+dt* *prprjkjkn p=100r prkl=c1kl=c1* *r rk kc c1=0.02 ppr0100211022.042104.042.0808p1000一階正反饋（簡(jiǎn)單一階正反饋（簡(jiǎn)單人口問題）系統(tǒng)輸人口問題）系統(tǒng)輸出特性曲線出特性曲線3.3 基本反饋回路的基本反饋