系統(tǒng)工程概論4-2

1、系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法系統(tǒng)仿真概述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理基本反饋回路的DYNAMO仿真分析4.4.6 系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概述系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)概述（一）概念及作用（一）概念及作用 1. 1.基本概念基本概念 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)上，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)構(gòu)或行為過(guò)程的、且具有一建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過(guò)程的、且具有一定邏輯關(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，以獲得正確決策所需的各種試驗(yàn)或定量分析，以獲得正

2、確決策所需的各種信息。信息。 2 2、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì) (1)(1)它是一種對(duì)系統(tǒng)問(wèn)題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。它是一種對(duì)系統(tǒng)問(wèn)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(guò)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(guò)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) (2)仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)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)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及環(huán)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的相應(yīng)的“人造人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的

3、主要功能。要功能。 (3) (3)仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、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(guò)程。演變及其發(fā)展過(guò)程。3 3、系統(tǒng)仿真的作用、系統(tǒng)仿真的作用 (1)(1)仿真的過(guò)程也是實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，而且還是系仿真的過(guò)程也是實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過(guò)程。尤其是對(duì)一些復(fù)統(tǒng)地收集和積累信息的過(guò)程。尤其是對(duì)一些復(fù)雜的隨機(jī)問(wèn)題，應(yīng)用仿真技術(shù)是提供所需信息雜的隨機(jī)問(wèn)題，應(yīng)用仿真技術(shù)是提供所需信息的唯一令人滿(mǎn)意的方法。的唯一令人滿(mǎn)意的方法。 (2) (2)對(duì)一些難以建立物理模型和數(shù)學(xué)模型的對(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(guò)仿真模型來(lái)順利地解決預(yù)測(cè)、對(duì)象系統(tǒng)

4、，可通過(guò)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(wèn)題。分析和評(píng)價(jià)等系統(tǒng)問(wèn)題。 (3) (3)通過(guò)系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降通過(guò)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) (4)通過(guò)系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生通過(guò)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)中隱藏著的一些新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問(wèn)題，以便及時(shí)解決。問(wèn)題，以便及時(shí)解決。（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)換結(jié)構(gòu)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

5、編程的仿真模型，然為適合在計(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)。后對(duì)模型進(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)的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方數(shù)學(xué)模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類(lèi)，即連續(xù)系統(tǒng)仿真法基本上分為兩大類(lèi)，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。方法和離散系統(tǒng)仿真方法。 在以上兩類(lèi)基本方法的基礎(chǔ)上，在以上兩類(lèi)基本方法的基礎(chǔ)上，還有一些用于系統(tǒng)還有一些用于系統(tǒng)( (特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng)和管理系統(tǒng)) )仿真的特殊而有效的方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，如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡洛

6、法等。法等。 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型力學(xué)模型( (流圖等流圖等) )、利用、利用DYNAMODYNAMO仿仿真語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)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)，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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)系。功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。（三）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及特點(diǎn)（三）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及特點(diǎn)1 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, 1

7、968Urban Dynamics (UD), 1969World Dynamics (WD), 1971SD, 1972美彼得圣吉（PeterMSenge）著，第五項(xiàng)修煉第五項(xiàng)修煉學(xué)習(xí)型組織的藝術(shù)與實(shí)務(wù)，學(xué)習(xí)型組織的藝術(shù)與實(shí)務(wù)，上海三聯(lián)書(shū)店，上海三聯(lián)書(shū)店， 1998。作者簡(jiǎn)介：作者簡(jiǎn)介：19701970年從斯坦福大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士后進(jìn)入年從斯坦福大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士后進(jìn)入MITMIT攻讀管理碩士學(xué)位，在此期間被攻讀管理碩士學(xué)位，在此期間被ForresterForrester教授的教授的SDSD整體動(dòng)態(tài)搭配的管理整體動(dòng)態(tài)搭配的管理新理念所吸引。新理念所吸引。19781978年獲得博士學(xué)位后，一直和年獲得

8、博士學(xué)位后，一直和MITMIT的工作伙伴及企業(yè)界人士的工作伙伴及企業(yè)界人士一道，孜孜不倦地致力于將一道，孜孜不倦地致力于將SDSD與組織學(xué)習(xí)、創(chuàng)造原理、認(rèn)知科學(xué)等融合，發(fā)與組織學(xué)習(xí)、創(chuàng)造原理、認(rèn)知科學(xué)等融合，發(fā)展出一種人類(lèi)夢(mèng)寐以求的組織藍(lán)圖展出一種人類(lèi)夢(mèng)寐以求的組織藍(lán)圖學(xué)習(xí)型組織。學(xué)習(xí)型組織。 2 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） 自律性自律性具有反饋環(huán)節(jié)具有反饋環(huán)節(jié) 非線(xiàn)性非線(xiàn)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)

9、作非線(xiàn)性（多重）信息反非線(xiàn)性（多重）信息反 饋系統(tǒng)饋系統(tǒng)來(lái)研究來(lái)研究3 3、工作程序、工作程序認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)問(wèn)題問(wèn)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） 二、二、SD結(jié)構(gòu)模型化原理結(jié)構(gòu)模型化原理 1 1、基本原理、基本原理 決策決策信息信息行動(dòng)行動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)狀態(tài)狀態(tài)速率變量速率變量水準(zhǔn)變量水準(zhǔn)變量信息信息 流流（行動(dòng)）（行動(dòng)）(Rate)(Level)四個(gè)基本要素四個(gè)基本要素狀態(tài)、信息、決策、行動(dòng)狀態(tài)、信息、決策、行動(dòng)兩個(gè)基本

10、變量?jī)蓚€(gè)基本變量水準(zhǔn)變量（水準(zhǔn)變量（L L）、）、速率變量（速率變量（R R）一個(gè)基本思想一個(gè)基本思想反饋控制反饋控制2 2、因果關(guān)系圖和流圖、因果關(guān)系圖和流圖 （1 1）因果關(guān)系圖（因果反饋回路）因果關(guān)系圖（因果反饋回路） 因果箭因果箭因果鏈因果鏈因果（反饋）回路因果（反饋）回路利息利息(元元/年年)銀行貨幣利率利率+(+)庫(kù)存量庫(kù)存量訂貨量訂貨量庫(kù)存差額庫(kù)存差額期望期望庫(kù)存庫(kù)存+-（ -）出生出生人口人口人口人口總量總量死亡死亡人口人口（平均）出生率（平均）出生率（平均）死亡率（平均）死亡率（ -）-+（+）組織績(jī)效組織績(jī)效組織改善組織改善組織缺陷組織缺陷（ -）-+（2 2）流圖符號(hào)）流

11、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( )。 參數(shù)（量）參數(shù)（量） （常量）（常量）（初值）（初值） 源與洞源與洞 信息的取出信息的取出 L1。A1。 （3 3）流圖繪制程序和方法）流圖繪制程序和方法 明確問(wèn)題及其構(gòu)成要素；明確問(wèn)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)系圖。注意一定要形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；成回路； 確定變量類(lèi)型（確定變量類(lèi)型（L L變量、變量、R R變量和變量和A A變量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量，是建模的關(guān)鍵一步變量，是建模的關(guān)鍵一步。在

12、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： a. a. 水準(zhǔn)（水準(zhǔn)（L L）變量是積累變量，可定義在任何時(shí)點(diǎn)；而速率（變量是積累變量，可定義在任何時(shí)點(diǎn)；而速率（R)R)變量只變量只 在一個(gè)時(shí)段才有意義。在一個(gè)時(shí)段才有意義。 b. b. 決策者最為關(guān)注和需要輸出的要素一般被處理成決策者最為關(guān)注和需要輸出的要素一般被處理成L L變量。變量。 c. c. 在反饋控制回路中，兩個(gè)在反饋控制回路中，兩個(gè)L L變量或兩個(gè)變量或兩個(gè)R R變量不能直接相連變量不能直接相連 。 d. d. 為降低系統(tǒng)的階次，應(yīng)盡可能減少回路中為降低系統(tǒng)的階次，應(yīng)盡可能減少回路中L L變量的個(gè)數(shù)。故在實(shí)際系變量的

13、個(gè)數(shù)。故在實(shí)際系 統(tǒng)描述中，輔助（統(tǒng)描述中，輔助（A 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SDSD流圖。流圖。 在繪制流圖時(shí)，應(yīng)特別注意形成正確的回路和用好信息在繪制流圖時(shí)，應(yīng)特別注意形成正確的回路和用好信息連接線(xiàn)，并注意不要把不同的實(shí)物流直連在一起連接線(xiàn)，并注意不要把不同的實(shí)物流直連在一起( (參見(jiàn)下例參見(jiàn)下例) )。WFSXFS（分到新房戶(hù)數(shù)）分到新房戶(hù)數(shù)）YMS（已買(mǎi)家俱新房戶(hù)數(shù)）已買(mǎi)家俱新房戶(hù)數(shù)）WMSFFL(FFL(分房數(shù)量分房數(shù)量) )XSL(家俱數(shù)量家俱數(shù)量)（未分到新房戶(hù)數(shù)未分到新房戶(hù)數(shù) ）（未買(mǎi)家俱戶(hù)數(shù)） 錯(cuò)誤 XFSYMSWFSWMS正確 3

14、3、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。 三、基本反饋回路的三、基本反饋回路的DYNAMO仿真分析仿真分析1 1、基本、基本DYNAMODYNAMO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 R方程）方程） R R1KL=f ( L1K,A1K,)輔助方程（輔助方程（A方程）方程）

15、A A1K=g(L1K,A2K,R1JK,)附加方程（附加方程（S方程）方程） S 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 2 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

16、（簡(jiǎn)單人口問(wèn)題）系統(tǒng)輸人口問(wèn)題）系統(tǒng)輸出特性曲線(xiàn)出特性曲線(xiàn)3、一級(jí)負(fù)反饋回路一級(jí)負(fù)反饋回路 庫(kù)存量庫(kù)存差額訂貨量+()R1DI+期望庫(kù)存Y1000 Z（訂貨調(diào)整時(shí)間，5）I R1D Y（6000）。L IK=IK=IJ+DTJ+DT* *R1R1JKJKN I=1000R R1KL=DK/ZKL=DK/ZA DK=Y-IK=Y-IK KC Z=5C Y=6000 IDR10100050001000120004000800228003200640It10000 一階負(fù)反饋（簡(jiǎn)單一階負(fù)反饋（簡(jiǎn)單 庫(kù)存控制）系統(tǒng)輸庫(kù)存控制）系統(tǒng)輸 出特性曲線(xiàn)出特性曲線(xiàn)4、簡(jiǎn)單庫(kù)存控制系統(tǒng)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單庫(kù)存控制系統(tǒng)的擴(kuò)展 庫(kù)存量入庫(kù)量途中存貨量訂貨量庫(kù)存差額I（）+（）GR2+R1+Z（5）Y（6000） I G100001000R1 R2DW（10）。L GK=GK=GJ+DTJ+DT* *(R1(R1KL-R2KL-R2JK)JK)L IK=IK=IJ+DTJ+DTR2R2JKJKR R1KL=D/ZKL=D/ZA D=Y-IK KC Y=6000C W=10,Z=5C I=1000C G=1000060