系統(tǒng)工程學(xué)-第5講系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

1、第5講 系統(tǒng)仿真及SD方法1 引言2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理4 基本反饋回路的DYNAMO仿真分析5 案例分析一、引言 1.1、從經(jīng)典力學(xué)說起經(jīng)典力學(xué)靜力學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)剛體過程運(yùn)動(dòng)瞬間靜止時(shí)間維1、引言 1.2、從經(jīng)典力學(xué)到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)經(jīng)典動(dòng)力學(xué)剛體（物理系統(tǒng)）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)社會(huì)系統(tǒng)（人機(jī)系統(tǒng)）決策環(huán)節(jié)1、引言 1.3、再看系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靜態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)ISM系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 時(shí)、空維度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型二、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 2.1、產(chǎn)生與發(fā)展工業(yè)動(dòng)力學(xué)20,50Forrester（MIT）企業(yè)工業(yè)系統(tǒng)更大的系統(tǒng) 城市 地區(qū) 國(guó)家 世界城市動(dòng)力學(xué)世界動(dòng)力學(xué)69、71Meadows學(xué)生系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)增

2、長(zhǎng)的極限1971MIT世界模型System Dynamics, SD/ J.W. Forrester(MIT) Industrial Dynamics (ID), 1959 Principles of Systems, 1968 Urban Dynamics (UD), 1969 World Dynamics (WD), 1971 SD, 1972 美彼得圣吉（PeterMSenge）著，第五項(xiàng)修煉學(xué)習(xí)型組織的藝術(shù)與實(shí)務(wù)，上海三聯(lián)書店， 1998。作者簡(jiǎn)介：1970年從斯坦福大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士后進(jìn)入MIT攻讀管理碩士學(xué)位，在此期間被Forrester教授的SD整體動(dòng)態(tài)搭配的管理新理念所吸引。197

3、8年獲得博士學(xué)位后，一直和MIT的工作伙伴及企業(yè)界人士一道，孜孜不倦地致力于將SD與組織學(xué)習(xí)、創(chuàng)造原理、認(rèn)知科學(xué)等融合，發(fā)展出一種人類夢(mèng)寐以求的組織藍(lán)圖學(xué)習(xí)型組織。 2、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 2.2、研究對(duì)象系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)Forrester（MIT）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為結(jié)構(gòu)控制論信息論決策論理論基礎(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型決策依據(jù)2、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 2.2、研究對(duì)象：社會(huì)系統(tǒng)的基本特性社會(huì)系統(tǒng)基本特征基本特性決策環(huán)節(jié)自律性非線性自主決策自我管理自我控制自我約束原因與結(jié)果非線性時(shí)空分離性滯后隨機(jī)性反饋非線性多重反饋系統(tǒng)SD的研究方法2、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 2.3、建模流程明確目的確定系統(tǒng)邊界因果關(guān)系分析建立SD模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模型修正

4、認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為、設(shè)計(jì)最佳參數(shù)、合理進(jìn)行決策封閉的社會(huì)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖、方程式三、SD結(jié)構(gòu)模型化原理1 因果關(guān)系因果箭ABABAB因果鏈ABCDABCD反饋回路訂貨速度庫(kù)存量庫(kù)存差額系統(tǒng)的性質(zhì)行為因果關(guān)系圖和流圖 （1）庫(kù)存量訂貨量庫(kù)存差額期望 庫(kù)存+-（ -）因果關(guān)系圖和流圖 （2）因果關(guān)系圖和流圖 （3）出生 人口人口 總量死亡 人口（平均）出生率（ -）-+（+）+（平均）死亡率組織績(jī)效組織改善組織缺陷（ -）-+因果關(guān)系圖和流圖 （4）組織績(jī)效組織改善組織缺陷（ -）-+因果關(guān)系圖和流圖 （4）多重反饋人口總數(shù)死亡人數(shù)出生人數(shù)2 流圖-流圖符號(hào)（1）常用要素流速率水平變量

5、源與匯參數(shù)（2）流圖符號(hào) 流 實(shí)物流信息流 速率變量 水準(zhǔn)變量 L1 輔助變量 A1 。R1R1( )。 參數(shù)（量） （常量）（初值） 源與匯 信息的取出 L1。A1。 輔助變量 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）流圖-流圖舉例決策信息行動(dòng)系統(tǒng) 狀態(tài)速率變量水準(zhǔn)變量信息 流 （行動(dòng)）(Rate)(Level)四個(gè)基本要素狀態(tài)、信息、決策、行動(dòng) 兩個(gè)基本變量水準(zhǔn)變量（L）、速率變量（R） 一個(gè)基本思想反饋控制 3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理源反饋回路

6、4、建模實(shí)例 水流系統(tǒng)1、水塔2、閥門3、水箱4、閥門5、控制者決策行動(dòng)信息實(shí)際系統(tǒng)反饋回路流（行動(dòng)）源決策函數(shù)狀態(tài)變量信息速率水準(zhǔn) （1）明確問題及其構(gòu)成要素； （2）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； （3）確定變量類型（L變量、R變量和A變量）。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： a. 水準(zhǔn)（L）變量是積累變量，可定義在任何時(shí)點(diǎn)；而速率（R)變量只 在一個(gè)時(shí)段才有意義。 b. 決策者最為關(guān)注和需要輸出的要素一般被處理成L變量。 c. 在反饋控制回路中，兩個(gè)L變量或兩個(gè)R變量不能直接相連 。 d. 為降低系統(tǒng)的階次，應(yīng)盡可能減少回路中L

7、變量的個(gè)數(shù)。故在實(shí)際系 統(tǒng)描述中，輔助（A）變量在數(shù)量上一般是較多的。 （4）形成子結(jié)構(gòu)及流圖。 5、流圖-流圖繪制程序和方法水準(zhǔn)方程（L方程） L L1K=L1J+DT*(RIJK-ROJK) 速率方程（R方程） R R1KL=f ( L1K,A1K,) 輔助方程（A方程） A A1K=g(L1K,A2K,R1JK,) 常量方程 （C方程） C C1=數(shù)值 賦初值方程（N方程） N L1=數(shù)值 或 “ L1=L10 , L10=數(shù)值” 四、基本反饋回路的DYNAMO仿真分析1、基本DYNAMO方程 年人口 增 加人 口 數(shù)（+）P +PR PR PC1（人口年自然增長(zhǎng)率0.02）。L PK=

8、PJ+DT*PRJK N P=100 R PRKL=C1*PK C C1=0.02 P PR 0 100 2 1 102 2.04 2 104.04 2.0808 p1000一階正反饋（簡(jiǎn)單 人口問題）系統(tǒng)輸 出特性曲線2、一階正反饋回路 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=IJ+DT*R1JK N I=1000 R R1KL=DK/Z A DK=Y-IK C Z=5 C Y=6000 I D R1 0 1000 5000 1000 1 2000 4000 800 2 2800 3200 640 It1000

9、0 一階負(fù)反饋（簡(jiǎn)單 庫(kù)存控制）系統(tǒng)輸 出特性曲線3、一級(jí)負(fù)反饋回路由于一階負(fù)反饋回路的作用,庫(kù)存水準(zhǔn)就會(huì)逐漸達(dá)到期望庫(kù)存量.通常,構(gòu)成負(fù)反饋回路是決策者使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)或者穩(wěn)定的必要條件.I 6000t10000 一階負(fù)反饋（簡(jiǎn)單 庫(kù)存控制）系統(tǒng)輸 出特性曲線庫(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）。4、簡(jiǎn)單庫(kù)存控制系統(tǒng)的擴(kuò)展（1）L GK=GJ+DT*(R1JK-R2JK) L IK=IJ+DTR2JK R R1KL=D/Z R R2KL=GK /W A D=Y-IK C Y=6000 C

10、W=10,Z=5 C I=1000 C G=10000 60001000t二階負(fù)反饋系統(tǒng)輸出特性曲線I4、簡(jiǎn)單庫(kù)存控制系統(tǒng)的擴(kuò)展（2）同一階負(fù)反饋回路一樣,兩階負(fù)反饋回路也具有追求目標(biāo)的功能.所不同的是在兩階負(fù)反饋回路的作用下,庫(kù)存量在第一次達(dá)到期望庫(kù)存量后還會(huì)繼續(xù)增加,從而超過期望庫(kù)存, 爾后就在目標(biāo)值附近震蕩,逼近目標(biāo)值.60001000t二階負(fù)反饋系統(tǒng)輸出特性曲線I仿真表仿真步長(zhǎng)(周)GGR1DR2I010000-1000500010001000110000080040001000200029800-2006003000980300039420-380404202094239804888

11、2-538215.61078888.24922交 （到）貨 率 庫(kù)存量 測(cè)試 函數(shù)正常銷售 （發(fā)貨）率。銷售（發(fā)貨）率T3 MAXT2 庫(kù)存 差額期望 庫(kù)存SMOOTH平均銷售（發(fā)貨）率 訂貨率Step Ramp Pulse Sin NoiseDELAY。4、簡(jiǎn)單庫(kù)存控制系統(tǒng)的擴(kuò)展（3）認(rèn)識(shí) 問題界定 系統(tǒng)要素及其因果關(guān)系分析建立結(jié)構(gòu)模型建立量化分析模型仿真 分析比較與評(píng)價(jià)政策 分析 （流圖）（DYNAMO方程） 5 工作程序系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建摸步驟系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模步驟 確定系統(tǒng)邊界,建立因果關(guān)系圖; 選擇模型的基本變量-水準(zhǔn); 以水準(zhǔn)為中心構(gòu)造各自的子系統(tǒng); 根據(jù)因果關(guān)系圖,連接各自的子系統(tǒng);

12、畫流圖,寫出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。 進(jìn)行仿真試驗(yàn)和計(jì)算等。 建模流程明確目的確定系統(tǒng)邊界因果關(guān)系分析建立SD模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模型修正認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為、設(shè)計(jì)最佳參數(shù)、合理進(jìn)行決策封閉的社會(huì)系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖、方程式五 案例分析電視行業(yè)的人才問題 管理團(tuán)隊(duì)所面臨的一個(gè)限制業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的最大約束就是人才問題，一些關(guān)鍵人物的流失給公司業(yè)務(wù)帶來巨大的沖擊。這些關(guān)鍵人物包括銀幕上的明星、重要的幕后職員、經(jīng)驗(yàn)豐富且能力頗強(qiáng)的編劇、制片人、設(shè)計(jì)師等等。由于技術(shù)的發(fā)展，電臺(tái)不斷開出很多新的頻道，加上衛(wèi)星頻道、網(wǎng)絡(luò)頻道的不斷出現(xiàn)，新公司不斷涌現(xiàn)，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。因此，各種人才可以不斷流動(dòng)了。 當(dāng)然，留住人

13、才的速效療法就是加薪，然而這可能并非最聰明的辦法。1、問題描述收入壓力廣告商的不滿成本壓力收視率低壓力質(zhì)量壓力員工不滿員工流失+2、三個(gè)視角高層經(jīng)理一方面在尋找促進(jìn)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的途徑另一方面在控制成本明星對(duì)公司的忠誠(chéng)度越來越弱；非明星員工雖然躲在明星的陰影后面，但其心中卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不燃燒著成為明星的雄心壯志；3、高級(jí)經(jīng)理的視點(diǎn)3.1 高級(jí)經(jīng)理的視點(diǎn)屈服并不能消除沖突個(gè)人雄心對(duì)高收視率的需求沖突對(duì)明星的依賴對(duì)明星流失的恐懼滿足明星要求的壓力+削減成本政策非明星員工的不滿+辭職的可能性+3.2 高級(jí)經(jīng)理的視點(diǎn)屈服并不能消除沖突3.3、明星的視點(diǎn)3.3.1、明星的視點(diǎn)討價(jià)能力個(gè)人雄心成為明星的愿望自負(fù)當(dāng)前

14、的知名度公眾矚目度對(duì)公司的價(jià)值+討價(jià)還價(jià)的能力+新雇主的吸引力新傳媒的出現(xiàn)+3.3.2、明星的視點(diǎn)討價(jià)能力3.3.3、明星的視點(diǎn)與公司的沖突+3.4、非明星員工的視點(diǎn)公司的聲望年輕人才渴望明星位置的壓力公司對(duì)新員工的吸引力招聘成功-+論資排輩導(dǎo)致發(fā)展受阻的壓力其他雇主的吸引力年輕人才的流失+明星位置空缺數(shù)量明星位置總數(shù)現(xiàn)在明星數(shù)量-+-+4、討論 畢業(yè)在即，同學(xué)們都在積極的尋找中意的單位，由于背負(fù)著上學(xué)期間的貸款，大家都希望能把自己賣個(gè)好價(jià)錢。 但現(xiàn)實(shí)是企業(yè)認(rèn)為剛畢業(yè)的學(xué)生沒有實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，要花精力培養(yǎng)，而且培養(yǎng)后的人才很可能迅速流失，因此企業(yè)不愿意給一個(gè)高價(jià)錢。 試用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)上述問

15、題進(jìn)行分析，并嘗試給出決策方案。提示人才視角企業(yè)視角就業(yè)&招聘學(xué)校視角思考與討論題 1、系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)分析中起何作用?系統(tǒng)仿真方法的特點(diǎn)有哪些? 2、SD的基本思想是什么?其反饋回路是怎樣形成的?請(qǐng)舉例加以說明。 3、請(qǐng)分析說明SD與解釋結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)、狀態(tài)空間模型方法的關(guān)系及異同點(diǎn)。 4、請(qǐng)舉例說明SD結(jié)構(gòu)模型的建模原理。 5、SD為什么要引入專用函數(shù)?請(qǐng)說明各主要DYNAMO函數(shù)的作用及適用條件。 6、如何理解SD在我國(guó)現(xiàn)實(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和組織管理系統(tǒng)分析中更具有方法論意義? 7、請(qǐng)用SD結(jié)構(gòu)模型來描述學(xué)習(xí)型組織的一般機(jī)理。 8、假設(shè)每月招工人數(shù)MHM和實(shí)際需要人數(shù)RM成比例，招工人員的速率方

16、程是：MHMKL=P*RMK，請(qǐng)回答以下問題： (1) K和KL的含義是什么? (2) RM是什么變量? (3) MHM、P、RM的量綱是什么? (4) P的實(shí)際意義是什么? 9、已知如下的部分DYNAMO方程： MTK=MTJ+DT*(MHJK-MCTJK)， MCTKL=MTK/TTK， TTK=STT*TECK， MEK=MEJ*DT*(MCTJK-MLJK) 其中：MT表示培訓(xùn)中的人員(人)、MH表示招聘人員速率(人/月)、MCT表示人員培訓(xùn)速率(人/月)、TT表示培訓(xùn)時(shí)間、STT表示標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)時(shí)間、TEC表示培訓(xùn)有效度、ME表示熟練人員(人)，ML表示人員脫離速率(人/月)。請(qǐng)畫出對(duì)應(yīng)的SD(