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第四章 系统仿真及系统动力学方法 第一节 系统仿真概述 第二节 系统动力学模型化原理 第三节 基本反馈回路的DYNAMO仿真分析 一、概念及作用 1、基本概念 所谓系统仿真，就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数学方程的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。 4、系统仿真的不足之处 （1）系统仿真的每次运行只能提供系统在某些条件下的特殊解，而不是通解。 （2）仿真模型的建立是以对实际系统的精确理解为前提的，但是为简单起见，在建模过程中往往需要对某些条件进行简化处理，这容易忽略某些看似不重要的细节问题。 （3）一般来说，确定仿真问题的初始条件比较困难，仿真精度比较难控制与测定。 5、系统仿真的分类 （1）、确定性仿真和随机性仿真。 确定性仿真：系统在某一时刻的状态完全由系统的以前状态所决定，因而其输出结果完全由输入来确定。 随机性仿真：指相同的输入经过系统转移后得到不同的输出结果，这些结果虽然不确定，但是服从一定的概率分布。 （2）连续系统仿真和离散系统仿真 连续系统仿真：指系统状态随时间呈连续性变化。 离散系统仿真：指系统状态随时间呈间断性变化。 系统仿真本质上是由三要素构成的，即系统、系统模型与实验。如将实验置于计算机上进行就是计算机仿真。 二、系统仿真的建模过程 （一)、模型的图解结构 系统仿真的模型结构 系统仿真的模型包含的系统信息： 组成要素 变量 参数 函数关系 约束条件 目标 （二）系统仿真过程 构建系统仿真试验的模型前，需要建立仿真的逻辑结构模型，即分析系统要素的构成、子系统的组成、并考察系统要素间以及子系统间的动态特性。 第二节、系统动力学模型化原理一、系统动力学的发展及特点 系统动力学是研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。 是一门综合了反馈控制理论、信息论、系统论、决策论、计算机仿真和系统分析的试验方法而发展起来的，定性与定量相结合，研究复杂系统动态行为的应用学科，属于系统科学与管理科学的一个分支。 以系统思考的观点、方法来界定系统的组织边界、运作及信息传递流程，以因果反馈关系环路定性描述系统的动态复杂性，在此基础上构建系统动力学流图模型而形成“策略试验空间”，管理决策者可在其中尝试不同的情境、构想和策略，并通过计算机仿真来定量模拟不同策略下现实系统的行为模式，以了解系统动态行为的结构性原因，最后通过改变系统模型结构或相关变量参数，分析并设计出良好的系统结构及解决动态复杂问题和改善系统绩效的高杠杆解决方案。 第二节、系统动力学模型化原理 一、系统动力学的发展及特点 1、由来和发展 2、系统动力学的基本观点 （1）研究对象的前提。系统动力学所研究的系统必须是远离平衡的有序的耗散结构。 （2）复杂系统及特性。 结构特点 ① 抉择性——具有决策环节（人、信息） ② 自律性——具有反馈环节 ③ 非线性——具有延迟环节 （3）系统结构与功能 系统结构由若干相互作用的反馈环路组成，反馈环路的交叉、相互作用形成系统的总功能。 （4）内生的观点 （5）主导动态结构/变量作用原理 （6）系统的历史性与进化规律 3、对系统的描述 1）利用状态变量来描述多变量系统 2）将描述系统的高阶非线性随机偏微分方程简化为确定性的非线性微分方程。 3）利用专用噪声函数来研究系统中存在的某些随机的不确定因素的影响。 4）涉及人类活动的社会经济等复杂系统中，难以用明显的数学描述的结构称为“不良结构” 5）一般把步伐不良结构相对地“良化”，或者用近似的良结构来代替，或定性与定量结合把一部分定性问题定量化。 6）SD以定量描述为主，辅以半定量、半定性或定性描述，是定量模型与概念模型的结合与统一。 4、SD的特点及作用 系统思考。闭环、动态、结构性思考。 行为内生。 动态发展。 因果关系。 政策试验。 善于处理周期性/长期性问题。 强调预测的条件。 可处理数据不充分或难量化的情况。 二、系统动力学建模与仿真 （一）建模步骤 1、问题的系统动力学模型 第一步：弄清系统的目标 第二步：应该对被研究对象进行系统动力学分析。 2、系统动力学实验设计 数式模型的建立；数据准备； 3、仿真实施 DYNAMO方程式的建立与计算； 将数式模型按DYNAMO语言规则写成方程式 确定适当的仿真步长 确定各类变量的初始值 确定模型输入内容及输出的形式 确定仿真时间 仿真的实行。 4、仿真结果分析 4、工作程序 （二）SD建模方法 1、框图法 2、因果关系环路法