教学要求
教学重点及难点
因果关系图及流图的绘制 DYNAMO仿真
1.熟悉系统仿真的相关概念 2.掌握系统动力学建模的原理、方 法及步骤 3.熟悉应用STELLA进行系统仿真
一.系统仿真及系统动力学概述
（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 逻辑关系或数量关系的仿真模型，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。
• 1972年正式定名系统动力学：“ 系统动力 学是研究信息反馈系统动态行为的计算机 仿真方法。它有效地把信息反馈的控制原 理与因果关系的逻辑分析结合起来，面对 复杂实际问题，从研究系统的内部结构入 手，建立系统的仿真模型，并对模型实施 各种不同的政策方案，通过计算机仿真展 示系统的宏观行为，寻求解决问题的正确 途径。”
出版了《增长的极限》（即《米都斯报告》）、《重建国际
秩序》、《走出浪费的时代》、《人类的目的》、《学无止 境》、《第三世界：世界的四分之三》、《关于财富和福利 的对话》、《走向未来的道路图》等著作。
The Limits to Growth
• 简介：地球是人类目前唯一赖以身存的星球， 但是，人类的发展却总是给滋养哺育他的大 地带来无尽的折磨和无法修复的毁坏。全球 气候变暖、海平面上升、人口的暴涨、土地 沙漠化……种种迹象表明，人类正在为自己 的所作所为付出代价。增长的极限曾经是遥 远的未来，但今天它们已经广泛存在。崩溃 的概念曾经被认为是不可思议的，但今天它 已经进入公众的谈论话题……
利率
+
+ 组织改善
组织绩效
（ -）
+
-
组织缺陷
3、举例
R1（利息1） L1
C1(利率)
R1(订货量)
库存量 I
系统工程
（Systems Engineering SE）
进入
第四章 系统仿真及系统动力学方法
1.系统仿真概述 2.系统动力学结构模型化原理 3.基本反馈回路的DYNAMO仿真分析 4.系统动力学模拟步骤 5.常用软件
教学内容
1.系统仿真概述 2.系统动力学结构模型化原理 3. DYNAMO仿真分析
(3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶 成若干子系统以便于分析。
(4)通过系统仿真，能启发新的思想或产生新 的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一 些问题，以便及时解决。
（二）系统仿真方法
系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型 和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机 上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。
d. 为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的 个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量在数量上 一般是较多的。
3、举例
库存量
+ （-） -
每周订货 量
库存差额
期望
+
库存
速率变量
水准变量
辅助变量
周订
目标库
货量
存量
R
D
库存 差
I
实际库 存量
– 库存系统动力学流程图
+
利息 (元/年)
(+)
银行 货币
由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型 有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两 大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方 法。
在以上两类基本方法的基础上，还有一些 用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的 特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特 卡洛法等。
系统动力学方法通过建立系统动力学模型 (流图等)、利用DYNAMO仿真语言在计算机上 实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结 构、功能和行为之间的动态关系。
• [美]彼得·圣吉（PeterM·Senge）著，第五项修炼—学习型 组织的艺术与实务，上海三联书店， 1998。
• 作者简介：1970年从斯坦福大学获工学学士后进入MIT攻 读管理硕士学位，在此期间被Forrester教授的SD整体动态 搭配的管理新理念所吸引。1978年获得博士学位后，一直 和MIT的工作伙伴及企业界人士一道，孜孜不倦地致力于 将SD与组织学习、创造原理、认知科学等融合，发展出一 种人类梦寐以求的组织蓝图—学习型组织。
（三）系统动力学的发展及特点
1、由来与发展
系统动力学(System Dynamics,简称SD)是美国麻省 理工学院福雷斯特(J．w．Forrester)教授提出来的 研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。
1、背景
1956年至 60年代初
60年代初 至
70年代初
70年代初 至
80年代
80年代以 来
The Limits to Growth
• 本书可以说是第一次向人们展示了在一 个有限的星球上无止境地追求增长所带来的 后果。这本震惊了世界并畅销全球的书，在 今天，带着30年来新增的数据，再次就人类 对气候、水质、鱼类、森林和其他濒危资源 的破坏敲晌了警钟。
– 第二次挑战(70年代初到80年代中)：Forrester 教授在多 方资助之下开始研究美国全国模型，解开了一些在经济方 面长期存在、令经济学家困惑不解的疑团。
④ 绘制SD流图。
在绘制流图时，应特别注意形成正确的回路和用好信息连 接线，并注意不要把不同的实物流直连在一起.
a. 水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时间点； 而速率（R)变量只 在一个时段才有意义。
b. 决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L 变量。
c. 在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量不能 直接相连 。
－ 人口死亡率
人口总数
反馈
• 从控制论的观点看，任何一个具有使自身 内部保持稳定的系统，都具有某种反馈机 制。
• 反馈（Feedback）: 构成系统的某一成分的 输出与输入之间的关系，或者说是输出变 成了决定系统未来功能的输入。
例1： 例2： 例3：
生物群落的稳定性
天敌数量
（输入）
害虫数量 天敌－害虫种群系统
（输出）
反馈环
初春气温
（输入）
害虫数量
（输入）
害虫数量
害虫－环境系统
（输出）
反馈环
害虫－作物系统
作物长势
（输出）
反馈环
库存量 +
-
订货量
（ -）
库存差额
期望
库存
+
负反馈系统实例
一个简单的库存控制系统：
﹢ 库存 ﹣
发货单 ﹢ 期望库存
收货 ﹢
（—） 定货
途中货物量 ﹢
负反馈系统实例
+
有效的读 者意见
2、因果关系图和流图
（1）因果关系图（因果反馈回路） 因果箭→因果链→因果（反馈）回路 +
利息 (元/年)
(+)
银行 货币ຫໍສະໝຸດ 利率+正关系
若满足下列条件之一：
①A加到B中；②A是B的乘积因子； ③A变到A±△A，有B变到B±△B，即A、B
的变化方向相同。
则称A到B具有正因果关系，简称正关系，用 “＋”号标在因果链上。
＋ 人口出生率
人口总数
+
利息 (元/年)
(+)
银行 货币
利率
+
+
下一年的
每年的年
销售增长
(+)
收入
增长速率
+
恶性循环
良性循环
负关系
若满足下列条件之一：
①A从B中减去；②1/A是B的乘积因子； ③A变到A±△A，有B变到B＋△B，即A、B
的变化方向相反。
则称A到B具有负因果关系，简称负关系，用 “－”号标在因果链上。
4、工作程序
认识 问题
界定 系统
要素及其因 果关系分析
建立结 建立量 仿真 构模型 化分析 分析
模型
比较与 政策 评价 分析
初步分析
规范分析
综合分析
SD工作程序图
二、SD结构模型化原理
1、基本原理
决策
(Rate) 速率变量
信息
行动
信息
流 （行动）
系统 状态
水准变量 (Level)
四个基本要素——状态、信息、决策、行动 两个基本变量——水准变量（L）、速率变量（R） 一个基本思想——反馈控制
主 要功能。
(3)仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变 及其发展过程。
3、系统仿真的作用
(1)仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地 收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机 问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满 意的方法。
(2)对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统， 可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等 系统问题。
SD成为一种重要的系统工程方法论和重要的 模型方法。尤其是随着国内外管理界对学习 型组织的关注,SD思想和方法的生命力更为 强劲。
系统动力学发展
• 20世纪70年代以来，SD经历的两次严峻挑战
– 第一次挑战(70年代中前期)：70年代初，来自26个国 家的75名科学家的罗马俱乐部困惑于世界面临人口增 长与资源日渐枯竭的前景。鉴于当时一些惯用的工具 难以胜任对此复杂问题的研究，于是寄希望于刚刚兴 起的系统动力学方法。主要标志是两个世界模型 (WORLDⅡ，Ⅲ ）：
SD的出现始于1956年，主要应用于工业企业 管理，并创立了“Industrial Dynamics” (1959)
SD思想和方法的应用范围日益扩大。 “Principles of Systems”(1968)，“ Urban Dynamics”(1969)的出现.
1972年美国MIT的J.W.Forrester正式提出 “Systems Dynamics”。 经历了两次严峻的 挑战。