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1、本章主要内容本章主要内容1 1 系统动力系统动力学学 概述概述2 2系统动力学系统动力学基本原理基本原理3 3物流系统动物流系统动力学模型力学模型第1页/共37页本章学习目标本章学习目标了解系统动力学的应用对象、范围和特点；理解系统动力学的基本原理；理解系统动力学的模型第2页/共37页1.1.系统动力学的应用对象和范围系统动力学的应用对象和范围这些研究对象有什么共同特点？工商企业其它社会经济城市规划科研设计人口问题第3页/共37页共同特点共同特点因果关系复杂需比较非线性自律性待择优多重反馈第4页/共37页总结总结基于动力学，能对系统内部因素及系统内外因素的相互关系予以明确认识和体现；以计算机仿
2、真为辅助，以联系、运动和发展的理念能求解高阶、非线性的模型；而解析法则较难解，或解不可靠；对参数无需太敏感，即可认识内部关联；参数设定后可起到模拟作用；便于实现建模人员、决策者、专家及群众综合意见，融合各方经验知识。第5页/共37页系统动力学基本原理基础理论系统动力学基本原理基础理论基础理论控制论系统分析法计算机仿真技术决策论反馈控制反馈控制、自动调节、自动调节、时间滞后、噪声干扰时间滞后、噪声干扰在若干个备在若干个备选方案中作选方案中作出选择出选择模型求解的模型求解的重要手段重要手段各种定性和各种定性和定量系统工定量系统工具和方法具和方法第6页/共37页理论之一：反馈控制理论之一：反馈控制系
3、统将来的行为是结果的函数。即根据系统输出的结果指导将来的行动。将系统输出与目标值所产生的偏差作为系统输入，然后对系统下一次输出结果产生影响并改善决策的自动调节过程。第7页/共37页工作原理工作原理信息决策行为系统状态反馈控制过程首先观察要研究的实际系统搜集关于系统状态的信息，分析各要素之间的因果关系分析各要素之间的因果关系采取行动，行动又作用于实际系统，使系统的状态发生改变，这些变化提供的信息再次决定决策者的下一次行动，从而形成了反馈回路。系统动力学利用反馈控制的原理，用因果关系图和流程图来描述系统的内部联系，并用仿真语言来定量计算系统状态的动态变化。第8页/共37页建模过程建模过程明确目的确
4、定边界因果分析建立模型仿真实验结果分析、对比、解释模型修改反馈环绘图、建方程考虑加入的因素，保持边界弹性检验理论；认识系统反馈结果与动态行为，改善决策第9页/共37页建模细节建模细节1:1:因果分析因果分析AB出生人口数人口总数死亡人口数人口总数（正负）因果链：因果箭描述的递推性因果关系因果箭正因果箭负因果箭AB因果链CD第10页/共37页建模细节建模细节1:1:因果分析因果分析ABCDABC负反馈回路收敛性；内部稳定器正反馈回路增长性；自我强化剂因果关系反馈回路多重因果关系反馈回路选择哪些因素来形成因果箭和因果反馈回路，至关重要。第11页/共37页建模细节建模细节2 2:基本技术（流程图）基
5、本技术（流程图）反馈回路的两种基本变量TextTextText状态变量状态变量为流位变量，为流位变量，是描述系统是描述系统积累积累效应的效应的变量变量决策变量决策变量流率变量、流率变量、速率，是描速率，是描述系统积累述系统积累效应的效应的变化变化快慢的变量快慢的变量第12页/共37页建模细节建模细节2 2:基本技术（流程图）基本技术（流程图）流（Flow)流位（Level）流率（Rate）Source/Sink参数（Parameter）Auxiliary Variable流程图符号滞后（Delay）信息的取出第13页/共37页流程图例流程图例进行存款活动时，存款与利息的因果关系反馈回路可表示为
6、：可用流程图描述以上因果关系反馈回路为：其中：存款为状态变量利息为流率变量利率为辅助变量 第14页/共37页建模细节建模细节2 2:基本技术（方程）基本技术（方程）状态变量方程：描述系统中状态变量的积累过程L LEVEL.K=LEVEL.J+DT*(INFLOW.JK-OUTFOLW.JK)流率方程：描述系统状态变量方程中输入与输出的速度R 辅助方程：反馈系统中描述信息的运算式，用以辅助说明流率变量的细节A 代码表：K 当前时刻；J 前一时刻；L 下一时刻；DT 从J时刻到K时刻的计算间隔；CON（Constant）常量第15页/共37页建模细节建模细节2 2:基本技术（方程）基本技术（方程）
7、常量方程：定义模型中的各种参数值C 注意：(1)常量方程中不能出现时间下标 (2)常量可以依赖于其他常量。赋值方程：为状态变量赋予初始值N 注意：(1)赋值方程中不能出现时间下标 (2)模型中每一个状态变量方程都必须赋予初始值，因此每个L方程后都必须跟随一个N方程 第16页/共37页系统动力学建模例系统动力学建模例早期软件文本编程方式，需要用流程图描绘出系统模型后，在流程图里用不同的符号表示不同类型的函数，之后才编写程序，因此较为复杂。由美国Ventana Systems公司开发的一款可视化系统动力学软件。与DYNAMO相比，Vensim提供了相对简单灵活的方式，在绘制流程图的过程中，同时已建
8、立了模型的数学关系，无需使用许多图形符号。DYNAMOVensim第17页/共37页VensimVensim操作界面操作界面第18页/共37页绘图绘图说明说明第19页/共37页VensimVensim系统建模系统建模1.绘制因果关系图1.绘制流程图2.建立方程 利息存款*利率;4.仿真运行及结果分析第20页/共37页第第1717讲讲物流系统动力学概述物流系统动力学概述主讲：麦宗琪主讲：麦宗琪时间：时间：2016.62016.6.3030第21页/共37页例例1:1:物流系统动力学建模物流系统动力学建模物流系统动力学模型中最基本的是一阶和二阶反馈回路。如：【例82】已知一库存系统，当前库存量为2
9、000件，期望库存量为8000件，每周向供应商订货，欲用5周时间调整到期望库存，用Vensim建立一个一阶负反馈回路对这个系统进行仿真。【例83】已知一库存系统，当前库存量为2000件，期望库存量为8000件，每周向供应商订货，货物的在途时间为10周，库存调整时间为5周，用Vensim建立一个二阶负反馈回路对这个系统进行仿真。第22页/共37页一阶负反馈回路一阶负反馈回路第一步：因果关系分析第一步：因果关系分析l当库存量增加时，库存量与期望库当库存量增加时，库存量与期望库存量之间的差额减少，两者形成负因存量之间的差额减少，两者形成负因果箭果箭l当库存差额增加时，订货速率（即当库存差额增加时，订
10、货速率（即每周的订货批量）增加，两者形成正每周的订货批量）增加，两者形成正因果箭；当订货速率增加时，库存量因果箭；当订货速率增加时，库存量将变大，两者形成正因果箭。将变大，两者形成正因果箭。二阶负反馈回路二阶负反馈回路同理，库存量与库存差额形成负同理，库存量与库存差额形成负因果箭，库存差额与订货速率形因果箭，库存差额与订货速率形成正因果箭；不同的是，当订货成正因果箭；不同的是，当订货速率增加时，在途库存量变大，速率增加时，在途库存量变大，两者形成正因果箭，最后在途库两者形成正因果箭，最后在途库存量的增加引起入库率（每周入存量的增加引起入库率（每周入库的商品量）的增加，形成正因库的商品量）的增加
11、，形成正因果箭。果箭。第23页/共37页一阶负反馈回路一阶负反馈回路第二步：绘制流程图第二步：绘制流程图l库存量为状态变量，订货速率为流率变量，库存差额、期望库存量库存量为状态变量，订货速率为流率变量，库存差额、期望库存量和库存调整时间为辅助变量。和库存调整时间为辅助变量。二阶负反馈回路二阶负反馈回路库存量和在途库存量为状态变量，订货速率和入库率为流率变量，库存差额、期望库存量、库存调整时间和库存在途时间为辅助变量。第24页/共37页第三步：输入方程式第三步：输入方程式库存调整时间库存调整时间5 5（周）（周）期望库存期望库存80008000（件）（件）初始库存量初始库存量20002000（件
12、）（件）库存差额库存差额期望库存量期望库存量-库存量库存量订货速率订货速率库存差额库存差额/库存调整时库存调整时间间库存量库存量INTEGINTEG（订货速率）（订货速率）一阶负反馈回路一阶负反馈回路二阶负反馈回路二阶负反馈回路库存调整时间库存调整时间5 5（周）（周）期望库存期望库存80008000（件）（件）初始库存量初始库存量20002000（件）（件）库存在途时间库存在途时间1010（周）（周）库存差额期望库存量库存差额期望库存量-库存量库存量订货速率库存差额订货速率库存差额/库存调整时间库存调整时间入库率在途库存量入库率在途库存量/库存在途时间库存在途时间在途库存量在途库存量INTE
13、GINTEG（订货速率入库率）（订货速率入库率）库存量库存量INTEGINTEG（入库率）（入库率）第25页/共37页四、仿真分析四、仿真分析当库存量越来越接近期望库存量时，订货速率越来越小，最后库存量当库存量越来越接近期望库存量时，订货速率越来越小，最后库存量在第在第2020周左右逐渐逼近期望库存量，该库存系统是一个渐进稳定的系周左右逐渐逼近期望库存量，该库存系统是一个渐进稳定的系统，其中的一阶负反馈回路起到了自我平衡的作用。统，其中的一阶负反馈回路起到了自我平衡的作用。一阶负反馈回路一阶负反馈回路第26页/共37页二阶负反馈回路二阶负反馈回路二阶负反馈回路与一阶负反馈回路一样，能实现库存量
14、向期望库存量靠二阶负反馈回路与一阶负反馈回路一样，能实现库存量向期望库存量靠近的功能，但不同之处在于，二阶负反馈回路的调整过程是振荡衰减逐近的功能，但不同之处在于，二阶负反馈回路的调整过程是振荡衰减逐渐逼近目标值的。渐逼近目标值的。第27页/共37页一、一、VMIVMI系统行为模式分析系统行为模式分析二、二、VMIVMI系统的因果反馈关系系统的因果反馈关系三、三、VMIVMI系统模型流程图系统模型流程图四、各个模块的系统动力学构造方程式四、各个模块的系统动力学构造方程式 例例2 2：VMIVMI模式下供应链系统动力学建模模式下供应链系统动力学建模第28页/共37页一、一、VMIVMI系统行为模
15、式分析系统行为模式分析供应商供应商分销商分销商基于预测的订单基于预测的订单产品产品图8-23 传统库存管理模式分销商分销商供应商供应商实时的客户需求信息实时的客户需求信息按实际需求发货按实际需求发货图8-24 VMI库存管理模式第29页/共37页在VMI库存管理模式下，系统限定成员主要包括:供应商供应商分销商分销商生产商生产商订单拉动式生产一般是由分销商按照一定的评估标准在优秀的、有实力的供应商中挑选出来的掌管分销商在各地的库存，与分销商一次议价建立长期的需求协议第30页/共37页VMI系统中的四类库存：1 12 2生产商生产商在制品库存在制品库存 供应商库存供应商库存3 34 4供应商库存供应商库存分销商库存分销商库存第31页/共37页二、二、VMIVMI系统的因果反馈关系系统的因果反馈关系 第32页/共37页三、三、VMIVMI系统模型流程图系统模型流程图第33页/共37页四、各个模块的系统动力学构造方程式四、各个模块的系统动力学构造方程式（略，见课本）（略，见课本）供应商模块供应商模块生产商模块生产商模块分销商模块分销商模块第34页/共37页练习中的思考练习中的思考1.本系统整体或局部问题是否能通过动力学的基本原理来建模分析？2.概述一下因果关系的分析、流程图的绘制和方程的建立理念。第35页/共37页第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页