系统动力学与Vensim建模和模拟技术应用课件.ppt
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1、1Page 1主要内容系统动力学简介系统动力学简介VensimVensim软件简介软件简介系统动力学及系统动力学及VensimVensim建模基础建模基础简单系统与行为模式简单系统与行为模式系统动力学及系统动力学及VensimVensim函数介绍函数介绍VensimVensim高级建模与模拟技术高级建模与模拟技术(I I)复杂系统及行为复杂系统及行为VensimVensim高级建模与模拟技术高级建模与模拟技术(II)II)建模互动交流建模互动交流2Page 2(1)(1)系统动力学简介系统动力学简介 n 系统动力学发展历史系统动力学发展历史n 系统动力学主要应用领域系统动力学主要应用领域n 系
2、统动力学学科基础系统动力学学科基础n 系统动力学建模基本过程系统动力学建模基本过程(2)(2)Vensim Vensim 软件简介软件简介n 软件配置软件配置n 基本功能基本功能n 用户界面用户界面n 模型库及辅助知识模型库及辅助知识(3)(3)系统动力学及系统动力学及VensimVensim建模基础建模基础n 因果链与反馈因果链与反馈n 因果回路图构建因果回路图构建n 流图构建流图构建(4)(4)系统动力学及系统动力学及VensimVensim建模基础建模基础n变量与方程构建变量与方程构建n基本模拟及分析基本模拟及分析n复合模拟(复合模拟(SyntheSimSyntheSim)例子例子:生产
3、库存与销售系统生产库存与销售系统(5)(5)简单系统与行为简单系统与行为n一阶系统系统行为一阶系统系统行为n二阶系统系统及行为二阶系统系统及行为(6)(6)系统动力学及系统动力学及VensimVensim函数介绍函数介绍 n函数类型函数类型n延迟函数延迟函数,平滑函数平滑函数,表函数表函数主要内容3Page 3(7)(7)VensimVensim高级建模与模拟技术高级建模与模拟技术 n多视图技术多视图技术nVensimVensim游戏游戏(Game)Game)功能功能n使用分析工具定制模拟结果使用分析工具定制模拟结果n输入输出控制输入输出控制n外部数据的使用外部数据的使用n下标变量或数组变量的
4、使用下标变量或数组变量的使用n使用案例:简单城市模型使用案例:简单城市模型(8)(8)复杂系统及行为复杂系统及行为n复杂系统分析方法复杂系统分析方法n基模与共性结构基模与共性结构(9)(9)VensimVensim高级建模与模拟技术高级建模与模拟技术n敏感性测试敏感性测试n模型刻度与政策最优化模型刻度与政策最优化n真实性检验真实性检验n模型发布模型发布nVensimVensim其他高级功能简介其他高级功能简介(10)(10)建模互动交流建模互动交流n牛鞭效应牛鞭效应主要内容4Page 4系统动力学简介系统动力学简介n系统动力学发展历史系统动力学发展历史n系统动力学主要应用领域系统动力学主要应用
5、领域n系统动力学基本观点系统动力学基本观点n系统动力学学科基础系统动力学学科基础n系统动力学建模基本过程系统动力学建模基本过程5Page 5系统动力学发展历史系统动力学发展历史MIT和福瑞斯特(Jay W.Forrester)n195060年代SD诞生工业动力学、城市动力学n197080年代发展成熟世界动力学、经济长波模型n1990广泛应用与传播第五项修炼学习型组织 中国的系统动力学发展n杨通谊教授n王其藩教授n许庆瑞教授 6Page 6系统动力学应用领域n 宏观经济n 企业管理7Page 7系统动力学的基本观点系统动力学的基本观点n系统动力学是一门基于系统论,吸取反馈理论与信息论等,并借助计
6、算机模拟技术的交叉学科。n系统动力学能定性与定量地分析研究系统,从系统的微观结构入手建模,构造系统的基本结构,进而模拟与分析系统的动态行为。n系统的行为由其结构和功能所决定。n“反馈”就是信息的传输与回授。顾名思义,反馈的重点应在于”回授即“反”字上。反馈的概念是普遍存在的。比如,空调设备是人们所熟知的,为了维持室内的温度,需要由热敏器件组成的温度继电器与冷却(或加热)系统联合运行。由前者担负室内温度的检测,并与给定的期望室温加以比较,然后把信息馈送至控制器,使冷却(或加热)器的作用在最大与关停之间进行调节,从而实现控制室温的目的。其中温度继电器就是反馈器件,上述的信息馈送过程就是信息反馈作用
7、。8Page 8系统及其构成和结构系统及其构成和结构n 系统:一个由相互区别、相互作用的各部分有机地联结一起,为同一目的而完成某种功能的集合体。n 系统动力学是认识系统问题和解决系统问题的有效工具之一。n 系统的结构:所谓结构是指单元的秩序。它包含两层意思,首先是指组成系统的各单元,其次是指诸单元间的作用与关系。系统的结构标志着系统构成的特征。例:系统建模中对问题的分解(结构建构)系统分析中的共性结构分析复杂模型的基模研究9Page 9系统及其构成和结构系统及其构成和结构 系统及其构成和结构10Page 10系统动力学的两个重要原理系统动力学的两个重要原理n分解原理目标、边界、框架和结构确定分
8、析维度和视角(自然科学与社会科学的区分)由粗到细(至上而下)逐步分解(结构演进)n综合原理分解的逆过程11Page 11系统动力学的特点nSD研究的对象主要是社会经济系统nSD分析与解决问题的方法不是建立一组微分方程去求解,而是分析系统的结构:划分子系统分析变量之间的相互作用:因果关系区分速率变量,状态变量,辅助变量,研究反馈关系。n通过建立直观的模型,进行计算机模拟,而解决问题。通过建立直观的模型,进行计算机模拟,而解决问题。n事件事件行为模式行为模式系统结构:系统结构:系统结构决定行为行为模式,行为模式决定具体事件,因此解决问题的根本出发点是系统结构分析。n系统动力学能解决微分方程组方法难
9、以解决的复杂非线性系统问题。12Page 12系统动力学的学科基础系统动力学的学科基础n系统动力学的学科基础可划分为三个层次:方法论。系统动力学的方法论是系统方法论,其基本原则是将所研究对象置于系统的形式中加以考察。系统方法论目前还不很完善,系统动力学自身的发展也将会丰富、充实系统方法论。技术科学和基础理论。主要有反馈理论、控制理论、控制论、信息沦、非线性系统理论,大系统理论和正在发展中的系统学。应用技术第三层次。为了使系统动力学的理论与方法能真正用于分析研究实际系统,使系统动力学模型成为实际系统的“实验室”,必须借助计算机模拟技术。13Page 13系统动力学建模框架和结构系统动力学建模框架
10、和结构策略的执行对一个系统的认识问题的定义策略分析计算机模拟系统的概念化模型的建立 14Page 14系统动力学解决问题的一般过程系统动力学解决问题的一般过程 提出问题:明确建立模型的目的。即要明确要研究和解决什么问题。参考行为模式分析:分析系统的事件,及实际存在的行为模式,提出设想和期望的系统行为模式。作为改善和调整系统结构的目标。提出假设建立模型:由行为模式,提出系统的结构假设。由假设出发,设计系统的因果关系图,流图,并列出方程,定义参数。从而将一系列的系统动力学假设,表示成了清晰的数学关系集合。模型模拟:调整参数,运行模型,产生行为模式。建立好的模型是一个实验室,可以由试验参数和结构的变
11、化理解结构与系统行为模式的关系。提出问题参考行为模式分析提出假设建立模型模型模拟得到结论15Page 15系统动力学建模流程系统动力学建模流程任务调研任务调研问题定义问题定义划定界限划定界限反馈结构分析反馈结构分析变量定义变量定义建立方程建立方程模型模拟模型模拟模型评估模型评估政策分析与模型使用政策分析与模型使用建立模型建立模型系统分析系统分析结构分析结构分析修改模型修改模型16Page 16n根据分解原理系统S划分成若干个(p个)相互关联的子系统(子结构)St。式中:S代表整个系统;Si代表子系统,系统动力学数学描述系统动力学数学描述piSSS1pi,2,117Page 17系统动力学数学描
12、述系统动力学数学描述数学描述如下:式中:L状态变量向量;R速率变量向量;A辅助变量向量;L纯速率变量向量;P转移矩阵;W关系矩阵。PRL ALWAR18Page 18系统动力学的系统(System)观点基础n系统可以用一组随时间变化的状态变量X=(x1,x2,.n)描述:系统的相空间n系统有一定的输入:U=(u1,u2,.,um):控制量n系统是通过相互作用而发展变化的:X=f(X,U,t)n系统由多个子系统组成,最小的子系统是一阶反馈回路,它包含:状态量,速率量,及辅助变量,是一个多元一阶微分方程系统的未来发展取决于其结构及初始条件系统的未来发展取决于其结构及初始条件:U,f(X,U,t)系
13、统动力学的模型,相当于这组微分方程组:系统动力学的模型,相当于这组微分方程组:X=f(X,U,t)X(x1,x2,.,xn)U(u1,u2,.,um)X(x1,x2,.,xn)19Page 19系统动力学数学基础系统动力学数学基础n数学在系统模拟中的作用数学工具选择的指导思想(以模拟为主、演绎为辅)模型的精度与控制(社会复杂系统应用中建模与成本控制)n线性微分方程解的相关理论与建模的内在关系解的存在性与结构(模型的数值解、点与面的关系、局部与整体)解的稳定性(收敛、均衡、临界点)Robust 鲁棒(乐百氏)与模型的稳定性(强壮性)20Page 20系统动力学基模分析举例系统动力学基模分析举例n
14、经济长波模型方程 tyafatytyfafaty21132213211111121Page 21系统动力学基模分析举例系统动力学基模分析举例n经济长波模型分析(均衡实验)PCIaPCIa31113131aaaakPCIkaaaakaaPCIaPCIaaa3212313211331)1(22Page 22Vensim 软件简介n Vensim的历史的历史n Vensim软件的版本软件的版本n Vensim软件的功能软件的功能n Vensim软件的界面软件的界面n Vensim软件知识与资源软件知识与资源23Page 23Vensim Vensim 软件的历史软件的历史 Vensim 软件的历史软
15、件的历史nVentana Systems,Inc.成立于1985年,Harvard,MassachusettsnVensim软件开发于1988年n1993年为一个稳定版本nVensim 1.62 发布于1995n发布于1997nVensim 4发布于1999n,发布于2000nVensim 5发布于2002.n发布于2004 n发布于2005 n发布于2006n发布于200824Page 24Vensim Vensim 软件的历史软件的历史 Vensim 专利技术专利技术nCausal Tracing nSubscripting nOptimization nVenapp Flight Sim
16、ulators(Learning Environments)nResource Allocation algorithm(ALLOC P)nReality Check 主要开发者:主要开发者:Bob EberleinnPh.D in MIT n前国际系统动力学学会主席n2007国际系统动力学大会主席25Page 25Vensim Vensim 软件功能软件功能 Vensim PLEn个人学习版。具有一般建模模拟功能,多视窗,原因追踪,复合模拟等功能。n对教育机构免费。Vensim PLE Plusn除具有PLE Plus 功能外,具有 Monte Carlo 灵敏度测试,输入输出控制等.Ven
17、sim Professionaln除具有PLE Plus 功能外,具有真实性测试,灵敏度测试,模型优化,方程文本编辑,下标变量等高级功能 Vensim DSSn具有模拟飞行器开发,宏定义及外部函数引用,通过DLL与其他程序交互。Vensim Model Readern供无Vensim及高版本的人者阅读,运行和分析模型。n但是不能修改模型。免费MoleculesVenappsFeaturePLEPLE PlusProDSSReadSyntheSimAbility to cut feedback links on the fly in SyntheSimmodeSketch Editor with
18、 Undo/RedoCausal Loop DiagramsStock and Flow DiagramsTree DiagramsDocument ToolLoop IdentificationEquation EditorBuilt-in FunctionsUnits CheckCausal TracingReality CheckSimulationGraphsTabular Output(Tables)Run Comparison(between two simulations)On-line HelpMultiple Views(pages or sectors of a model
19、)Input and Output Sketch ObjectsGamingSensitivity Simulations(Monte Carlo)External Data Import/Export(spreadsheet etc.)Live Data ConnectionsDiscrete Event Functions Editable Sketch Toolsets Hide Sketch Elements Simulation Control DialogPartial Model SimulationUser-configurable ToolsHistogramsPasswor
20、d ProtectionModel Calibration(optimization)Policy OptimizationKalman FilteringSubscripts(Arrays)-up to 8 dimensionsBar GraphsGantt ChartsSummary StatisticsText EditorUser defined MacrosODBC CapabilitiesPackaged Applications(Venapps,flight simulators)Graphical Venapp BuilderDynamic Data ExchangeExter
21、nal FunctionsCompiled Models(C language)DLL Configuration 26Page 26VensimVensim软件的界面软件的界面 标题栏:Titel Bar 菜单栏:Menu 工具栏:Tools Bar nMain ToolsnSimulation ToolsnAnalysis ToolsnSketch Tools 状态栏:Status Bar 流图区27Page 27VensimVensim软件的界面软件的界面 工具栏工具栏 n主工具主工具 Main ToolsMain Toolsn绘图工具绘图工具 Sketch ToolsSketch To
22、olsLock:Lock:图形锁定Move/SizeMove/Size:移动Variable:Variable:创建变量Box VariableBox Variable:用创建状态变量ArrowArrow:创建箭头。Rate:Rate:建立速率变量Merge:Merge:合并变量DeleteDelete:删除模型的结构,变量及注释。Model VariableModel Variable:在图形中加进已存在模型变量和引起变量原因。Shadow Variable:Shadow Variable:在图形中加进已存在模型变量作为影子变量Input Output ObjectInput Output
23、Object:在图形中增加输入滑动器和输出曲线图及图表。Sketch Comment:Sketch Comment:对图表增加注释和图片。Unhide Wand:Unhide Wand:在图表中显示被隐藏的变量Hide Wand:Hide Wand:在图表中隐藏某变量Equations:Equations:使用方程编辑器创建模型方程Reference Model:Reference Model:绘制与编辑参考模型28Page 28VensimVensim软件的界面软件的界面 工具栏 n模拟工具 Simulation ToolsControl:模拟控制Set up a simulation:建立
24、模拟Run Name:数据集名称 Choose Runname:选择数据集名称Simulate:模拟SyntheSim:符合模拟Game:游戏Sensitivity:灵敏度测试Optimize:优化Reality Check:真实性检验Build Windows:切换到建模窗口Output Windows:切换到输出窗口Control Panel:控制窗口Subscrip:下标变量n分析工具 Analysis Tools静态分析数据集分析29Page 29VensimVensim软件的界面软件的界面 工具栏工具栏 n分析工具 Analysis Tools结构分析工具结构分析工具 原因树 使用树
25、 回路图 文档数据分析工具数据分析工具 原因带状图 曲线图 灵敏性曲线图 条线图 表格 运行比较 统计表其他工具其他工具 单元检查 方程式编辑器 Venapp编辑器 文本编辑器30Page 30系统动力学及系统动力学及Vensim Vensim 软件的资源软件的资源 Vensim 软件相关软件相关 软件中附带手册:在线手册及软件中附带手册:在线手册及PDFs 文件文件Vensim User GuideVensim Modeling GuideVensim Reference ManualVensim DSS Reference Supplement 软件中附带有关模型软件中附带有关模型Vesi
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