大学精品课件：第4章　系统仿真及系统动力学方法.ppt

1、 经济管理学院经济管理学院1 1.基本概念基本概念 2、系统仿真的实质、系统仿真的实质 (3)通过系统仿真，可以把一个复杂系统降通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。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。一些问题，以便及时解决。系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型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

2、真实验。编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散由于连续系统和离散(事件事件)系统的数学模型有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，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。即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。Systems Dynamics,SD/J.W.Forrester(MIT)Industridl Dynamics(ID),1959Principles of Systems,1968Urban Dynamics(UD),1969World Dynamics(WD),1971SD,1972（1 1）研究对象

3、）研究对象社会系统社会系统（2 2）结构特点）结构特点 抉择性抉择性具有决策环节（人、信息）具有决策环节（人、信息）自律性自律性具有反馈环节具有反馈环节 非线性非线性具有延迟环节具有延迟环节（3 3）SDSD将社会系统当作将社会系统当作非线性非线性(多重多重)信息反信息反馈系统馈系统来研究来研究 认识认识问题问题界定界定系统系统要素及其因要素及其因果关系分析果关系分析建立结建立结构模型构模型建立数建立数学模型学模型仿真仿真分析分析比较与比较与评价评价政策政策分析分析（流图）（流图）（DYNAMOYDYNAMOY方程）方程）3、工作程序、工作程序（1 1）常用要素）常用要素流流速率速率水平变量水

4、平变量源与汇源与汇参数参数 流流 实物流实物流信息流信息流 速率变量速率变量 水准变量水准变量 L1 辅助变量辅助变量 A1。R1R1()。明确问题及其构成要素；明确问题及其构成要素；绘制要素间相互作用关系的因果关绘制要素间相互作用关系的因果关系图。注意一定要形成回路；系图。注意一定要形成回路；确定变量类型（确定变量类型（L L变量、变量、R R变量和变量和A A变变量）。将要素转化为变量，是建模的关键一量）。将要素转化为变量，是建模的关键一步步。在此，应考虑以下几个具体原则：在此，应考虑以下几个具体原则：a.水准（水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点；）变量是积累变量，可定义在任何时点

5、；而速率（而速率（R)变量只在一个时段才有意义。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决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成理成L变量。变量。c.在反馈控制回路中，两个在反馈控制回路中，两个L变量或两个变量或两个R变量变量不能直接相连不能直接相连。d.为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变变量的个数。故在实际系统描述中，辅助（量的个数。故在实际系统描述中，辅助（A）变量）变量在数量上一般是较多的。在数量上一般是较多的。绘制绘制SD流图。流图。1、基本、基本DYNAMO方程方程(DYNAmic Model)水准方程（水准方程

6、（L L方程）方程）L L1L L1K=L1K=L1J+DTJ+DT*(RI(RIJK-ROJK-ROJK)JK)速率方程（速率方程（R R方程）方程）R R1KL=f(L1K,A1K,)辅助方程（辅助方程（A方程）方程）A A1K=g(L1K,A2K,R1JK,)赋初值方程（赋初值方程（N方程）方程）N L1=数值数值 或或 L1=L10 L10=数值数值常量方程常量方程（C C方程）方程）C C1=数值数值第三节第三节 基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMODYNAMO仿真分析仿真分析 第三节第三节 基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMODYNAMO仿真分析仿真分析 3、一级负反馈回路

7、、一级负反馈回路。L IK=IK=IJ+DTJ+DT*R1R1JKJKN I=1000R R1KL=DK/ZKL=DK/ZA DK=Y-IK=Y-IK KC Z=5C Y=6000 IDR10100050001000120004000800228003200640It10000 一阶负反馈（简单一阶负反馈（简单 库存控制）系统输库存控制）系统输 出特性曲线出特性曲线 第三节第三节 基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMODYNAMO仿真分析仿真分析 L GK=GK=GJ+DTJ+DT*(R1(R1KL-R2KL-R2JK)JK)L IK=IK=IJ+DTJ+DTR2R2JKJKR R1KL=D

8、/ZKL=D/ZA D=Y-IK KC Y=6000C W=10,Z=5C I=1000C G=1000060001000tI第三节第三节 基本反馈回路的基本反馈回路的DYNAMODYNAMO仿真分析仿真分析 测试 函数。T3 MAXT2 。第四节第四节 Vensim_PLEVensim_PLE 仿真软件使用简介仿真软件使用简介 Vensim由由Ventana Systems,Inc.开发，该软件开发，该软件提供了强大的提供了强大的Windows界面下的编辑环境，为用界面下的编辑环境，为用户提供了友好的图形界面，是一种易于使用，功户提供了友好的图形界面，是一种易于使用，功能强大的系统动力学仿真

9、平台。国内曾用该软件能强大的系统动力学仿真平台。国内曾用该软件成功建立了中国可持续发展模型，取得了良好的成功建立了中国可持续发展模型，取得了良好的效果。效果。本节依据本节依据Vensim PLE for Windows Version 6.3E，对该软件使用进行简要介绍。，对该软件使用进行简要介绍。用户界面用户界面简介简介工作平台工作平台（workbench）工具栏工具栏(Sketh Tools)包含了仿包含了仿真所需要的主要工具真所需要的主要工具 应用举例应用举例因果关系回路图的绘制与分析模型的构建与仿真 因果关系回路图的绘制与分析因果关系回路图的绘制与分析 模型的构建与仿真模型的构建与仿真

10、L P.K=P.J+DT*(R1.JK-0)N P=100R R1.KL=P.K*C1C C1=0.02 具体操作过程具体操作过程 仿真结果输出仿真结果输出仿真数据表仿真数据表仿真结果图仿真结果图 相关常量变化的仿真相关常量变化的仿真 AnyLogicAnyLogic软件是一款功能强大的系统仿真工具，支软件是一款功能强大的系统仿真工具，支持多种建模方法持多种建模方法，具有丰富的插件库具有丰富的插件库和和很强的二次开发很强的二次开发能力能力。AnyLogicAnyLogic软件目前已应用在制造生产、物流、行人软件目前已应用在制造生产、物流、行人交通仿真、城市发展与生态环境、业务流程与服务、应交通

11、仿真、城市发展与生态环境、业务流程与服务、应急管理、急管理、GISGIS信息以及医疗健康等多个行业及研究领域信息以及医疗健康等多个行业及研究领域中。中。灵活的建模方法灵活的建模方法 1)1)基于基于AgentAgent建模建模；2)2)离散事件建模离散事件建模；3)3)系统动系统动 力学建模力学建模简易的建模语言简易的建模语言先进的建模技术先进的建模技术丰富的建模库件丰富的建模库件 1 1）标准库）标准库；2)2)行人库行人库；3 3）轨道库）轨道库；4 4）流体库）流体库；5)5)公路交通库公路交通库 强大的实验框架强大的实验框架1）仿真实验）仿真实验；2）优化实验）优化实验；3）参数变化实

12、验）参数变化实验；4）比较运行实验）比较运行实验；5）蒙特卡罗实验）蒙特卡罗实验；6）敏感）敏感性分析实验性分析实验；7）校准实验）校准实验可视化的动态仿真可视化的动态仿真协作交互性协作交互性地理信息系统（地理信息系统（GIS）集成）集成 案例案例1:1:评估仓库自动化系统的引入评估仓库自动化系统的引入 Symbotic是一家提供仓库自动化方案的公司。是一家提供仓库自动化方案的公司。它的系统基于可移动的机器人。它的系统基于可移动的机器人。挑战：挑战：该公司需要一个帮助顾客了解仓库改造所产生该公司需要一个帮助顾客了解仓库改造所产生的影响的工具。顾客可以利用这个工具比较引入自的影响的工具。顾客可以

13、利用这个工具比较引入自动化系统前后投入资金的变化。它还必须要能通过动化系统前后投入资金的变化。它还必须要能通过简单的调整适应每个特定的客户。简单的调整适应每个特定的客户。案例案例1:1:评估仓库自动化系统的引入评估仓库自动化系统的引入解决方案：解决方案：Symbotic工程师对仓库内环境和运转建立了一工程师对仓库内环境和运转建立了一个高细节水平的仿真模型。该模型包含个高细节水平的仿真模型。该模型包含：卷帘门的卷帘门的安排和分配、卷帘门和几个不同仓库间向内及向外安排和分配、卷帘门和几个不同仓库间向内及向外的产品流动的产品流动；追踪并整合各个不同的产品流信息追踪并整合各个不同的产品流信息；人员和设

14、备（装货员、卸货员、叉式装卸车、夹板人员和设备（装货员、卸货员、叉式装卸车、夹板装载和非夹板装载自动机）的运转情况，这些人员装载和非夹板装载自动机）的运转情况，这些人员设备在模型中被模拟为代理。设备在模型中被模拟为代理。案例案例2:2:为快速消费品零售商选择正确的仓库布局为快速消费品零售商选择正确的仓库布局问题：问题：东欧某大型快速消费品（东欧某大型快速消费品（FMCG）零售商为多）零售商为多个地区的几百家商店从一个分发中心分货。该公司个地区的几百家商店从一个分发中心分货。该公司计划改变分发中心里托盘货架和输送机的布置。他计划改变分发中心里托盘货架和输送机的布置。他们决定雇佣们决定雇佣AnyL

15、ogic公司咨询部建立一个仓库的公司咨询部建立一个仓库的仿真模型来评估新布局的容量和有效性。仿真模型来评估新布局的容量和有效性。案例案例2:2:为快速消费品零售商选择正确的仓库布局为快速消费品零售商选择正确的仓库布局解决方案：解决方案：仓库模型模拟了分发中心里所有的主要工序包括：仓库模型模拟了分发中心里所有的主要工序包括：将货物装上、卸下运载工具将货物装上、卸下运载工具 流入、流出货物跟踪流入、流出货物跟踪 货物储存位置货物储存位置 货物从缓冲存储地区到订单包装地区的流动货物从缓冲存储地区到订单包装地区的流动 订单包装订单包装 已包装货物根据托盘排序已包装货物根据托盘排序 案例案例2:2:为快

16、速消费品零售商选择正确的仓库布局为快速消费品零售商选择正确的仓库布局结果：结果：客户可通过该仿真模型测试新的托盘货架和输送机布客户可通过该仿真模型测试新的托盘货架和输送机布置在不同装载量时的不同情况。它同时分析出了员工数量、置在不同装载量时的不同情况。它同时分析出了员工数量、设备数量、和仓库容量间的相互关系。员工可以通过模型设备数量、和仓库容量间的相互关系。员工可以通过模型对在特定时间仓库装载量的运转管理作出特定的规划。另对在特定时间仓库装载量的运转管理作出特定的规划。另外，客户用该模型进行了员工培训。管理部门可以使用它外，客户用该模型进行了员工培训。管理部门可以使用它所提供的动画演示向新员工展示仓库内的工作流程。所提供的动画演示向新员工展示仓库内的工作流程。