管理系統(tǒng)仿真

1、管理系統(tǒng)仿真管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)仿真仿真內(nèi)容簡介：內(nèi)容簡介：系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真（亦稱系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬）是指通過建立和運行系統(tǒng)的數(shù)學模型，來模仿實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)及其隨時間變化的規(guī)律，以實現(xiàn)在計算機上進行試驗的全過程。這是近30年來發(fā)展起來的一門新興技術學科。公共管理的對象通常是社會、經(jīng)濟、軍事等復雜系統(tǒng)，一般都不能通過真實的實驗來進行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術就成為十分重要甚至必不可少的工具。本實驗在介紹管理系統(tǒng)模擬的概念以及一般原理、方法和步驟的基礎上，主要介紹四種基本的模擬方法及其模型，即蒙特卡洛模擬方法蒙特卡洛模擬方法、排隊排隊模型、系統(tǒng)動力學系統(tǒng)動力學模擬、多agent系統(tǒng)模擬。通過蒙特

2、卡洛模擬可以具體了解管理系統(tǒng)模擬的基本原理及方法，排隊模型與多agent系統(tǒng)體現(xiàn)了離散事件系統(tǒng)模擬離散事件系統(tǒng)模擬的特點與規(guī)律，而系統(tǒng)動力學模擬則是一種可以廣泛應用于公共管理決策及政策分析的連續(xù)系統(tǒng)模擬方法。 教學目標教學目標通過本課程及實驗的學習，使大家了解系統(tǒng)模擬的概念、原理、方法和步驟，掌握蒙特卡洛模擬方法、排隊系統(tǒng)模擬方法、系統(tǒng)動力學模擬方法與多agent系統(tǒng)模擬方法，以期為提高公共管理問題的決策水平服務。 重點難點重點難點v系統(tǒng)模擬的概念v蒙特卡洛模擬方法v排隊的概念v單服務臺與多服務臺模型v系統(tǒng)動力學方法v因果反饋結(jié)構(gòu)v多agent系統(tǒng)方法v關鍵詞：關鍵詞：系統(tǒng)模擬系統(tǒng)模擬 連續(xù)系

3、統(tǒng)模擬連續(xù)系統(tǒng)模擬 離散事件系統(tǒng)模離散事件系統(tǒng)模擬擬 蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬 排隊論排隊論 單服務臺排隊單服務臺排隊 多服務臺排隊多服務臺排隊 系統(tǒng)動力學系統(tǒng)動力學 因果關系因果關系 因果因果反饋回路反饋回路 流圖流圖 信息流信息流 物質(zhì)流物質(zhì)流 狀態(tài)變量狀態(tài)變量 流率變量流率變量 多多agentagent系統(tǒng)系統(tǒng)參考文獻參考文獻1譚躍進，陳英武等，系統(tǒng)工程原理。長沙：國防科技大學出版社，19992（加）唐納德沃特斯著。張志強等譯.管理科學實務教程。北京：華夏出版社，20003黃衛(wèi)偉編著.管理系統(tǒng)模擬的方法及應用.北京：中國人民大學出版社，1991第一節(jié) 管理系統(tǒng)模擬概述管理系統(tǒng)模擬概述 一

4、、一、管理系統(tǒng)模擬的概念管理系統(tǒng)模擬的概念 二、二、系統(tǒng)模擬的分類系統(tǒng)模擬的分類 三、三、系統(tǒng)模擬的基本步驟系統(tǒng)模擬的基本步驟 問題描述與定義問題描述與定義 建立模擬模型建立模擬模型 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 模型的確認模型的確認 模型的編程實現(xiàn)與驗證模型的編程實現(xiàn)與驗證 模擬試驗設計模擬試驗設計 模型的模擬運行模型的模擬運行 模擬結(jié)果的輸出與分析模擬結(jié)果的輸出與分析 四、管理系統(tǒng)模擬的應用管理系統(tǒng)模擬的應用第二節(jié) 蒙特卡洛模擬方法蒙特卡洛模擬方法 蒙特卡洛模擬蒙特卡洛模擬是一種特殊而應用廣泛的計算機模擬方法，它是充分利用計算機計算能力的隨機實驗方法。蒙特卡羅模擬的關鍵是生成優(yōu)良的隨機數(shù)。對應的實驗:

5、實驗一:基于高級編程語言及matlab的隨機數(shù)的產(chǎn)生實驗二:蒙特卡洛模擬算法實現(xiàn)許多程序語言中都自帶生成隨機數(shù)的方法，如 c 中的 random() 函數(shù)，matlab中的rand()函數(shù)等。但這些生成器生成的隨機數(shù)效果很不一樣，比如 c 中的函數(shù)生成的隨機數(shù)性質(zhì)就比較差，如果用 c ，最好自己再編一個程序。matlab 中的 rand() 函數(shù)，經(jīng)過了很多優(yōu)化?？梢援a(chǎn)生性質(zhì)很好的隨機數(shù)，可以直接利用。第三節(jié) 連續(xù)系統(tǒng)仿真方法用通用的軟件開發(fā)工具，開發(fā)連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)字計算機仿真模型，理解連續(xù)系統(tǒng)仿真的數(shù)值積分算法（龍格庫塔法等） 對應的實驗:實驗三:連續(xù)系統(tǒng)仿真 第四節(jié) 排隊模型排隊模型 一

6、、排隊系統(tǒng)基本概念一、排隊系統(tǒng)基本概念 二、二、單服務臺排隊單服務臺排隊模型模型 三、三、多服務臺排隊多服務臺排隊模型模型 四、四、排隊系統(tǒng)模擬排隊系統(tǒng)模擬 對應的實驗:實驗四:離散系統(tǒng)仿真第四節(jié) 系統(tǒng)動力學模擬系統(tǒng)動力學模擬 一、系統(tǒng)動力學方法一、系統(tǒng)動力學方法二、二、因果反饋結(jié)構(gòu)因果反饋結(jié)構(gòu) 因果關系因果關系 因果反饋回路與反饋系統(tǒng)因果反饋回路與反饋系統(tǒng) 反饋系統(tǒng)實列反饋系統(tǒng)實列 系統(tǒng)動力學流圖系統(tǒng)動力學流圖 三、三、系統(tǒng)動力學模擬實例系統(tǒng)動力學模擬實例對應的實驗:實驗五:系統(tǒng)動力學模擬系統(tǒng)動力學模擬第五節(jié) 基于多agent系統(tǒng)的模擬模擬 1.agent概念和特性2.agent模型：bdi

7、3.agent結(jié)構(gòu)4.agent通信語言對應的實驗:實驗六:基于多agent系統(tǒng)的模擬模擬 實驗五實驗五 基于系統(tǒng)動力學的復雜系統(tǒng)建模與仿真基于系統(tǒng)動力學的復雜系統(tǒng)建模與仿真工商管理學院工商管理學院 工業(yè)工程系工業(yè)工程系賴朝安賴朝安 博士博士系統(tǒng)仿真概述系統(tǒng)仿真概述系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)模型化原理系統(tǒng)動力學結(jié)構(gòu)模型化原理基本反饋回路的基本反饋回路的dynamo仿真分析仿真分析系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)仿真及sd方法方法3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，所謂系統(tǒng)仿真，就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關系的基礎在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關系的基礎上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)

8、構(gòu)或行為過程的、且上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關系或數(shù)量關系的仿真模型，具有一定邏輯關系或數(shù)量關系的仿真模型，據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策據(jù)此進行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。所需的各種信息。 一、概念及作用一、概念及作用1.基本概念基本概念2、系統(tǒng)仿真的實質(zhì)、系統(tǒng)仿真的實質(zhì)3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 (1)它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術。它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計算技術。尤其當系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學模型求解時，仿尤其當系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學模型求解時，仿真技術能有效地來處理。真技術能有效地來處理。 (2)仿真是一種人為的試驗手段。它和現(xiàn)實系

9、仿真是一種人為的試驗手段。它和現(xiàn)實系統(tǒng)實驗的差別在于，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)統(tǒng)實驗的差別在于，仿真實驗不是依據(jù)實際環(huán)境，而是作為實際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相境，而是作為實際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應的應的“人造人造”環(huán)境下進行的。這是仿真的主要環(huán)境下進行的。這是仿真的主要功能。功能。 (3)仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演仿真可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展過程。變及其發(fā)展過程。 3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真3、系統(tǒng)仿真的作用、系統(tǒng)仿真的作用 (1)仿真的過程也是實驗的過程，而且還仿真的過程也是實驗的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是

10、對一些復雜的隨機問題，應用仿真技術是對一些復雜的隨機問題，應用仿真技術是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。提供所需信息的唯一令人滿意的方法。 (2)對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型對一些難以建立物理模型和數(shù)學模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。決預測、分析和評價等系統(tǒng)問題。 (3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降通過系統(tǒng)仿真，可以把一個復雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。階成若干子系統(tǒng)以便于分析。 (4)通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的新的策略，還能暴

11、露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時解決。一些問題，以便及時解決。3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真二、系統(tǒng)仿真方法二、系統(tǒng)仿真方法 系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合在計算機上編程的仿真模型，然后對模型在計算機上編程的仿真模型，然后對模型進行仿真實驗。進行仿真實驗。 由于連續(xù)系統(tǒng)和離散由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件事件)系統(tǒng)的數(shù)學系統(tǒng)的數(shù)學模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法

12、和離散系統(tǒng)仿真方法。散系統(tǒng)仿真方法。3.1 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 在以上兩類基本方法的基礎上，還有在以上兩類基本方法的基礎上，還有一些用于系統(tǒng)一些用于系統(tǒng)(特別是社會經(jīng)濟和管理系統(tǒng)特別是社會經(jīng)濟和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動力學仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動力學方法、蒙特卡洛法等。方法、蒙特卡洛法等。 系統(tǒng)動力學方法通過建立系統(tǒng)動力學模系統(tǒng)動力學方法通過建立系統(tǒng)動力學模型型(流圖等流圖等)、利用、利用dynamo仿真語言在計仿真語言在計算機上實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的仿真實驗，從而算機上實現(xiàn)對真實系統(tǒng)的仿真實驗，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動態(tài)關研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動態(tài)關系。

13、系。3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理1、由來與發(fā)展、由來與發(fā)展 systems dynamics, sd/ j.w. forrester(mit)industridl dynamics (id), 1959principles of systems, 1968urban dynamics (ud), 1969world dynamics (wd), 1971sd, 19723.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理2、研究對象及其結(jié)構(gòu)特點、研究對象及其結(jié)構(gòu)特點（1 1）研究對象）研究對象社會系統(tǒng)社會系統(tǒng)（2 2）結(jié)構(gòu)特點）結(jié)構(gòu)特點 抉擇性抉擇性具有決策環(huán)節(jié)（人、信息）具有決策環(huán)節(jié)（人、信息） 自

14、律性自律性具有反饋環(huán)節(jié)具有反饋環(huán)節(jié) 非線性非線性具有延遲環(huán)節(jié)具有延遲環(huán)節(jié)（3 3）sdsd將社會系統(tǒng)當作將社會系統(tǒng)當作非線性非線性( (多重多重) )信息反信息反饋系統(tǒng)饋系統(tǒng)來研究來研究3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理認識認識問題問題界定界定系統(tǒng)系統(tǒng)要素及其因要素及其因果關系分析果關系分析建立結(jié)建立結(jié)構(gòu)模型構(gòu)模型建立數(shù)建立數(shù)學模型學模型仿真仿真分析分析比較與比較與評價評價政策政策分析分析（流圖）（流圖）（dynamoydynamoy方程）方程） 3、工作程序、工作程序3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理4、系統(tǒng)動力學模型、系統(tǒng)動力學模型（1 1）常用要素）常用要素流流速率速率水平變量水平變

15、量源與匯源與匯參數(shù)參數(shù)（2 2）流圖符號）流圖符號 流流 實物流實物流信息流信息流 速率變量速率變量 水準變量水準變量 l1 輔助變量輔助變量 a1 。r1r1( )。3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理 明確問題及其構(gòu)成要素；明確問題及其構(gòu)成要素； 繪制要素間相互作用關系的因果關系繪制要素間相互作用關系的因果關系圖。注意一定要形成回路；圖。注意一定要形成回路； 確定變量類型（確定變量類型（l l變量、變量、r r變量和變量和a a變變量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量，是建模的關鍵一步量）。將要素轉(zhuǎn)化為變量，是建模的關鍵一步。在此，應考慮以下幾個具體原則：在此，應考慮以下幾個具體原則：（3 3）流圖繪制

16、程序和方法）流圖繪制程序和方法3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理 a. 水準（水準（l）變量是積累變量，可定義在任）變量是積累變量，可定義在任何時點；而速率（何時點；而速率（r)變量只在一個時段才有變量只在一個時段才有意義。意義。 b. 決策者最為關注和需要輸出的要素一般決策者最為關注和需要輸出的要素一般被處理成被處理成l變量。變量。 c. 在反饋控制回路中，兩個在反饋控制回路中，兩個l變量或兩個變量或兩個r變量不能直接相連變量不能直接相連 。 d. 為降低系統(tǒng)的階次，應盡可能減少回路為降低系統(tǒng)的階次，應盡可能減少回路中中l(wèi)變量的個數(shù)。故在實際系統(tǒng)描述中，輔變量的個數(shù)。故在實際系統(tǒng)描述中，輔

17、助（助（a）變量在數(shù)量上一般是較多的。）變量在數(shù)量上一般是較多的。 繪制繪制sd流圖。流圖。3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理5 5、舉例、舉例 l1r1（利息1）c1(利率)ir1(訂貨量)庫存量dy(期望庫存)（庫存差額）pr1r2(出生人口)(人口總量) (死亡人口)c1（出生率）c2（死亡率）組織改善組 織績 效組織缺陷。 3.2 系統(tǒng)動力學原理系統(tǒng)動力學原理1、基本、基本dynamo方程方程( dynamic model)水準方程（水準方程（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

18、r方程）方程） r r1kl=f ( l1k,a1k,)輔助方程（輔助方程（a方程）方程） a a1k=g(l1k,a2k, r1jk, )賦初值方程（賦初值方程（n方程）方程） n l1=數(shù)值數(shù)值 或或 l1=l10 l10=數(shù)值數(shù)值常量方程常量方程 （c c方程）方程） c c1=數(shù)值數(shù)值3.3 基本反饋回路的基本反饋回路的dynamo仿真分析仿真分析2、一階正反饋回路、一階正反饋回路 年人口增 加人 口數(shù)（+）p +pr pr pc1（人口年自然增長率（人口年自然增長率0.02）。l pk=pj+dtj+dt* *prprjkjkn p=100r prkl=c1kl=c1* *r rk kc c1=0.02 ppr0100211022.042104.042.0808p1000一階正反饋（簡單一階正反饋（簡單人口問題）系統(tǒng)輸人口問題）系統(tǒng)輸出特性曲線出特性曲線3.3 基本反饋回路的基本反饋