系統(tǒng)工程學-第5講系統(tǒng)動力學

1、第5講 系統(tǒng)仿真及SD方法1 引言2 系統(tǒng)動力學3 系統(tǒng)動力學結構模型化原理4 基本反饋回路的DYNAMO仿真分析5 案例分析一、引言 1.1、從經典力學說起經典力學靜力學運動學動力學剛體過程運動瞬間靜止時間維1、引言 1.2、從經典力學到系統(tǒng)動力學經典動力學剛體（物理系統(tǒng)）系統(tǒng)動力學社會系統(tǒng)（人機系統(tǒng)）決策環(huán)節(jié)1、引言 1.3、再看系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構靜態(tài)結構動態(tài)結構ISM系統(tǒng)動力學模型 時、空維度系統(tǒng)結構模型二、系統(tǒng)動力學 2.1、產生與發(fā)展工業(yè)動力學20,50Forrester（MIT）企業(yè)工業(yè)系統(tǒng)更大的系統(tǒng) 城市 地區(qū) 國家 世界城市動力學世界動力學69、71Meadows學生系統(tǒng)動力學增

2、長的極限1971MIT世界模型System Dynamics, SD/ J.W. Forrester(MIT) Industrial Dynamics (ID), 1959 Principles of Systems, 1968 Urban Dynamics (UD), 1969 World Dynamics (WD), 1971 SD, 1972 美彼得圣吉（PeterMSenge）著，第五項修煉學習型組織的藝術與實務，上海三聯(lián)書店， 1998。作者簡介：1970年從斯坦福大學獲工學學士后進入MIT攻讀管理碩士學位，在此期間被Forrester教授的SD整體動態(tài)搭配的管理新理念所吸引。197

3、8年獲得博士學位后，一直和MIT的工作伙伴及企業(yè)界人士一道，孜孜不倦地致力于將SD與組織學習、創(chuàng)造原理、認知科學等融合，發(fā)展出一種人類夢寐以求的組織藍圖學習型組織。 2、系統(tǒng)動力學 2.2、研究對象系統(tǒng)動力學Forrester（MIT）系統(tǒng)動態(tài)行為結構控制論信息論決策論理論基礎系統(tǒng)動力學模型決策依據2、系統(tǒng)動力學 2.2、研究對象：社會系統(tǒng)的基本特性社會系統(tǒng)基本特征基本特性決策環(huán)節(jié)自律性非線性自主決策自我管理自我控制自我約束原因與結果非線性時空分離性滯后隨機性反饋非線性多重反饋系統(tǒng)SD的研究方法2、系統(tǒng)動力學 2.3、建模流程明確目的確定系統(tǒng)邊界因果關系分析建立SD模型仿真實驗結果分析模型修正

4、認識系統(tǒng)的結構、預測系統(tǒng)行為、設計最佳參數、合理進行決策封閉的社會系統(tǒng)系統(tǒng)結構流程圖、方程式三、SD結構模型化原理1 因果關系因果箭ABABAB因果鏈ABCDABCD反饋回路訂貨速度庫存量庫存差額系統(tǒng)的性質行為因果關系圖和流圖 （1）庫存量訂貨量庫存差額期望 庫存+-（ -）因果關系圖和流圖 （2）因果關系圖和流圖 （3）出生 人口人口 總量死亡 人口（平均）出生率（ -）-+（+）+（平均）死亡率組織績效組織改善組織缺陷（ -）-+因果關系圖和流圖 （4）組織績效組織改善組織缺陷（ -）-+因果關系圖和流圖 （4）多重反饋人口總數死亡人數出生人數2 流圖-流圖符號（1）常用要素流速率水平變量

5、源與匯參數（2）流圖符號 流 實物流信息流 速率變量 水準變量 L1 輔助變量 A1 。R1R1( )。 參數（量） （常量）（初值） 源與匯 信息的取出 L1。A1。 輔助變量 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）流圖-流圖舉例決策信息行動系統(tǒng) 狀態(tài)速率變量水準變量信息 流 （行動）(Rate)(Level)四個基本要素狀態(tài)、信息、決策、行動 兩個基本變量水準變量（L）、速率變量（R） 一個基本思想反饋控制 3 系統(tǒng)動力學原理源反饋回路

6、4、建模實例 水流系統(tǒng)1、水塔2、閥門3、水箱4、閥門5、控制者決策行動信息實際系統(tǒng)反饋回路流（行動）源決策函數狀態(tài)變量信息速率水準 （1）明確問題及其構成要素； （2）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； （3）確定變量類型（L變量、R變量和A變量）。將要素轉化為變量，是建模的關鍵一步。在此，應考慮以下幾個具體原則： a. 水準（L）變量是積累變量，可定義在任何時點；而速率（R)變量只 在一個時段才有意義。 b. 決策者最為關注和需要輸出的要素一般被處理成L變量。 c. 在反饋控制回路中，兩個L變量或兩個R變量不能直接相連 。 d. 為降低系統(tǒng)的階次，應盡可能減少回路中L

7、變量的個數。故在實際系 統(tǒng)描述中，輔助（A）變量在數量上一般是較多的。 （4）形成子結構及流圖。 5、流圖-流圖繪制程序和方法水準方程（L方程） L L1K=L1J+DT*(RIJK-ROJK) 速率方程（R方程） R R1KL=f ( L1K,A1K,) 輔助方程（A方程） A A1K=g(L1K,A2K,R1JK,) 常量方程 （C方程） C C1=數值 賦初值方程（N方程） N L1=數值 或 “ L1=L10 , L10=數值” 四、基本反饋回路的DYNAMO仿真分析1、基本DYNAMO方程 年人口 增 加人 口 數（+）P +PR PR PC1（人口年自然增長率0.02）。L PK=

8、PJ+DT*PRJK N P=100 R PRKL=C1*PK C C1=0.02 P PR 0 100 2 1 102 2.04 2 104.04 2.0808 p1000一階正反饋（簡單 人口問題）系統(tǒng)輸 出特性曲線2、一階正反饋回路 庫存量庫存 差額訂貨量+()R1DI +期望庫存Y1000 Z （訂貨調整時間，5）I R1D Y（6000）。L IK=IJ+DT*R1JK N I=1000 R R1KL=DK/Z A DK=Y-IK C Z=5 C Y=6000 I D R1 0 1000 5000 1000 1 2000 4000 800 2 2800 3200 640 It1000

9、0 一階負反饋（簡單 庫存控制）系統(tǒng)輸 出特性曲線3、一級負反饋回路由于一階負反饋回路的作用,庫存水準就會逐漸達到期望庫存量.通常,構成負反饋回路是決策者使系統(tǒng)達到預期目標或者穩(wěn)定的必要條件.I 6000t10000 一階負反饋（簡單 庫存控制）系統(tǒng)輸 出特性曲線庫存量入庫量途中存貨量訂貨量庫存 差額I （） +（）GR2+R1+Z（5）Y（6000） I G100001000R1 R2DW（10）。4、簡單庫存控制系統(tǒng)的擴展（1）L GK=GJ+DT*(R1JK-R2JK) L IK=IJ+DTR2JK R R1KL=D/Z R R2KL=GK /W A D=Y-IK C Y=6000 C

10、W=10,Z=5 C I=1000 C G=10000 60001000t二階負反饋系統(tǒng)輸出特性曲線I4、簡單庫存控制系統(tǒng)的擴展（2）同一階負反饋回路一樣,兩階負反饋回路也具有追求目標的功能.所不同的是在兩階負反饋回路的作用下,庫存量在第一次達到期望庫存量后還會繼續(xù)增加,從而超過期望庫存, 爾后就在目標值附近震蕩,逼近目標值.60001000t二階負反饋系統(tǒng)輸出特性曲線I仿真表仿真步長(周)GGR1DR2I010000-1000500010001000110000080040001000200029800-2006003000980300039420-380404202094239804888

11、2-538215.61078888.24922交 （到）貨 率 庫存量 測試 函數正常銷售 （發(fā)貨）率。銷售（發(fā)貨）率T3 MAXT2 庫存 差額期望 庫存SMOOTH平均銷售（發(fā)貨）率 訂貨率Step Ramp Pulse Sin NoiseDELAY。4、簡單庫存控制系統(tǒng)的擴展（3）認識 問題界定 系統(tǒng)要素及其因果關系分析建立結構模型建立量化分析模型仿真 分析比較與評價政策 分析 （流圖）（DYNAMO方程） 5 工作程序系統(tǒng)動力學模型建摸步驟系統(tǒng)動力學建模步驟 確定系統(tǒng)邊界,建立因果關系圖; 選擇模型的基本變量-水準; 以水準為中心構造各自的子系統(tǒng); 根據因果關系圖,連接各自的子系統(tǒng);

12、畫流圖,寫出系統(tǒng)動力學方程。 進行仿真試驗和計算等。 建模流程明確目的確定系統(tǒng)邊界因果關系分析建立SD模型仿真實驗結果分析模型修正認識系統(tǒng)的結構、預測系統(tǒng)行為、設計最佳參數、合理進行決策封閉的社會系統(tǒng)系統(tǒng)結構流程圖、方程式五 案例分析電視行業(yè)的人才問題 管理團隊所面臨的一個限制業(yè)務增長的最大約束就是人才問題，一些關鍵人物的流失給公司業(yè)務帶來巨大的沖擊。這些關鍵人物包括銀幕上的明星、重要的幕后職員、經驗豐富且能力頗強的編劇、制片人、設計師等等。由于技術的發(fā)展，電臺不斷開出很多新的頻道，加上衛(wèi)星頻道、網絡頻道的不斷出現，新公司不斷涌現，行業(yè)競爭愈演愈烈。因此，各種人才可以不斷流動了。 當然，留住人

13、才的速效療法就是加薪，然而這可能并非最聰明的辦法。1、問題描述收入壓力廣告商的不滿成本壓力收視率低壓力質量壓力員工不滿員工流失+2、三個視角高層經理一方面在尋找促進業(yè)務增長的途徑另一方面在控制成本明星對公司的忠誠度越來越弱；非明星員工雖然躲在明星的陰影后面，但其心中卻無時無刻不燃燒著成為明星的雄心壯志；3、高級經理的視點3.1 高級經理的視點屈服并不能消除沖突個人雄心對高收視率的需求沖突對明星的依賴對明星流失的恐懼滿足明星要求的壓力+削減成本政策非明星員工的不滿+辭職的可能性+3.2 高級經理的視點屈服并不能消除沖突3.3、明星的視點3.3.1、明星的視點討價能力個人雄心成為明星的愿望自負當前

14、的知名度公眾矚目度對公司的價值+討價還價的能力+新雇主的吸引力新傳媒的出現+3.3.2、明星的視點討價能力3.3.3、明星的視點與公司的沖突+3.4、非明星員工的視點公司的聲望年輕人才渴望明星位置的壓力公司對新員工的吸引力招聘成功-+論資排輩導致發(fā)展受阻的壓力其他雇主的吸引力年輕人才的流失+明星位置空缺數量明星位置總數現在明星數量-+-+4、討論 畢業(yè)在即，同學們都在積極的尋找中意的單位，由于背負著上學期間的貸款，大家都希望能把自己賣個好價錢。 但現實是企業(yè)認為剛畢業(yè)的學生沒有實際工作經驗，要花精力培養(yǎng)，而且培養(yǎng)后的人才很可能迅速流失，因此企業(yè)不愿意給一個高價錢。 試用系統(tǒng)動力學的方法對上述問

15、題進行分析，并嘗試給出決策方案。提示人才視角企業(yè)視角就業(yè)&招聘學校視角思考與討論題 1、系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)分析中起何作用?系統(tǒng)仿真方法的特點有哪些? 2、SD的基本思想是什么?其反饋回路是怎樣形成的?請舉例加以說明。 3、請分析說明SD與解釋結構模型化技術、狀態(tài)空間模型方法的關系及異同點。 4、請舉例說明SD結構模型的建模原理。 5、SD為什么要引入專用函數?請說明各主要DYNAMO函數的作用及適用條件。 6、如何理解SD在我國現實的社會經濟和組織管理系統(tǒng)分析中更具有方法論意義? 7、請用SD結構模型來描述學習型組織的一般機理。 8、假設每月招工人數MHM和實際需要人數RM成比例，招工人員的速率方

16、程是：MHMKL=P*RMK，請回答以下問題： (1) K和KL的含義是什么? (2) RM是什么變量? (3) MHM、P、RM的量綱是什么? (4) P的實際意義是什么? 9、已知如下的部分DYNAMO方程： MTK=MTJ+DT*(MHJK-MCTJK)， MCTKL=MTK/TTK， TTK=STT*TECK， MEK=MEJ*DT*(MCTJK-MLJK) 其中：MT表示培訓中的人員(人)、MH表示招聘人員速率(人/月)、MCT表示人員培訓速率(人/月)、TT表示培訓時間、STT表示標準培訓時間、TEC表示培訓有效度、ME表示熟練人員(人)，ML表示人員脫離速率(人/月)。請畫出對應的SD(