系統(tǒng)動力學(xué)研究方法

系統(tǒng)動力學(xué)研究方延博

系統(tǒng)動力學(xué)系統(tǒng)動力學(xué)(簡稱SD—systemdynamics)的出現(xiàn)于1956年，創(chuàng)始人為美國麻省理工學(xué)院(MIT)的福瑞斯特(J．W．Forrester)教授。系統(tǒng)動力學(xué)是福瑞斯特教授于1958年為分析生產(chǎn)管理及庫存管理等企業(yè)問題而提出的系統(tǒng)仿真方法，最初叫工業(yè)動態(tài)學(xué)。是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科。從系統(tǒng)方法論來說：系統(tǒng)動力學(xué)是結(jié)構(gòu)的方法、功能的方法和歷史的方法的統(tǒng)一。它基于系統(tǒng)論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學(xué)和社會科學(xué)的橫向?qū)W科。系統(tǒng)動力學(xué)（systemdynamics）運用“凡系統(tǒng)必有結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能”的系統(tǒng)科學(xué)思想，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部組成要素互為因果的反饋特點，從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來尋找問題發(fā)生的根源，而不是用外部的干擾或隨機事件來說明系統(tǒng)的行為性質(zhì)。SD 工作程序1認識問題2界定系統(tǒng)3要素及其因果分析4建立結(jié)構(gòu)模型5建立量化分析模型6仿真分析7評價與比較8政策分析適用對象適用于處理長期性和周期性的問題。如自然界的生態(tài)平衡、人的生命周期和社會問題中的經(jīng)濟危機等都呈現(xiàn)周期性規(guī)律并需通過較長的歷史階段來觀察，已有不少系統(tǒng)動力學(xué)模型對其機制作出了較為科學(xué)的解釋適用于對數(shù)據(jù)不足的問題進行研究。建模中常常遇到數(shù)據(jù)不足或某些數(shù)據(jù)難于量化的問題，系統(tǒng)動力學(xué)藉各要素間的因果關(guān)系及有限的數(shù)據(jù)及一定的結(jié)構(gòu)仍可進行推算分析。適用于處理精度要求不高的復(fù)雜的社會經(jīng)濟問題。上述總是常因描述方程是高階非線性動態(tài)的，應(yīng)用一般數(shù)學(xué)方法很難求解。系統(tǒng)動力學(xué)則藉助于計算機及仿真技術(shù)仍能獲得主要信息強調(diào)有條件預(yù)測。本方法強調(diào)產(chǎn)生結(jié)果的條件，采?quot;如果……則"的形式，對預(yù)測未來提供了新的手段社會經(jīng)濟系統(tǒng)突出特點1.存在決策環(huán)節(jié)，社會系統(tǒng)的行為總是經(jīng)過采集信息并按照某個政策進行信息加工處理做出決策后出現(xiàn)的決定了他是一個經(jīng)過多次比較反復(fù)選擇優(yōu)化的過程。2.社會系統(tǒng)具有自律性。就是自己做出決策自己管理控制約束自身的能力和特性。3.社會系統(tǒng)的非線性。非線性是指社會現(xiàn)象中原因和結(jié)果之間呈現(xiàn)的極端非線性關(guān)系。基本概念因果反饋。如果事件A（原因）引起事件B（結(jié)果），AB簡便形成因果關(guān)系。若A增加引起B(yǎng)增加，稱AB構(gòu)成正因果關(guān)系；若A嗇引起B(yǎng)減少，則負因果關(guān)系。兩個以上因果關(guān)系鏈首尾相連構(gòu)成反饋回路，亦分正、負反饋回路積累。本法視社會經(jīng)濟狀態(tài)變化為由許多參變量組成的一種流，通過對流的研究來掌握系統(tǒng)性質(zhì)和運動規(guī)律。流的規(guī)程量便是"積累"，用以描述系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)輸入輸出流量之差為積累增量。"流率"表述流的活動狀態(tài)，亦稱決策函數(shù)，積累則是流的結(jié)果。任何決策過程均可用流的反饋回路描述。流圖。流圖由"積累"、"流率"、"物質(zhì)流"、"信息流"等符號構(gòu)成，直觀形象地反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)特征。延遲。任何決策實施均需一定時間，此現(xiàn)象即為延遲。圖上不易表述，通常用計算機程序中延遲指令來實現(xiàn)/仿真語言。為使用方便，設(shè)計了DYNAM0專用語言，備有20多種函數(shù)，只需輸入系統(tǒng)動力學(xué)議程和必要參數(shù)，即可向用戶提供結(jié)果系統(tǒng)動力學(xué)核心思想是反饋控制工作原理是首先對實際系統(tǒng)進行觀察。采集有關(guān)對象系統(tǒng)的信息隨后使用有關(guān)信息進行決策依據(jù)決策結(jié)果采取行動行動又作用實際系統(tǒng)使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化這種變化又為觀察者提供新的信息從而形成系統(tǒng)中的反饋回路正反饋回路具有自我強化作用負反饋回路具有內(nèi)部穩(wěn)定器作用也可以說是自動尋求給定目標高階反饋回路實例甘肅省兩西地區(qū)扶貧開發(fā)移民對策的系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究甘肅省兩西地區(qū)指甘肅的河西地區(qū)和定西地區(qū)為代表的中部干旱地區(qū)，這兩個地區(qū)連同寧夏的西海固地區(qū)共成為“三西”地區(qū)，是我國集中連片的最貧困地區(qū)之一。從1983年起，在國家“三西”專項資金的支持下，甘肅省開始了兩西地區(qū)扶貧開發(fā)建設(shè)，其中一項重要的建設(shè)內(nèi)容就是將中部貧困地區(qū)的部分人口移往具有良好發(fā)展前景的河西走廊地區(qū)和中部引黃灌區(qū)，以緩解中部人口壓力，恢復(fù)當?shù)厣鷳B(tài)平衡，集中人力、物力、財力建設(shè)河西地區(qū)和中部黃灌區(qū)的開發(fā)。這樣的移民有別于以往任何形式的移民，稱作“扶貧開發(fā)移民”。這種扶貧開發(fā)移民的動力機制，主要來自三個方面。其中，第一方面是來自于中部地區(qū)貧困地區(qū)由于人口、貧困及生態(tài)環(huán)境問題所產(chǎn)生的推力；第二方面是來自于河西走廊灌區(qū)和中部引黃灌區(qū)良好的生產(chǎn)生活條件所產(chǎn)生的拉力；第三方面是國家和地方政府的政策引導(dǎo)與支持1界定系統(tǒng)模型仿真的時間界限定為1993～2008年，空間邊界為甘肅中部地區(qū)和河西地區(qū)。中部地區(qū)包括定西、臨洮、通渭、隴西、永靖、東鄉(xiāng)、靜寧、莊浪、華池、環(huán)縣、秦安、永登、榆中、皋蘭、靖遠、會寧、景泰、白銀區(qū)、平川區(qū)、古浪縣等20個縣（區(qū)）。河西地區(qū)包括張掖地區(qū)、酒泉地區(qū)、金昌市、嘉峪關(guān)市及部分國營農(nóng)場。系統(tǒng)界限內(nèi)還包括水利建設(shè)資金的投入，開發(fā)的難易程度（用土地開發(fā)成本表示），開發(fā)規(guī)模（用新增有效灌溉面積表示），國家政策優(yōu)惠程度（用人均水地劃分指標、新增灌溉面積分配給移民的比例表示），移民規(guī)模（用遷移人數(shù)表示）2系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，河西地區(qū)移民系統(tǒng)中存在一個正反饋環(huán)，中部地區(qū)移民系統(tǒng)則存在一個反饋環(huán)。這表明，河西地區(qū)是今后移民的主戰(zhàn)場，是國家投資建設(shè)的重點。3DYNAMO模型這里采用PDPlus軟件提供的數(shù)組描述方式，用下標M與W分別代表中部地區(qū)與河西地區(qū)。模型主要方程式如下：LXZGM.K(A)=XZGM.J(A)+DT*XGZL.JK(A)新增有效灌溉面積RXGZL.KL(A)=DTZL.KL(A)/KFC(A)有效灌溉面積增長速率RDTZL.KL(A)=DELAY3(TZLKL(A).DEL(A))實際投資速率LDTZ.K(A)=DTZ.J(A)+DT*(DTZL.JK(A)實際投資率RTZL.KL(A)=STZ.K(A)投資速率AGXZGM.K=SUM(XZGM.K)新增有效灌溉總面積AGDTZ.K=SUM(DTZ.K)實際總投資LPQY.KL(A)=XGZL.KL(A)*YMGMB.K(A)/AVRD.K(A)遷移速率RQYL.KL(A)=XGZL.KL(A)*YMGM.K(A)/AVRD.K(A)遷移速率AGPQY.K=SUM(PQY.K)總遷移人口4模型的模擬調(diào)試、評價及對策分析

模型真實性、可靠性及有效性檢驗

在綜合分析甘肅省兩西地區(qū)移民前十年統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，本著合理選擇參數(shù)的原則，筆者對兩個地區(qū)的移民活動進行了仿真模擬，通過反復(fù)調(diào)試與合理修改，輸出結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)基本吻合，變化規(guī)律一致，表明本模型與真實系統(tǒng)具有較好的對應(yīng)性，能夠滿足研究目的，是可靠而有效的在仿真過程中，筆者確定了投資速率、水地開發(fā)成本、人均水地指標、新增有效灌溉面積分配給移民的比例作為方案變動的基礎(chǔ)，它們的變動基于下列因素：

A)全國扶貧任務(wù)很重，國家財力緊張，今后甘肅省兩西地區(qū)的建設(shè)投資不打算再增加。B)今后將從甘肅省兩西地區(qū)移民費用中抽出一部分投入甘肅隴南山區(qū)的移民工作中。

C)考慮物價上漲因素，土地開發(fā)成本將有所上升

D)根據(jù)有關(guān)資料，隨著灌溉技術(shù)的不斷進步，灌溉定額到2000年以后可能減小一半。E)國務(wù)院規(guī)定從1992年1月1日起劃分給移民的水澆地面積不得超過0.1hm2/人，這是因為安置移民的要求是幫助解決溫飽，不是達到小康。F)如果考慮科技進步因素，如灌溉定額下降，水資源開發(fā)利用程度增強，則新增有效灌溉面積還會增加。通過仿真運算制定了6種移民方案。方案Ⅰ比較保守，在1992年的基礎(chǔ)上只將水地開發(fā)成本指標提高，結(jié)果表明，2000年能超額完成原定后八年30萬人的遷移任務(wù)，將多遷移16萬人。其中，中部地區(qū)多遷移入14萬人，河西地區(qū)多遷入2萬人。2008年移民總數(shù)將達到116萬人。方案Ⅱ表明，在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上，若把新增有效灌溉面積分配給移民的比例分別降低為中部地區(qū)50%和河西地區(qū)40%時，仍能順利完成移民任務(wù)，2000年還可以多遷入2.3萬人，2008年移民總數(shù)達到90萬人。方案Ⅲ表明，在前兩項方案的基礎(chǔ)上，將人均水地指標和新增有效灌溉面積分配給移民的比例都稍作提高，仍能保證30萬移民任務(wù)的實現(xiàn)，2000年移民達64萬人，2008年移民達93萬人，其中中部地區(qū)58.5萬人，河西地區(qū)34.6萬人。方案Ⅳ與方案Ⅴ表明，當投資遞減時，在人均水地指標取不同值的情況下要保證2000年移民任務(wù)的完成，新增有效灌溉面積分配給移民的比例所取的上限與下限值。在方案Ⅳ中，這一比例分別取值中部地區(qū)50%與河西地區(qū)40%，2000年移民達到61.1萬人，2008年達到80.8萬人；在方案Ⅴ中，這一比例均取值70%，2000年移民達到62.6萬人，2008年達到83.3萬人。方案Ⅵ考慮了科技進步因素，將水地開發(fā)成本降低，結(jié)果表明在人均水地指標和新增有效灌溉面積分配給移民的比例兩個數(shù)值都較低的情況下，仍能保證到2000年再遷30萬人任務(wù)的完成，2008年總遷移人數(shù)至少可達91萬人。當然，16年間兩西地區(qū)發(fā)展變化必然很大，而方案Ⅰ中變動因素很少，故筆者認為其結(jié)果偏高，僅作為決策者的參考。上述方案共同的特點是均選擇了一些極端點來仿真，對于人均水地指標與新增有效灌溉面積分配給移民的比例這兩個參數(shù)的選擇就體現(xiàn)了這種特點?；谌娴剡M行仿真還比較困難，這樣做能夠簡化問題，只提供答案的上下限，便于決策人更靈活地選擇行動方案。5結(jié)論與政策建議①從仿真結(jié)果看，甘肅兩西地區(qū)移民的速度主要取決于投資速率，開發(fā)成本，人均水地指標，這三個要素為敏感要素。②建議在不影響移民基本任務(wù)完成的前提下，適當提高人均水地指標。③模型中將甘肅省兩西地區(qū)人口自然增長做