系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究方延博

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(簡(jiǎn)稱SD—systemdynamics)的出現(xiàn)于1956年，創(chuàng)始人為美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的福瑞斯特(J．W．Forrester)教授。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是福瑞斯特教授于1958年為分析生產(chǎn)管理及庫(kù)存管理等企業(yè)問(wèn)題而提出的系統(tǒng)仿真方法，最初叫工業(yè)動(dòng)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(rèn)識(shí)系統(tǒng)問(wèn)題和解決系統(tǒng)問(wèn)題的交叉綜合學(xué)科。從系統(tǒng)方法論來(lái)說(shuō)：系統(tǒng)動(dòng)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(huì)科學(xué)的橫向?qū)W科。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（systemdynamics）運(yùn)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(diǎn)，從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)尋找問(wèn)題發(fā)生的根源，而不是用外部的干擾或隨機(jī)事件來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的行為性質(zhì)。SD 工作程序1認(rèn)識(shí)問(wèn)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(píng)價(jià)與比較8政策分析適用對(duì)象適用于處理長(zhǎng)期性和周期性的問(wèn)題。如自然界的生態(tài)平衡、人的生命周期和社會(huì)問(wèn)題中的經(jīng)濟(jì)危機(jī)等都呈現(xiàn)周期性規(guī)律并需通過(guò)較長(zhǎng)的歷史階段來(lái)觀察，已有不少系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其機(jī)制作出了較為科學(xué)的解釋適用于對(duì)數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題進(jìn)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(wèn)題，系統(tǒng)動(dòng)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(jìn)行推算分析。適用于處理精度要求不高的復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。上述總是常因描述方程是高階非線性動(dòng)態(tài)的，應(yīng)用一般數(shù)學(xué)方法很難求解。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)則藉助于計(jì)算機(jī)及仿真技術(shù)仍能獲得主要信息強(qiáng)調(diào)有條件預(yù)測(cè)。本方法強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生結(jié)果的條件，采?quot;如果……則"的形式，對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)提供了新的手段社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)突出特點(diǎn)1.存在決策環(huán)節(jié)，社會(huì)系統(tǒng)的行為總是經(jīng)過(guò)采集信息并按照某個(gè)政策進(jìn)行信息加工處理做出決策后出現(xiàn)的決定了他是一個(gè)經(jīng)過(guò)多次比較反復(fù)選擇優(yōu)化的過(guò)程。2.社會(huì)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(huì)系統(tǒng)的非線性。非線性是指社會(huì)現(xiàn)象中原因和結(jié)果之間呈現(xiàn)的極端非線性關(guān)系?；靖拍钜蚬答仭Ｈ绻录嗀（原因）引起事件B（結(jié)果），AB簡(jiǎn)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(fù)因果關(guān)系。兩個(gè)以上因果關(guān)系鏈?zhǔn)孜蚕噙B構(gòu)成反饋回路，亦分正、負(fù)反饋回路積累。本法視社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)變化為由許多參變量組成的一種流，通過(guò)對(duì)流的研究來(lái)掌握系統(tǒng)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，亦稱決策函數(shù)，積累則是流的結(jié)果。任何決策過(guò)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(hào)構(gòu)成，直觀形象地反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征。延遲。任何決策實(shí)施均需一定時(shí)間，此現(xiàn)象即為延遲。圖上不易表述，通常用計(jì)算機(jī)程序中延遲指令來(lái)實(shí)現(xiàn)/仿真語(yǔ)言。為使用方便，設(shè)計(jì)了DYNAM0專用語(yǔ)言，備有20多種函數(shù)，只需輸入系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)核心思想是反饋控制工作原理是首先對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行觀察。采集有關(guān)對(duì)象系統(tǒng)的信息隨后使用有關(guān)信息進(jìn)行決策依據(jù)決策結(jié)果采取行動(dòng)行動(dòng)又作用實(shí)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(qiáng)化作用負(fù)反饋回路具有內(nèi)部穩(wěn)定器作用也可以說(shuō)是自動(dòng)尋求給定目標(biāo)高階反饋回路實(shí)例甘肅省兩西地區(qū)扶貧開(kāi)發(fā)移民對(duì)策的系統(tǒng)動(dòng)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(gè)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(guó)集中連片的最貧困地區(qū)之一。從1983年起，在國(guó)家“三西”專項(xiàng)資金的支持下，甘肅省開(kāi)始了兩西地區(qū)扶貧開(kāi)發(fā)建設(shè)，其中一項(xiàng)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(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡，集中人力、物力、財(cái)力建設(shè)河西地區(qū)和中部黃灌區(qū)的開(kāi)發(fā)。這樣的移民有別于以往任何形式的移民，稱作“扶貧開(kāi)發(fā)移民”。這種扶貧開(kāi)發(fā)移民的動(dòng)力機(jī)制，主要來(lái)自三個(gè)方面。其中，第一方面是來(lái)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(wèn)題所產(chǎn)生的推力；第二方面是來(lái)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(guó)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(shí)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(yuǎn)、會(huì)寧、景泰、白銀區(qū)、平川區(qū)、古浪縣等20個(gè)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(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)。系統(tǒng)界限內(nèi)還包括水利建設(shè)資金的投入，開(kāi)發(fā)的難易程度（用土地開(kāi)發(fā)成本表示），開(kāi)發(fā)規(guī)模（用新增有效灌溉面積表示），國(guó)家政策優(yōu)惠程度（用人均水地劃分指標(biāo)、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(gè)正反饋環(huán)，中部地區(qū)移民系統(tǒng)則存在一個(gè)反饋環(huán)。這表明，河西地區(qū)是今后移民的主戰(zhàn)場(chǎng)，是國(guó)家投資建設(shè)的重點(diǎn)。3DYNAMO模型這里采用PDPlus軟件提供的數(shù)組描述方式，用下標(biāo)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(zhǎng)速率RDTZL.KL(A)=DELAY3(TZLKL(A).DEL(A))實(shí)際投資速率LDTZ.K(A)=DTZ.J(A)+DT*(DTZL.JK(A)實(shí)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(shí)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(píng)價(jià)及對(duì)策分析

模型真實(shí)性、可靠性及有效性檢驗(yàn)

在綜合分析甘肅省兩西地區(qū)移民前十年統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，本著合理選擇參數(shù)的原則，筆者對(duì)兩個(gè)地區(qū)的移民活動(dòng)進(jìn)行了仿真模擬，通過(guò)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(shí)系統(tǒng)具有較好的對(duì)應(yīng)性，能夠滿足研究目的，是可靠而有效的在仿真過(guò)程中，筆者確定了投資速率、水地開(kāi)發(fā)成本、人均水地指標(biāo)、新增有效灌溉面積分配給移民的比例作為方案變動(dòng)的基礎(chǔ)，它們的變動(dòng)基于下列因素：

A)全國(guó)扶貧任務(wù)很重，國(guó)家財(cái)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(fèi)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(jià)上漲因素，土地開(kāi)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(jìn)步，灌溉定額到2000年以后可能減小一半。E)國(guó)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(guò)0.1hm2/人，這是因?yàn)榘仓靡泼竦囊笫菐椭鉀Q溫飽，不是達(dá)到小康。F)如果考慮科技進(jìn)步因素，如灌溉定額下降，水資源開(kāi)發(fā)利用程度增強(qiáng)，則新增有效灌溉面積還會(huì)增加。通過(guò)仿真運(yùn)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(kāi)發(fā)成本指標(biāo)提高，結(jié)果表明，2000年能超額完成原定后八年30萬(wàn)人的遷移任務(wù)，將多遷移16萬(wàn)人。其中，中部地區(qū)多遷移入14萬(wàn)人，河西地區(qū)多遷入2萬(wàn)人。2008年移民總數(shù)將達(dá)到116萬(wàn)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(shí)，仍能順利完成移民任務(wù)，2000年還可以多遷入2.3萬(wàn)人，2008年移民總數(shù)達(dá)到90萬(wàn)人。方案Ⅲ表明，在前兩項(xiàng)方案的基礎(chǔ)上，將人均水地指標(biāo)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(wàn)移民任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，2000年移民達(dá)64萬(wàn)人，2008年移民達(dá)93萬(wàn)人，其中中部地區(qū)58.5萬(wàn)人，河西地區(qū)34.6萬(wàn)人。方案Ⅳ與方案Ⅴ表明，當(dāng)投資遞減時(shí)，在人均水地指標(biāo)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(dá)到61.1萬(wàn)人，2008年達(dá)到80.8萬(wàn)人；在方案Ⅴ中，這一比例均取值70%，2000年移民達(dá)到62.6萬(wàn)人，2008年達(dá)到83.3萬(wàn)人。方案Ⅵ考慮了科技進(jìn)步因素，將水地開(kāi)發(fā)成本降低，結(jié)果表明在人均水地指標(biāo)和新增有效灌溉面積分配給移民的比例兩個(gè)數(shù)值都較低的情況下，仍能保證到2000年再遷30萬(wàn)人任務(wù)的完成，2008年總遷移人數(shù)至少可達(dá)91萬(wàn)人。當(dāng)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(dòng)因素很少，故筆者認(rèn)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(diǎn)是均選擇了一些極端點(diǎn)來(lái)仿真，對(duì)于人均水地指標(biāo)與新增有效灌溉面積分配給移民的比例這兩個(gè)參數(shù)的選擇就體現(xiàn)了這種特點(diǎn)?；谌娴剡M(jìn)行仿真還比較困難，這樣做能夠簡(jiǎn)化問(wèn)題，只提供答案的上下限，便于決策人更靈活地選擇行動(dòng)方案。5結(jié)論與政策建議①?gòu)姆抡娼Y(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(kāi)發(fā)成本，人均水地指標(biāo)，這三個(gè)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(dāng)提高人均水地指標(biāo)。③模型中將甘肅省兩西地區(qū)人口自然增長(zhǎng)做