《系統(tǒng)工程 第6版》 課件 第3、4章　系統(tǒng)模型與模型化、系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法

1第三章

系統(tǒng)模型與模型化2第三章系統(tǒng)模型與模型化第一節(jié)概述第二節(jié)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第三節(jié)

主成分分析及聚類分析第四節(jié)

狀態(tài)空間模型第五節(jié)

基于模型的系統(tǒng)工程3第一節(jié)概述一、模型及模型化

模型有三個(gè)特征：

1.它是現(xiàn)實(shí)世界部分的抽象或模仿；

2.它是由那些與分析的問題有關(guān)的因素構(gòu)成；

3.它表明了有關(guān)因素間的相互關(guān)系；模型化就是為了描述系統(tǒng)的構(gòu)成和行為，對實(shí)體系統(tǒng)的各種因素進(jìn)行適當(dāng)篩選后，用一定方式（數(shù)學(xué)、圖像等）表達(dá)系統(tǒng)實(shí)體的方法。4模型化的本質(zhì)、作用及地位

1.本質(zhì)：利用模型與原型之間某方面的相思關(guān)系，在研究過程中用模型來代替原型，通過對于模型的研究得到關(guān)于原型的一些信息。

2.作用：①模型本身是人們對客體系統(tǒng)一定程度研究結(jié)果的表達(dá)。這種表達(dá)是簡潔的、形式化的。②模型提供了脫離具體內(nèi)容的邏輯演繹和計(jì)算的基礎(chǔ)，這會(huì)導(dǎo)致對科學(xué)規(guī)律、理論、原理的發(fā)現(xiàn)。③利用模型可以進(jìn)行“思想”試驗(yàn)。

3.地位：模型的本質(zhì)決定了它的作用的局限性。它不能代替以客觀系統(tǒng)內(nèi)容的研究，只有在和對客體系統(tǒng)相配合時(shí)，模型的作用才能充分發(fā)揮。第一節(jié)概述5實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)際系統(tǒng)結(jié)論模型現(xiàn)實(shí)意義模型化解釋比較圖系統(tǒng)模型（化）的作用與地位第一節(jié)概述6二、模型的分類模型類比仿真形象符號(hào)概念圖像物理數(shù)學(xué)圖示字句描述思維圖模型分類第一節(jié)概述7三、構(gòu)造模型的一般原則和基本步驟

1、原則：（1）建立方框圖；（2）考慮信息相關(guān)性；

（3）考慮準(zhǔn)確性；（4）考慮結(jié)集性

2、步驟：（1）明確建模的目的和要求；（2）對系統(tǒng)進(jìn)行一般語言描述；（3）弄清系統(tǒng)中的主要因素（變量）及其相互關(guān)系（結(jié)構(gòu)關(guān)系和函數(shù)關(guān)系）；（4）確定模型結(jié)構(gòu)；（5）估計(jì)模型參數(shù)；（6）實(shí)驗(yàn)研究；（7）必要修改第一節(jié)概述8四、模型化的基本方法

1.分析法

2.實(shí)驗(yàn)法

3.綜合法

4.老手法

5.辯證法第一節(jié)概述9第一節(jié)概述五、模型的簡化和求解簡化：（1）減少變量，減去次要變量；（2）改變變量性質(zhì)；（3）合并變量（集結(jié)）；（4）改變函數(shù)關(guān)系；（5）改變約束條件；求解：“硬”計(jì)算方法（列生成，割平面，切割-分解等方法）；“軟”計(jì)算方法（遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬退火算法，禁忌搜索算法等）10一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化基礎(chǔ)

（一）結(jié)構(gòu)分析的概念和意義

結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)模型→結(jié)構(gòu)模型化→結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是一個(gè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化并加以解釋的過程。結(jié)構(gòu)分析是系統(tǒng)分析的重要內(nèi)容，是系統(tǒng)優(yōu)化分析、設(shè)計(jì)與管理的基礎(chǔ)第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)11集合有向圖（節(jié)點(diǎn)與有向?。┚仃嚕I(lǐng)接矩陣、可達(dá)矩陣、縮減矩陣、骨架矩陣等）

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本表達(dá)方式

第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)（三）常用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)關(guān)聯(lián)樹（如問題樹、目標(biāo)樹、決策樹）法解釋結(jié)構(gòu)模型化（ISM）方法系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（SD）結(jié)構(gòu)模型化方法13ISM基本工作原理

第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)二、建立遞階結(jié)構(gòu)模型的規(guī)范方法

1、區(qū)域劃分2、級(jí)位劃分3、提取骨架矩陣4、繪制多級(jí)遞階有向圖15三、建立遞階結(jié)構(gòu)模型的實(shí)用方法設(shè)定問題、形成意識(shí)模型找出影響要素要素關(guān)系分析（關(guān)系圖）建立可達(dá)矩陣(M)和縮減矩陣（M/）矩陣層次化處理(ML/)繪制多級(jí)遞階有向圖建立解釋結(jié)構(gòu)模型分析報(bào)告比較/F學(xué)習(xí)第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)16第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)

ISM實(shí)用化方法的核心是對系統(tǒng)要素間的關(guān)系（尤其是因果關(guān)系）進(jìn)行層次化處理，最終形成具有多級(jí)遞階關(guān)系和解釋功能的結(jié)構(gòu)模型（圖）

第1步：

找出影響系統(tǒng)問題的主要因素，通過方格圖判斷要素間的直接（相鄰）影響關(guān)系；

第2步：

考慮因果等關(guān)系的傳遞性，建立反映諸要素間關(guān)系的可達(dá)矩陣（該類矩陣屬反映邏輯關(guān)系的布爾矩陣）；

第3步：

考慮要素間可能存在的強(qiáng)連接（相互影響）關(guān)系，僅保留其中的代表要素，形成可達(dá)矩陣的縮減矩陣；17

第4步：

縮減矩陣的層次化處理，分為兩步：（1）按照矩陣每一行“1”的個(gè)數(shù)的少與多，從前到后重新排列矩陣，此矩陣應(yīng)為嚴(yán)格的下三角矩陣；（2）從矩陣的左上到右下依次找出最大單位矩陣，逐步形成不同層次的要素集合。

第5步：作出多級(jí)遞階有向圖。作圖過程為：

（1）按照每個(gè)最大單位子矩陣框定的要素，將各要素按層次分布；（2）將第3步被縮減掉的要素隨其代表要素同級(jí)補(bǔ)入，并標(biāo)明其間的相互作用關(guān)系；（3）用從下到上的有向弧來顯示逐級(jí)要素間的關(guān)系；（4）補(bǔ)充必要的越級(jí)關(guān)系。

第6步：經(jīng)直接轉(zhuǎn)換，建立解釋結(jié)構(gòu)模型。

第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)ISM實(shí)用化方法舉例：影響組織執(zhí)行力因素分析

要素關(guān)系分析圖VVV1、組織使命VAVAVV2、組織結(jié)構(gòu)及流程VVXAV3、組織文化AA4、工作計(jì)劃VVV5、領(lǐng)導(dǎo)能力VA6、組織成員素質(zhì)VAV7、組織的激勵(lì)和約束A8、組織內(nèi)部的有效控制V9、組織的制度與規(guī)范10、組織成員間的協(xié)調(diào)與配合第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)

第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)

1111111111111111111111111111111111111111111111111234567891012345678910

可達(dá)

矩陣【空格處為0，下同】第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)11111111111111111111111111111111111111234578910（6）（5）（4）（1）（7）（5）（1）（7）（1）

234578910

縮減

矩陣481032715948103271591

1111111111111

1111111

111111

1111

111

1

1

1第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)具有層次結(jié)構(gòu)的縮減矩陣410836271594-工作計(jì)劃8-有效控制10-配合協(xié)調(diào)1-組織定位5-領(lǐng)導(dǎo)能力9-制度規(guī)范第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)多級(jí)遞階有向圖第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)工作計(jì)劃有效控制協(xié)調(diào)配合組織文化成員素質(zhì)結(jié)構(gòu)及流程激勵(lì)和約束制度規(guī)范領(lǐng)導(dǎo)能力組織使命組織執(zhí)行力因素解釋結(jié)構(gòu)模型結(jié)果分析：通過上述分析可以看出，一個(gè)組織執(zhí)行力的提高，從長期性和根本上來說，取決于這個(gè)組織的使命或任務(wù)（因素1）、制度與規(guī)范的建設(shè)能力（9）和領(lǐng)導(dǎo)者的素質(zhì)、修養(yǎng)及能力（5）；從短期來看，與工作計(jì)劃（4）、有效控制（8）和組織成員間的相互配合與協(xié)調(diào)能力（10）等要素直接相關(guān)，而組織文化（3）與成員素質(zhì)（責(zé)任心等）（6）則直接影響以上三個(gè)要素（4、8、10）；組織結(jié)構(gòu)及工作流程（2）和以激勵(lì)和約束為主要內(nèi)容的機(jī)制建設(shè)（7）既承上啟下，又具有一定的基礎(chǔ)性作用。據(jù)此可提出根據(jù)組織使命任務(wù)，加強(qiáng)組織文化建設(shè)，提高組織成員素質(zhì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與流程，加強(qiáng)機(jī)制建設(shè)，全面提高組織執(zhí)行力的整體思路。第二節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)25第三節(jié)主成分分析及聚類分析一、主成分分析

主成分分析也稱主分量分析或矩陣數(shù)量分析。它通過變量變換的方法把相關(guān)變量變?yōu)槿舾刹幌喔傻木C合指標(biāo)變量。

主成分分析將眾多的線性相關(guān)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少數(shù)線性無關(guān)指標(biāo)。在研究多變量問題時(shí)，課切斷相關(guān)干擾，找出主導(dǎo)因素，做出更準(zhǔn)確的估量。26第三節(jié)主成分分析及聚類分析二、聚類分析

聚類分析是按照事物屬性的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律和一定的要求，對事物進(jìn)行分類研究的方法。

聚類分析可將樣本或變量按親疏的程度進(jìn)行分類，主要用距離和相似系數(shù)來衡量親疏程度。根據(jù)親疏程度定量對數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，根據(jù)分類函數(shù)將差異最小的兩類歸為一組，組與組之間再按分類函數(shù)進(jìn)一步分類，直到所有樣本歸為一類為止。27第四節(jié)狀態(tài)空間模型

研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的行為，有兩種既有聯(lián)系也有區(qū)別的方法：輸入－輸出法和狀態(tài)變量法。輸入－輸出法又稱端部法，它只研究系統(tǒng)的端部特性，而不研究系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的特性用傳遞函數(shù)來表示。28

狀態(tài)變量法在60年代才得到推廣使用。它仍然是處理系統(tǒng)的輸入和輸出間的關(guān)系。但是在這些關(guān)系中，還附加另一組變量，稱為狀態(tài)變量。在物理系統(tǒng)中，典型的變量有：位置（與勢能有關(guān)）、速度（與動(dòng)能有關(guān)）、電容上的電壓（與它們存儲(chǔ)的電能有關(guān)）、電感上的電流（與它們存儲(chǔ)的磁能有關(guān)）、溫度（與熱能有關(guān)）。狀態(tài)變量法可用于線性的或非線性的、時(shí)變的或時(shí)不變的及多輸入、多輸出的系統(tǒng)，并且更適合仿真和使用計(jì)算機(jī)的目的，故得到廣泛應(yīng)用。

第四節(jié)狀態(tài)空間模型第四節(jié)狀態(tài)空間模型一、系統(tǒng)的狀態(tài)和狀態(tài)變量(1)狀態(tài)。狀態(tài)是指為完全描述t≥t0時(shí)系統(tǒng)行為所需變量的最小集合,該集合構(gòu)成狀態(tài)空間。完全描述的條件包括:①已知系統(tǒng)t≥t0時(shí)的輸入;②已知t0時(shí)刻集合中所有變量的值(初始條件)。(2)狀態(tài)變量。上述最小變量集合中的每個(gè)變量稱為狀態(tài)變量。第四節(jié)狀態(tài)空間模型例3-4一般力學(xué)裝置由三種基本元件組成,即質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器,如圖3-4所示。根據(jù)元件的受力和力的平衡法則可以建立狀態(tài)方程。根據(jù)力的平衡法則有第四節(jié)狀態(tài)空間模型二、微分方程與連續(xù)變量的狀態(tài)空間表達(dá)式第四節(jié)狀態(tài)空間模型三、差分方程與離散變量的狀態(tài)空間表達(dá)式第四節(jié)狀態(tài)空間模型第四節(jié)狀態(tài)空間模型四、狀態(tài)方程的應(yīng)用

（一）宏觀經(jīng)濟(jì)模型第四節(jié)狀態(tài)空間模型第四節(jié)狀態(tài)空間模型(二)人口模型第四節(jié)狀態(tài)空間模型第五節(jié)

基于模型的系統(tǒng)工程

——

1、數(shù)智化時(shí)代的企業(yè)發(fā)展新特征新經(jīng)濟(jì)形態(tài)：共享經(jīng)濟(jì)（分時(shí)租賃）：價(jià)值共享、剩余能力/資源共享、供需匹配。服務(wù)經(jīng)濟(jì)：價(jià)值擴(kuò)展、能力延伸、服務(wù)實(shí)現(xiàn)。軍民融合：價(jià)值互補(bǔ)、交互優(yōu)化、獨(dú)立增強(qiáng)。平臺(tái)經(jīng)濟(jì)：價(jià)值重構(gòu)、多邊連接、生態(tài)共建。阿米巴經(jīng)營：價(jià)值分拆、資源共享與分離、獨(dú)立與集中平衡、全能型與功能型區(qū)分。新組織形態(tài)：企業(yè)功能平臺(tái)化：從層次管控到資源配置；運(yùn)營決策分散化：從集中控制到分布式控制；多要素/能力協(xié)同化：從職能分割到基于統(tǒng)一架構(gòu)的協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。使能基礎(chǔ)軟件化：從物理和人工到軟件系統(tǒng)和平臺(tái)。組織形態(tài)的變化，必然涉及企業(yè)組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)營流程以及運(yùn)行邏輯的變化。一、數(shù)智化時(shí)代IE學(xué)科發(fā)展與企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求迅速發(fā)展的“四新”經(jīng)濟(jì)形態(tài)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式2、企業(yè)數(shù)字化的趨勢傳統(tǒng)企業(yè)沒有信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化傳統(tǒng)企業(yè)+數(shù)字化局部場景應(yīng)用了信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化數(shù)字化轉(zhuǎn)型企業(yè)有數(shù)字化戰(zhàn)略引領(lǐng)，在主要的業(yè)務(wù)最大可能的進(jìn)行了數(shù)字化的應(yīng)用數(shù)字原生企業(yè)以數(shù)字化的原理重構(gòu)、再造或創(chuàng)建企業(yè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字原生一、數(shù)智化時(shí)代IE學(xué)科發(fā)展與企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求3、

系統(tǒng)工程在新時(shí)代的地位和作用新形勢下系統(tǒng)工程的位置何在？近幾年來，“中國制造2025”、工業(yè)4.0乃至整個(gè)國家的數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)與變革搞得熱火朝天。

但是，從目前的進(jìn)展情況看，新技術(shù)用了很多，但實(shí)際真正落地的情況并不理想。

有人總結(jié)說：“低端混戰(zhàn)、高端失守”或“局部精細(xì)，整體混沌”。為什么呢？原因主要是缺少系統(tǒng)層的科學(xué)規(guī)劃、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。目前主持這些項(xiàng)目的大多是機(jī)械、自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等專業(yè)，這些專業(yè)更加擅長對企業(yè)的專業(yè)工程領(lǐng)域（比如產(chǎn)品、設(shè)備、工藝、專業(yè)軟件等）的研究與設(shè)計(jì)，而對于整個(gè)企業(yè)這種復(fù)雜巨系統(tǒng)，受方法論和專業(yè)技術(shù)的局限，這些工程專業(yè)的優(yōu)勢并不突出。一、數(shù)智化時(shí)代IE學(xué)科發(fā)展與企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求1、新形勢下SE研究范式的變化（1）SE的研究范疇和所依附的專業(yè)技術(shù)的變化研究范疇要擴(kuò)展到企業(yè)和企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)，包括：產(chǎn)品數(shù)字化、流程數(shù)字化、工廠數(shù)字化、資源數(shù)字化等，以及由此產(chǎn)生的MBD(ModelBasedDefinition)、MBe、MBM、MBE等。網(wǎng)絡(luò)、通信與智能技術(shù)：5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，由此產(chǎn)生的數(shù)字孿生、智能制造等。二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系MBD研究對象擴(kuò)展到企業(yè)和企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)智能制造的基本景象——數(shù)字孿生（2）研究范式是“模型定義+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”模型定義。

這里的模型是指包括第一性原理的物理模型、數(shù)據(jù)模型、機(jī)理模型和量化優(yōu)化模型構(gòu)成的完整的系統(tǒng)模型，所有模型能夠在統(tǒng)一環(huán)境中兼容和聯(lián)合作用。所謂模型定義是指，首先應(yīng)用系統(tǒng)建模技術(shù)建立系統(tǒng)模型，然后運(yùn)用軟件技術(shù)建立一個(gè)“虛擬系統(tǒng)”，經(jīng)過反復(fù)的迭代優(yōu)化和仿真驗(yàn)證使其達(dá)到最佳狀態(tài)，最后，根據(jù)“虛擬系統(tǒng)”的最佳狀態(tài)需要，來配置和建立真實(shí)的物理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。數(shù)字化企業(yè)的整個(gè)經(jīng)營過程中會(huì)產(chǎn)生大量的產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)（包括產(chǎn)品品種與結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、成本、時(shí)間、人員、設(shè)備、物料、銷售和售后服務(wù)等）和市場分析與預(yù)測、計(jì)劃與控制、客戶與供應(yīng)商、資產(chǎn)與財(cái)務(wù)等管理數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)以及經(jīng)營過程中出現(xiàn)的各種場景需要運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)和人工智能的方法進(jìn)行分析，進(jìn)而形成各種科學(xué)決策，以及企業(yè)模型的優(yōu)化重構(gòu)建議。二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系（3）數(shù)智化企業(yè)的技術(shù)體系：商業(yè)模式的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)；系統(tǒng)建模與數(shù)據(jù)分析是兩大支柱；SE技術(shù)體系、IT&OT使能技術(shù)是關(guān)鍵內(nèi)核；管理與專業(yè)技術(shù)是方法基礎(chǔ)；關(guān)鍵交付物是統(tǒng)一的企業(yè)模型二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系2、以基于模型的系統(tǒng)工程MBSE作為統(tǒng)一方法論框架（1）傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程場景存在的問題：*系統(tǒng)層無法建立模型，只有系統(tǒng)之下的專業(yè)系統(tǒng)（軟件、硬件）才能建立模型；*系統(tǒng)層只能用文檔來表述，系統(tǒng)中的各種要素及其關(guān)系表達(dá)不清，易造成不同的理解；*只能到整個(gè)工程物理實(shí)現(xiàn)后才能驗(yàn)證最初的設(shè)計(jì)方案是否正確；*出現(xiàn)問題或工程更改無法進(jìn)行追溯；*系統(tǒng)的“涌現(xiàn)性”無法表達(dá)；*不易復(fù)用過去的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。二、面向?shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系系統(tǒng)工程V模型（2）基于模型的系統(tǒng)工程MBSE（Model-BasedSystemsEngineering）于2007年的

INCOSE

（系統(tǒng)工程國際委員會(huì)）國際研討會(huì)上首次提出。它由系統(tǒng)建模語言、系統(tǒng)建模方法和系統(tǒng)建模工具三部分組成，可以對一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)用多種視圖予以描述，并通過需求分析、功能分析、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)的基本方法論，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)層次和不同層次間各種要素之間的關(guān)聯(lián)以及系統(tǒng)與外部的接口關(guān)系等進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、迭代優(yōu)化與仿真驗(yàn)證。區(qū)別于基于文檔的系統(tǒng)工程，MBSE的模型管理系統(tǒng)的整個(gè)規(guī)范是一個(gè)互聯(lián)的信息網(wǎng)絡(luò)，而不是分散在各專業(yè)領(lǐng)域、需要專門的人員來管理的無法搜索、導(dǎo)航和應(yīng)用的文檔。二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系現(xiàn)在：通過文檔關(guān)聯(lián)的獨(dú)立模型將來：可以連接多學(xué)科和過程模型并具有多個(gè)視圖的共享系統(tǒng)模型MBSE支持系統(tǒng)需求、分析、設(shè)計(jì)、確認(rèn)和驗(yàn)證活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，貫穿整個(gè)開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段。MBSE適用于真實(shí)物理系統(tǒng)、虛擬空間的數(shù)字模型、抽象的系統(tǒng)等一切對象系統(tǒng)，并且能夠通過模型化的方法，實(shí)現(xiàn)對象的統(tǒng)一。在描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為中，通過約束模塊和參數(shù)圖的定義，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的仿真和定量化定義與優(yōu)化；通過數(shù)據(jù)接口，可以對關(guān)鍵行為或者結(jié)構(gòu)，進(jìn)行聯(lián)合仿真來驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)理；另外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為拓?fù)潢P(guān)系；行為圖比petri更細(xì)致；系統(tǒng)要素之間的關(guān)系，可以轉(zhuǎn)化為矩陣進(jìn)行表達(dá)和分析；最終可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)分析。MBSE統(tǒng)一了物理模型、機(jī)理模型和數(shù)學(xué)模型，是理想的系統(tǒng)方法論。二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系（3）MBSE的建模語言V2.0目前最主流的系統(tǒng)建模語言是SysML。它由4類9種視圖組成。

首先從用戶（利益攸關(guān)方）的視角定義需求的功能和性能，然后由功能定義一系列行為邏輯（用例圖、活動(dòng)圖、序列圖、狀態(tài)機(jī)圖），再由行為邏輯定義結(jié)構(gòu)（模塊定義圖、內(nèi)部模塊圖、包圖），最后根據(jù)上述的行為邏輯、結(jié)構(gòu)以及性能要求定義參數(shù)圖（定義系統(tǒng)約束，用數(shù)學(xué)模型優(yōu)化）。如果達(dá)不到系統(tǒng)的性能目標(biāo)（參數(shù)指標(biāo)），則反復(fù)迭代，直到滿意為止。

二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系結(jié)構(gòu)性靜態(tài)視圖二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系行為性動(dòng)態(tài)視圖二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系需求視圖二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系涉眾需求與系統(tǒng)派生需求（技術(shù)指標(biāo)）的關(guān)聯(lián)表達(dá)利益攸關(guān)方對系統(tǒng)功能和性能的需求（涉眾需求）（4）MBSE的基本方法論

MBSE不是用SysML建立9種視圖就結(jié)束了，其建模過程要遵循需求分析、功能分析、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)的基本方法論。MBSE的基本方法論達(dá)索的MagicGrid建模方法二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系系統(tǒng)及層次示意圖（IDEF0）（5）MBSE的優(yōu)勢提高設(shè)計(jì)質(zhì)量一致的系統(tǒng)工程語言需求問題的早期識(shí)別增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性改進(jìn)了硬件和軟件分配需求的規(guī)范集成和測試過程中的錯(cuò)誤更少提高工作效率可追溯性改進(jìn)工程變更的影響分析改善跨多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的互動(dòng)提高溝通效率自動(dòng)生成文檔降低風(fēng)險(xiǎn)早期、持續(xù)的需求驗(yàn)證早期、持續(xù)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證模型重用，縮短開發(fā)研制周期便于實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

從需求背景開始的正向設(shè)計(jì)二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系系統(tǒng)早期的迭代驗(yàn)證從需求背景開始的正向設(shè)計(jì)（6）MBSE的工具鏈MBSE除了SysML外，還有一整套工具鏈，上可與描述企業(yè)架構(gòu)的TOGAF、DODAF等體系架構(gòu)的工具方法集成，下可與各種仿真優(yōu)化工具、數(shù)據(jù)分析工具、如MATLAB等連接集成，還可以與領(lǐng)域設(shè)計(jì)工具如CAD、CAE等集成。把系統(tǒng)生命周期的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)系統(tǒng)模型中，通過不同的視圖按照研究需要進(jìn)行呈現(xiàn)，但其內(nèi)在是統(tǒng)一的。二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系聯(lián)合仿真驗(yàn)證二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系（7）總結(jié)MBSE是迄今為止對系統(tǒng)理論和方法表達(dá)的最淋漓盡致的系統(tǒng)工程方法論。理論上講，MBSE可以對所有的思想、理論和方法進(jìn)行描述和表達(dá)。從基礎(chǔ)的“5W1H”模型，到企業(yè)架構(gòu)、企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，所有的原理、功能、邏輯、結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及優(yōu)化過程盡可表達(dá)和處理。小到一道工序，大到整個(gè)企業(yè)。對于數(shù)智化企業(yè)的研究，必須把MBSE作為方法論和工具；對于非數(shù)智化企業(yè)的研究，也應(yīng)該盡可能運(yùn)用。

二、面向數(shù)字化企業(yè)的新一代IE方法體系MBSE相關(guān)案例1.數(shù)字孿生是體系級(jí)的虛實(shí)映射2.體系工程3.數(shù)字孿生是基于模型的體系工程MBSoSE及其業(yè)務(wù)架構(gòu)4.數(shù)字孿生的產(chǎn)品架構(gòu)1.數(shù)字孿生是體系級(jí)的虛實(shí)映射數(shù)字孿生體的三維發(fā)展模式2.體系工程3.數(shù)字孿生是基于模型的體系工程MBSoSE及其業(yè)務(wù)架構(gòu)數(shù)字孿生應(yīng)用場景4.數(shù)字孿生產(chǎn)品整體架構(gòu)66第四章

系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法67第一節(jié)：系統(tǒng)仿真概述第二節(jié)：系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理第三節(jié)：基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)第四節(jié)：Vensim仿真軟件使用簡介主要內(nèi)容68第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述

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(guān)系的基礎(chǔ)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(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。一、概念及作用1、基本概念69(1)本質(zhì)它是一種對系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿真技術(shù)能有效地來處理。

(2)仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映象的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。

(3)仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述2、系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)703、系統(tǒng)仿真的作用

(1)仿真的過程也是實(shí)驗(yàn)的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。尤其是對一些復(fù)雜的隨機(jī)問題，應(yīng)用仿真技術(shù)是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(xué)模型的對象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預(yù)測、分析和評(píng)價(jià)等系統(tǒng)問題。

第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述71(3)通過系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降階成若干子系統(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)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時(shí)解決。第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述3、系統(tǒng)仿真的作用72二、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)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合在計(jì)算機(jī)上編程的仿真模型，然后對模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述73

在以上兩類基本方法的基礎(chǔ)上，還有一些用于系統(tǒng)(特別是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、蒙特卡洛法等。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法通過建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(流圖等)、利用DYNAMO仿真語言在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對真實(shí)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述74近年來，復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真方法引起了大家的關(guān)注。如，復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真和模擬方法，包括：采用人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法如何實(shí)現(xiàn)微觀與宏觀的結(jié)合，人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法和其他研究方法的集成，人工社會(huì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法及其標(biāo)定、分析和驗(yàn)證算法；計(jì)算仿真到計(jì)算實(shí)驗(yàn)的修正過渡方法；基于涌現(xiàn)的觀察和解釋方法及其核心算法等。再如，與個(gè)體特征的抽象和行為的界定相關(guān)聯(lián)的代理的學(xué)習(xí)和進(jìn)化算法、代理決策的計(jì)算智能算法等。還有仿真可信度研究，包括：通過計(jì)算機(jī)生長和培育“現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)”的可信度；復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真和模擬的可信性評(píng)價(jià)體系等。第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述75第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述三、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā)展及特點(diǎn)SystemsDynamics,SD/J.W.Forrester(MIT)IndustridlDynamics(ID),1959PrinciplesofSystems,1968UrbanDynamics(UD),1969WorldDynamics(WD),1971SD,1972羅馬俱樂部《增長的極限》1、由來和發(fā)展76(1)研究對象——社會(huì)(經(jīng)濟(jì))系統(tǒng)(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①抉擇性——具有決策環(huán)節(jié)（人、信息）②自律性——具有反饋環(huán)節(jié)③非線性——具有延遲環(huán)節(jié)(3)SD將社會(huì)系統(tǒng)當(dāng)作非線性(多重)信息反饋系統(tǒng)來研究第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述2、研究對象及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)77(1)多變量——SD模型有三種基本變量、五到六種變量(2)定性分析與定量分析相結(jié)合(3)以仿真實(shí)驗(yàn)為基本手段和以計(jì)算機(jī)為工具(4)可處理高階次、多回路、非線性的時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)問題第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述3、模型特點(diǎn)78第一節(jié)系統(tǒng)仿真概述4、工作程序SD的工作程序79一、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)基本原理SD的四個(gè)基本要素——狀態(tài)或水準(zhǔn)、信息、決策或速率、行動(dòng)或?qū)嵨锪?/p>

SD的兩個(gè)基本變量——水準(zhǔn)變量(Level)、速率變量(Rate)

SD的一個(gè)基本思想

——反饋控制第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理80第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理二、因果關(guān)系圖和流(程)圖1、因果關(guān)系圖(1)因果箭。因果箭是連接因果要素的有向線段。箭尾始于原因，箭頭終于結(jié)果。因果關(guān)系有正負(fù)極性之分。正(+)為加強(qiáng)，負(fù)(-)為削弱。因果關(guān)系具有傳遞性，用因果箭對具有遞推性質(zhì)的因素關(guān)系加以描繪即得到因果鏈。因果鏈極性的判別：在同一因果鏈中，若含有奇數(shù)條極性為負(fù)的因果箭，則整條因果鏈?zhǔn)秦?fù)的因果鏈；否則，該條因果鏈極性為正。81第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理二、因果關(guān)系圖和流(程)圖(2)因果(反饋)回路。原因和結(jié)果的相互作用形成因果關(guān)系回路(因果反饋回路、環(huán))，如圖4-4a、b、e所示。它是一種特殊的(封閉的、首尾相接的)因果鏈,其極性判別準(zhǔn)則如因果鏈。學(xué)習(xí)型組織的因果反饋關(guān)系

社會(huì)系統(tǒng)中的因果反饋環(huán)是社會(huì)系統(tǒng)中各要素的因果關(guān)系本身所固有的。正反饋回路起到自我強(qiáng)化的作用,負(fù)反饋回路具有“內(nèi)部穩(wěn)定器”的作用。82第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理二、因果關(guān)系圖和流(程)圖流(程)圖(FlowDiagram)是SD結(jié)構(gòu)模型的基本形式,繪制流(程)圖是SD建模的核心內(nèi)容。流(程)圖通常由以下各要素構(gòu)成:(1)流(Flow)。它是系統(tǒng)中的活動(dòng)和行為，通常只區(qū)分出實(shí)體流和信息流。(2)水準(zhǔn)(Level)。它是系統(tǒng)中子系統(tǒng)的狀態(tài)，是實(shí)物流的積累。(3)速率(Rate)。它表示系統(tǒng)中流的活動(dòng)狀態(tài)，是流的時(shí)間變化。在SD中，R表示決策函數(shù)。1、流(程)圖83第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理二、因果關(guān)系圖和流(程)圖(4)參數(shù)(量)(Parameter)。它是系統(tǒng)中的各種常數(shù),或者是在一次運(yùn)行中保持不變的量。(5)輔助變量(AuxiliaryVariable)。其作用在于簡化R的表示,使復(fù)雜的決策函數(shù)易于理解。(6)源(Source)與洞(Sink)。(7)信息(Information)。信息的取出常見情況及其符號(hào)。(8)滯后或延遲(Delay)。由于信息和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)需要一定的時(shí)間,于是就帶來原因和結(jié)果、輸入和輸出、發(fā)送和接收等之間的時(shí)差，并有實(shí)物流和信息流滯后之分。1、流(程)圖84第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理流程圖的構(gòu)成要素85第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理三、SD結(jié)構(gòu)模型的建模步驟(1)明確系統(tǒng)邊界,即確定對象系統(tǒng)的范圍。(2)闡明形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反饋回路,即明確系統(tǒng)內(nèi)部活動(dòng)的因果關(guān)系鏈。(3)確定反饋回路中的水準(zhǔn)變量和速率變量。水準(zhǔn)變量是由系統(tǒng)內(nèi)的活動(dòng)產(chǎn)生的量,是由流的積累形成的,說明系統(tǒng)某個(gè)時(shí)點(diǎn)狀態(tài)的變量;速率變量是控制流的變量,表示活動(dòng)進(jìn)行的狀態(tài)。(4)闡明速率變量的子結(jié)構(gòu)或完善、形成各個(gè)決策函數(shù),建立起SD結(jié)構(gòu)模型(流圖)。86第二節(jié)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型化原理三、SD結(jié)構(gòu)模型的建模步驟商店庫存問題的對象系統(tǒng)界定商店庫存問題的因果關(guān)系圖及變量類型商店庫存問題的流(程)圖D1—期望的完成未供訂貨時(shí)間D2—調(diào)整生產(chǎn)時(shí)間D3—商店訂貨平滑化時(shí)間S1—平均銷售量S2—庫存差額Y—期望庫存87一、基本DYNAMO方程(DYNAmicModel)水準(zhǔn)方程（L方程）

LL1·K=L1·J+DT*(RI·JK-RO·JK)速率方程（R方程）

RR1·KL=f(L1·K,A1·K,…)輔助方程（A方程）

AA1·K=g(L1·K,A2·K,R1·JK,…)賦初值方程（N方程）

NL1=數(shù)值或L1=L10

L10=數(shù)值常量方程（C方程）

CC1=數(shù)值第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)88二、幾種典型反饋回路及其仿真計(jì)算

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)1、一階正反饋回路(以簡單的人口增加機(jī)理為例)簡單人口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型量化分析模型及仿真計(jì)算:L

P·K=P·J+DT*(PR1·JK-0)N

P=100R

PR1·KL=C1*P·KC

C1=0.02PPR10100211022.042104.042.0808???簡單人口系統(tǒng)SD仿真計(jì)算結(jié)果簡單人口系統(tǒng)輸出特性示意圖89二、幾種典型反饋回路及其仿真計(jì)算

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)2、一階負(fù)反饋回路(以簡單庫存系統(tǒng)為例)簡單庫存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型量化分析模型及仿真計(jì)算:LI·K=I·J+DT*R1·JKNI=I0CI0=1000RR1·KL=D·K/ZAD·K=Y-I·KCZ=5CY=6000簡單庫存系統(tǒng)SD仿真計(jì)算結(jié)果簡單庫存系統(tǒng)輸出特性示意圖IDR10100050001000120004000800228003200640334402560512????90

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)3、二階負(fù)反饋回路(以簡單庫存系統(tǒng)為基礎(chǔ))二階簡單庫存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型量化分析模型及仿真計(jì)算:LG·K=G·J+DT*(R1·JK-R2·JK)NG=G0CG0=10000RR1·KL=D·K/ZAD·K=Y-I·KCZ=5CY=6000RR2·KL=G·K/WCW=10LI·K=I·J+DT*R2·JKNI=I0CI0=100091第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)二階簡單庫存系統(tǒng)輸出特性示意圖3、二階負(fù)反饋回路(以簡單庫存系統(tǒng)為基礎(chǔ))G1·JKG·KR2·KLI·KD·KR1·KL0—10000100010005000100010100001000200040008002-2009800980300030006003-380942094239802020404???????二階簡單庫存系統(tǒng)SD仿真計(jì)算結(jié)果92

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)三、DYNAMO函數(shù)表函數(shù)示意圖

SD模型中往往需要用輔助變量描述某些變量間的非線性關(guān)系，這時(shí)，可用DYNAMO的表函數(shù)來比較簡單、直接、方便地表示。設(shè)計(jì)表函數(shù)的基本思路如下:1)確定出變量與入變量的

基本函數(shù)關(guān)系。2)確定入變量的取值范圍，

并把它劃分為若干等份。3)構(gòu)造函數(shù)表。4)折線替代曲線。1、表函數(shù)93

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)二階生態(tài)系統(tǒng)流(程)圖NOTE(或*)HA1ZAOZIXITONGLHZS·K=HZS·J+DT*(FZL1·JK-TSL·JK)N HZS=CSS∥初始海藻數(shù)量,株∥C CSS=30000R FZL1·KL=FZX1·K*HZS·K表函數(shù)舉例：二階生態(tài)系統(tǒng)的SD模型

AXDM·K=HZS·K/HZRCHZR=10000∥株∥

94

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)三、DYNAMO函數(shù)簡單疾病蔓延問題的SD部分流(程)圖延遲是信息反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中頗為重要的一個(gè)角色，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)高度非線性的重要原因之一。(1)物質(zhì)延遲。例：簡單疾病蔓延問題的SD模型2、延遲函數(shù)圖中虛線框內(nèi)部分結(jié)構(gòu)的DYNAMO方程如下:LINC·K=INC·J+DT*(INF·JK-SYMP·JK)NINC=TSS*INF∥TSS為潛伏期,如流感的TSS=3天∥CTSS=3RSYMP·KL=INC·K/TSS95

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)2、延遲函數(shù)（物質(zhì)延遲）一階物質(zhì)延遲環(huán)節(jié)及其函數(shù)結(jié)構(gòu)例圖細(xì)分后的疾病蔓延SD流(程)圖三階物質(zhì)延遲環(huán)節(jié)及其函數(shù)結(jié)構(gòu)例圖96

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)2、延遲函數(shù)信息平滑函數(shù)的結(jié)構(gòu)簡圖(2)信息平滑及延遲。在生產(chǎn)經(jīng)營管理等實(shí)際問題中,能否獲得真實(shí)、可靠且能充分說明問題的信息,是決策成敗的關(guān)鍵。決策者總是力圖從銷售信息中排除隨機(jī)因素,找出真實(shí)的趨勢。換言之,對銷售信息可求其在一段時(shí)間內(nèi)的平均值。這種“平均”與“平滑”的處理方式在SD中可通過信息平滑或延遲函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。DYNAMO方程如下:A

SVAR·K=SMOOTH(VAR·K,STIME)以上各變量的含義如下:VAR:待平滑變量,可以是L、R或A變量。SVAR:VAR平滑變量。SRATE:平滑速率。STIME:平滑時(shí)間(變量VAR經(jīng)積累達(dá)到指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均值所需的時(shí)間)。97

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)2、延遲函數(shù)（信息平滑延遲）信息平滑函數(shù)功能示意圖三階信息延遲形成示意圖98

第三節(jié)基本反饋回路的DYNAMO仿真分析及DYNAMO函數(shù)三、DYNAMO函數(shù)數(shù)學(xué)函數(shù)——SQRT、SIN、COS、EXP、LOGN邏輯函數(shù)——MAX、MIN、CLIP、SWITCH測試函數(shù)——STEP(階躍)、RAMP(斜坡)、PULSE(脈沖)、SIN(正弦)、NOISE(噪聲)3、其他函數(shù)庫存(控制)系統(tǒng)的SD結(jié)構(gòu)模型第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

Vensim仿真軟件(簡稱Vensim)由Ventana公司開發(fā)，是一個(gè)界面友好、操作簡單、功能性強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真平臺(tái)，可以幫助用戶理解系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本原理和方法。Vensim具有圖形化的建模功能，用戶可以通過軟件定義一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)并將之存檔，同時(shí)建立模型，進(jìn)行仿真分析。

Vensim的主要操作步驟包括：模型基礎(chǔ)設(shè)定→因果關(guān)系圖繪制與分析→流圖繪制→模型方程及參數(shù)設(shè)置→系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析。99一、軟件簡介第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

Vensim的操作界面包括一個(gè)工作區(qū)以及一系列其他工具。打開軟件后的主窗口即為工作區(qū)，包括標(biāo)題欄、菜單、工具欄以及具體分析工具。當(dāng)打開一個(gè)模型時(shí)，繪圖工具和狀態(tài)欄也會(huì)出現(xiàn)。模型的基本設(shè)定在操作界面上方的“Model”選項(xiàng)卡中，可以通過這些選項(xiàng)進(jìn)行模型構(gòu)建前的預(yù)設(shè)置與構(gòu)建后的檢查。100二、軟件操作界面模型選項(xiàng)界面模型運(yùn)行界面第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

Vensim的因果關(guān)系圖與流圖繪制界面如下圖左所示，結(jié)果輸出界面如下圖右所示。101二、軟件操作界面因果關(guān)系圖與流圖的繪制界面結(jié)果輸出界面第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

在Vensim中,系統(tǒng)變量之間通過箭頭建立起因果關(guān)系，因果關(guān)系圖中的箭頭由原因變量指向結(jié)果變量，“+”為正相關(guān)，“-”為負(fù)相關(guān)。若反饋回路包含偶數(shù)個(gè)負(fù)因果鏈，則極性為正，若包含奇數(shù)個(gè)負(fù)因果鏈，則極性為正。在構(gòu)建完整的因果關(guān)系圖后,可以展示任意變量的邏輯結(jié)構(gòu)。Vensim提供了三種分析工具分析因果循環(huán)中的邏輯結(jié)構(gòu):(1)CausesTree——原因樹，用樹狀圖表示導(dǎo)致工作變量變化的原因(2)UsesTree——結(jié)果樹，用樹狀圖表示工作變量影響的結(jié)果(3)Loops——經(jīng)過工作變量的反饋回路102三、軟件基本功能模塊1、因果關(guān)系圖第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

流圖中的變量類型包括水平變量、流率變量、輔助變量和常量。

流圖的繪制首先需要將變量分類，然后按照從存量(選擇“BoxVariable”)→流量(選擇“Rate”)→輔助變量(選擇“Variable”)的順序在“Build”窗口定義變量。根據(jù)因果關(guān)系圖，用箭頭線將變量連接。圖形可以用多種形式表示，一般狀況下，矩形為水平變量，變量名寫在矩形框內(nèi)；流率變量用明確命名的速率管道表示；輔助變量或常量僅顯示變量名。103三、軟件基本功能模塊2、流圖第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

流參數(shù)與方程設(shè)定的主要步驟包括：模型方程與參數(shù)的信息整理(變量、參數(shù)間的關(guān)系式、參數(shù)取值、單位)→利用Equations編輯方程式→模型檢查(模型語法檢查:Model>CheckModel,若正確,顯示“ModelisOK.”;參數(shù)/變量單位檢查:Model>UnitsCheck,若正確,顯示“UnitsareOK.”)104三、軟件基本功能模塊3、模型方程及參數(shù)4、運(yùn)行結(jié)果

模型構(gòu)建完成后運(yùn)行，通過Vensim左側(cè)的輸出選項(xiàng)，首先能夠得到系統(tǒng)內(nèi)部各變量的變化趨勢圖，以此作為預(yù)測分析的依據(jù)或后續(xù)情景分析的基準(zhǔn)。其次可以針對某一常量進(jìn)行敏感性分析，主要通過手動(dòng)設(shè)置（輸入?yún)?shù)值）與自動(dòng)設(shè)置（滑動(dòng)參數(shù)條）兩種方式實(shí)現(xiàn)。第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

首先需要對時(shí)間變量進(jìn)行設(shè)定，在“ModelSettings”界面中對系統(tǒng)仿真的初始時(shí)間、終止時(shí)間、時(shí)間步長與時(shí)間單位進(jìn)行設(shè)定。105四、應(yīng)用舉例1、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)模型設(shè)置界面第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

其次，構(gòu)建儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)因果關(guān)系圖。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)基礎(chǔ)理論，利率決定利息，利息與儲(chǔ)蓄為正相關(guān)關(guān)系，隨著儲(chǔ)蓄的增加，利息也會(huì)進(jìn)一步增加，形成一個(gè)正反饋回路；儲(chǔ)蓄的增加會(huì)降低勞動(dòng)投入，勞動(dòng)投入與收入正相關(guān)，一般來講，收入越高則儲(chǔ)蓄越高，因此形成一個(gè)負(fù)反饋回路。同時(shí)，選擇“CausesTree”或“UsesTree”來展示該變量的原因樹與結(jié)果樹。1061、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)因果關(guān)系圖結(jié)果樹原因樹第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介將因果關(guān)系圖轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)流圖。先選擇添加“BoxVariable”并命名為儲(chǔ)蓄，此時(shí)儲(chǔ)蓄成為一個(gè)水平變量(即存量)。然后添加“Rate”變量，命名為利息并指向儲(chǔ)蓄，以此構(gòu)成流率變量(即流量)。利息的數(shù)值變動(dòng)直接決定了儲(chǔ)蓄的多少，而利率作為一個(gè)常量影響利息的大小，因此添加“Variable”并命名為利率,用箭頭將其與流率變量連接。隨著儲(chǔ)蓄的增加，利息總額也在不斷增加，因此同樣需要添加一個(gè)由儲(chǔ)蓄指向利息的箭頭。1071、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)利息-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)流圖第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

通過“Equations”選項(xiàng)對系統(tǒng)中各個(gè)變量進(jìn)行賦值。儲(chǔ)蓄的計(jì)算是在初始值100的基礎(chǔ)上對利息進(jìn)行積分,而利息的計(jì)算是儲(chǔ)蓄總額乘以利率,暫時(shí)將利率設(shè)定為5%的常量。(1)水平變量方程L：儲(chǔ)蓄=INTEG(利息,初始儲(chǔ)蓄額)，初始儲(chǔ)蓄額=100，單位:元。(INTEG為Vensim軟件中的積分函數(shù))(2)流率變量方程R，包括水平變量的乘積式：利息=儲(chǔ)蓄*利率，單位：元/年。(3)常量方程C：利率=0.05。1081、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)利息-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)變量方程設(shè)定第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介針對常量利率進(jìn)行敏感性分析。對利率這一常量進(jìn)行多次賦值，將利率分別設(shè)置為“常規(guī)利率=0.05，低利率=0.04，高利率=0.06”，進(jìn)而得出三條模擬曲線。1091、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)利息-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)敏感性分析:參數(shù)設(shè)置利息-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)敏感性分析:結(jié)果輸出第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介運(yùn)用同樣的方法可以對決定儲(chǔ)蓄的另一條因果回路進(jìn)行仿真。根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，儲(chǔ)蓄與收入之間往往存在一個(gè)相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換率，即固定比例的收入會(huì)被轉(zhuǎn)化為當(dāng)期的儲(chǔ)蓄額，其余則用于消費(fèi)。因此，本例假設(shè)儲(chǔ)蓄率為0.2。

工作努力程度是收入的重要影響因素，該指標(biāo)有許多衡量方式，出于操作的簡便性,本例僅將工作努力程度界定為每月的工作天數(shù)，初始天數(shù)為每月工作30天，每日收入為固定的100元。此外，該因果回路一個(gè)明顯的特征是存在一條負(fù)向因果鏈，即隨著儲(chǔ)蓄的累積，人們逐漸出現(xiàn)怠惰心態(tài)，對于閑暇的偏好逐漸替代對于工作的偏好，進(jìn)而導(dǎo)致收入下降。1101、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理對儲(chǔ)蓄與收入之間的關(guān)系進(jìn)行界定并轉(zhuǎn)化為方程：(1)水平變量方程L：儲(chǔ)蓄=INTEG(收入*0.2,初始儲(chǔ)蓄額)，初始儲(chǔ)蓄額=0，單位:元。2)流率變量方程R，包括水平變量的乘積式：收入=工作努力程度*100,單位:元/月。3)輔助變量方程A：工作努力程度=withLookup(儲(chǔ)蓄)([(0,0)-(200000,30)],(10000,30),(30000,20),(50000,10),(100000,0))，單位：日/月。1111、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)收入-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)流圖第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介1121、儲(chǔ)蓄-積累系統(tǒng)收入-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)變量方程設(shè)定收入-儲(chǔ)蓄系統(tǒng)模型運(yùn)行結(jié)果從工作努力程度與收入的角度考量儲(chǔ)蓄的積累時(shí)，整體的因果關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)反饋回路，儲(chǔ)蓄不再隨時(shí)間呈指數(shù)增長，而是存在“尋的”的趨勢——儲(chǔ)蓄依然不斷累計(jì)，但增加速度遞減。第四節(jié)Vensim仿真軟件使用簡介

研究發(fā)現(xiàn)，零售商往往根據(jù)對歷史和現(xiàn)實(shí)銷售情況的預(yù)測，確定一個(gè)較客觀的訂貨量，但為了能應(yīng)付客戶需求增加的變化，他們通常會(huì)將預(yù)測訂貨量進(jìn)行一定的放大后向批發(fā)商訂貨，而批發(fā)商也出于同樣的考慮，會(huì)在其訂貨量的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一定的放大后向分銷中心訂貨。就這樣，雖然顧客需求量并沒有大的波動(dòng)，但經(jīng)過零售商、批發(fā)商和分銷中心的訂貨放大后