13system动力学方法.ppt

§13 系统动力学方法 主讲人：王喜 §13 系统动力学方法 系统动力学基本原理与方法简介 两个应用研究实例 概 述 系统动力学(System Dynamics)，是美国麻省理工学院福瑞斯特(Jay W．Forrester)教授首创的一种运用结构、功能、历史相结合的系统仿真方法，它通过建立DYNAMO模型并借助于计算机仿真，定量地研究高阶次、非线性、多重反馈、复杂时变系统的系统分析技术。目前，这一技术已被广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域。系统动力学方法是地理系统仿真常用的方法之一。本章将结合有关实例，介绍和探讨系统动力学方法在地理学中的应用。 1. 系统动力学基本原理与方法简介 系统动力学的基本观点 系统动力学关于系统的基本观点 系统动力学关于系统特性的基本观点 系统动力学解决问题的过程与步骤 系统分析 构建模型 模型的模拟与评估 2.两个应用研究实例 实例之一：甘肃省两西地区扶贫开发移民对策的系统动力学仿真研究 实例之二：绿洲型城市生态经济系统可持续发展仿真研究 结 束 放 映 谢 谢！ ①系统组成 单元：系统存在的现实基础。 信息：在系统中发挥着关键的作用。 单元的运动：形成系统统一的行为与功能。 赖以信息的单元形成系统的结构，系统是结构与功能的统一体，范围与规模可大可小，种类多样。 ②系统结构 系统结构：指组成系统的各个单元之间相互作用与 相互关系的秩序。在系统动力学中，系统的基本单元是反馈回路。 反馈回路：反馈回路是耦合系统的状态、速 率(或称行为)与信息的一条回路。 反馈的分类：正反馈和负反馈。正反馈的特点是能够产生自我强化的作用机制，负反馈的特点则是能够产生自我抑制的作用机制。 ①系统的一般特性 总体性与相关性： 系统的层次与等级 系统的类似性 ②关于复杂系统的特性 反直观性 对变动参数的不敏感性 长短期效果的矛盾性 ①了解问题 。 ②分析系统的基本问题与主要问题，基本矛盾与主要矛盾，以及矛盾的主要方面，等等。 ③初步划定系统的边界，确定内生变量、外生变量和输入变量。 ④确定系统行为的参考模式。 ⑤调查、收集有关资料。 ①分析系统结构。 研究系统及其组成部分之间的相互关系，系统中的主要变量与其它有关变量之间的关系，分析系统的结构。为了使建模工作一开始就能把握整个研究过程的方向，首先要分析系统整体与局部的关系，然后分析变量与变量之间的关系(正关系、负关系、无关系)，最后把这些关系转绘成反映系统结构的因果关系图和流图。 因果关系图，是反映变量与变量之间因果关系的示意图。 ②建立DYNAMO方程 建立系统动力学的仿真模型——DYNAMO方程式 ，主要有六种方程，其标志符号分别为： L 状态变量方程 R 速率方程 A 辅助方程 C 赋值予常数 T 赋值予表函数中Y坐标 N 计算初始值 C，T与N方程都是为模型提供参数值的，并且在同一次模拟中保持不变。L是积累方程，R与A是代数运算方程。 根据研究的目的，设计不同的方案，运用模型进行模拟运算，对真实系统进行仿真。对模型的真实性和有效性检验也是系统动力学仿真研究工作中一个十分重要的环节。主要包括如下四个方面 ①模型结构适合性检验 量纲检验。各变量必须有正确的量纲，而且各个方程式左右两端的量纲必须相同。 方程式极端条件的检验。每一个方程式在变量可能变化的极端条件下是否仍有意义。 模型边界检验。所包含的变量与反馈回路是否足以描述所面向的问题和是否符合预定的研究目的。 A)状态方程。在DYNAMO模型中，计算状态变量的方程称为状态方程，也称为积累方程，其基本形式为： B)速率方程。在状态变量方程中，代表输入(INFLOW)与输出(OUTFLOW)的变量称为速率变量，计算速率变量的代数方程称为速率方程。例人口数量(状态变量)的输入速率(出生率)方程可以写成： C)辅助方程。附加的代数运算方程称为辅助方程。“辅助”即帮助建立速率方程。一般而言，辅助方程没有统一的标准格式，但是其下标总是K。辅助变量的值可由现在时刻的其它变量和常量求得。例土地占用率LFO的辅助方程式可以写成： LFO：土地占用率(hm2/a)；BLDNGS：新建建筑物(座/a)，LPB：平均每座建筑物占用土地(hm2/座)；BIRTHS：每年新增人口数(人/a)；PBL：人均占用建筑物(座/人)。 一般先按照各子块(子系统)书写，书写顺序一般沿流图按顺时针方向进行。 ③参数的确定与赋值 DYNAMO模型中的参数，主要有表函数、初始值、常数、转换系数、调节时间与参考数值等。在运用DYNAMO模型对真实系统进行模拟之前，