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系统动力学研究综述


系统动力学研究综述
摘要
本文首先对系统动力学进行简要概述,并回顾其在国外和国内的发展历程。 其次通过对文献综述的方式, 对系统动力学的研究领域进行梳理和罗列,并且介 绍了系统动力学的研究成果和应用情况。 本文的目的在于对系统动力学的发展和 应用进行清洗明确的概括的, 增进系统动力学的了解, 并表述其目前的发展趋势。

关键词:系统动力学、综述、应用现状、研究成果

一、引言
系统动力学自创立以来, 其理论、 方法和工具不断完善, 应用范围不断拓展, 在解决经济、社会、环境、生态、能源、农业、工业、军事等诸多领域的复杂问 题中发挥了重要作用。 随着现代社会复杂性、 动态性、 多变性等问题的逐步加剧, 更加需要类似系统动力学这样的方法,综合系统论、控制论、信息论等,并于经 济学、 管理学交叉, 使人们清晰认识和深入处理产生于现代社会的非线性和时变 现象,做出长期的、动态的、战略的分析和研究。这位系统动力学方法的进一步 发展提供了广阔的平台,也为深入研究系统动力学的应用提供了机遇和挑战。 为此,本文从系统动力学的研究与应用现状着手,通过总结和分析当前系统 动力学的应用情况, 探寻系统动力学未来的应用前景和方向,希望能促进系统动 力学方法在现代社会中的广泛应用。

二、系统动力学概述
系统动力学(System Dynamics,简称 SD)起源于控制论。自 Wienes 在 40 年代建立控制论以来,随着现代工业与科学技术的日益发展,控制论的概念、领 域和工具也得以拓展。 五十年代初, 中国把自动控制理论翻译为 “自动调节原理” 。 苏联的 B.B. COJIOJIOBHNKOB 教授,在研究有关随即控制问题时,引入“系统动 力学”的概念。钱学森先生结合龚恒问题,编著了《工程控制论》 ,也阐述了系 统动力学的有关问题。苏联与后总共对系统动学的研究,是针对工程技术问题, 限于自然科学领域。 美国在 50 年代后期, 在系统动力学方面取得了很大的突破。
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JW Forrester 等发表了一系列关于 SD 方面的论文,使它的应用不限于工程技术, 而是拓展到工业、经济、管理、生态、医药等各个领域,并出现了五花八门的各 种动力学。 系统动力学适用于处理长期性和周期性的问题,适用于研究数据不足的问题, 适用于处理精度要求不高的复杂的社会经济问题,强调有条件预测,对预测未来 提供新的手段。 系统动力学为解决复杂问题提供了新的方法,随着其理论越来越 成熟, 系统动力学的应用从最初研究全球性的发展战略的世界动力学模型,到研 究国家政治、经济、军事以及对外关系的国家动力学模型,再到研究城市发展战 略的城市动力学模型, 研究特定区域的发展战略的区域动力学模型,研究工业企 业发展战略的工业动力学模型, 研究疾病发生,发展及防治策略的医疗动力学模 型等,到目前为止,系统动力学的系统论、控制论、信号论的基础上,借助信息 处理和计算机仿真技术在国内外研究复杂系统随时间推移而产生的行为模式上 得到了广泛的应用。

三、 系统动力学在国内外的发展
3.1 系统动力学在国外的发展 1956 年,美国麻省理工 Forrester 教授创立了系统动力学(简称 SD)方法, 并于 1958 年在《哈弗商业评论》上发表了奠基之作。系统动力学在二十世纪七 八十年代获得迅猛发展,并且臻至成熟,九十年代至今是广泛应用与传播阶段, 系统动力学在一系列社会经济系统问题的研究中取得了令人瞩目的成果。 系统动力学在创立之初称为“工业动力学” ,主要应用于企业管理领域,解 决如原材料供应、生产、库存、销售、市场等问题。1961 年出版的《工业动力 学》 ,是这一时期的经典代表作。20 世纪 60 年代,系统动力学应用范围逐步扩 大,其中最著名的是 Forrester 教授应用系统动力学从宏观层面研究城市的兴衰 问题,并于 1969 年出版了《城市动力学》 。此后,城市动力学模型被 Mass, Schroeder 等,Alfeld 等不断扩展和完善。此外,系统动力学还应用与研究人、自 然资源、生态资源、经济、社会相互关系的模型中,如“捕食者和被捕者”关系 模型、 “吸毒和范围”关系模型等。显然,系统动力学的应用范围已超越“工业 动力学” 的范畴, 几乎遍及各类系统, 深入各个领域, 因此更名为 “系统动力学” 。 1970 年, 以 Mdadows 教授为首的美国国家研究小组 使用系统动力学研究世
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界模型,并于 1972 年发布了世界模型的研究结果《增长的极限》 。它从人口、工 业、污染、粮食生产和资源消耗等全球因素出发,建立了全球分析模型,其结论 在世界范围内引起了巨大震动,被西方一些媒体称为“70 年代的爆炸性杰作” 。 此后, 系统动力学作为研究复杂系统的有效方法, 被越来越多的研究人员所采用。 到了 20 世纪 90 年代,系统动力学开始在世界范围内广泛地传播和应用,获 得了许多新的发展。 系统动力学加强了与控制理论、 系统科学、 结构稳定性分析、 灵敏度分析、参数估计、最优化技术应用等方面的联系。 许多学者也纷纷采用系统动力学方法来研究社会问题,设计到项目管理、能 源、交通、物流、生态、环境、医疗、财务、城市、人口等广泛的领域。相应的 研究至今依然层出不穷。 3.2 系统动力学在中国的发展 20 世纪 70 年代末系统动力学引入我国。1986 年我国成立系统动力学学会筹 委会,1990 年正式成立国际系统动力学学会中国分会,1993 年正式成立中国系 统工程学会系统动力学专业委员会。在 30 多年的时间里,系统动力学经过诸多 学者的积极倡导和潜心研究,取得了飞跃发展。 至今,国内系统动力学应用领域几乎涉及人类社会与自然科学的所有领域。 其中,水土资源/环境/农业/生态环境,宏观/区域经济/可持续发展/城市规划领 域, 能源/矿藏及其安全领域, 物流/供应链/库存领域, 企业/战略/创新管理领域, 金融/财务/保险/信用领域,交通/运输/调度领域,公共安全/行政管理领域,教 育/教学领域等,是系统动力学应用研究最热门的领域。

四、 国内外系统动力学研究现状
4.1 系统动力学理论研究现状 基础理论:反馈理论、控制理论、控制论、信息论、非线性系统理论、大系 统理论和正在发展中的系统学。 技术理论: (1) 系统的结构与功能、 行为的关系 (包括系统的震荡、 非平衡、 推按现象的内在机制、主回路判别等) ; (2)SD 的建模问题(包括模型的简化、 模型阶数降阶、模型参数估计、通用的模型基本单元、噪声对模型的影响、不确 定性分析、风险与可靠性分析、混合建模等) ; (3)模型的检验与模型的新信度; (4)SD 模型与行为优化问题(包括政策参数优化、系统结构优化。系统边界优
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化等) ; (5)复杂网络与 SD 的关系; (6)SD 与系统的复杂性、复杂性科学的理 论研究等。 4.2 系统动力学方法研究现状 SD 的方法论是系统方法论, 是将所研究对象置于系统的形式中加以考察。 目 前对于 SD 方法方面的研究基本集中在见面方法上, 如因果与相互关系回路图法、 流图法、图解分析法流率基本入树建模法、反馈环计算法等系统、分析、综合与 推理的方法。 4.3 系统动力学应用研究现状 社会、经济、产业问题方面的应用:Chin-Huang Lin 等(2006)考虑四个重 要的工业竞争因素(人力资源、技术、资金、市场流动)建立了系统动力模型, 分析了产业集群效应;徐久平等(2011)集成系统动力学与模糊多变规划建立模 型(SD-FMOP) ,采用遗传算法求解,分析煤炭产业系统复杂相互作用,用以辅 助政府部门决策;贺彩霞等(2009)利用系统动力学方法的因果反馈你,对区域 社会经济发展模式的特点与原来进行了系统分析, 并解并结合现代社会及经济发 展的特点,建立了符合中国发展情况的区域社会经济系统的系统动力学模型。 区域与城市发展方面的应用:Moonseo Park 等(2011)考虑服务设施、教育 福利、企业结构、住宅、城市吸引力等五个因素,建立系统动力学模型,分析自 给自足型城市发展政策的影响;Cheng Qi(2011)考虑气候变化,经济发展,人 口的增长和迁移和消费者行为模式的相关因素等建立了城市市政用水预测系统 动力学模型, 以反映水的需求和宏观经济环境之间的内在关系,用样本估计长期 在一个快速发展的城市地区的市政供水需求预测。 可持续发展方面的应用:Wei Jin 等(2009)建立了生态足迹(EF)系统动力 学,发展动态的 EF 预测框架,并提供一个平台,以支持改善城市可持续发展决 策;Qiping Shen 等(2009)建立了可持续的土地利用和香港城市发展的系统动 力学模型,包括人口、经济、住房、交通和城市开发的土地五个子系统,提供了 一个模拟足够长的时间来观察和研究“限制增长”的模型,观察对香港的发展潜 力影响, 模拟结果直接比较各项政策和决定所带来的不同的动态结果,从而实现 土地可持续利用的目标;宋学峰、刘耀斌(2006)根据城市化和生态环境耦合内 涵,在 ISM 和 SD 方法的支持下,建立了江苏省城市化与生态环境系统动力学模
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型, 并选取五种典型的耦合发展模式进行情境模拟,得出分阶段和分地域的推进 人口城市化发展模式和社会城市化发展模型,可以实现该省人口、经济、城市化 和生态环境协调发展的目的;侯剑(2010)分析了港口经济可持续发展的动态机 制, 并建立了港口经济可持续发展的系统动力学模型, 分析模拟了结果; 刘静华、 贾仁安等(2011)通过对德邦牧业实地发展进行深入分析,创建系统动力学三步 定点赋权反馈图的管理对策生成法。 企业管理、项目管理方面的应用。P.E.D.love 等(2002)介绍了如何更改(动 态的昨天或效果) 可能会影响项目管理系统, 采用个案研究和系统动力学的方法, 来观察影响项目主要性能的因素。Sang Hyun Lee 等(2006)介绍了系统的动态 规划和控制方法(DPM) ,提出一个新的建模框架,将系统动力学与基于网络的 工具结合,把系统动力学作为一个战略项目管理和基于网络的工具;胡斌、章德 宾(2006)等从系统动力学角度研究企业生命周期变化中不同因素的影响,分析 企业成长过程和主要影响之后,建立 SD 模型,有效模拟了企业生命周期的演化 过程,为管理者进行企业组织管理提供决策支持;齐丽云(2008)引入系统动力 学的相关概念和理论, 对企业内部的知识传播进行量化模型构建,提出三个量化 模型, 模拟得出企业可以通过适当调整一些因素得以所期望的知识接受者的知识 势能曲线;蒋春燕(2011)以系统动力学为基础,提出突破这两种陷阱的路径: 一是通过知识存量、 企业特定的不确定性和绩效差距动态结合探索式与利用式学 习;二是系统的考察中国新兴企业两种重要的资源(社会资本和企业家精神)对 探索式与利用式学习的动态关系产生的影响。

五、 系统动力学研究成果
通过文献回顾与总结发现,系统动力学的研究主要是加强同数学、系统学和 控制学的联系,包含应用其中的随即理论、大摄动理论、状态空间理论、系统辨 识等内容。本文主要介绍几点代表性的结果。 系统动力学学与马尔科夫过程。近些年来,许多系统动力学模型都可以转化 为马尔科夫过程模拟, 由此, 可以充分利用数学中对马氏过程较为成熟的研究成 果,应用到系统动力学模型上来。 使用计算机辅助设计来建立 SD 模型。SD 方法的应用,愈来愈广泛与复杂, 特别是应用于经济社会系统时, 没有一种系统化与规则化的建模方法,因此造成
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许多困难。许多人研究在采用数学建模时,并采用计算机辅助设计,这样便增加 了建模的准确性,这方面工作著名的是 JR Burns。他采用数学中的图论的方法, 结合计算机辅助设计,得以确定 SD 模型,并进行仿真。 稳定性和灵敏度分析。建立模型总希望它有良好的结构和满意的参数。灵敏 度分析是研究系统的行为模式如何以来于模型结构、初态选择、参数变化等,对 灵敏度研究多采用计算机仿真,基准轨迹线性化,Monte Carlo、图论等方法。稳 定性分析使用了分叉理论或大摄动理论,A Brasdhaw 和 D Daintith 用状态空间法 讨论稳定性,并且应用了线性多变量系统的理论进行分析。 参数辨识和控制。为了避免模型的不准确性或错误,建模过程常常要对系统 中的参数进行估计,J A Sharp 和 C J Stewart 提出用 Kalman 滤波和轨迹辨识两种 方法。 有关系统动力学的研究, 还有对整个 SD 模型的评价问题, 仿真的误差分析, 模型可靠性和价值等方面,这些研究有待进一步深入。

六、 结语
为了促进系统动力学方法的深入研究和广泛应用,本文综述了系统动力学的 主要研究成果, 讨论了系统动力学方法的应用方向。系统动力学作为一种系统的 科学分析方法, 实践证明其在各种领域的应用研究效果显著,在很多领域都具有 很高的应用价值。 所以要不停的探索和推动系统动力学在更广泛领域的应用,使 其在科学研究和人类社会的发展中发挥更大的作用。

文献综述:
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