系統(tǒng)動力學（王其藩1994修改版）

1、系統(tǒng)動力學普通高等教育管理工程類規(guī)劃教材 系統(tǒng)動力學（修訂版） 王其藩頁數(shù):289出版日期:1994年10月第2版，清華大學出版社第一章 系統(tǒng)動力學概論1.1 系統(tǒng)動力學及其發(fā)展簡史 什么是系統(tǒng)動力學 系統(tǒng)動力學(System Dynamics)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學科，也是一門認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題交叉的綜合性的新學科。它是系統(tǒng)科學相管理科學中的一個分支，它也是一門溝通自然科學和社會科學等領域的橫向?qū)W科。 系統(tǒng)動力學理論的基本點鮮明地表明了它的唯物的系統(tǒng)辯證的特征。它強調(diào)系統(tǒng)、整體的觀點和聯(lián)系、發(fā)展、運動的觀點。 從系統(tǒng)方法論來說，系統(tǒng)動力學的方法是結(jié)構(gòu)方法、功能方法和歷史方法的

2、統(tǒng)一。 系統(tǒng)動力學研究處理復雜系統(tǒng)問題的方法是定性與定量結(jié)合，系統(tǒng)綜合推理的方法。按照系統(tǒng)動力學的理論與方法建立的模型，借助計算機模擬可以用于定性與定量地研究系統(tǒng)問題。 系統(tǒng)動力學的模型模擬是一種結(jié)構(gòu)功能的模擬。它最適用于研究復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與行為之間動態(tài)的辯證對立統(tǒng)一關系。 系統(tǒng)動力學認為，系統(tǒng)的行為模式與特性主要地取決于其內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)與反饋機制。 由于非線性因家的作用，商階次復雜時變系統(tǒng)往往表現(xiàn)出反直觀的、千姿百態(tài)的動力學特性，已引起人們的重視。系統(tǒng)動力學正是這樣一門可用于分析研究社會、經(jīng)濟、生態(tài)和生物等一類復雜大系統(tǒng)問題的學科。 系統(tǒng)動力學模型可作為實際系統(tǒng)特別是社會、經(jīng)濟、生態(tài)復

3、雜大系統(tǒng)的“實驗室”。系統(tǒng)動力學的建模過程就是一個學習、調(diào)查研究的過程，模型的主要功用在于向人們提供一個進行學習與政策分析的工具，并使決策群體或整個組織逐步成為一種學習型和創(chuàng)造型的組織。 國內(nèi)外系統(tǒng)動力學發(fā)展動向 (1)歷史的回顧 系統(tǒng)動力學的出現(xiàn)始于1956年，創(chuàng)始人為美國麻省理工學院(MI T)福瑞斯特(Jay WForrester)教授。50年代后期，系統(tǒng)動力學逐步發(fā)展成為一門新的領域。初期它主要應用于工業(yè)企業(yè)管理，處理諸如生產(chǎn)與雇員情況的波動，市場股票與市場增長的不穩(wěn)定性等問題。此學科早期的稱呼“工業(yè)動力學”即因此而得名。爾后，系統(tǒng)動力學的應用范圍日益擴大，從民用到軍用；從科研、設計工

4、作的管理到城市擺脫停滯與衰退的決策，從世界面臨人口指數(shù)式增長的威脅與資源儲量日趨殆盡的危機到檢驗糖尿病的病理假設；從吸毒到犯罪問題?？傊鋺脦缀醣榧案黝愊到y(tǒng)，深入到各種領域。顯然此學科的應用已遠遠超越“工業(yè)動力學”的范疇，所以改稱為“系統(tǒng)動力學”。 在60年代一批代表這一階段的理論與應用研究成果與水平的論著問世。稻瑞斯持教授發(fā)表于1961年的工業(yè)動力學(Industrial Dynamics)已成為本學科的經(jīng)典著作。它闡明了系統(tǒng)動力學的原理與典型應用。系統(tǒng)原理(Principles of Sytems，1968)一書側(cè)重介紹系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。城市動力學(Urban Dynamics，1969

5、)則總結(jié)了美國城市興衰問題的理論與應用研究的成果。 可以認為，這一階段是系統(tǒng)動力學成長的重要時期。它經(jīng)過最初15年的發(fā)展后，在理論與應用兩方面為其在70一80年代的壯大與成熟奠定了堅實雄厚的基礎。 (2)70年代以來的壯大與成熟 這是系統(tǒng)動力學經(jīng)歷兩次嚴峻的挑戰(zhàn)走向世界，進入蓬勃發(fā)展的時期。 第一次挑戰(zhàn)。70年代韌，擁有來自26個國家75名科學家的羅馬俱樂部(The Club of Rome)困惑于世界面臨人口增長與資源日漸枯竭的前景。鑒于當時一些慣用的工具難能勝任對此復雜問題的研究，于是他們轉(zhuǎn)向寄希望于系統(tǒng)動力學方法。在1970午6、7月問，經(jīng)過一個多月的醞釀和召開學習討論會，俱樂部的成員對

6、福瑞斯特教授提出的世界模型的雛型(World II)感到興趣并受到鼓舞。于是羅馬俱樂部決定提供財政支持，在麻省理工學院成立一個由福瑞斯特教授的學生梅多斯教授(Dennis Meadows)為首的國際研究小組，擔負世界模型的研究任務。這是系統(tǒng)動力學面臨的第一次嚴峻考驗與挑戰(zhàn)。作為最初的研究成果福瑞斯特教授以world II為基礎發(fā)表了世界動力學(World Dynamics，1971)，接著他指導下的小組先后發(fā)表了增長的限制(The Limits to Growth，Dennis Meadows et.a1，1972)，趨向全球的均衡(Toward Global Equilibrium，Denn

7、is Meadows et.al，1974)等著作闡述其研究成果world II和他們對未來世界發(fā)展的觀點。他們研究了世界范圍、，人口、自然資源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和污染諸因素的相互聯(lián)系、制約和作用以及其產(chǎn)生的后果的各種可能性。他們的基本觀點是：迄今世界范圍指數(shù)式增長的勢頭不能再持續(xù)下去，世界的發(fā)展將逐漸過渡到某種均衡發(fā)展的狀態(tài)，由于工業(yè)化伴隨來了人口膨脹、資源短缺和污染加劇因此從長遠的戰(zhàn)略觀點看，目前不發(fā)達國家按西方先進國家的模式所進行的工業(yè)化的努力未必是明智的。這些論著引起了一場令人矚目、曠日持久的論戰(zhàn)。關于這一場爭論學術(shù)上的是非問題，非本書之任務，僅在第十二章中略加介紹。簡單說來，縱觀那些眾多的

8、議論，在正常學術(shù)論爭中卻也夾雜著不少西方世界慣有的學派間的門戶之見，甚至無端的人身攻擊。這似乎是新興學科在西方國家發(fā)展過程中的普遍現(xiàn)象。然而可以說，系統(tǒng)動力學正是在這一番論戰(zhàn)中，加速壯大成熟起來的。 第二次挑戰(zhàn)后，在接受研究世界問題的挑戰(zhàn)不久，幾乎是在同一時期，福瑞斯持教授又主動地擊迎接研究美國全國模型的新挑戰(zhàn)。從1972年開始，他們先后在數(shù)十家企業(yè)公司、本國和外國的政府部門的財政資助下，幾乎傾其全組力量之半，歷時11年，約耗資600萬美元，完成了一個方程數(shù)達4000的全國系統(tǒng)動力學模型。該模型把美國的社會經(jīng)濟問題作為一個整體加以研究，解開了一些在經(jīng)濟方面長期存在的、令經(jīng)濟學家們困惑不解的疑團

9、，諸如，70年代以來通貨膨脹、失業(yè)率和實際利率同時增長等問題。其最有價值的研究成果還在于揭示了美國與西方國家經(jīng)濟長波(Long Wave)形成的內(nèi)在奧秘。他們的有關論述在意大利佛羅倫司(Florence)1983年10月的“長波、衰退與革新”的國際會議上受到重視。 總之，系統(tǒng)動力學37年來經(jīng)歷了成長、發(fā)展和逐漸成熟的各個時期。其理論與應用研究遍及各類系統(tǒng)涉及其他系統(tǒng)學科、各種學科與領域。在企業(yè)經(jīng)營管理方面的應用自50年代始經(jīng)久不衰，80年代初以來系統(tǒng)動力學與人工智能等新技術(shù)相結(jié)合，在進行新型管理思想研究、建立新型企業(yè)組織中發(fā)揮了重要作用。在過去的不同年代中，它還以60年代的城市動力學，70年代

10、的世界動力學相始于70年代韌，而得碩果于80年代的國家動力學與經(jīng)濟長波理論研究而聞名于世。80年代以來系統(tǒng)動力學在理論與應用研究兩方面都取得了飛躍性的進展，進入了比較成熟的階段。 (3)學術(shù)交流、教學、科研與人才培養(yǎng) 迄今，國際性的系統(tǒng)動力學與相關的專業(yè)學術(shù)會議已召開20余次。80年代以來每年出國際系統(tǒng)動力學學會主持召開年會，1987年由我國學者組織了該年的年會。國際學會主辦丁國際系統(tǒng)動力學評論等刊物。系統(tǒng)動力學學術(shù)界已發(fā)表的論文、專著與譯著數(shù)以干計。國際國內(nèi)著名的高等院校均設置了系統(tǒng)動力學課程，美國麻省理工學院與我國的夏旦大學設置了8門系列課程。在世界范圍里已培養(yǎng)了不少以該學科為主要研究方向

11、的博士、碩士研究生和本科生，他倆成為推動學科發(fā)展的重要力量。 系統(tǒng)動力學引進我國的歷史已逾十載，在理論與應用研究工作方面已取得引入矚日的成果，為我國開放、改革十年的社會主義建設作出了貢獻。這是我國數(shù)以干計的系統(tǒng)動力學工作者在各級領導與公眾的支持下，期質(zhì)業(yè)業(yè)共同努力奮個的結(jié)晶。還特別值得指出的是，在過去十年中，在我國已成長了一文人數(shù)逾兩干、老中育三結(jié)合、以中青年為主體，具有高中低三級的系統(tǒng)動力學教學科研人員隊伍。 從國際37年、國內(nèi)10年的學科發(fā)展史可見，系統(tǒng)動力學，無論是在理論還是在應用研究領城里都是一門十分有用的系統(tǒng)與管理學科。1.2 關于本書的使用說明 本書可作為高等院校教師、研究生及本科

12、生進行“系統(tǒng)動力學”課程的教學用書洞時可作為系統(tǒng)動力學、管理科學與系統(tǒng)科學研究人員和高級管理人員的參考讀物。 本書的內(nèi)容共計14章。第二、三、五、六、七、九章主要闡述系統(tǒng)動力學的理論、原理與方法。第四章介紹系統(tǒng)動力學的專用模擬語言DYNAMO，其中一至六節(jié)是基本的，第七節(jié)是高級DYNAMO。第八、十、十一、十二章討論構(gòu)思模型與建立方程的原則與技術(shù)，模型的調(diào)試與檢驗，并給出模型實例。第十三章討論如何應用模型進行決策分析。最后一章是對系統(tǒng)動力學的特點、最新發(fā)展與未來展望。 筆者建議讀者可根據(jù)自己的需要與要求按下列選讀本書的章節(jié)： 初學者且希望成為具有一定的系統(tǒng)動力學的理論與應用水平者，可系統(tǒng)地學習

13、全 書；已具有一定理論基礎，希望提高構(gòu)模、調(diào)試、檢驗與使用模型的能力者可選讀第八、十至十三章和第十四章； 只對系統(tǒng)動力學的基本理論、原理感興趣者可選讀第二、三、及五章； 對于具有初步理論基礎的模型使用者，可選讀第十三章； 對于已具有較強的理論基礎與實踐能力，希望了解如何提高系統(tǒng)動力學理論與應用研究水平者可選讀第七、九、十四章，及第四章的第七節(jié)高級DYNAMO。第二章 系統(tǒng)動力學理論的基本概念與構(gòu)模主要過程與步驟2.1系統(tǒng)、模擬與模型 什么是系統(tǒng) 系統(tǒng)動力學定義系統(tǒng)為：一個由相互區(qū)別、相互作用的各部分有機地聯(lián)結(jié)一起，為同一目的而完成某種功能的集合體。 此定義與系統(tǒng)論中對系統(tǒng)的定義是相同的。系統(tǒng)論

14、是系統(tǒng)動力學的基礎，因此，兩者對系統(tǒng)有相同的定義是不足為奇的。 從系統(tǒng)動力學的觀點看，一個系統(tǒng)包含物質(zhì)、信息和運動(可以包括人及其活動)三部分。系統(tǒng)動力學所研究的范圍可大可小。其種類可分為：天然的或人工的；社會的或工程的；經(jīng)濟的或政治的；心理學的、醫(yī)學的或生態(tài)的。 在我們周圍，系統(tǒng)比比皆是，例如電氣的、機械的、熱力學的、生物的、社會的、經(jīng)濟的，不勝枚舉。大的系統(tǒng)如天體運行系統(tǒng)；涉及資源、能源、人口、糧食、資產(chǎn)與工業(yè)化以及污染問題的全世界社會一經(jīng)濟一生態(tài)系統(tǒng)；一個國家或一個區(qū)域的社會一經(jīng)濟一生態(tài)相交通運輸系統(tǒng)，涉及企業(yè)建設、人口、就業(yè)、交通、住房與社會福利的城鎮(zhèn)系統(tǒng)等*小的系統(tǒng)諸如；進行生產(chǎn)銷售

15、產(chǎn)品，維持庫存啟用與辭退工人的企業(yè)經(jīng)營管理系統(tǒng)；包括有駕駛員(或無駕駛員)的機械、電子與液壓設備的航天飛行器、或飛機或船舶或汽車系統(tǒng)，房屋的供暖空調(diào)系統(tǒng)。再小一點(或許更為復雜)的系統(tǒng)如動物的心臟、肺和血液循環(huán)的供氧生理系統(tǒng)等等。212什么是模擬與模型 “模擬”的主要待點就是模仿、仿效真實的客觀事物和過程。 一般談及模擬總是涉及到某種模型或簡化的表達方式。模型是客觀存在的事物與系統(tǒng)的模仿、代表或替代物。它描述客觀事物與系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關系與法則。為了實現(xiàn)模擬，首先模型的結(jié)構(gòu)要仿效所要模擬的客觀事物的主要構(gòu)成部分。然后經(jīng)適當?shù)奶幚硎侄问鼓Ｐ惋@示出該客觀事物或過程的基本動態(tài)行為。模擬模型有許多種類

16、：腦力模型、物理模型、數(shù)學模型、計算韌。6型或者前述模型的組合。各類模型對客觀事物給予一定精確的描述。 所謂腦力模型是指人們頭腦中對客觀事物、周圍環(huán)境的認識、判斷與決策。 腦力模型往往是模糊的、不確定的、不完善的，其內(nèi)容是變動的。其隱含的假設難以鑒別，它們來源于何種信息與經(jīng)驗并不清楚，其來歷亦無法考證，腦力模型不易用來與他人溝通，也難于有效地控制與處理。當人們面臨復雜的系統(tǒng)與問題時，簡單直觀的腦力模型就無能為力了。這是因為人的思維能力不可能處理高階次、非線性、多回路的反饋系統(tǒng)。人們自發(fā)傾向于把一個復雜系統(tǒng)分割成子塊，分別從子塊得出局部結(jié)論；卻忽視了更重要的子塊間的相互作用與反饋作用。 借助物理

17、模型實現(xiàn)模擬是廣為采用的模擬方法。例如，微型化的河流模型(美國密西西比河模型就是一例)用于研究減少河水泛濫的措施。 物理模型固然是可行的研究手段，可惜往往成本高、難于控制、笨重不靈巧又不便使用。再則，某些系統(tǒng)如社會經(jīng)濟系統(tǒng)，既難于在實體上做實驗，亦無法用物理模型來做實驗。因此，人們通常寧愿采用數(shù)學模型。和物理模型不同，在數(shù)學模型中，不用具體的物理器件而是用數(shù)學符號與方程式描述系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的功能與彼此間的關系。用數(shù)學模型描述社會經(jīng)濟系統(tǒng)時，由于它的非線性與復雜性，根本不可能獲得解析解。求解此類系統(tǒng)的唯一出路就是借助一步步數(shù)值解的模擬技術(shù)，也就是按一定的時間間隔(例如，一秒鐘間隔)，一步步去計

18、算模型的方程式，從而獲得表示系統(tǒng)內(nèi)變量隨時間變化的模擬結(jié)果。即模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為，若上述計算是用手算進行，則顯而易見如此數(shù)學模型的模擬是極其繁瑣，成本很貴的。 自本世紀40年代以來，電子數(shù)字計算機模擬已取代手算模擬。在二次大戰(zhàn)期間，一些先行的科學家與工程師投身于能快速計算和滿足模擬要求的電子設備的研究上，于是電子數(shù)字計算機應運而生。隨著計算機的發(fā)展，其運算成本大約每的年降低半，據(jù)預料如此降低運算成本的速度至少能持續(xù)至本世紀90年代初。這一變化，意味著先前既希罕又昂貴的解決問題的模擬方法，如今已十分價廉，可以廣泛采用了。 目前計算機模擬技術(shù)已十分流行，廣泛地應用于物理科學、社會科學和經(jīng)濟領域中，

19、計算機模擬技術(shù)已用于研究分析各種有趣的重要的社會與經(jīng)濟問題。就世界模型而言，較知名的世界模型在70年代就出現(xiàn)了7個。分別采用系統(tǒng)動力學、投入與產(chǎn)出、計量經(jīng)濟學、最優(yōu)化方法、經(jīng)典經(jīng)濟理論以及混合方法建模。諸如美國福瑞斯特(Forrester)與梅多斯(Meadows)的世界模型WORLD I與II(197l，1972年，系統(tǒng)動力學方法)；荷蘭的漢斯(Hans)等的農(nóng)業(yè)國際關系模型MOIRA(1975年，計量經(jīng)濟學與最優(yōu)化方法)；日本Yoichikava等的全球未來依存關系模型FUGI(1977年，投入產(chǎn)出，最優(yōu)化，系統(tǒng)動力學混合方法)；和瓦斯利(wassily)等的聯(lián)合國世界模型(1977年，投

20、入產(chǎn)出方法)等。其中福瑞斯特與梅多斯的系統(tǒng)動力學模型最引人注目，論述這一研究成果的增長的限制(The Limits to Growth，1972)一書，是一本引起世界范圍廣泛討論與論爭的有關未來世界問題的論著。此書出版7個月后，國際應用系統(tǒng)分析協(xié)會(IIASA)誕生于倫敦。此協(xié)會的活動促進了后來的各種世界模型的研究，剛才提到的其余6個世界模型都是在它的歷屆會議上發(fā)表的。 系統(tǒng)動力學模型是按照系統(tǒng)動力學理論建立起來的數(shù)學模型，采用專用語言DYNAMO等，借助數(shù)字計算機進行模擬，以處理行為隨時間變化的系統(tǒng)的問題。2.2 反饋系統(tǒng) 什么是反饋在211中已給出了“系統(tǒng)”的定義，以更加精煉的語句來描述就

21、是“系統(tǒng)為相互作用諸單元的復合體”。系統(tǒng)內(nèi)同一單元或同一子塊其輸出與輸入間的關系稱為“反饋”。推而廣之，對整個系統(tǒng)而言，“反饋”則指系統(tǒng)輸出與來自外部環(huán)境的輸入的關系。反饋可以從單元或子塊或系統(tǒng)的輸出直接聯(lián)至其相應的輸入，也可以經(jīng)由媒介其他單元、子塊、甚至其他系統(tǒng)實現(xiàn)。 換言之所謂“反饋”就是信息的傳輸與回授。顧名思義，反饋的重點應在于“回授”即“反”字上。 順便指出，上述中所謂“輸入”系指相對于單元、子塊或系統(tǒng)的外部環(huán)境施加于它們本身的作用。而“輸出”則為系統(tǒng)狀態(tài)中能從外部直接測量的部分。 我們周圍的反饋現(xiàn)象出比皆是。比如，空調(diào)設備是人們所熟知的，為了維持室內(nèi)的溫度，需要由熱敏器件組成的溫度

22、繼電器與冷卻(或加熱)系統(tǒng)聯(lián)合運行。由前者擔負室內(nèi)溫度的檢測，并與給定的期望室溫加以比較，然后把信息饋送至控制器，使冷卻(或加熱)器的作用在最大與關停之間進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)按制室溫的目的。其中溫度繼電器就是反饋器件，上述的信息饋送過程就是信息反饋作用。反饋系統(tǒng)與反饋回路 (1)反饋系統(tǒng) 所謂反饋系統(tǒng)就是包含有反饋環(huán)節(jié)與其作用的系統(tǒng)。它要受系統(tǒng)本身的歷史行為的影響，把歷史行為的后果回授給系統(tǒng)本身，以影響未來的行為。 前節(jié)所介紹的空調(diào)設備就是這樣一個系統(tǒng)。溫度繼電器與冷卻器(或加熱器)、泵、送風機(或輻射器)等一起組成一個反饋系統(tǒng)。圖21描述了這一系統(tǒng)的反饋關系。 再如庫存控制系統(tǒng)，也是一個反饋系

23、統(tǒng)。發(fā)貨使庫存量減少，當庫存低于期望水平以下一定數(shù)值后，庫存管理人員即按預定的方針向生產(chǎn)部門訂貨，貨物經(jīng)一定延遲到達，然后使庫存量逐漸回升，其反饋關系如圖22所示。 上述庫存信息反饋調(diào)節(jié)過程可簡述如下：反映庫存當前水平的信息經(jīng)過訂貨與生產(chǎn)部門的傳遞最終又以來自生產(chǎn)部門的貨物的形式返回庫存。 (2)反饋回路 圖21與22給出的恒溫系統(tǒng)與庫存訂貨系統(tǒng)都是簡單的反饋系統(tǒng)。從圖中可知它們都形成閉合的回路(或稱環(huán))，稱之為反饋回路(或環(huán))?？梢?，反饋回路就是由一系列的因果與相互作用鏈組成的閉合回路或者說是由信息與動作構(gòu)成的閉合路徑。 (3)反饋回路和反饋系統(tǒng) 明確反饋系統(tǒng)的涵義后，可返回來再看一看什么是

24、反饋系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)就是相互聯(lián)結(jié)與作用的一組回路；或者說反饋系統(tǒng)就是閉環(huán)系統(tǒng)。單回路的系統(tǒng)是簡單系統(tǒng)；具有三個回路以上的系統(tǒng)是復雜系統(tǒng)。 反饋系統(tǒng)俯拾皆是，生物的、環(huán)境的、生態(tài)的、工業(yè)的、農(nóng)業(yè)的、經(jīng)濟的和社會的系統(tǒng)都是反饋系統(tǒng)。 反蝕的作用與反饋系統(tǒng)購分類 (1)反饋的作用 為了拿握系統(tǒng)的動態(tài)行為與系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關系反饋的作用還得從討論開環(huán)系統(tǒng)入手。 開環(huán)系統(tǒng)是相比于閉環(huán)系統(tǒng)(即反饋系統(tǒng))而言，田其內(nèi)部未有形成閉合的反饋環(huán)，像是被斷開的環(huán)，故稱為開環(huán)系統(tǒng)。 圖21的恒溫系統(tǒng)是閉環(huán)的反饋系統(tǒng)，若將系統(tǒng)中的溫度繼電器取走，則系統(tǒng)內(nèi)閉環(huán)變?yōu)殚_環(huán)，由反饋系統(tǒng)變?yōu)闊o反饋的開環(huán)系統(tǒng)。于是，系統(tǒng)原來具有的恒溫

25、特性也就失去了。 前面已討論過，圖 22的庫存一訂貨系統(tǒng)也是一個閉環(huán)的反饋系統(tǒng)。系統(tǒng)中的庫存缺貨信息的收集與向生產(chǎn)部門提出訂貸的要求均由管理人員承擔，假設系統(tǒng)中無管理人員或管理人員失職，則系統(tǒng)中失去反饋環(huán)節(jié)與反饋作用，處于無人管理狀態(tài)，也就成為開環(huán)系統(tǒng)了庫存量就不可能保持在合理的水平。 汽車、機車和所需要的駕駛員(司機)構(gòu)成具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，汽車才能正常行駛；一旦失去司機，則失去了反饋與調(diào)節(jié)作用，變成開環(huán)系統(tǒng)，那就非出事故不可了。 在我們周圍世界中，粗略地講：諸如無人駕駛的汽車、機車本身，無人操作或無計算機控制的設備，人們所使用的鬧鐘和手表等等可視作開環(huán)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不能檢測到自身的行為，不

26、能對其行為作出反應，也不能作自我調(diào)整。另外，有一些系統(tǒng)，乍看起來似乎是開環(huán)的其實只是反饋作用不強或不明顯而已；只要仔細加以考察，就可以發(fā)現(xiàn)，它們本身或連同它們周圍的環(huán)境還是組成一定的閉環(huán)系統(tǒng)的。例如老式的鋁爐取暖系統(tǒng)，自動化程度低，就這種系統(tǒng)本身而言是開環(huán)的，但是把鍋爐操作人員與取暖系統(tǒng)管理人員劃入系統(tǒng)，整個取暖系統(tǒng)就成為具有反饋作用的閉環(huán)系統(tǒng)。不難想像，要是一時鍋爐無人管理，或調(diào)節(jié)裝置失靈位系統(tǒng)變成開環(huán)，則鍋爐或是燒得不夠熱或是燒過頭，甚至過熱使鍋爐爆炸。再如空中的浮云、地上的沙漠與城鎮(zhèn)，或河中的游魚、江邊的工廠與鄰近的市區(qū)，似乎彼此之間都是不大相干、不存在反饋關系的系統(tǒng)；但是，若從生態(tài)環(huán)境

27、的角度加以考察，可以發(fā)現(xiàn)它們各自部是生機勃勃，內(nèi)部休戚相關的生態(tài)系統(tǒng)。 (2)反饋系統(tǒng)的分類 在分析反饋系統(tǒng)的行為與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關系時，首先要區(qū)別反饋的種類。按照反饋過程的特點，反饋可自然也劃分為正反饋和負反饋兩種。 正反饋的特點是，能產(chǎn)生自身運動的加強過程，在此過程中運動或動作所引起的后果將回授，使原來的趨勢得到加強。 負反饋的特點是，能自動尋求給定的目標，未達到(或者未趨近)目標時將不斷作出響應。 具有正反饋特性的回路稱為正反饋回路，具有負反饋特點的回路則稱為負反饋回路(或稱尋的回路)。分別以上述兩種回路起主導作用的系統(tǒng)則稱之為正反饋系統(tǒng)與負反饋系統(tǒng)(或稱尋的系統(tǒng))。 1)正反饋系統(tǒng) 前面

28、說到，所謂正反饋系統(tǒng)就是正反饋起主導作用的系統(tǒng)。 正反饋回路的特點是，發(fā)生于其回路中任何一處的初始偏離與動作循回路一周將獲得增大與加強。正反饋回路可具有諸如非穩(wěn)定的、非平衡的、增長的和自增強的多種特性。 圖23給出正反饋回路的例子。 這些正反饋回路的共同持點是，產(chǎn)生于回路中各元件的初始變化將反復不斷地得到加強。圖23(a)工資一物價回路粗略地表明了人們(特別是西方國家)所熟知的工資與物價相互影響與基本關系。當物價開始增長，人們逐漸感到實際生活水平的降低，就加強了對增加工資的要求；隨之工資的普遍提高，產(chǎn)品的成本也增加了，生產(chǎn)產(chǎn)品的廠家與企業(yè)為了保證謀取足夠的利潤并彌補多付出的工資，轉(zhuǎn)而提高物價，

29、于是形成正反饋的增長過程。 圖23(b)人口的自然增長過程，若不考慮意外與人為控制因索的影響，它也是呈正反饋的特點。 這兩個正反饋例子都表現(xiàn)出正反饋回路的自增強、不穩(wěn)定的特性。在實際系統(tǒng)中，就系統(tǒng)的產(chǎn)生的后果而言，正反饋回路可導致良性循環(huán)與惡性循環(huán)兩類。這一特性在許多復雜的信息反饋的實際系統(tǒng)中多有所見。 2)負反饋系統(tǒng) 因21的恒溫系統(tǒng)和圖24給出的系統(tǒng)就是負反饋系統(tǒng)的例子。因為這些系統(tǒng)都包含負反饋回路，它力圖縮小系統(tǒng)狀態(tài)相對于目標狀態(tài)(或某平衡狀態(tài))的偏離。因此負反饋回路亦可稱為穩(wěn)定回路，平衡回路或自校正回路。 圖24(a)是一個擺系統(tǒng)的負反饋回路。一旦鐘擺受一推力而偏離其垂宜的平衡位置，地

30、球引力就產(chǎn)生了一個水平分力恢復力，力圖使鐘擺升至一定高度后擺回垂直位置。在此分力的作用下擺在回程中，其速度逐漸增加，經(jīng)平衡位置時速度達最大值，因此擺繼續(xù)運動而產(chǎn)生超調(diào)，向另一方向擺動，擺的位置又上升至相應的高度；此間作用于擺的恢復力又力圖將它拉回垂直的平衡位置，如此重復多次其擺動幅度逐漸減少，最終返回到目標位置一一垂直平衡位置。 電毯系統(tǒng)(見圖2.4(b)的運行將性在某種程度上與鐘擺系統(tǒng)相似，具有克服外來干擾力圖恢復其目標狀態(tài)的特性。當然它未必像鐘擺那樣發(fā)生振蕩。經(jīng)細心操作有可能避免電毯溫度的不規(guī)律波動實現(xiàn)平滑調(diào)節(jié)。 上述兩系統(tǒng)均局子負反饋系統(tǒng)(或稱尋的系統(tǒng))224復雜反饋系統(tǒng)的特性 了解與掌

31、握反饋系統(tǒng)的特性是用系統(tǒng)動力學分析研究系統(tǒng)問題的目的之一。 一般講，對于簡單的系統(tǒng)或者經(jīng)簡化的復雜系統(tǒng)，人們對其中問題簡單、直覺的反應，對這些系統(tǒng)的行為與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關系的直觀分析與判斷，或許并不太難，也不致于全然出錯。 以一個簡化的交通系統(tǒng)來說，系統(tǒng)由交通擁擠程度、擴建道路的壓力與道路狀況等變量組成，這是一個簡單的負反饋回路，如圖25所示。 對此簡單系統(tǒng)的問題交通擁擠的對策，人們?nèi)菀鬃鞒鲂^的反應：增建新道路與改善道路的條件,如果說這一反應還是可取的話，那么對下面其它系統(tǒng)的問題的對策，人們通常作出的直覺反應相判斷多半是錯誤的。 人們之所以對這一類問題作出不正確的反應，是由于這些問題所牽涉的系

32、統(tǒng)都是復雜系統(tǒng)。復雜系統(tǒng)和特大系統(tǒng)諸如生物系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)與社會一經(jīng)濟一科技系統(tǒng)，它們往往表現(xiàn)出反直觀的行為特性。圖26與圖27分別給出了簡化的能源模型和簡化的環(huán)境污染模型。即使它們尚遠非原來真正的復雜系統(tǒng)，但人們恐已難對它們內(nèi)部諸變量的關系，對模型行為的特點，以及對解決能源短缺和污染危害的對策作出宜覺的反應。 事實證明，由若干回路組成的反饋系統(tǒng)，即使諸單獨回路所隱含的動態(tài)特性均簡單明了，但是其整體特性的分析卻往往使直觀形象解釋與分析方法束手無策。因此，反饋結(jié)構(gòu)復雜的實際系統(tǒng)與問題，其隨時間變化的特性與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關系的分析不得不求助于定量模型和計算機模擬技術(shù)。 系統(tǒng)動力學的理論、構(gòu)模原理與方法

33、就是在人們面臨上述困境，尋覓出路的時候，于50年代應運而生的，它為復雜系統(tǒng)甚至特大系統(tǒng)提供丁分析研究并尋找解決問題的對策的強有力工具。2.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與描述 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從系統(tǒng)論的觀點看，所謂結(jié)構(gòu)是指單元的秩序。它包含兩層意思，首先是指組成系統(tǒng)的各單元，其次是指諸單元間的作用與關系。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)標志著系統(tǒng)構(gòu)成的特征。 系統(tǒng)動力學認為一階反饋回路是構(gòu)成系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。一個復雜系統(tǒng)則是由這些相互作用的反饋回路組成的。 基于系統(tǒng)的整體性與層次性，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一船存在下述體系與層次： 下面僅就系統(tǒng)的界限與反饋回路結(jié)構(gòu)作進一步介紹。 (1)系統(tǒng)的界限 所謂某系統(tǒng)的界限是指該系統(tǒng)的范圍，它規(guī)定了形成某特定動

34、態(tài)行為所應包含的最小數(shù)量的單元。界限內(nèi)為系統(tǒng)本身，而界限外則為與系統(tǒng)有關的環(huán)境。 當人們談論一個系統(tǒng)的時候，總是把它和某特定的動態(tài)行為、增長與減少、波動和變化聯(lián)系在一起?！靶袨椤毕涤上到y(tǒng)產(chǎn)生的，而且由系統(tǒng)內(nèi)部的單元相互作用決定的。這些相互作用的單元都包含在規(guī)定系統(tǒng)的范圍的界限內(nèi)。因此，當討論系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的時候，首先要確定系統(tǒng)的界限在哪里，然后才能研究系統(tǒng)內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)問題。圖28描述了系統(tǒng)與環(huán)境及其內(nèi)部組成部分的關系。 (2)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是一階反饋回路。一階反饋回路是耦合系統(tǒng)的狀態(tài)、速率(或稱行動)與信息的回路，它們對應于系統(tǒng)的三個組成部分：單元、運動與信息。狀態(tài)變量的變化取決

35、于決策或行動的結(jié)果。而決策(行動)的產(chǎn)生可分為兩種：一種是依靠信息反饋的自我調(diào)節(jié)(如圖29所示)，這是普遍存在于生物界、社會經(jīng)濟與機器系統(tǒng)中的現(xiàn)象，另一種是在一定條件下不依靠信息的反饋，而按照系統(tǒng)本身的某種特殊規(guī)律(如圖210所示)，這種現(xiàn)象存在于非生物界。這時并非信息不存在，而是信息處于“潛在”狀態(tài)未被利用。若用系統(tǒng)動力學的流圖來表示則相當于信息到?jīng)Q策之間的聯(lián)線切斷了。一個反饋回路就是由上述的狀態(tài)、速率、信息三個基本部分組成的基本結(jié)構(gòu)。一個復雜系統(tǒng)則按一定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由若干相互作用的反饋回路所組成，反饋回路的交叉、相互作用形成了系統(tǒng)的總功能。 (3)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與倍息反饋 一個系統(tǒng)由單元、單

36、元的運動和信息組成。單元是指系統(tǒng)存在的現(xiàn)實基礎，而信息在系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵的作用。依賴信息，系統(tǒng)的單元才能形成結(jié)構(gòu)。單元的運動才形成系統(tǒng)的行為與功能。 信息作為一種比較嚴密的科學概念，直到本世紀初才被人們所認識、利用。香農(nóng)的信息論對信息的存在性與度量方法進行了定量的數(shù)學描述。維納通過研究生物體的內(nèi)部調(diào)節(jié)功能與機器系統(tǒng)的自動控制作用發(fā)現(xiàn)它們存在著的某些共同規(guī)律，把生物系統(tǒng)中的信息反饋概念引入了機器系統(tǒng)，從而建立了控制論。與此同時福瑞斯特考察了社會經(jīng)濟、生物與生態(tài)系統(tǒng)中存在的動力學問題，首先把信息反饋概念應用于社會經(jīng)濟系統(tǒng)。福瑞斯特認為，社會經(jīng)濟系統(tǒng)中充滿著信息反饋現(xiàn)象，但問題就在于我們能否與如何認識

37、它。 為了研究系統(tǒng)，重要的是要有正確理論與原理來描述與揭示系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，把觀察到的現(xiàn)象有效地加以分析、解釋和處理。若沒有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，經(jīng)觀察所得到的只能是零星資料的大雜燴與相互矛盾的許多偶然事件的埃砌。進入工業(yè)社會后人們已經(jīng)逐漸被淹沒于無數(shù)零碎的知識與經(jīng)驗的汪洋大海中，向題就在于缺少一種能夠統(tǒng)一描述各類系統(tǒng)與現(xiàn)象的普遍結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)動力學認為，反饋結(jié)構(gòu)能夠成為描述社會經(jīng)濟系統(tǒng)和其他類型系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的一般描述 系統(tǒng)動力學所分析研究的系統(tǒng)幾乎都是多變量的系統(tǒng)*對于多變量系統(tǒng)而言，只有用狀態(tài)變量的描述方法，才能完全池表達系統(tǒng)的動力學性質(zhì)；也正是在狀態(tài)變量描述的基礎上進一步揭示了系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律與反

38、饋機制。應該指出，在本世紀50年代韌當控制理論尚處于經(jīng)典控制理論階段(現(xiàn)代控制理論是在1960年正式誕生的、，用傳遞函數(shù)作為主要描述系統(tǒng)的手段時，系統(tǒng)動力學就在引入狀態(tài)和狀態(tài)空間的概念的基礎上發(fā)展起來了。本節(jié)討論系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述問題，首先從分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入于，然后在狀態(tài)和狀態(tài)空間概念的基礎上建立系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的空間描述。 狀態(tài)和狀態(tài)空間長期以來早已在質(zhì)點和剛體的古典動力學中得到廣泛的應用，在這里概要地介紹一下狀態(tài)與狀態(tài)空間的概念及其描述。 (1)狀態(tài) ” 動力學系統(tǒng)的“狀態(tài)”是完整地描述系統(tǒng)的時域行為的最小一組變量。若給定tt。時刻該組變量的值和tt。時輸入畫數(shù)，則系統(tǒng)在tt。的任何瞬時的行為

39、就完全確定了。這樣一組變量稱之為狀態(tài)變量，以狀態(tài)變量為元組成的向量稱為狀態(tài)向量。 設是系統(tǒng)的一組狀態(tài)變量，則其相應的狀態(tài)向量為： (2)狀態(tài)空間 以為坐標軸所張成的歐氏空間稱為狀態(tài)空間，當坐標軸數(shù)為有限數(shù)時，此狀態(tài)空間為有限維的。狀態(tài)空間中的每一點都代表了狀態(tài)變量的唯一的和待定的一組值，即系統(tǒng)的一個特定狀態(tài)，而tt。備瞬刻系統(tǒng)的狀態(tài)則構(gòu)成狀態(tài)空間中的一條軟線。此軌線的形狀(或稱系統(tǒng)的行為模式)完全由系統(tǒng)在t。時刻的初始狀態(tài)與tt0時的輸入，以及系統(tǒng)固有的動力學特性所唯一地確定的。 (3)系統(tǒng)狀態(tài)空間描述 在引入狀態(tài)與狀態(tài)空間的基礎上，下面來建立系統(tǒng)的狀態(tài)空間數(shù)學模型。 定常系統(tǒng)或時不變系統(tǒng)是時

40、變系統(tǒng)的特殊情況；也可以認為定常系統(tǒng)是時變系統(tǒng)在一定精度下的理想化模型。 另外，當系統(tǒng)包含依賴于控制或擾動的項，不論它是定常的或是非定常的，均稱之為強制系統(tǒng)。當系統(tǒng)的狀態(tài)方程與輸出方程不受控湖或擾動的影響時，則此類系統(tǒng)稱為自由系統(tǒng)。 系統(tǒng)動力學分析研究的系統(tǒng)可以是非線性的和線性的；非定常的和定常的；強制的和自由的。不同種類的系統(tǒng)，其性質(zhì)與特點往往不同。究競?cè)绾蚊枋鲆粋€系統(tǒng)應根據(jù)該系統(tǒng)的具體情況和分析研究的目的與要求來確定。在物理系統(tǒng)范圍內(nèi)，嚴格地說一切物理系統(tǒng)都是非線性的，但其中的某些系統(tǒng)，在一定條件下可簡化為線性定常系統(tǒng)，其依據(jù)主要取決于解決問題歷要求的精度，社會經(jīng)濟一生態(tài)系統(tǒng)幾乎毫無例外，

41、都是非線性的，非定常的強制系統(tǒng)，而且較之一般物理系統(tǒng)具有更強的非線性特性，但在特定條件下(譬如擾動和變量的變動范圍不大，所研究的時間區(qū)間相對較短)，為了簡化分析，可把某些社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)加以理想化，即將其線性化，并視為定常系統(tǒng)。 系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)的描述 在系統(tǒng)的一般描述的基礎上，系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)還有其獨持的具體描述方法。如前所述，根據(jù)系統(tǒng)的整體性與層次性，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般自然地形成體系與層次。因此，系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)的描述可歸納如下兩步。首先，根據(jù)分解原理把系統(tǒng)S劃分成若干個(p個)相互關聯(lián)的子系統(tǒng)(子結(jié)構(gòu))Si。1上去。通常純速率L僅為各速率R的線性組合，因此一般P陣是個常值陣。W陣之所以稱為關

42、系矩陣，系因為它反映了變量R與L之間，A本身在同一時刻上的各種非線性關系。顯然，在特殊情況下，若系統(tǒng)是線性的，則關系矩陣W陣為一常陣。以上數(shù)學描述有如下優(yōu)點： 將系統(tǒng)中的動態(tài)部分與靜態(tài)部分分別進行描述; 將系統(tǒng)中線性部分與非線性部分分開進行描述; 可節(jié)省較多的計算機內(nèi)存。 前面介紹了系統(tǒng)的一股描述方法和系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)的獨特描述方法。在以后的章節(jié)中將根據(jù)需要加以采用。 應該說明，系統(tǒng)動力學描述系統(tǒng)的基本萬程應該是高階非線性隨機偏微分方程，是一種具有時空結(jié)構(gòu)的進化方程。但由于數(shù)學與模擬語官處理上的困難，建模時把它簡化為確定性的非線性微分方程，而在必要時在以專用語言描述的模型中引入空間坐標及其梯度

43、(例如，劃分為不同區(qū)域與地區(qū))來描述空間結(jié)構(gòu)，反映某些變量的空間不平衡性。系統(tǒng)動力學專用語言中還備有多種噪聲函數(shù)，可作為測試函數(shù)來研究實際系統(tǒng)中存在的某些隨機的不確定因素的影響。 以上還只是涉及對實際系統(tǒng)中能定量加以描述的那一部分，然而并不是每一種系統(tǒng)或系統(tǒng)中的全部都可以用微分方程和其他數(shù)學函數(shù)精確地加以描述的。在社會經(jīng)濟等一類含有人類活動的復雜系統(tǒng)中，因其機理尚不太清楚，難于用明顯的數(shù)學描述表示出來。這些被稱之為系統(tǒng)中的“不良結(jié)構(gòu)”部分只能用半定量、半定性或定性的方法來處理。系統(tǒng)動力學工作者在過去的35年中，為此孜孜以求作出了一定的貢獻，他們在對社會經(jīng)濟系統(tǒng)逐步深化的研究中，把部分不良結(jié)構(gòu)相

44、對地“良化”用近似的良結(jié)構(gòu)代替不良結(jié)構(gòu)；或定性與定量結(jié)合把一部分定性問題定量化，尚無法定量化與半定量化的部分則以定性的方法處理*他們不斷地擴展和豐富專用語言軟件中對不良結(jié)構(gòu)的描述功能，并可以讓建模人員自行定義宏函數(shù)以滿足處理某些定性問題的需要。確切地說，系統(tǒng)動力學模型一般均包含了對良結(jié)構(gòu)與不良結(jié)構(gòu)的描述兩部分心定量描述為主輔以半定量、半定性或定性納描述。它是定量模型與概念模型的結(jié)合與統(tǒng)一。2.4 系統(tǒng)動力學理論的基本點及與其他學科的關系 系統(tǒng)動力學產(chǎn)生背景及其哲學觀 隨著科學技術(shù)水平的不斷發(fā)展tQ現(xiàn)了科學技術(shù)高度分化又高度綜合的發(fā)展趨勢，各門學科的研究從原來的分兵作戰(zhàn)的研究方法，進入了整體、系

45、統(tǒng)的研究階段。近數(shù)十年來，新興系統(tǒng)學科層出不窮，烈塔朗菲的一般系統(tǒng)論，維納的控制論，香農(nóng)的信息論等系統(tǒng)學科的建立和發(fā)展，促使人們?nèi)找鎻V泛地開展對各類系統(tǒng)理論相應用的研究。 早在50年代初，福瑞斯特就對經(jīng)濟和工業(yè)組織系統(tǒng)(包括人、財務和技術(shù)結(jié)合在一起的系統(tǒng))進行了深入的研究。分析和研究了這些系統(tǒng)的性質(zhì)和特點，從而得出了許多有關系統(tǒng)的信息反饋、系統(tǒng)的基本組成等重要觀點。隨著系統(tǒng)動力學的研究范圍的不斷擴大，其理論和方法也日益趨于成熟。從其誕生的一天開始就有其獨立的發(fā)展體系，作為一門獨立的學科，6統(tǒng)動力學有其自身的理論體系與科學方法*系統(tǒng)動力學在分析研究復雜系統(tǒng)和建立大規(guī)模、多變量、非線性的各類系統(tǒng)模

46、型時所作的基本假設與采用的模擬手段，都基于它自身特有的理論與方法淪。 唯物系統(tǒng)辯證觀是系統(tǒng)動力學理論的核心，系統(tǒng)動力學理論的基本點鮮明地表明了這一特征。它強調(diào)系統(tǒng)、整體的觀點，聯(lián)系、運動與發(fā)展的辯證觀點，主要矛盾與矛盾的主要方面，客觀事物與世界的可知性以及實踐是檢驗真理的唯一標準等。 系統(tǒng)動力學理論的基本觀點 系統(tǒng)動力學是一門基于系統(tǒng)論，吸取反饋理論與信息論的精髓，并借助計算機模擬技術(shù)融諸家于一爐，脫穎而出的交叉新學科。系統(tǒng)動力學能定性與定量地分析研究系統(tǒng)，它采用模擬技術(shù)，以結(jié)構(gòu)一功能模擬為其突出特點。一反過去常用的功能模擬(也稱黑箱模擬)法，從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手建模，構(gòu)造系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，進而

47、模擬與分析系統(tǒng)的動態(tài)行為。這樣的模擬更適于研究復雜系統(tǒng)隨時間變化的問題。下面，我們首先從系統(tǒng)動力學對其研究對象所需前提條件加以討論，然后探討系統(tǒng)主要持性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能關系等等。 (1)前提條件 運用系統(tǒng)動力學對系統(tǒng)進行研究與建模的前提條件是該系統(tǒng)必須是遠離平衡的有序的耗散結(jié)構(gòu)。這一條件還在耗散結(jié)構(gòu)理論與非平衡系統(tǒng)自組織理論未出現(xiàn)之前就己被不加證明地在使用著。38 (2)系統(tǒng)及其主要特性 下面對我們所研究的系統(tǒng)作進一步界定，并對其主要特性諸如系統(tǒng)的總體性、相關性、層次與等級性、穩(wěn)定性及類似性等以及復雜系統(tǒng)的特性略加闡述。 1)社會、經(jīng)濟、生態(tài)系統(tǒng)都是具有自組織耗散結(jié)構(gòu)性質(zhì)的開放系統(tǒng)。系統(tǒng)動力學

48、認為，客觀世界的系統(tǒng)都是開放系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)部組成部分之間相互作用形成一定的動態(tài)結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)外動力的作用下按照一定購規(guī)律發(fā)展演化。完全孤立和與外界絕對隔絕的系統(tǒng)是不存在的，然而在特定的時空條件下，可以把某些系統(tǒng)近似地簡化為封閉系統(tǒng)來加以研究。 2)復雜系統(tǒng)是一類具有多變量、高階次、多回路和強非線性的反饋系統(tǒng)。一切社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)等都是復雜系統(tǒng)。復雜系統(tǒng)的行為往往具有下述重要特性：反直觀性，對系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的變化不敏感，全局與局部利益相矛盾，遠期與近期利益相矛盾，向低效益演變傾向等等(詳見第九章)。 3)系統(tǒng)的整體性和層次性 系統(tǒng)的整體性與層次性是系統(tǒng)動力學應用綜合與分解原則研究

49、剖析系統(tǒng)的理論依據(jù)。“整體大干部分之相”這一來源于亞里士多德的論點，已成為系統(tǒng)思想的重要觀點之一。整體的質(zhì)不同于單元的質(zhì)，整體的結(jié)構(gòu)與功能不同于部分的結(jié)構(gòu)與功能，也不是各部分的結(jié)構(gòu)的堆積與功能的相加。比如：一個國家系統(tǒng)是由生產(chǎn)系統(tǒng)、財貿(mào)系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、科教系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等等組成的。顯然，整個國家系統(tǒng)的質(zhì)以及結(jié)構(gòu)與功能方面都不會等于這些子系統(tǒng)的簡單相加。因此，我們在研究一系統(tǒng)時，要以整體的觀念考慮總系統(tǒng)與子系統(tǒng)，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的相互關系和反饋機制，切不可把一些子系統(tǒng)簡單地拼湊在一起。 我們強調(diào)系統(tǒng)的整體性，并不是說系統(tǒng)沒有層次與等級。由于單元與結(jié)構(gòu)的相對獨立性，導致結(jié)構(gòu)的等級性，由于過程與功

50、能的相對獨立性，導致功能的等級性；最后由于系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體，從而導致了系統(tǒng)的等級性。在研究一系統(tǒng)時，弄清系統(tǒng)的等級與層次，這一點是具有重要意義的。這是因為具體的自然規(guī)律都反映著某一等級的系統(tǒng)規(guī)律，低級系統(tǒng)的規(guī)律理所當然地滲透到高級系統(tǒng)中去，但高級系統(tǒng)有其特殊的規(guī)律，它絕不能完全地還原為低級系統(tǒng)規(guī)律。當然我們也不能忘記，客觀世界不僅存在由低級系統(tǒng)向高級系統(tǒng)的不斷發(fā)展，而且還存在各種不同系統(tǒng)等級之間的不斷的相互轉(zhuǎn)化。 由于存在客觀世界的系統(tǒng)等級性，建模人員應弄清楚系統(tǒng)以及系統(tǒng)各層次的特殊規(guī)律。當分析問題、建立系統(tǒng)的模型時，切不可把系統(tǒng)的特性強加于系統(tǒng)的各部分，也不可簡單地把子系統(tǒng)某一特性歸

51、結(jié)為系統(tǒng)的特性，更不可憑狹隘的經(jīng)驗，不分育紅皂白地把不同等級系統(tǒng)的特性亂加套用。 4)系統(tǒng)的相似性 在自然界、人類社會和人類思維活動等不同領域里，存在著結(jié)構(gòu)上與功能上的類似性即系統(tǒng)的相似性。常有一種功能多種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，可以說，這也是人們可藉助模型定量地研究系統(tǒng)的一個理論依據(jù)。 相似性原則是基于結(jié)構(gòu)與功能都相似，而不只是功能的相似。基于表面現(xiàn)象的類似性或功能類似是膚淺的、含糊的、不科學的。它并不能為科學研究提供有價值的依據(jù)。因此，系統(tǒng)動力學說一系統(tǒng)與另一系統(tǒng)相似，指的是它們在結(jié)構(gòu)與功能上的相似。在建立系統(tǒng)模型時，不能僅僅模擬系統(tǒng)的功能，而且要真實反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這樣的模擬才能較客觀、較科學地反映

52、客觀世界。系統(tǒng)動力學長期以來正是根據(jù)這一點溝通了不同領域的系統(tǒng)規(guī)律和特性。也正是基于系統(tǒng)的相似性。系統(tǒng)動力學用一階反饋回路去統(tǒng)一系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并采用SMOOTH，LAY，SWITCH等函數(shù)模擬系統(tǒng)的平滑、延滯、開關等特性，從而建立起在結(jié)構(gòu)上與功能上都較能反映真實系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型。 實際上，在建立不同系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型時發(fā)現(xiàn)許多不同系統(tǒng)的動態(tài)行為與內(nèi)部反饋結(jié)構(gòu)都存在著許多相似之處、例如，在均為開系統(tǒng)的假定下，人口系統(tǒng)的出生串與死亡率和工業(yè)資本系統(tǒng)的投資與折舊率，在結(jié)構(gòu)上它們都是有互相關聯(lián)的正反饋與負反饋回路，并包含延滯環(huán)節(jié)，因而從它們的結(jié)構(gòu)來說，它們是同構(gòu)的。這樣可以推知其動態(tài)特性可能是

53、按指數(shù)規(guī)律上升、下降、超調(diào)或是振蕩，但并不呈現(xiàn)S形的增長。又如：指數(shù)規(guī)律又稱為“自然增長規(guī)律”，在經(jīng)濟學中表示資本按復利的增長；在社會學上它稱為馬爾薩斯定律，表示人口的指數(shù)增長持性。在這些不同的系統(tǒng)中，它們的基本結(jié)構(gòu)都包含一個正反饋回路。對于這些不同的系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)L的同構(gòu)研究必須有助子把對系統(tǒng)的類比描述上升到邏輯同調(diào)描述。使我們把各類系統(tǒng)的特殊規(guī)律提升到更一般的普通規(guī)律，6建立某一領域或一些領域中的共性結(jié)構(gòu)、通用模型與通用于塊，為建立普遍適用的系統(tǒng)共性結(jié)構(gòu)與功能理論奠定基礎；同時也為研究各類系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與規(guī)律提供了理論依據(jù)和帶來方便。 各類系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型干變?nèi)f化，這在客觀上對建立所謂的通

54、用單元、通用于模型和通用模型提出了要求*目前，在能源、企業(yè)、管理、人口等領域已開始進行通用模型的研究。 5)相關性觀點 所謂相關性指的是整體與部分、部分與部分、系統(tǒng)與環(huán)境之間的普遍的相互關系，這些相互關系包括物質(zhì)、運動、信息相互之間的關系。無論是在社會經(jīng)濟系統(tǒng)還是在工程系統(tǒng)中。都存在著一因多果、一果多因、因果關系環(huán)t甚至交叉因果鏈的現(xiàn)象。隨著我們所研究范圍的不斷擴大以往的單向因果關系就顯得不會理，需要產(chǎn)生一種更為合理的能反映客觀實際情況的因果關系。反饋的因果關系或者況因果關系環(huán)，是系統(tǒng)動力學描述系統(tǒng)中各單元之間的因果關系的基本形式，這是人們認識系統(tǒng)的相關性的進一步深入。 系統(tǒng)動力學研究的系統(tǒng)結(jié)

55、構(gòu)是建立在反饋的因果關系之上的。隨著系統(tǒng)動力學的研究范圍的不斷擴大與深入，更多的人為因索的介入，目標的多重性，行為的多樣性，使所面臨的問題與現(xiàn)象也愈加復雜。這些問題引起單元間、變量間的關系更為復雜與模糊展現(xiàn)有的描述方法顯得過于勉強甚至無能為力。比如：在經(jīng)濟系統(tǒng)中各部門之間的資金分配問題，如何解決消費與積累之間的比例問題，經(jīng)濟發(fā)展對教育與科技發(fā)展的要求等等都包含著一個辨別、比較、選擇和決策的思維過程。這一過程表現(xiàn)為一種模糊的因果關系。這就要求我們引入一種能描述這種因果關系的方法或單元，事實上，上述的這種思維過程也是建立在反饋因果關系的基礎之上的?？梢哉J為應用系統(tǒng)動力學方法并結(jié)合其它的理論與方法(

56、如在描述模糊的因果關系時用到的一些學科)建立一種能反映模糊因果關系，描述思維與決策過程的方法與模型單元，將有助于擴大系統(tǒng)動力學的研究領域與范圍，并提高系統(tǒng)動力學模型的有效性；以便使系統(tǒng)動力學用于研究包含人為因素的復雜隨機系統(tǒng)時更加得心應手。 (3)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能 系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一體。按系統(tǒng)動力學的觀點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的涵義包括兩個方面；一是指組成部分的子結(jié)構(gòu)及其相互間的關系；二是指系統(tǒng)內(nèi)部的反饋回路結(jié)構(gòu)及其相互作用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能分別表示系統(tǒng)的構(gòu)成與行為的特征，結(jié)構(gòu)與功能有對立統(tǒng)一的關系，在一定條件下兩者可相互轉(zhuǎn)化。因此，分析研究一個系統(tǒng)時必須同時考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，通過反復交叉地考察系

57、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，才可能建立起在結(jié)構(gòu)與功能兩方面都較好地反映實際系統(tǒng)的模型。也就是說，建模人員必須與有關人員、專家緊密結(jié)合，深入地去洞察實際系統(tǒng)各組成部分同總體與局部之間與系統(tǒng)內(nèi)外之間的種種聯(lián)系，把系統(tǒng)的行為模式與其內(nèi)部的反饋回路結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。通過分折、比較、鑒別，獲得對系統(tǒng)的正確認識，并把它們反映到模型的結(jié)構(gòu)中去。這樣一種從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)人手進行建模的過程也就是剖析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的對立統(tǒng)一關系的過程， 在系統(tǒng)動力學的建模過程中，人們將更充分地了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的相互關系。由于系統(tǒng)動力學從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手建立系統(tǒng)的模型，因此為我們研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關系提供了科學的方法。系統(tǒng)動力學模型的基

58、本結(jié)構(gòu)為反饋回路。反饋回路又可分為正反饋回路與負反饋回路，一個系統(tǒng)可能由這兩種類型的反饋回路單獨或以某種方式組合而成。比如，當系統(tǒng)行為出現(xiàn)指數(shù)規(guī)律增長趨勢時，是因為系統(tǒng)中有起主導作用的正反饋回路，當系統(tǒng)受到干擾偏離原來狀態(tài)又能自動返回并趨向起始狀態(tài)時，則表明系統(tǒng)中至少存在一個很強的負反饋回路。系統(tǒng)發(fā)生振蕩行為則表明系統(tǒng)存在二階以上的反饋問路或者一個一階負反饋回路加上一個一階以上的延時環(huán)節(jié)。S形增長特性則是正反饋回路與負反饋回路由非線性環(huán)節(jié)相聯(lián)結(jié)而產(chǎn)生的。 應該特別指出的是，系統(tǒng)動力學之建模大大不同于過去常用的功能模擬（亦稱黑箱模擬)法，其模型模擬具有結(jié)構(gòu)一功能模擬的突出特點。 (4)系統(tǒng)的內(nèi)部

59、微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀行為 系統(tǒng)行為的性質(zhì)主要(但非全部)地取決于系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，即其內(nèi)部的反饋結(jié)構(gòu)與機制。換言之，系統(tǒng)行為的發(fā)生與發(fā)展主要地根植于系統(tǒng)內(nèi)部。在一定條件下外部環(huán)境的變動、外部的干擾會起著重要作用，但歸根結(jié)底，外因只有通過系統(tǒng)的內(nèi)因才能起作用。 (5)主導與非主導動態(tài)結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)內(nèi)部的諸反饋回路中，在其發(fā)展運動的各階段總是存在一個或一個以上的主要回路(簡稱主回路)，這些主回路的性質(zhì)及它們相互間的作用包括競爭與協(xié)作，主要地決定了系統(tǒng)行為的性質(zhì)及其變化與發(fā)展，這就是主導動態(tài)結(jié)構(gòu)作用原理(相當協(xié)同學中的支配原理)。主導回路存在于系統(tǒng)運動、變化、發(fā)展和由舊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過渡到新結(jié)構(gòu)的全部過程之中，它

60、們代表了在一定時空條件下系統(tǒng)的主導結(jié)構(gòu)。應當指出的是，強調(diào)主導部分的作用并不排斥其他非主導部分在系統(tǒng)中的作用。系統(tǒng)的主導部分只能在與其他部分的相互作用中形成和存在。系統(tǒng)行為的性質(zhì)與模式(相當于協(xié)同學中的相)是由主導結(jié)構(gòu)與非主導結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。此外，由于系統(tǒng)內(nèi)某些非線性變量、敏感變量的變化，以及干擾與漲落的影響，主導結(jié)構(gòu)是動態(tài)變化的。其具體內(nèi)容在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)新舊更迭的前后當然不同，而且即使在同一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在一定的時空條件下，主導與非主導部分也可能相互轉(zhuǎn)化。 (6)主要變量和敏感變量與子結(jié)構(gòu) 在系統(tǒng)中總存在一部分相對重要的變量她們對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與行為的性質(zhì)、待征的影響比較大，而且總被包含于主回