系統動力學研究方法

系統動力學研究方延博

系統動力學系統動力學(簡稱SD—systemdynamics)的出現于1956年，創始人為美國麻省理工學院(MIT)的福瑞斯特(J．W．Forrester)教授。系統動力學是福瑞斯特教授于1958年為分析生產管理及庫存管理等企業問題而提出的系統仿真方法，最初叫工業動態學。是一門分析研究信息反饋系統的學科，也是一門認識系統問題和解決系統問題的交叉綜合學科。從系統方法論來說：系統動力學是結構的方法、功能的方法和歷史的方法的統一。它基于系統論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學和社會科學的橫向學科。系統動力學（systemdynamics）運用“凡系統必有結構，系統結構決定系統功能”的系統科學思想，根據系統內部組成要素互為因果的反饋特點，從系統的內部結構來尋找問題發生的根源，而不是用外部的干擾或隨機事件來說明系統的行為性質。SD 工作程序1認識問題2界定系統3要素及其因果分析4建立結構模型5建立量化分析模型6仿真分析7評價與比較8政策分析適用對象適用于處理長期性和周期性的問題。如自然界的生態平衡、人的生命周期和社會問題中的經濟危機等都呈現周期性規律并需通過較長的歷史階段來觀察，已有不少系統動力學模型對其機制作出了較為科學的解釋適用于對數據不足的問題進行研究。建模中常常遇到數據不足或某些數據難于量化的問題，系統動力學藉各要素間的因果關系及有限的數據及一定的結構仍可進行推算分析。適用于處理精度要求不高的復雜的社會經濟問題。上述總是常因描述方程是高階非線性動態的，應用一般數學方法很難求解。系統動力學則藉助于計算機及仿真技術仍能獲得主要信息強調有條件預測。本方法強調產生結果的條件，采?quot;如果……則"的形式，對預測未來提供了新的手段社會經濟系統突出特點1.存在決策環節，社會系統的行為總是經過采集信息并按照某個政策進行信息加工處理做出決策后出現的決定了他是一個經過多次比較反復選擇優化的過程。2.社會系統具有自律性。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.社會系統的非線性。非線性是指社會現象中原因和結果之間呈現的極端非線性關系。基本概念因果反饋。如果事件A（原因）引起事件B（結果），AB簡便形成因果關系。若A增加引起B增加，稱AB構成正因果關系；若A嗇引起B減少，則負因果關系。兩個以上因果關系鏈首尾相連構成反饋回路，亦分正、負反饋回路積累。本法視社會經濟狀態變化為由許多參變量組成的一種流，通過對流的研究來掌握系統性質和運動規律。流的規程量便是"積累"，用以描述系統狀態，系統輸入輸出流量之差為積累增量。"流率"表述流的活動狀態，亦稱決策函數，積累則是流的結果。任何決策過程均可用流的反饋回路描述。流圖。流圖由"積累"、"流率"、"物質流"、"信息流"等符號構成，直觀形象地反映系統結構和動態特征。延遲。任何決策實施均需一定時間，此現象即為延遲。圖上不易表述，通常用計算機程序中延遲指令來實現/仿真語言。為使用方便，設計了DYNAM0專用語言，備有20多種函數，只需輸入系統動力學議程和必要參數，即可向用戶提供結果系統動力學核心思想是反饋控制工作原理是首先對實際系統進行觀察。采集有關對象系統的信息隨后使用有關信息進行決策依據決策結果采取行動行動又作用實際系統使系統狀態發生變化這種變化又為觀察者提供新的信息從而形成系統中的反饋回路正反饋回路具有自我強化作用負反饋回路具有內部穩定器作用也可以說是自動尋求給定目標高階反饋回路實例甘肅省兩西地區扶貧開發移民對策的系統動力學仿真研究甘肅省兩西地區指甘肅的河西地區和定西地區為代表的中部干旱地區，這兩個地區連同寧夏的西海固地區共成為“三西”地區，是我國集中連片的最貧困地區之一。從1983年起，在國家“三西”專項資金的支持下，甘肅省開始了兩西地區扶貧開發建設，其中一項重要的建設內容就是將中部貧困地區的部分人口移往具有良好發展前景的河西走廊地區和中部引黃灌區，以緩解中部人口壓力，恢復當地生態平衡，集中人力、物力、財力建設河西地區和中部黃灌區的開發。這樣的移民有別于以往任何形式的移民，稱作“扶貧開發移民”。這種扶貧開發移民的動力機制，主要來自三個方面。其中，第一方面是來自于中部地區貧困地區由于人口、貧困及生態環境問題所產生的推力；第二方面是來自于河西走廊灌區和中部引黃灌區良好的生產生活條件所產生的拉力；第三方面是國家和地方政府的政策引導與支持1界定系統模型仿真的時間界限定為1993～2008年，空間邊界為甘肅中部地區和河西地區。中部地區包括定西、臨洮、通渭、隴西、永靖、東鄉、靜寧、莊浪、華池、環縣、秦安、永登、榆中、皋蘭、靖遠、會寧、景泰、白銀區、平川區、古浪縣等20個縣（區）。河西地區包括張掖地區、酒泉地區、金昌市、嘉峪關市及部分國營農場。系統界限內還包括水利建設資金的投入，開發的難易程度（用土地開發成本表示），開發規模（用新增有效灌溉面積表示），國家政策優惠程度（用人均水地劃分指標、新增灌溉面積分配給移民的比例表示），移民規模（用遷移人數表示）2系統的反饋結構從圖中可以看出，河西地區移民系統中存在一個正反饋環，中部地區移民系統則存在一個反饋環。這表明，河西地區是今后移民的主戰場，是國家投資建設的重點。3DYNAMO模型這里采用PDPlus軟件提供的數組描述方式，用下標M與W分別代表中部地區與河西地區。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)有效灌溉面積增長速率RDTZL.KL(A)=DELAY3(TZLKL(A).DEL(A))實際投資速率LDTZ.K(A)=DTZ.J(A)+DT*(DTZL.JK(A)實際投資率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模型的模擬調試、評價及對策分析

模型真實性、可靠性及有效性檢驗

在綜合分析甘肅省兩西地區移民前十年統計資料的基礎上，本著合理選擇參數的原則，筆者對兩個地區的移民活動進行了仿真模擬，通過反復調試與合理修改，輸出結果與歷史數據基本吻合，變化規律一致，表明本模型與真實系統具有較好的對應性，能夠滿足研究目的，是可靠而有效的在仿真過程中，筆者確定了投資速率、水地開發成本、人均水地指標、新增有效灌溉面積分配給移民的比例作為方案變動的基礎，它們的變動基于下列因素：

A)全國扶貧任務很重，國家財力緊張，今后甘肅省兩西地區的建設投資不打算再增加。B)今后將從甘肅省兩西地區移民費用中抽出一部分投入甘肅隴南山區的移民工作中。

C)考慮物價上漲因素，土地開發成本將有所上升

D)根據有關資料，隨著灌溉技術的不斷進步，灌溉定額到2000年以后可能減小一半。E)國務院規定從1992年1月1日起劃分給移民的水澆地面積不得超過0.1hm2/人，這是因為安置移民的要求是幫助解決溫飽，不是達到小康。F)如果考慮科技進步因素，如灌溉定額下降，水資源開發利用程度增強，則新增有效灌溉面積還會增加。通過仿真運算制定了6種移民方案。方案Ⅰ比較保守，在1992年的基礎上只將水地開發成本指標提高，結果表明，2000年能超額完成原定后八年30萬人的遷移任務，將多遷移16萬人。其中，中部地區多遷移入14萬人，河西地區多遷入2萬人。2008年移民總數將達到116萬人。方案Ⅱ表明，在方案Ⅰ的基礎上，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50%和河西地區40%時，仍能順利完成移民任務，2000年還可以多遷入2.3萬人，2008年移民總數達到90萬人。方案Ⅲ表明，在前兩項方案的基礎上，將人均水地指標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30萬移民任務的實現，2000年移民達64萬人，2008年移民達93萬人，其中中部地區58.5萬人，河西地區34.6萬人。方案Ⅳ與方案Ⅴ表明，當投資遞減時，在人均水地指標取不同值的情況下要保證2000年移民任務的完成，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50%與河西地區40%，2000年移民達到61.1萬人，2008年達到80.8萬人；在方案Ⅴ中，這一比例均取值70%，2000年移民達到62.6萬人，2008年達到83.3萬人。方案Ⅵ考慮了科技進步因素，將水地開發成本降低，結果表明在人均水地指標和新增有效灌溉面積分配給移民的比例兩個數值都較低的情況下，仍能保證到2000年再遷30萬人任務的完成，2008年總遷移人數至少可達91萬人。當然，16年間兩西地區發展變化必然很大，而方案Ⅰ中變動因素很少，故筆者認為其結果偏高，僅作為決策者的參考。上述方案共同的特點是均選擇了一些極端點來仿真，對于人均水地指標與新增有效灌溉面積分配給移民的比例這兩個參數的選擇就體現了這種特點。基于全面地進行仿真還比較困難，這樣做能夠簡化問題，只提供答案的上下限，便于決策人更靈活地選擇行動方案。5結論與政策建議①從仿真結果看，甘肅兩西地區移民的速度主要取決于投資速率，開發成本，人均水地指標，這三個要素為敏感要素。②建議在不影響移民基本任務完成的前提下，適當提高人均水地指標。③模型中將甘肅省兩西地區人口自然增長做