Vensim.docx

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Vensim

第1章概述

1.1.系统动力学简介

1956年，JayW.Forrester放弃了其在电机控制领域的研究，转而将反馈控制的基本原则用于社会经济学系统。

1961年，他在MIT工业管理学院研究公司管理问题，出版了其专著IndustrialDynomics,这标志着这一学科的创立。

在过去的40年中，系统动力学有了长足的发展。

系统动力学的理论、思想方法和工具，对于分析社会经济中许多复杂动态问题非常有效。

另一方面，系统动力学的分析方法、建模方法、模拟方法和模拟工具比较规范，易于学习和应用。

1、事件－行为－结构

在日常生活中，我们往往是从事件开始认识事物的。

例如股市暴涨暴跌，流行病发生，战争爆发等等。

事件一般是在固定的时间点上出现的。

我们要正确的认识事件，须要联系相关事件，并从它们的发展过程中去观察。

也即，要考察事件所在的行为模式。

行为模式是系统的外在表现，可表现为一系列的相关事件随事件的演变过程，是多个关联事件表现出的过去现在和未来。

例如，我们看到的经济的缓慢增长，利率的变化，失业率的波动等。

行为摸式是由系统的内部结构决定的。

结构是产生行为模式的物质的、能量的、信息的内在关系。

系统的结构决定其行为模式，而事件是行为模式的重要片段。

利用系统动力学分析问题，要由事件出发，分析系统的结构与行为模式的关系，以采取成功的政策和策略，调整系统结构，干预和控制系统，改善系统的行为模式，大大避免坏的事件的发生。

2、系统动力学处理问题的过程

●提出问题：

明确建立模型的目的。

即要明确要研究和解决什么问题。

●参考行为模式分析：

分析系统的事件，及实际存在的行为模式，提出设想和期望的系统行为模式。

作为改善和调整系统结构的目标。

●提出假设建立模型：

由行为模式，提出系统的结构假设。

由假设出发，设计系统的因果关系图，流图，并列出方程，定义参数。

从而将一系列的系统动力学假设，表示成了清晰的数学关系集合。

●模型模拟：

调整参数，运行模型，产生行为模式。

建立好的模型是一个实验室，可以由试验参数和结构的变化理解结构与系统行为模式的关系。

1.2VensimPLE软件的特点

VensimPLE全名为VentanaSimulationEnviromentPersonalLearningEdition.即Ventana系统动力学模拟环境个人学习版。

1.利用图示化编程建立模型。

在Vensim中，“编程”实际上并不存在，只有建模的概念。

只要在模型建立窗口画出流图，再通过Equations输入方程和参数，就可以直接进行模拟了。

如果用户需要查看有关方程和参数，可使用ModeDocument工具条。

另外，Vensim提供两种模型文件保存方式，一种是二进制文件，后缀为.vmf；另一种是文本文件，后缀为.mdf，这种文件可以用于模型的建立和修改，但这并不是Vensim推荐的方法。

2.运行于Windows下，数据共享性强，提供丰富的输出信息和灵活的输出方式。

由于采用了多种分析方法，因此Vensim的输出信息是非常丰富的。

其输出兼容性较强。

一般的模拟结果，除了即时显示外，还提供保存文件和copy到剪切板。

例如建立好的模型可以copy到剪贴板，再由剪贴板转到MSWord的编辑文件中。

3.对模型的多种分析方法

Vensim提供对于模型的结构分析和数据集分析。

其中结构分析包括原因树分析（逐层列举作用于指定变量的变量）、结果树分析（逐层列举该变量对于其它变量的作用）和反馈列表。

模型运行后，可进行数据集分析。

对指定变量，可以给出它随时间的变化图，列出数据表；可以给出原因图分析，列出所有作用于该变量的其它变量随时间变化的比较图；可以给出结果图分析，列出该变量与所有它作用的变量随时间变化的比较图；同时可以将多次运行的结果进行比较。

作为最终结果的图形分析和输出，可使用Graph，它不但可以列举多个变量随时间的变化图，而且可以列举变量之间的关系图。

4.真实性检验

对于我们所研究的系统，对于模型中的一些重要变量，依据常识和一些基本原则，我们可以预先提出对其正确性的基本要求。

这些假设是真实性约束。

将这些约束加到建好的模型中，专门模拟现有模型在运行时对于这些约束的遵守情况或违反情况，就可以判断模型的合理性与真实性，从而调整结构或参数。

真实性检验是Ventana公司的专利方法，是一种非常有效的建模工具。

1.3使用Vensim软件处理问题的一般过程

1.4VensimPLE的使用说明

VensimPLE3.0c可使用于Window3.X，Windows95,WindowsNT操作系统下。

硬件要求386以上PC机，2.0M内存，1.6M磁盘空间（安装时需6M硬盘空间）。

对于Machintosh机型，也可使用。

第2章Vensim的菜单和主窗口

Vensim的用户界面是标准的Windows应用程序界面。

除支持菜单和加速键外，还提供多个工具条。

这使得用户操作非常方便。

2.1VensimPLE的主菜单

VensimPLE提供以下菜单。

对于菜单的驱动，除了逐级打开外，还可以用相应的加速键。

●File文件管理：

提供建立新模型（NewModle），打开模型（OpenModle），保存模型（Save,Saveas），打印模型（Print,PrintOptions）等。

模型打开和建立后，检查可通过Check完成。

●View观察：

对于模型的流图进行总体观察。

提供按任意比例缩放。

●Model模型检验：

包括RealityCheck即真实性检验，TimeBounds时间控制设置。

其中TimeBounds是用于调控Simulate和RealityCheck的时间参数的。

●Windows窗口：

包括Controlpanel控制面板（即VariableSelection分析变量选择，TimeAxis时间轴设置，Scalling纵坐标调整，Datasets数据集选择，Graph自定义作图等），以及PopForward实现由其它窗口转换到模型建立窗口，ErrorHistory是出错记录，SelectionHistory是选择记录。

●Help帮助：

在该菜单下有Manual子菜单，它是Ventana公司提供的使用手册，比较详细。

另外一个是AboutModles子菜单，它提供了Vensim对模型的基本概括，如变量数目，状态量数目等。

并提供对模型设置加密口令。

第3章模型的建立

模型建立是在模型建立窗口，通过图示化的方式建立模型，或对已建立的模型进行修改。

主要过程是画出流图，然后输入参数和方程。

3.1开始

在主菜单File下，选择NewModle或OpenModle，就可以开始一个新模型的建立或者已建模型的修改工作。

在选择NewModle情况下，会出现如下窗口。

它是用来对于模型初始化的。

可以选择起始时间，结束时间，时间单位，时间步长（TimeStep）和数据记录步长SAVEPER。

3.2画图工具条

其功能依次为：

●Pointing指针：

用于选中、移动和改变变量和图符。

有三种选择方式。

按下左键并拖动会看到一个虚线方框，松开左键则方框内所有变量和图符被选中，选中后可以用鼠标拖动之；可直接左键用点按变量或图符选中之，按下左键可以拖动，另外若选中图符操作柄（一个小圆圈），可对图符进行伸缩放大；对变量用左键连续点按两次会将它选为工作台变量。

●Variable变量：

用于定义非状态变量的变量，如辅助变量和常量。

●BoxVariable方框变量：

用于创建状态变量。

注意，Vensim一般约定，状态变量第一个字母大写，常量和表格量字母全大写，其余变量字母全小写。

但用户也可以有自己的约定。

●Arrow箭头：

用于创建表示因果关系的箭头，可以是直的或弯曲的。

注意，创建时，先选中箭头，在因变量上按下左键，然后松开，移动鼠标到空白处点按左键，松开后移动到果变量再点按左键。

在中间电按位置会有一个操作柄。

●Rates速率变量：

用于创建速率变量。

它有四部分构成，两个箭头，一个开关，两朵表示源和漏的云，和变量本身。

可通过选择移动开关，移动和改变图符形状。

速率变量一般至少有一端指向一个状态变量，在创建时可是其一端直接指到状态变量上。

●ShadowVariable：

有时模型很大，若一个变量已在一个子块中定义，在另一子块中，只要用ShandowVariable再声明一次即可。

●Comment注释：

用于为流图增加注释，使容易看懂。

Vensim的注释方法很丰富，可以是文字，图符等。

它在模型流图中无实质性作用。

●Delete删除：

用于删除相关内容。

●Equations建立方程：

用于方程建立，即建立等式，赋值，定义单位等。

3.3对于图符和字体的调整

Vensim提供图符和字体的丰富多彩的表示方式。

对于已有的图符和字体，有两种方法实现调整。

一种是用指针选中图符和变量（注意，图符要选其操作柄），然后再点按底部工具条。

一种是直接用鼠标右键点按图符操作柄或变量，就会出现相应的对话框。

（1）利用工具条对图符和字符作调整：

图示工具条功能依次如下：

1.字体选择：

可用来对于当前变量或注释选择任何windows所提供的字体。

也可选择汉字。

2.字体的大小。

3.b：

字体的加粗。

4.i：

字体倾斜。

5.u：

字体加下划线。

6.s：

字体加中串线。

7.设置字体颜色。

8.设置变量边框颜色。

9.变量边框形状选择。

10.文本的位置选择。

11.设置箭头的颜色。

12.箭头的形状选择。

13.设置箭头的极性。

一般用“＋，－”，也可选择用“S，N”。

14.将加亮的字符移到下面。

熟练使用这些工具条可以使模型外观非常漂亮。

但这些工具对于模型本身无实质影响。

（2）利用对话框操作对图符和字符作调整：

如上所述，用鼠标右键单击要操作的图符操作柄，则会出现相应的对话框。

这些对话框主要有箭头选择对话框，开关选择对话框，注释对话框，变量选择对话框。

其中注释对话框和变量设置对话框我们在后面讨论。

●箭头选择对话框：

图示可以选择极性（可以选择字体），箭头可以隐藏，可以无头，可以选择颜色及线的形状和宽度。

这是对于因果关系箭头和速率量箭头操作的。

开关选择对话框：

对于速率量的开关操作。

用来调整速率变量相对于图符的位置，图符的颜色等。

3.4对流图加注释

通过选择建立模型工具条可打开如下注释对话框。

注释可以是文字的或图形的。

文字的注释可以选择字体、大小、颜色、加粗等。

图形的注释可以选择点位图或者是可以是Windows的图元文件（均可由剪贴板获得）。

可以对注释加边框，选择边框形状等。

3.5方程和参数的输入

方程的左边一定是某一变量，而Vensim是围绕这一变量来建立方程和输入参数的。

在画图工具条中，有一个Equations项，当模型各种变量的关系建立完成以后，点击该项即可对任何一个变量进行建立等式和赋值等工作。

点击任何一个变量后，会先出现对话框。

主要内容包括：

●方程编辑：

可选择变量、函数、数字和运算符构成方程。

●Variables输入变量：

若流图正确，此变量的因变量均包含于此，并构成输入变量。

在方程编辑中只要从此选择即可，不需要再写入变量了。

●Functions函数：

此处列举了Vensim提供的所有函数，可选择进入方程编辑。

●Type：

确定变量类型，如表函数等。

●Units单位：

方程右边必须有正确的单位。

若是一个无量纲量，可不加或输入dmnl。

●Comment注释：

可对于方程进行注释，以增加可读性。

●Erros错误信息：

在方程书写中，会随时提示书写是否正确。

3.6查找表的建立

表函数是SD一个重要特征。

它用于建立两个变量之间的非线性关系。

特别是软变量之间的关系。

例如员工士气对工作效率的影响程度。

一般，两个变量先归一化，或者先规整化，再根据经验给出大致的关系图来。

这样设计的变量是无量纲量。

当在Type中选择Lookup项时，会有AsGraph选项，选择此选项，就会出现对话框。

该对话框用于图形化定义一个查找表。

包括自变量和函数值列举，自变量和函数的最大值等。

用鼠标左键在图形框中点按，会自动构成图形。

3.7对于Limits模型重新设计以后的流图

我们对于VensimPLE的modles子目录中的模型Limits进行重新编辑，得到以下。

模型文件为：

limitn.vmf。

第4章模型建立后的静态分析

模型建立后，在运行前和运行后均可以进行静态分析。

这主要的是一种结构分析。

Vensim是通过分析工具条操作的。

其中，原因树分析、结果树分析和反馈回路分析是对于具体的变量进行的，因此首先要选择变量到工作台。

而模型文档列举和量纲检查是对于整个模型的分析。

4.1将分析变量选人工作台

变量选入有两种方法，一是选择模型建立工具条的指针Pointing，然后连续两次点按要选择的变量，就会在主窗口标题栏看到被选中的变量。

另一种方法是，选择Controlpanel下的变量选择（Variable），则会出现一个对话框，列出了模型的所有的变量，且可以分类显示，选择要分析的变量即可。

4.2原因树分析

对于给定变量，列举作用于其上的变量；然后对于这些变量，再列举作用于其上的变量；依次类推，逐级反向追溯，直到出现给定变量本身的一级为止。

这时，就得到了给定变量的一个原因树，最末一级的所有变量（除变量本身），实际上是该子系统的边界。

是这些变量的外部作用决定了给定变量的。

图示是对于变量RabbitPopulationd的原因树分析图。

可以锁定窗口，打印该图，也可以拷贝到剪贴板或以图元文件（wmf）保存。

4.3结果树分析

对于给定变量，列举其作用的变量；然后对于这些变量，再列举其作用的变量；依次类推，逐级正向追溯，直到出现给定变量的一级为止。

给定变量的结果树也构成了一个子系统，其最末一级的所有变量（除给定变量本身），构成子系统边界，表示指定变量对于整个系统的最终作用。

图示是变量RabbitPopulationd的结果树分析图。

4.4模型文档

Vensim没有“程序”，用户可以看到的是方程列举的文档。

该文档详细列举了所有等式、参数、表函数，以及用户注释及Vensim提供的用途分析。

这一文档和模型流图构成了Veansim基本的模型文档。

（01）AREAOFGRASSLAND=20000

Units:

squareyards

Uses:

（03）carryingcapacity-

（02）AVERAGERABBITLIFE=2

Units:

Year

Uses:

（13）rabbitdeaths-

（03）carryingcapacity=AREAOFGRASSLAND/GRASSREQUIREDPERRABBIT

Units:

Rabbit

（01）AREAOFGRASSLAND-

（07）GRASSREQUIREDPERRABBIT-

Uses:

（12）rabbitcrowding-

（04）effectofcrowdingondeaths=EFFECTOFCROWDINGONDEATHSLOOKUP（rabbitcrowding）

Units:

Dmnl

（12）rabbitcrowding-

（05）EFFECTOFCROWDINGONDEATHSLOOKUP-

Uses:

（13）rabbitdeaths-

（05）EFFECTOFCROWDINGONDEATHSLOOKUP（[（0,0）-（10,10）],（0,0.5）,（1,1）,（1.5,2）,（2,5）,（2.5,10））

Units:

Dmnl

Uses:

（04）effectofcrowdingondeaths-

（06）FINALTIME=10

Units:

Year

Thefinaltimeforthesimulation.

（07）GRASSREQUIREDPERRABBIT=10

Units:

squareyards/Rabbit

Uses:

（03）carryingcapacity-

（08）INITIALRABBITPOPULATION=100

Units:

Rabbit

Uses:

（14）RabbitPopulation-

（09）INITIALTIME=0

Units:

Year

Theinitialtimeforthesimulation.

Uses:

（00）Time-Internallydefinedsimulationtime.

（10）RABBITBIRTHRATE=1.1

Units:

1/Year

Uses:

（11）rabbitbirths-

（11）rabbitbirths=RabbitPopulation*RABBITBIRTHRATE

Units:

Rabbit/Year

（14）RabbitPopulation-

（10）RABBITBIRTHRATE-

Uses:

（14）RabbitPopulation-

（12）rabbitcrowding=RabbitPopulation/carryingcapacity

Units:

Dmnl

（14）RabbitPopulation-

（03）carryingcapacity-

Uses:

（04）effectofcrowdingondeaths-

（13）rabbitdeaths=（RabbitPopulation/AVERAGERABBITLIFE）*effectofcrowdingondeaths

Units:

Rabbit/Year

（14）RabbitPopulation-

（02）AVERAGERABBITLIFE-

（04）effectofcrowdingondeaths-

Uses:

（14）RabbitPopulation-

（14）RabbitPopulation=INTEG（rabbitbirths-rabbitdeaths,INITIALRABBITPOPULATION）

Units:

Rabbit

（08）INITIALRABBITPOPULATION-

（11）rabbitbirths-

（13）rabbitdeaths-

Uses:

（11）rabbitbirths-

（12）rabbitcrowding-

（13）rabbitdeaths-

（15）SAVEPER=TIMESTEP

Units:

Year

Thefrequencywithwhichoutputisstored.

（16）TIMESTEP-Thetimestepforthesimulation.

（16）TIMESTEP=0.125

Units:

Year

Thetimestepforthesimulation.

Uses:

（15）SAVEPER-Thefrequencywithwhichoutputisstored.

4.5反馈回路分析

对于给定变量，列举包含该变量的所有的反馈回路。

注意，尽管在建立模型时标明了每个箭头的极性，但Vensim并不提供反馈性质分析。

图示是包含变量RabbitPopulationd的反馈回路。

第5章模型模拟及数据集分析

建立好了模型，就可以进行模拟和数据集分析。

Vensim的数据集分析是对于模拟的结果—数据文件.vdf进行比较分析。

可以对于一次运行结果分析，也可以对于多次运行结果（即多个.vdf文件）比较分析。

同结构分析一样，数据集分析一般也是对于具体的变量进行的，须先选择要分析的变量。

5.1模型模拟

选择主菜单下面的SET选项，会出现下面对话框。

它允许用户修改有关参数，表函数，设定保存运行结果的文件名等。

在对于同一模型反复调整参数，比较运行结果时很重要。

注意，这里对于参数和表函数的修改不会保存到模型文件中去。

另外可以利用主菜Model中的TimeBounds，对于运行起始时间，步长进行重新设定。

模型运行后会产生供数据集分析用的文件.vdf。

若是多次调整参数运行同一模型，并生成不同数据文件，则图形和表格显示是多次运行结果的比较。

例如，在不同的参数条件下，运行Limits模型，得到数据文件：

Current.vdf，Current1.vdf，Current2.vdf。

下面对于变量RabbitPopulation进行分析。

首先，在鼠标选择Pointing情况下，连续两次点按变量RabbitPopulation。

可以看到，该变量被选入工作台标题栏。

5.2数据集分析的工具条

●RunCompare运行比较：

在多次运行同一模型，只是改变其参数时，显示和列举各次运行的参数比较。

在此例中，按下该工具条，则出现下面对话框。

将其Export到剪贴板，最后得到参数比较的文本。

它详细记录了三次运行模型参数的调整情况。

由于这些变化，使模型表现出不同的行为模式来。

ComparingC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2andC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1

******ConstantdifferencesbetweenC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2andC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1******

AVERAGERABBITLIFE-haschangedinvalue

2C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2

3C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1

-----------------------------------------------------------

GRASSREQUIREDPERRABBIT-haschangedinvalue

10C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2

12C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1

-----------------------------------------------------------

******LookupdifferencesbetweenC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2andC:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1******

EFFECTOFCROWDINGONDEATHSLOOKUP-haschangedinvalue

C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT2C:

\VENSIM\MODELS\CURRENT1

X|YX|Y

0|0.50|0.5

1|11|1

1.778|1.691