系统动力学:组织学习实验室.pdf
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1、系统动力学:组织学习实验室上海理工大学内容提要系统动力学是门沟通自然科学和社会科学等领域的交叉学科。本书从 理论和应用各个方面叙述了系统动力学处理实际问题的基本原理、思想和方法;介绍了系统动力学的孕育、诞生和成长过程以及系统动力学在国内外取得的重大 研究成果。本书对系统理论工作者、理工科大专院校师生、各类管理人员和研究 人员等有一定的参考价值。2目 录前言第一章 系统动力学的孕育、诞生、成长1.1近代西方实验科学对系统动力学创立的孕育作用1.2近现代科学技术的发展推动了系统力学的诞生1.3福瑞斯特的贡献和系统动力学的成长历程 第二章系统动力学的问题、思想、方法。2.1 系统动力学研究哪些问题2
2、.2 切特兰德软系统思维观是系统力学的思想基础2.3系统力学的基本方法第三章系统动力学建模基础3.1思维模拟与决策陷阱3.2系统观与方法论3.3建模原理与步骤3.4建模的基本工具3.5模型的基本模块第四章DYNAMO:系统思考的计算机实现4.1 历史与简介4.2 时间机构与计算顺序4.3方程类型4.4函数4.5注释与输出4.6 高级 DYNAMO第五章系统动力学模型的经典案例5.1 从现实系统到模型系统5.2 污染净化模型5.3库存模型5.4捕食者与被捕食者模型第六章系统动力学模型:政策实验室6.1世界模型6.2美国国家模型6.3中国国家模型第七章系统动力学:组织学习实验室(实际案例分析)7.
3、1案例:上海市住房需求趋势分析7.2案例二:国有企业期股激励机制的系统动力学研究7.3案例三:国有研究所毛利分配机制改革系统动力学研究7.4案例四:上海市私家车市场需求的SD模型研究第八章思考与展望8.1关于系统动力学范式的再思考8.2系统动力学的地位及与相关学科的关系8.3系统动力学展望附录:系统动力学模拟软件Vensim使用指南3系统动力学组织学习实验室刖 百伽俐略在比萨斜塔上证实了自由落体定律,居里夫人在实验室里发现了放射 性元素镭、客观世界的许多定律和发现都是依靠实验手段来完成的。然而,客观 世界中还存在着一大类难以用具体试验来解决的问题,比如彩电的寿命,地下矿 藏的形成,物价改革的决
4、策选择,城市发展的趋势分析,等等。对于这些问题,虽然有时基于历史经验的思维模拟方法可以提供一点帮助,但是思维模拟常常是 不明确、不完善和不全面的,很容易坠入决策的陷阱中去。系统动力学作为门 分析研究信息反馈系统的综合性新学科,提供了一个认识和解决实际系统问题的 实验室。系统动力学自1956年创始以来,已经得到了很大的发展,其应用范围已遍 及社会、经济、教育、商业、金融、企业、政治、军事、医学、生物等众多领域,并取得了显著的成果。但是,在国内系统动力学的发展起步比较迟,有关的(尤 其是中文的)文献资料很少。写作本书最主要的目的,就是要为系统动学理论 与应用感兴趣的系统理论工作者、大专院校师生以及
5、各类管理人员和研究人员提 供一本参考读物,以促进系统动力学在我国的普及和发展。4第一章系统动力学的孕育、诞生、成长1.1近代西方实验科学对系统动力学创立的孕育作用1)传统的自然科学方法以及伽俐略的变革自然科学研究有其方法论基础,在一定的方法论指导下,自然科学必然沿着 一定的方向探索。如果方法论正确得当,这种探索将使自然科学得到迅速发展;反之,则可能使自然科学研究停滞甚至倒退。基于人们对世界的认识与探索,形成了古代的科学思想与方法、中世纪的科 学思想与方法。在文艺复兴之前的传统科学思想与方法中,没有比亚里士多德的 思想与方法更显得神圣与重要的了。亚里士多德通过研究运动学、天文学、动物学、抽象并总
6、结出有其特色的科 学研究方法,这即是以演绎逻辑的方法来对自然世界进行研究,以获取科学知识。他认为论证是获取科学知识的主要认识方式与途径,演绎逻辑的三段论式是其论 证的方法基础。不容置疑,亚里士多德的演绎逻辑科学方法对古代以至中世纪科学的发展(甚至近代、现代的科学发展)都产生了极其重要的影响。演绎逻辑的方法对科 学假说的形成与完善,甚至对整个世界体系的形成都产生了积极的作用,推动了 自然科学的发展。但遗憾的是,中世纪的科学界笼罩在宗教气氛中,亚里士多德的思想被宗教 化与神化了,整个自然科学处于被残酷扼杀的境遇之中。由于自然科学的思想方 法论被限止在演绎逻辑的框框之中,些难以运用演绎逻辑方法的科学
7、门类就无 法得到发展。止匕外,为了完善学科的体系(公理体系及逻辑体系),不得不人为 地加入许多“修正”与“限界”,在科学中加入了许多人为的臆想与猜测,使科 学变得千疮百孔。为了保证学科的完整与正确,还人为地设置了许多禁区,这又 极大地扼杀了科学发展的活力。托勒密的地心说即是一例。为了使托勒密的地心 说体系保持完整,对其修正不断增多,以致到15世纪托勒密体系的圆圈增至80 多个,超过了亚里士多德天球的数目。1516世纪的文艺复兴运动也对统治科学界的宗教产生了冲击波:哥白尼的 日心说揭开了近代自然科学的序幕,是向神学发出的挑战书,是自然科学的“独 立宣言”,其科学意义是无与伦比的。然而,作为向神学
8、挑战的日心说,从方法 论上而言并未有太大的创新。是伽俐略借助望远镜观察天体得到的一系列重大发 现。借助其力学思想以及天文学中的新发现,进步捍为与丰富了哥白尼的日心 说。更重要的是,伽俐略创立了科学的实验方法,为自然科学的研究方法开辟了 个崭新的历史时期。伽俐略发扬了意大利文艺复兴时期思想解放的传统,以实验事实为依据,坚 信科学的结论必须经受实验的检验,通过实验检验的科学结论将是不以人的意志 为转移的。伽俐略认为个平凡的人只要找到真理,将会使一千个亚里士多德陷 于困境。在归纳与演绎逻辑推理的问题上,他认为在实际的认识问题过程中归纳 是先于演绎的。伽俐略把自然科学的研究带入实验方法的新阶段,在他的
9、实验方法中,理性 的使用并没有被忽略,他以理性思维发现并指出亚里士多德关于自由落体运动的 错误论述(物体的重量越大则下落的速度越快),以著名的比萨斜塔实验来论证 他自己的假说。为了克服塔不够高,物体下落过快,观察时间过短,难以得出明 确结论的不足之处,他设计了斜面实验。由于可以通过人工控制斜面的长度与倾 5角,小球在斜面上滚动的速度与时间均可控制,易于观察。在这里,逻辑推理的 方法弥补了实验条件的不足,从而使在斜塔实验中所不能解决的问题在书桌的斜 而上即可解决,把自然科学的问题带到实验室中来了。自伽俐略之后,大至天体运动、海洋潮汐运动,小至分子运动、微生物运动 等问题,都被带进了小小的实验室中
10、。科学实验方法的发展大大改变了人类自身 理性认识以及观察、经验之不足,使人类的理性推理可建立在严密的实验基础之 同时,克服了人类自身的生理以及人类个体生命的限制,也克服了人们在时 间、空间跨度上认识能力之不足。伽俐略在自然科学方法上揭开了崭新的页。2)传统的社会科学研究方法以及福雷斯特的变革自然科学中演绎的思维方法从占绝对统治地位让位于科学实验方法与理性 思维并重的科学方法,这在16世纪即已实现。相比较而言,社会科学中科学实验的方法则要推迟到20世纪。社会科学的研究对象比自然科学更为复杂,这主要体现 在以下几个方面:自然科学中,许多现象都是可以通过实验来进行观察的。相对而言,社会科 学中这种可
11、以通过实验室来进行观察的对象较少,观察的难度增大。自然科学中,由于各种度量衡来进行度量、观察。有一些变量其量纲只是这些基本的度量衡的 组合,因而也可通过对观察对象的测量来得出。相对而言,社会科学中度量衡不 全,测量也就变得更加困难。此外,自然科学中,人的观测大多可置于研究、观 察对象之外,因而对观察对象的影响不大,观察精度较高。而包括人类自身的社 会科学则由于观测者往往也是被观测对象,因而必然会大大降低观测的精度。社 会科学的可观性比自然科学要差,其观测难度也较大。自然科学中,许多实验可以控制在一定的条件下进行,如自由落体实验可以 控制在高度可自由调节的斜面上进行,这样斜面上小球的下降速度与时
12、间均可得 到控制。相对而言,社会科学中可控性则较差,许多社会科学问题难以象自由落 体运动转换为斜面运动那样容易实现对问题的控制。自然科学问题具有较好的重构性,也就是说可以通过人工实验手段再现所研 究的问题。但社会科学问题的可重构性则较差,一般难以通过人工手段重现所研 究的问题。这主要因为社会问题包括了研究者自身,研究者自身的观点、行为必 然影响研究对象,这样重现个包括研究者自身的研究对象就必然有较大的困 难。由于社会科学问题的能观性、能控性与可重构性比自然科学问题较差,因而 在社会科学中创立并发展科学实验方法就必然较难。因为就理论上而言,研究对 象可观、可控与可重构性是把研究对象引入实验室的必
13、要条件。可观性说明研究 对象可以通过观测来测度可控性说明研究对象可以通过一定的控制手段引入实 验之中使其易于研究。可重构性则说明研究对象可以通过人工手段进行再现。若 无可观、可控与可重构性,则科学的实验方法就无从谈起。社会科学自身所具有的困难使得社会科学的研究方法在20世纪以前仍基本 上停留在传统的方法之上,也就是注重理性思维而忽视感性观察与认识,注重演 绎推理而忽视归纳推理,注重定性研究而忽视定量研究,注重机械的因果决定论 而忽视辩证的因果循环论。更为重要的是缺乏适合于社会科学的科学实验方法,尽管出现过类似于封闭式的乌托邦实验,但从根本意义上而言,整个社会科学中 没有科学的实验方法与手段。美
14、国麻省理工学院的福雷斯特教授在20世纪60年代创立了适用于社会科学 的实验方法,实现了社会科学方法的变革。福雷斯特基于20世纪50年代发展起 6来的系统论、信息论、控制论、组织理论与计算机技术,创立了一门崭新的学科 系统动力学,这门学科实现了把社会科学问题带到实验室里来研究的梦想,并已成功地在实验室里研究了工业企业的生产、组织与管理问题、城市问题、世 界的繁荣与衰退问题、国家的经济滞胀及人口增长等系列社会科学问题。1.2近现代科学技术的发展推动了系统动力学的诞生科学的发展离不开必要性与可能性。必要性所产生的张是科学家们所致 于某种研究与探索讨的动,可能性则为这种研究与探讨准备了成功的条件。几个
15、世纪以来,科学发展的浪潮对系统动力学的孕育已是千呼万唤了。(1)科学的分崩离析呼唤着新学科出世自从科学从古希腊的包罗万象的哲学中分离出来以后,由于科学自身发展的 需要,新的学科不断涌现,学科门类的越分越细使得科学家更适于集中精力从 事专门的研究,同时,也使得各学科自身的体系更加完善与系统。(2)自然科学与社会科学在知识体系与方法上的鸿沟要求尽早找到合适的 填补方法自然科学自从与哲学分离之后,由于生产的需要获得了飞速的发展,形成 了门类众多的学科结构与体系。相对而言,社会科学形成独立学科体系比较晚,其学科结构也不够齐全,知识体系也不够完善。自然科学与社会科学在方法上 存在着较大的差异。自然科学工
16、作者注重数量方法,朝着精确化方向发展;注 重实验方法,求以实验手段来探讨问题,验证与证实假设;注重逻辑的方法,一般是归纳与演绎方法并举,先归纳后演绎。社会科学则注重定性方法,以定 性方法来研究问题的机理与行为特征;难以进行实验,对假设或理论的检验只 能基于社会的发展史实。有些理论或假设甚至无法通过社会进程来检验的;社 会科学也注重逻辑方法,但相对而言,演绎与归纳推理的应用程度均不及自然 科学那么广。3)缺乏有效的科学实验方法阻碍了社会科学的发展如前所述,由于人的行为对研究对象的影响作用,社会科学不象自然科学 那样能够容易地把研究对象孤立起来,通过人工的方法来模拟问题的背景,使 之在实验室里模拟
17、实际运行情况;社会科学问题中的某些具有较大的时间、空 间跨度特征以及些规模太大、结构复杂的问题,由于人类自身认识能力的限 制难以进行研究。实践已经证明,要在一个孤立的小岛上实现乌托邦是不可能 的。社会科学由于缺乏科学的有效的实验方法,在很多方面都制约了其自身的 发展,使得社会科学的理论与假设难以证实与检验,这样实际上制约与延缓了 社会科学发展的进程。(4)经济学方面微观与宏观之间的分离亟需弥合微观经济学与宏观经济学两者的理论基础与方法基础均存在着很大的差 异,因此经济科学发展到今天,它呼唤着微观、宏观经济学之间的分离早日弥 合,使经济学的体系更加完善,逻辑体系更加严密,形成一门完整的科学。事实
18、上,在许多学科中,微观分析与宏观行为的研究都是相互脱节的:一 方面是严密的微观分析,另一方面是“唯象”的宏观行为研究,但到底微观机 制是如何上升到宏观行为,却大都不得而知。经济科学中的微观与宏观脱节是 如此,早期物理中的热力学与统计力学的脱节也是如此。可见,科学的发展对系统动力学的孕育已是势在必然了。7一方面,科学的发展为系统动力学的孕育提出了强有力的需求,另一方面,科学的发展也为系统动力学的孕育准备了良好的温床。在哲学上,从古希腊亚里士多德的整体论为主流,发展到18世纪的还原论 占主流,再发展到20世纪贝塔朗菲的系统论。整体论、还原论特别是系统论考 察研究对象的方法,为系统动力学从系统的高度
19、、角度研究问题准备了充分的 理论基础。在思想方法上,尤其是在研究事物发生的因果律方面,科学的发展也为系 统动力学的孕育准备了充分的条件。在否定与批判了事物发展规律的不可知论 之后,牛顿通过研究线性系统,得出了机械决定论的观点,也就是说从已知事 件开始的状态及其运动方式即可推出事件在整个历史发展过程中任一时刻的状 态。机械决定论具体应用到历史学科之中,即成为历史决定论。从对牛顿的机械决定论进行深入的研究并结合实际情况之后,人们发现现 实世界并不象牛顿所描述的那样有确定性的。相反,现实中弥漫着不确定性,但这些不确定性并不是不可知的。通过对事物发生规律不确定性(随机性)的 研究,玻恩创立了模糊因果律
20、,也就是随机决定论。随机决定论的推出,丰富 与发展了事物发展规律的研究成果与内容。进步考察事物发展规律以后,人们进而发现牛顿的单向因果关系只是在 极少数极为简单的系统中成立,对许多问题而言,存在着复杂的因果关系,原因与结果在许多时候是不可分开的,原因是上一级的结果,结果又是下级 的原因,并由此构成因果循环链,所有的因与果因素都由这条链联结在起,循环因果论由此提出。这种循环因果论在现代许多科学家的著作与思想中都有 体现,其中特别明显的是贝塔朗菲的一般系统论、哈肯的协同学、拉兹洛的系 统折学等等就具体方法而言,20世纪初,自爱因斯坦的相对论提出之后,在科学上形 成了一系列突破,并形成了以“系统”为
21、特征的新的学科体系。维纳创立的控 制论考察了受控系统在外界控制作用条件下的运行,并且为在实验室里进行功 能模拟创立了以“黑箱”为特色的新方法;香农创立的信息论为信息的编码与 传递进行了理论上的准备,并对决策的信息基础作了有益的探讨;更为重要的 是,贝塔朗菲提出的一般系统论以及后来形成的一系列系统理论,为有效地从 系统的角度来研究与考察系统的运行与控制及系统的内部机制的调节,准备了 充分的条件。就技术而言,20世纪初发明的电子计算机技术为复杂系统的研究提供了技 术上的条件,因为计算机可以方便地处理复杂系统的数据收集与整理、运行机 制分析与研究等等。至此,系统动力学的诞生已是呼之即来了。1.3福雷
22、斯特的贡献和系统动力学的成长历程综合就是创造,成功的综合其创造价值是无与伦比的。科学的发展呼唤着为社会科学的科学实验提供有效的方法,科学的发展又 为实施这种条件创造准备了充分的条件,但这并不是说系统动力学的诞生已经 完成,或者说可自然地、容易地完成。成功地完成这综合要求必须站在现代 科学的前沿,深入洞察科学发展所提出的需求,深入研究满足这种需求的实际 上可能存在的条件,并充分地利用这些条件,只有这样有可能完成这艰巨 的任务。福雷斯特正是经历这样个艰巨的过程之后,创造性地完成了这一重 8任。福雷斯特早年就学于麻省理工学院,主攻通讯工程,较早地接触了先进的 通讯理论,具备了一些信息论方面的基础;二
23、次大战中,他作为雷达工程师维 修过当时先进的雷达。50年代维纳在麻省理工学院创立的控制论,对麻省理工 学院乃至整个科学界都产生了深远的影响。维纳是在考察二次大战后的通讯与 自动控制技术之后,站在个更概括的理论高度,抓住通讯与控制系统本身的 结构必须适应它所接受与加工的信息这统计性质,突破了传统的力学方法,摆脱了拉普拉斯决定论及机械的唯物论,根据自动控制系统随周围环境的某些 变化来调整自己运动的特点,把控制论建立在统计的基础,这样控制论中渗 入了统计的、进化的观点。信息论与控制论中都包含着一些系统的思想,系统论的提出总结、充实、完善了这些思想,系统论不单纯提出以系统的角度来考察、研究问题,而且对
24、 系统的结构、行为变化、系统的功能进化均有研究。福雷斯特认真地吸取了这 些思想与方法,使系统动力学的综合能够站在现代科学方法的前沿。信息论、控制论、系统论的方法都是自然科学方法,要使这些方法应用到 社会科学中去并完成社会科学研究方法上的突破,还必须深入研究社会科学,洞察社会科学所面临的问题,综合利用社会科学的基础与理论,福雷斯特成功 地完成了这转变。二次大战之后,福雷斯特转到麻省理工学院的斯隆管理学院,深入地学习 了作为社会科学中的综合学科的管理科学,学习并研究了经济学、组织理论、管理决策理论等学科,意识到经济学中的微观经济学与宏观经济学的脱节,组 织理论在实际中缺乏较强的系统性与应用性,决策
25、理论则由于决策工具的不成 熟,实际上难以成为真正的科学。无论是经济学、组织理论还是决策学,社会 科学缺少并严重需求的科学实验方法已被福雷斯特所意识到。他认识到应该为 社会科学的科学实验方法做出贡献了。并且,自然科学已为这种科学实验方法 的创立准备了理论基础与实际应用背景,而他本人则已具备了自然科学与社会 科学两方面的知识背景与理论基础,理论的创新已成为可能。值得一提的是,福雷特斯特在技术方面也站在现代科学的前沿。20世纪40 年代发明的电子计算机技术代表了当代技术的最前沿。就理论说计算机的发 明解决了“计算”与逻辑推理的高难问题,使数据收集、整理、计算均可容易 地实现,把人从繁重的、机械的脑劳
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