VENSIM软件建模指导手册X

北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 1 页 共 18 页 （（（（内部教学资料内部教学资料内部教学资料内部教学资料 请勿外传请勿外传请勿外传请勿外传）））） Vensim软件建模指导手册软件建模指导手册软件建模指导手册软件建模指导手册 1. 简介简介简介简介 Vensim 是一种可视化建模工具，利用这种工具可以将系统动力学的模型概念化和文档 化，并能对模型进行仿真、分析和优化。Vensim 提供了简单而灵活的建模方式来绘制因果 关系图和积量与流量图并在图上进行仿真。 Vensim通过文字以及文字间的箭头来表示和记录系统变量间的因果关系。在此基础上， 使用公式编辑器来完成仿真模型的建立。在使用 Vensim建模的过程中可以分析所建立的模 型，包括变量的使用及其因果关系和因果关系环路。当一个可用于仿真模型建立起来以后， 可以使用 Vensim深入研究模型的行为。 Vensim 是系统动力学研究领域应用最广泛的建模和仿真软件。包含了系统动力学研究 中的几乎所有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 函数。Vensim包含多个版本，其中 PLE版本是专门为 教学设计 散步教学设计免费下载洗衣歌教学设计免费下载汽车材料教学设计下载爱护水资源教学设计下载一师一优课教学设计下载 的简化版 本，可以免费使用。Vensim PLE 可以从 Ventana Systems 公司的主页下载，网址为： http://www.vensim.com。 本手册通过建立一个反映劳动力和库存关系的系统动力学模型，并利用这个模型进行仿 真，来介绍一个完整建模过程。这个模型展示了库存管理策略和劳动力雇用策略可以导致生 产的不稳定。 2. 进入进入进入进入 Vensim PLE 从开始菜单进入 Vensim PLE， 如图 2.1所示。 图 2.1 进入 Vensim PLE 进入后主界面如图2.2所示。这个界面可以看作是带有一系列工具的绘图工作台。Vensim 窗口的主界面以绘图区域为主，包括标题栏、菜单栏、工具栏和分析工具等。如果在 Vensim 中打开一个模型（如图 2.2）则绘图工具栏和状态栏也会出现。 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 2 页 共 18 页 图 2.2 Vensim 主界面 � 标题栏：显示当前打开的模型文件名称和选中的变量名称。 � 菜单栏：菜单栏是上下文敏感的，具体内容根据打开的模型和正在进行的操作有所 变化。大多数常用的菜单命令列在了快捷工具栏中。 � 工具栏：工具栏中的按钮是常用的菜单项和仿真命令。分为 3组，从左到右依次是： 文件操作命令、仿真命令和控制命令。 � 绘图工具栏：包含创建因果关系图和积量与流量图的全部工具。 � 分析工具：分析工具用于显示绘图区域中变量的有关信息，包括位置信息、变量值 以及从仿真数据集中得到的行为信息。 � 状态栏：显示了绘图区域和其中对象的状态。状态栏中的按钮可以改变所选对象的 状态并且可以切换视图。 3. 创建一个系统动力学模型创建一个系统动力学模型创建一个系统动力学模型创建一个系统动力学模型 3.1. 建立一个新模型建立一个新模型建立一个新模型建立一个新模型 有 2种方法建立新模型。 � 从菜单栏创建：在菜单栏找到 File – New Model，创建一个新模型。 图 3.1 从菜单栏创建模型 � 从工具栏创建：直接单击 New Model按钮 ，创建一个新模型。 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 3 页 共 18 页 创建后，出现如图 3.2所示的模型设置界面，可以设置初始时间、终止时间、时间步长 和单位等仿真基本条件。 图 3.2 模型设置 选择默认设置，即直接单击 OK按钮，弹出如图 3.3所示的空白主界面。 图 3.3 空白主界面 单 击 保 存 按 钮 ， 或 者 菜 单 栏 的 File – Save 命 令 ， 将 模 型 保 存 为 Workforce_Inventory.mdl。 3.2. 绘制因果关绘制因果关绘制因果关绘制因果关系图系图系图系图（（（（CLDs）））） 绘制因果关系图的因素如表 2.1所示 表 3.1 主要影响因素表 生产相关因素生产相关因素生产相关因素生产相关因素 库存相关因素库存相关因素库存相关因素库存相关因素 销售相关因素销售相关因素销售相关因素销售相关因素 劳动力相关因素劳动力相关因素劳动力相关因素劳动力相关因素 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 4 页 共 18 页 产量（Production） 劳动生产率 （Productivity） 目标产量 （Target Productivity） 库存（Inventory） 目标库存 （Target Inventory） 库存调整量 （Inventory Correction） 库存覆盖比例 （inventory coverage） 库存调整时间 （time to correct inventory） 销量（Sales） 劳动力（Workforce） 目标劳动力 （Target Workforce） 雇用量（Net Hire Rate） 劳动力调整时间 （time to adjust workforce） 1) 产量：每月的出产品数量。 2) 劳动生产率：每人每月的产量。 3) 目标产量： 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 达到的月产量。 4) 库存：当前实际存货量。 5) 目标库存：计划达到的库存量。 6) 库存调整量：将库存补充到目标库存的速度。 7) 库存覆盖比例：目标库存与当前销售量的比例。 8) 库存调整时间：将库存补充到目标库存所需要的时间。 9) 销量：每月销售的产品数量。 10) 劳动力：当前劳动力总数。 11) 目标劳动力：达到计划产量和计划库存需要的劳动力数量。 12) 雇用量：每月实际净增加的劳动力数量。 13) 劳动力调整时间：将当前劳动力补充到目标劳动力所需要的时间。 打开模型文件 Workforce_Inventory.mdl。在工具栏上单击变量按钮（Variable） ，然 后将鼠标箭头移动到绘图区域，箭头变为 ，在绘图区域单击，得到如图 3.4所示的文本 编辑框，输入变量名称 Production。 图 3.4 设置变量 输入另外一个变量 Inventory，然后单击箭头按钮 ，然后将鼠标箭头移动到绘图区域， 箭头变为 。在绘图区域鼠标连续单击变量 Production、空白处和 Inventory，得到如图 3.5 所示的因果关系，其中箭头所指的变量是受到影响的变量，另一端的变量是影响因素，即 Production影响了 Inventory。将鼠标移动到因果关系箭头的圆圈“手柄”上，然后右击，如 图 3.5右边所示，得到图 3.6所示的因果关系设置对话框，将因果关系极性设置为“+”，并 设置其它属性。 图 3.5 因果关系 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 5 页 共 18 页 图 3.6 因果关系设置 按照上述方法，最后得到的因果关系图如图 2.9所示。 Production Inventory Salse Productivity Workforce Net Hire Rate Target Inventory Target Production Target Workforce Inventory Correction + - + + - + + + + - + - + + 图 3.7 完整的因果关系图 图 3.7将主因果关系环路用粗线表示，并加上“—”号的注释。注释添加方法为，单击 注释按钮 ，然后将鼠标箭头移动到绘图区域，箭头变为 ，在绘图区域中需要添加注 释的地方单击，得到如图 3.8所示的对话框，并设置注释的各项属性。 图 3.8 注释设置对话框 3.3. 绘制积量与流量图绘制积量与流量图绘制积量与流量图绘制积量与流量图 新建一个模型文件Workforce_Inventory2.mdl，使用默认设置，以这个文件为基础绘制积 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 6 页 共 18 页 量与流量图并进行仿真。 � 状态变量 状态变量即积量。单击状态变量按钮 ，然后将鼠标箭头移动到绘图区域，箭头变为 ，在空白区域单击，输入状态变量名称，如图 3.9所示。 图 3.9 状态变量 � 速率变量 单击速率按钮 ，然后将鼠标箭头移动到绘图区域，箭头变为 。在绘图区域连续 单击空白和状态变量 Inventory，输入速率变量名称production；再连续单击状态变量 Inventory 和空白，得到如图 3.10所示的状态变量与速率变量关系图。单击移动按钮 ，可以调整相 对位置。 图 3.10 状态变量与速率变量 按照上述方法设置状态变量Workforce和速率变量 net hire rate，如图 3.11所示。 图 3.11状态变量与速率变量 2 根据模型简化假设，将速率变量的形式设置为双箭头。单击移动按钮 ，将光标移动 到速率变量箭头尾部，如图 3.12左边所示，单击右键得到图 3.13的属性设置对话框，选中 箭头（Arrowhead）选项，单击 OK按钮，得到图 3.12右边所示速率变量。 图 3.12 速率变量设置 图 3.13 速率变量设置 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 7 页 共 18 页 � 辅助变量 除了积量与流量外，建立一个完整的系统动力学模型还需要辅助变量。辅助变量的添加 与绘制因果关系图类似：在工具栏上单击变量按钮（Variable） 添加辅助变量，然后单 击箭头按钮 建立各变量之间的联系。 Inventory production sales Workforce net hire rate productivity inventory coverage target inventory inventory correction target production time to correct inventorytarget workforce time to adjust workforce 图 3.14 添加辅助变量后的系统动力学模型 3.4. 为变量输入公式为变量输入公式为变量输入公式为变量输入公式 模型绘制完毕后，在图 3.14 的基础上为各变量添加相应的公式，需要添加的公式如表 3.2所示。 表 3.2 变量设置 变量名称变量名称变量名称变量名称 变量类型变量类型变量类型变量类型 表达式表达式表达式表达式 单位单位单位单位 Inventory Lever INTEG(production-sales, 300) 初始值为 300 Widget net hire rate Rate (target workforce-Workforce)/time to adjust workforce Person/Month production Rate Workforce*productivity Widget/Month productivity Constant 1 Widget/Month/Person sales Rate 100 + STEP(50,20) 阶跃输入 Widget/Month target production Auxiliary sales + inventory correction Widget /Month target workforce Auxiliary target production/productivity Person time to adjust workforce Constant 3 Month Workforce Level INTEG(net hire rate, target workforce) 初始值为 target workforce Person inventory correction Auxiliary (target inventory - Inventory)/time to correct inventory Widget /Month time to correct inventory Constant 2 Month target inventory Auxiliary sales * inventory coverage Widget inventory coverage Constant 3 Month 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 8 页 共 18 页 单击公式按钮 ，所有未设置公式的变量将以反色显示，如图 3.15所示，然后将鼠标 指针移动到待设置的变量上并单击，弹出如图 3.16所示对话框。根据表 3.2在对话框中设置 变量公式。 图 3.15 待设置公式的模型 图 3.16 变量公式设置 所有变量设置完后，单击图 3.16种的 Check Model按钮，初步检查模型设置，如果弹 出图 3.17所示提示框，则表明可以用于模拟。 图 3.17 模型检验成功 变量设置并检查完毕后，模型恢复到图 3.14所示状态，将模型保存。 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 9 页 共 18 页 4. 模型仿真模型仿真模型仿真模型仿真 4.1. 检查模型结构检查模型结构检查模型结构检查模型结构 打开模型文件Workforce_Inventory2.mdl，如图 4.1所示。在进行模拟前，要单击锁定按 钮 将模型锁定，使得不能修改。 图 4.1 劳动力—库存模型 可以利用 Vensim提供的分析工具来检查模型的结构。 � 因果树图（Casual Tree Diagram） 用鼠标选中任意一个变量（假定选中变量 Inventory），单击因果树按钮 可以得到影 响该变量的所有直接和间接因素，即得到图 4.2所示的输出窗口。选中图 4.2中任何一个变 量，再单击因果树按钮，还可以得到该变量的因果树图。 图 4.2 因果树 � 影响树图（User Tree Diagram） 用鼠标选中任意一个变量（假定选中变量 Inventory），单击影响树按钮 可以得到变 量所直接和间接影响的其他变量，即得到图 4.3所示的输出窗口。选中图 4.3中任何一个变 量，再单击影响树按钮，还可以得到该变量的影响树图。 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 10 页 共 18 页 图 4.3 影响树 � 环路分析（Loops） 用鼠标选中任意一个变量（假定选中变量 net hire rate），单击环路按钮 可以得到与 该变量有关的所有环路，即得到图 4.4所示的输出窗口。该输出显示了所有环路的数量和长 度。选中图 4.4中任何一个变量，再单击环路按钮，还可以得到该变量的环路图。 图 4.4 环路分析 � 文档分析（Document） 用鼠标选中任意一个变量（假定选中变量 net hire rate），单击文档按钮 可以得到该 变量的描述文档，即得到图 4.5所示的输出窗口，该输出显示了变量的公式和单位等信息。 选中图 4.5中任何一个变量，再单击文档按钮，还可以得到该变量的文档描述。 图 4.5 变量描述文档 4.2. 模型设定模型设定模型设定模型设定 在进行模拟前，要设定模拟的初始条件。选择菜单栏的Model – Setting菜单，如图 4.6 所示。然后弹出图 4.7所示的模型设置对话框。 图 4.6 选择模型设定 在模型设置对话框中设定模型的仿真条件和运行条件等，仿真条件如表 4.1所示。 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 11 页 共 18 页 图 4.7模型设定对话框 表 4.1 仿真条件 条件条件条件条件 FINAL TIME INITIAL TIME TIME STEP SAVEPER 初值初值初值初值 100 0 0.25 TIME STEP 单位单位单位单位 Month Month Month Month 4.3. 运行仿真运行仿真运行仿真运行仿真 4.3.1. 综合仿真综合仿真综合仿真综合仿真 Vensim可以保存多次运行结果并进行对比，首先要设定运行的名称。双击图 4.1中的运 行名称编辑框 ，输入第一次运行名称 baserun。单击综合仿真按钮 ， Vensim将按照综合仿真（SyntheSim）模式运行，如图 4.8所示。 图 4.8 综合仿真运行 在综合仿真模式下，每个变量要么叠加了一个曲线图形，要么在下方出现了一个滑动条。 滑动条出现在常数的下方，而其他变量上策叠加了一个小的曲线图。如果将鼠标移动到变量 上，则会出现一个较大的曲线图。 双击运行名称编辑框，将运行名称改为 experiment，则在 experiment下运行的数据集将 不会改变 baserun中的运行数据集。用鼠标前后拖动变量 productivity 下的滑动条，变量上叠 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 12 页 共 18 页 加的蓝色曲线会随着仿真运算动态变化，而 beserun的运行结果则以红线显示并保持不变。 将鼠标指针移动到变量（假定为Workforce）上时，所弹出的曲线图显示了 2次运行的结果， 如图 4.9所示。 图 4.9 即时显示的图线 � 模型行为 在综合仿真基础上检验模型的行为。选中变量Workforce，单击图形按钮 得到图 4.10 的输出结果。途中显示了 2次不同运行的结果，这两条曲线并没有本质差别。首先曲线所表 现出来的行为都是所谓的“阻尼波动”，其次，两次运行的结果可以看作仅仅是图形垂直标 度的差异。 图 4.10 变量Workforce的运行结果 关闭Workforce变量的输出图形，选中 Inventory变量，单击图形按钮 ，得到图 4.11 所示的输出图形。 图 4.11 变量 Inventory的运行结果 从图 4.11 种可以看出库存的波动行为与劳动力相似，区别在于库存在上涨前有一个减 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 13 页 共 18 页 少的过程。更重要的是，两次模拟的库存曲线完全相同。可以通过对比两次运行的具体数据 来说明。单击表格按钮 ，得到图 4.12所示的两次运行数据比较表。表中可以看出，任何 时间点上，两次运行的库存数据相同。 图 4.12 变量 Inventory的运行对比表 改变劳动生产率仅仅影响到劳动力（Workforce）、目标劳动力（target workforce）和雇 用量（net hire rate）。这一结果已经在拖动滑动条的时候清楚地体现出来，因为劳动生产率 仅仅决定了生产单一产品所需要的劳动力数量。 单击重设滑动条按钮 ，或按键盘上的 Home键，使变量 productivity恢复到初始值。 拖动其余常数下的滑动条，观察系统的行为，并输入研究特殊曲线的产生原因。 � 因果关系追踪 与 4.1节中因果树分析工具类似，使用因果关系追踪工具可以分析变量行为间的因果关 系。单击重设所有滑动条按钮 ，或者按 Ctrl + Home，将所有改变的变量恢复到初始值。 在绘图区域选中变量 Inventory，单击因果追踪图按钮 ，得到图 4.12所示输出结果。 图 4.13 因果关系追踪图 图 4.13中最上方的是库存（Inventory）曲线，库存的直接影响因素（production和 sales） 的行为曲线排列在库存曲线下方。每个曲线的图形都包含了重叠的 2种颜色（红色和蓝色）， 每种颜色表示一次运行结果。 注意图形中一个有趣的现象，库存的波动行为经过一段时间后逐渐收敛到稳定状态。库 存的变化同时受到产量和销售的影响，但是只有产量发生波动。因此，销售不是产量和库存 产生波动行为的原因，必须通过产量来发现使库存发生波动的原因。 选中图 4.13种的变量 production，单击因果追踪图按钮，得到新的因果追踪图，依次追 zhangrentian 高亮 zhangrentian 高亮 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 14 页 共 18 页 踪产生波动的变量，最后得到图 4.14所示的一系列输出。 追踪的结果表明，库存反馈环路上的波动不是由于销售引起的。销售是以一个阶跃函数 的形式变化的。销售改变了其他变量，但没有受到其他变量的影响，因此它不在任何反馈环 路上。销售的突然变化改变了库存原有的均衡水平，因此系统的（负反馈）结构试图恢复原 来的均衡水平，因而以一个特定的周期发生波动，但这种波动最终又恢复到一个新的均衡状 态下。这非常想一个摇椅受到冲击后开始摆动，最终又恢复到静止状态。 选择菜单栏的Windows – Close All Output项，关闭所有输出窗口。 图 4.15 波动性追踪结果 zhangrentian 高亮 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 15 页 共 18 页 4.3.2. 单次单次单次单次仿真仿真仿真仿真 综合仿真高效直观地显示了模型的行为，但是对于大型模型，运行时间相对较长，模型 变量众多，同时观察各个变量已经不可能。借助于单次仿真试验可以较好地解决这个问题， 单次仿真还有利于他人重复仿真过程。 在综合仿真状态下，单击停止仿真按钮 ，模型中的小图形和滑动条将消失，模型恢 复到一打开时候的状态，即图 4.1所示状态。 � 模型仿真 单击仿真设置按钮 ，有一些变量名称将以蓝底黄字显示，如 。这些变 量都是常数变量，它们在仿真的过程当中不能改变。可以在仿真开始前设置这些变量，并观 察不同设置条件下的模型行为。 单击绘图区域中的变量 time to adjust workforce，会出现一个文本编辑框 。可以尝试放慢雇用新工人的速度（以及解雇现有工人的速度）是否可 以消除波动。理想状态是从旧的库存和劳动力水平平滑过渡到新的水平。在文本框内输入数 字 12取代原来的数字 3，然后按下 Enter键。这将把劳动力的调整时间从 3个月改变为 12 个月。单击单次仿真按钮 ，模型将进行仿真，并将仿真数据集存储于 experiment的运行 结果中。 在绘图区域选中变量 Inventory，然后单击图形按钮 ，得到图 4.16所示的输出结果。 图 4.16 单次仿真输出结果 从图 4.16所示的结果显示了劳动力调整时间为 3个月（baserun）和 12个月（experiment） 时得到的不同库存状态。结果表明，放慢雇用和解雇工人的速度实际上加大了波动的幅度并 且延长了波动周期。 要比较两次运行的不同，单击仿真比较按钮 ，得到图 4.17所示的输出结果。结果中 可以显示最早两次加载的仿真书记钟常数和表函数的差异。 zhangrentian 高亮 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 16 页 共 18 页 图 4.17 仿真运行比较 � 自定义图形输出 使用图形控制工具，可以自定义要显示的变量、数据集、图形样式和格式，便于综合分 析。单击工具栏上的控制面板按钮 ，弹出图 4.18所示的控制面板。选中 Datasets标签可 以看见当前所使用的数据集。双击 baserun数据集卸载该数据集。 图 4.18 输出控制面板 单击图形标签，得到图 4.19所示输出图形控制面板。单击 New…按钮弹出如图 4.20所 示自定义图形编辑框。 图 4.19 输出图形控制面板 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 17 页 共 18 页 图 4.20 自定义图形编辑框 在图 4.20所示的编辑框中，标题栏 Title键入Workforce and Inventory。单击 Variable列 的第一个 Sel按钮，弹出图 4.21所示的变量选择框，拖动垂直滚动条选中变量Workforce， 并双击，变量名处出现在图 4.20 所示编辑框的 Variable 列第一项。以同样的方法选中第二 个变量 Inventory。单击 OK按钮关闭自定义图形编辑框。 图 4.21 变量选择框 单击图 4.19 所示控制面板中的 Display按钮，即可得到用户自定义图形，如图 4.22 所 示。 图 4.22 用户自定义图形 � 自定义图形输出 北京航空航天大学经济管理学院 管理动力学教学辅助资料 贾素玲 第 18 页 共 18 页 自定义表格输出能够以表格形式显示不同变量的运行结果。图 4.19 所示输出图形控制 面板。单击 New…按钮弹出如图 4.20所示自定义图形编辑框，再单击按钮 As Table…得到 图 4.23所示的对话框 图 4.23 自定义表格编辑框 在图 4.23所示的编辑框中，标题栏 Title键入Workforce and Inventory。单击 Variable按 钮，弹出图 4.21所示对话框，选择 Workforce 变量。然后单击图 4.23 编辑框中 Variable 按 钮右侧的 Add 按钮，则变量 Workforce 出现在变量列表框中。以同样的方法选中 Inventory 变量。单击 OK按钮关闭自定义表格编辑框。 在图 4.19所示控制面板中，选中列表项中的Workforce_Inventory项，单击 Display按钮， 即可得到用户自定义表格，如图 4.24所示。 图 4.24 用户自定义表格 5. 小结小结小结小结 本指导手册通过建立一个简单的劳动力—库存模型介绍了使用 Vensim建立系统动力学 模型，并进行仿真和分析的过程。所用到的工具是 Vensim中最基本的，而这些工具在建立 和分析复杂模型中也同样有用。