系统动力学分析

系统动力学分析（共12篇）

系统动力学分析 篇1

0引言

在电力拖动系统中,电动机有不同的种类和特性,生产机械的负载性质也各不相同,运动形式各种各样,但从动力学的角度来看,它们都服从动力学的统一规律,所以在研究电力拖动系统时,必须先分析电力拖动系统的动力学问题。

1 电力拖动系统的运动方程式

1.1 单轴电力拖动系统运动方程式

单轴电力拖动系统就是电动机的轴与生产机械的轴直接连接的系统。作用在该连接轴上的转矩有电动机的电磁转矩、电动机的空载阻转矩及生产机械的负载转矩。设转轴的角速度为 ,系统的转动惯量为 ( 包括电动机转子、联轴器和生产机械的转动惯量 ),则根据动力学定律,可得到系统的运动方程为

式中, T为电动机的电磁转矩,单位为N·m ; TL为电动机的负载转矩,单位为N·m ; 为电动机轴上的总转动惯量,单位为kg·m2; 为电动机的角速度,单位为rad / s。

公式1称为单轴电力拖动系统的运动方程式,它描述了作用于单轴拖动系统的转矩与速度之间的关系,是研究电力拖动系统各种运动状态的基础。

在工程计算中,通常用转速n代替角速度Ω;用飞轮矩CD2代替转动惯量J。可得电力拖动系统运动方程式的实用形式

式中,CD2, 是系统转动部分的总飞轮矩,单位为N·m2;375=4gⅩ60(2π)是具有加速度量纲的系数。电动机和生产机械的CD2可从产品样本和有关设计资料中查到。

1.2 运动方程式中转矩正、负号的规定

在电力拖动系统中,随着生产机械负载类型和工作状况的不同,电动机的运行状态将发生变化,即作用在电动机转轴上的电磁转矩 ( 拖动转矩 ) TL和负载转矩 ( 阻转矩 ) 的大小和方向都可能发生变化。因此运动方程式中的转矩T和TL是带有正、负号的代数量。在应用运动方程式时,必须注意转矩的正、负号。一般规定如下 :

首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速n的正方向,然后按照下列规则确定转矩的正、负号。

(1)电磁转矩T与转速n的正方向相同时为正,相反时为负。

(2)负载转矩T ,与转速的正方向相反时为正,相同时为负。

(3)惯性转矩的大小及正、负号由T和TL代数和决定。

转速的正方向可任意选取,即选顺时针或逆时针,但工程上一般对起重机械选取提升重物时的转速方向为正,龙门刨床工作台则以切削时的转速方向为正。

2 电力拖动系统的运动状态分析

公式2描述了电力拖动系统的转矩与转速变化率之间的关系,由此式可知电力拖系统的转速变化率dn/dt ( 加速度 )是由T-TL决定的,T-TL 称为动态转矩,因此根据公式2可分析电力拖动系统的运动状态。

首先规定某一旋转方向为转速的正方向,即n>0。在此旋转方向下,根据公式2分析电力拖动系统的运动状态如下 :

(1)当T-TL>0时,dn/dt>0 ,系统处于加速运行状态,即处于动态过程。

(2)当T-TL<0时 ,dn/dt<0系统处于减速运行状态,即处于动态过程。

(3)当T-TL=0时,dn/dt=0 ,系统或以恒定的转速旋转或静止不动。即处于稳态。

由分析可知,当T-TL时,系统处于稳定运转状态。但当受到外界的干扰时,如负载转矩TL的增加或减小,电源电压的变化等影响时,平衡将被打破,转速将发生变化。对于一个稳定的电力拖动系统来说,当系统的平衡状态被打破后,应具有恢复新的平衡状态的能力,在新的平衡状态下稳定运行。

3 单轴与多轴电力拖动系统

电动机和工作机构直接相连,这时工作机构的转速等于电动机的转速,若忽略电动机的空载转矩,则工作机构的负载转矩就是作用在电动机轴上的阻转矩,这种系统称为单轴系统。实际的电力拖动系统往往不是单轴系统,而是通过一套传动机构,把电动机和工作机构连接起来的多轴系统,如图1所示。电动机与负载之间装有变速装置,如齿轮减速箱、蜗轮蜗杆、带轮等。分析多轴的运动状态时,通常是把实际的多轴系统折算为一个等效的单轴系统,折算的原则是保持拖动系统在折算前后,其传送的功率和储存的动能不变。如图1(b) 所示,多轴多速的系统可简化等效为单轴系统。具体的折算方法在此不作阐述,可查阅其他的书籍。

系统动力学分析 篇2

车-桥耦合系统动力学建模与响应分析

车辆行驶过桥时,车与桥之间存在相互耦合作用.本文根据车的三种简化模型,分别建立了车与桥结构相互耦合作用的动力学模型,并给出桥结构在两轴车载荷作用下的`动响应计算方法,该方法很容易推广到更一般的多轴车载荷作用的情况.文中通过数值算例计算了基于车的三种简化模型桥梁的响应,将三种计算结果与实验数据比较,证明二自由度的车简化模型为最优,此时桥梁的弯矩响应与实验结果能较好地吻合.

作 者：秦远田 陈国平余岭 张方 Qin Yuantian Chen Guoping Yu Ling Zhang Fang  作者单位：秦远田,陈国平,张方,Qin Yuantian,Chen Guoping,Zhang Fang(南京航空航天大学,210016,南京)

余岭,Yu Ling(长江科学院爆破与振动研究所,430010,武汉)

刊 名：应用力学学报  ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS 年，卷(期)： 25(1) 分类号：O322 关键词：车辆   桥梁   动力学模型   响应  

系统动力学分析 篇3

摘要： 利用改进小参数平均法，推导出了平面运动双质体振动系统中两偏心转子的无量纲耦合方程，并依据其零解的存在及稳定性，得出了实现同步与同步稳定性运行的条件，给出了系统负载系数及同步能力系数定义。通过数值分析，讨论了系统动力学参数对耦合同步特性的影响，得到了双偏心转子自同步的稳定运行的参数区间。结果表明：随着系统动力学参数的变化，同步极值点既可能是负载系数的极小值点，也可能是负载系数的极大值点。其原因是由于双质体的耦合作用，来自于机体运动的同步力矩，在一定参数范围内驱动两个偏心转子相位差向负载系数最大值点趋近；而在此区域以外，驱动两偏心转子相位差向负载系数极最小值点趋近。通过数值仿真，验证了耦合分析结果的正确。

关键词： 双质体振动系统； 自同步； 稳定性； 耦合动力学

中图分类号： TH113.1； O347.6 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2016）03-0521-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.019

引 言

振动系统中偏心转子的自同步现象为振动技术提供了一个新的应用领域[12]，并导致了振动利用工程建立[35]。

最早研究同一刚体上偏心转子同步理论的是前苏联学者Blekhman，他利用小参数PoincareLyapunov方法与运动稳定性理论，从物理上解释了两偏心转子的自同步现象，由此发展成振动系统中偏心转子自同步分析的基于直接运动分离的小参数平均法[12]。在20世纪70年代始，中国学者闻邦椿院士将双偏心转子的运动微分方程合并为相位差扰动参数的微分方程，简化了系统的稳定性分析，发明了一系列的振动机械，创建了振动利用工程新学科[35]。作者通过设置两个偏心转子平均转速与相位差的扰动量，推导出偏心转子的无量纲耦合方程，改进了小参数平均法，将偏心转子的同步问题转换为无量纲耦合方程的零解存在及稳定性问题[67]。但以上内容主要是针对过共振系统中两个或多个偏心转子的同步问题进行研究的。在此类振动系统响应中，系统负载总是与阻尼相位角正弦量项有关，阻尼相位角余弦量项总是影响系统的同步力矩与稳定性。其原因是阻尼相位角接近于0，与阻尼相位角正弦量相关项对称稳定性影响可以忽略，进而在系统稳定性分析过程中，可以忽略阻尼相位角正弦量的耦合力矩对系统稳定性的影响[610]。

系统动力学分析 篇4

随着电子商务的不断发展,新型电子商务模式不断涌现,网络中介逐渐在电子商务营销系统中扮演越来越重要的角色。网络中介担任着链接买卖双方,为买卖双方提供必要的产品/服务信息,促进买卖双方交易的形成等角色。目前,网络中介有两类:(1)交易型的网络中介,即第三方平台,例如阿里巴巴、京东和亚马逊等;(2)提供信息型的网络中介———信息中介,即开放式共享社区通过推荐功能为消费者提供便捷和个性化的购物渠道。信息中介通过推荐功能为网络零售商提供了另一种销售或扩大销售量的渠道,例如惠惠网、豆瓣网和到到网等为淘宝网、京东和携程等第三方平台推荐消费用户。2015年9月,豆瓣电商导购类产品“东西”正式上线,用户可在该平台上浏览、评论和分享包括数码、美妆、食品、服饰等各种品类的商品。豆瓣网支持淘宝、天猫、京东、1号店、亚马逊、Etsy等多个国内外电商网站的商品链接分享和图文评论。现有文献对交易型网络中介研究已较为广泛,主要研究主题有平台的定价[1,2],不同平台所有权的收益分析[3],平台匹配[4,5],管理范式[6]和物流战略[7]等。虽然,目前部分学者对信息中介的概念定义为,交易第三方平台提供交易服务[8],并提供信息咨询类服务[9]。但是,研究鲜有学者对仅提供信息的信息中介进行相关研究,张铣(2013)对信息中介从法律上进行了界定[10];于李胜等(2008)回答了信息中介价值的存在性[11];Waldfogel和Chen(2006)则探讨了信息中介对产品品牌的影响和信息中介所提供信息的可靠性[12]。豆瓣网作为典型的信息中介,国内学者进行了相关探索研究,例如信息中介的营销模式[13,14]、个性化推荐[15],对消费者购买行为影响[16,17]等。上述研究多为定性研究或实证下的定量研究,虽然武慧娟(2014),唐晓波和房小可(2013)通过系统动力学探索了豆瓣网的信息扩散模型和个性化推荐模型,但是都仅局限于信息中介的研究,而未将其研究延伸至第三方电商平台[15,18]。

基于上述论述,信息中介将相同兴趣的人聚集在一起,从而对这些人进行精准营销与推销。此外,信息中介往往是独立第三方,其提供的信息能够得到人们的信任,使得推销获得良好的效果,显著增加了产品/服务企业的销售量。故而信息中介在电子商务系统的决策问题已开始受到关注。本文与现有研究信息中介的不同之处是:(1)首次探讨在信息中介参与电子商务情形下,信息中介对第三方电子商务平台销量和发展水平的影响;(2)首次使用系统动力学方法,从系统角度研究有信息中介参与的电子商务系统。通过本文系统动力学模型的构建和仿真,获得不同情形下的对策建议,以期能够对具有信息中介参与的电子商务系统提供决策支持和理论指导。

1 信息中介参与的电子商务系统分析

本文所研究的信息中介主要功能是,通过共享社区的标签来收集用户的兴趣与可能购买的产品等数据。然后,对这些数据进行分析、整理、编码与分类。最后,根据买方所需商品信息按照个性化推荐的方式将卖方(如天猫、京东等)推荐给买方。这不仅减少了买方的购买搜索成本,同时有利于卖方对顾客实行精准营销,也有利于卖方开辟新的销售渠道。典型案例是,豆瓣网通过内容推荐技术、关联规则、聚类分析、Horing图技术和协同过滤等技术,将商品信息和用户的个人标签进行匹配,利用用户对网络社区的信任向用户推荐其可能购买的产品,并模拟销售人员引导消费者进入第三方电商平台进行相关产品的购买。信息中介、用户、第三方电子商务平台和商家之间的关系如图1所示。

图1实线部分描述的是没有信息中介参与的电子商务系统,即传统电子商务模式。在传统电子商务模式下,第三方电子商务平台将商家和顾客链接起来,并在线上促成商家和顾客的交易。图1实现和虚线部分共同组成了在信息中介参与下的电子商务系统。在信息中介参与下,第三方平台除了直接向线上和线下顾客进行推销外,还可以将信息中介的用户引流到第三方平台进行相关产品的购买。信息中介,例如豆瓣网,通过将兴趣相同的用户进行聚合[13]。然后,信息中介通过对用户的标签化处理[15],向用户推荐其可能喜欢的产品或者通过用户之间的推荐购买产品[14]。信息中介通过与用户的交互,以及用户之间的分享交互,促进了用户对信息中介的归属感、认知信任、感知有用性等,进而增加了用户通过信息中介购买产品的意愿[16,17]。

综上所述,信息中介的功能可以概括为:(1)聚合功能,信息中介的聚合功能主要体现在将买家及其需求聚合在一起。通过这种聚合可以引导用户的需求,为第三方电子商务平台提供潜在的消费者。(2)推荐与匹配功能,信息中介通过将用户的爱好和关注点进行标签化处理,以明确其潜在需求;然后通过匹配和个性化推荐技术将其可能感兴趣的产品进行适时推送。信息中介通过推荐与匹配功能实现了提高用户的满意度和满足用户的需求,同时增加了第三方电子商务平台的交易量。(3)信用保证功能,信息平台通过与用户的交互,增加了用户对信息中介的信任和依赖,当信息中介进行产品推荐时,用户的购买意愿就会增加。

2 信息中介参与的电子商务系统的因果关系图

由上述分析可知,信息中介在参与电子商务系统时,信息中介、用户、第三方电子商务平台和商家通过信息共享和协作运营组成复杂的、非线性的系统。而系统动力学方法可以很好的从系统角度描述系统中各主体间的行为关系,并提供系统的改进策略。因此,使用系统动力学方法研究信息中介参与电子商务系统具有很好的适用性。本部分根据上述描述,绘制因果关系图,并对其进行分析。

2.1 信息中介个性化推荐的因果关系图

信息中介参与的电子商务系统是一个复杂的系统,已有学者从知识共享、个性化推荐、用户数量和购买行为等方面,探讨了信息中介的功能模型[15,18]。根据已有文献,绘制信息中介在用户进行个性化推荐过程中的因果关系,如图2所示。

图2展示了,以用户共享知识为基础,以信息中介努力为动力的个性化推荐系统。信息中介通过聚集不同知识背景和爱好的用户,使用户之间在信息中介平台上分享自己的知识、经验和见解,并获得具有爱好相似、观点相同或不同圈子用户的信任。通过这种信任关系以及信息中介的推荐,逐渐形成群内和群际间的个性化推荐。此外,由于用户的爱好随着自身知识或周围环境的变化而变化,使得部分用户的偏好产生转移,而对信息中介的推荐失去兴趣。总之,在信息中介的个性化推荐中,用户之间的推荐和信息中介的推荐都促进了用户购买推荐产品或服务的可能性,这为信息中介与第三方电子商务平台的合作提供了基础。

2.2 第三方电子商务平台的因果关系图

根据上述信息中介作用的描述,信息中介的推荐对第三方电子商务平台销量的促进作用不可小觑。根据图1的传统电子商务系统,绘制平台发展水平、需求量和卖家数量之间的因果关系图,如图3所示。

由图3可知,信息中介的推荐需求和网商直接需求构成了第三方电商平台的总需求。随着第三方电商平台产品或服务总需求量的增加,越来越多的卖家加入电商平台,从而增加了电商平台的交易额,并提升了电商平台的发展水平。卖家数量的增加,也更好的满足了那些信息中介推荐而来的用户需求。虽然,卖家数量的增加往往会产生同质产品之间的竞争,但是,卖家为了在竞争中生存会不断提高其服务水平,以增加销量。第三方电商平台在与相似平台竞争过程中也会提升自身的服务水平。但是,在市场规模一定的情况下,电子商务平台发展水平会受相似平台之间竞争(例如,京东与天猫)和资源约束的负向影响。

3 信息中介参与的电子商务系统动力学模型

综上图1~3的描述与分析可知,用系统动力学可以有效的描述信息中介参与的电子商务系统各要素之间的影响关系。因此,本文根据系统动力学的理论,结合唐晓波和房小可(2013),武慧娟(2014)的系统动力学模型,构建信息中介(知识共享、信息推荐及其收益)、第三方电子商务平台发展水平和总需求量的电子商务系统动力学模型,如图4所示。

信息中介中用户之间的共享知识,信息中介的个性化推荐和收益,第三方电子商务平台的发展水平,以及产品或服务的需求量之间呈现相辅相成、相互促进的关系。其中,用户共享的知识是信息中介得以生存和发展的根本,个性化推荐则是信息中介通过对用户的喜好进行技术处理后服务于用户的过程。信息中介通过个性化推荐,引导用户在特定的第三方平台购买产品,并从中获取相应收益,这是信息中介主要的利润来源之一。第三方电子商务平台的销量,即产品或服务的总需求量,包括网上直接需求量和信息中介产生的推荐需求。随着电子商务平台上产品或服务总需求量的增加,平台销量、交易金额和规模不断增加,从而促进了平台发展水平的提升。由双边市场理论以及平台的网络效应可知,平台发展水平越高就越能吸引更多的用户进入电商平台消费,并可显著增加产品和服务的销量。

4 系统仿真与分析

根据上述因果关系图和系统动力学模型,本部分使应用Vensim PLE软件对信息中介参与的电子商务系统进行仿真分析。

4.1 主要仿真方程的说明

系统仿真是在分析各要素间相互关系的基础上,根据分析目的建立具有一定数量关系的仿真模型,并通过系统仿真的定量分析获得决策指导。本文系统动力学模型中各参数赋值主要参照案例豆瓣网的调查数据,对于无法精准把握的变量,我们依据客观事实和主观上的判断进行综合调整。在分析系统因果关系回路的基础上,建立系统动力学模型的方程式,模型中主要的状态方程和速率方程见表1。

4.2 信息中介参与的电子商务系统仿真分析

根据设定的方程及初值参数,可进行系统的仿真,获得在一定条件下信息中介和第三方平台的变化过程及主要因素的影响情况。由前文可知,信息中介平台上的用户数量不仅决定了信息中介的收益,还直接影响推荐需求量。用户对信息中介推荐的信任也直接影响了推荐需求量。推荐需求量又直接影响了第三方电子商务平台的发展水平和服务水平。因此,本文将用户数量和用户对信息中介的信任两个变量作为调控变量,并对调控变量设置不同的数值,以分析其对信息中介和电子商务平台的影响。希望通过对不同调控变量参数的分析,获得扩大信息中介规模,增加信息中介收益,提高电子商务平台服务水平和发展水平的有效决策,模拟结果如图5~6所示。

图5比较了,在增加信息中介用户量和提高用户对信息中介的信任下,信息中介的努力,共享知识量,推荐需求和信息中介收益的变化曲线。由图5(a)可知,随着时间的推移,信息中介可以吸引越来越多的用户参与平台,使得信息中介平台上知识的分享量呈指数形式增加。当增加信息中介的初始用户量时,信息中介平台上的共享知识量显著增加。由于提高用户对信息中介推荐的信任并不能影响其共享知识的意愿,所以提高推荐信任对信息中介上的共享知识量没有明显的影响。图5(b)描述了信息中介在推荐过程中努力的变化。从图中可以看出,随着时间的增加,信息中介的努力逐渐增加,但是努力的增加率逐渐减少,最终会维持在某个较高水平。导致这种状况的原因可能是,随着时间的推移,信息中介上共享知识量逐渐增加,用户很容易获得其想要的信息,信息中介无需再付出较大的努力为用户进行信息匹配和编码。但是,当提高用户对信息中介推荐的信任时,信息中介努力程度逐渐增加,这说明为了获得用户对信息中介推荐的信任,信息中介要增加努力。信息中介在付出更多努力的同时,信息中介所产生的推荐需求和信息中介的收益会显著增加,如图5(c)和图5(d)所示。图5(c)描述了,随着时间的增加,信息中介的推荐需求量也逐渐增加。当增加信息中介初始用户量和提高用户信任时,信息中介推荐所产生的需求量明显增加;并且提高用户信任要比增加初始用户量在增加推荐需求量上更有效。因此,信息中介要付出更多努力来增加用户对信息中介推荐的信任,以增加推荐需求量和信息中介的收益。由于信息中介的收益直接与其推荐产生的需求量相关,即信息中介按照一定比例的产品价格和推荐需求量收取相应的回扣,故信息中介推荐的需求量越大,信息中介的收益也越大。此外,提高用户信任对信息中介收益的影响比增加用户数量更显著,如图5(d)所示。

增加初始用户量或提高用户信任对信息中介有直接影响,对第三方电子商务平台有间接影响,如图6所示。图6(a)中,随着时间的增加,电子商务平台的服务水平逐渐增加。当增加信息中介的初始用户数量或提高用户的信任时,信息中介的推荐需求量增加,进而增加了电子商务平台上卖家的数量。随着卖家数量的增加,卖家之间竞争越发激烈,为了能够销售更多的产品,卖家和电商平台不得不提高自身的服务水平。因此,随着信息中介初始用户量和用户信任的增加,电商平台和卖家的服务水平逐渐增加。此外,增加信息中介的初始用户数量或提高用户对信息中介推荐的信任,还可以显著提高第三方电子商务平台的发展水平,如图6(b)所示。随着时间的增加,信息中介产生的推荐需求量逐渐增加,电商平台销量和服务水平也不断增加,从而提高了电商平台的发展水平。通过对比图6(b)中的仿真结果发现,提高用户信任对电子商务平台发展水平有更大的影响。这说明当信息中介付出更大的努力增加用户对信息中介推荐的信任时,整个系统的收益将大幅提高。

5 小结

本文研究有信息中介参与的电子商务系统动力学模型的目的是,希望通过定性分析与定量模拟相结合的方式,探索信息中介与电子商务平台发展之间的关系和影响因素,并在此基础上提出增加信息中介收益,提高第三方电子商务平台服务水平和发展水平的政策建议。针对信息中介参与的电子商务系统研究现状,结合系统动力学模型的模拟结果,本文对信息中介和电子商务平台的发展提出以下政策建议。

5.1 增加信息中介的用户数量

由仿真结果可知,增加信息中介平台上的用户数量,可以增加信息中介的共享知识量,进而增加信息中介的推荐需求量和信息中介的收益。此外,信息中介的努力也是提高推荐需求量和信息中介收益的正向影响因素之一。同时,对于第三方平台的发展水平而言,增加信息中介的用户数量是通过增加推荐需求量而增加了总需求量,进而增加了第三方电商平台的发展水平。因此,信息中介应不断增加用户量,这样才会不断增加信息中介和电商平台的发展水平。

5.2 提高用户对信息中介推荐的信任

目前对用户信任研究结论仅局限于对信息中介的决策,而本文则联合了信息中介和电商平台的共同决策。由仿真分析可知,提高用户对信息中介推荐的信任,对信息中介而言不仅可以提高推荐需求量,获得更多的收益;还可以提高第三方电商平台的发展水平。根据沈颖(2015)和尹晓虎(2015)的研究可知,通过用户之间互动以及用户与信息中介间的互动,可以增加用户对信息中介推荐的信任,并显著提高用户的购买意愿。因此,信息中介应通过与用户之间良好的互动和服务,来建立与用户之间的信任关系。这样可以依靠这种信任关系,提高信息中介的推荐成功率,增加推荐需求量。

5.3 提高信息中介的努力,以及第三方电子商务平台和卖家的服务水平

提高信息中介的努力有助于增加用户对信息中介推荐的信任,增加推荐需求量和信息中介的收益,以及增加电子商务平台的服务与发展水平。由仿真结果可知,当第三方电子商务平台和卖家提高服务水平时,可以吸引更多的用户到第三方电商平台购买产品,增加了平台收益,提高了平台发展水平。

综上所述,从系统的角度分析来看,为提高整个系统收益和发展水平,应增加信息中介的用户数量和用户对推荐的信任,以及提高信息中介、第三方电商平台和卖家的服务水平。此外,在研究过程中,我们也发现有些问题还需要深入探讨,比如考虑外部环境和技术变化对用户需求和信息中介推荐技术的作用,政府宏观调控和政策对整个系统的影响等。因此,未来可从上述方面进行展开一步研究。

摘要：信息中介通过一定的营销手段推荐用户购买其感兴趣的产品或服务,这不仅使信息中介获利,还增加了第三方平台产品或服务的销量。本文研究了一个考虑信息中介参与的电子商务系统,首先对信息中介参与的电子商务系统的流程和功能进行了分析;然后,分析了信息中介个性化推荐的因果关系图和第三方电子商务平台的因果关系图;其次,根据因果关系图构建了有信息中介参与的电子商务系统动力学模型;最后,利用Vensim PLE对构建的系统动力学模型进行模拟,结果表明:若要增加整个系统收益和发展水平,应增加信息中介的用户数量,增加用户对推荐的信任,并提高信息中介、第三方电商平台和卖家的服务水平。

系统动力学分析 篇5

滑动轴承-裂纹转子系统非线性动力学特性分析

在裂纹转子非线性动力学特性分析中考虑了非线性油膜力的影响,在此基础上建立了单盘Jeffcott裂纹转子的非线性动力学模型,裂纹模型采用非线性涡动模型,菲线性油膜力通过数据库方法获得.利用数值计算方法分析了裂纹转子系统随转速w/w0、相对刚度减小量△kε等参数变化的动力学特性和动力学行为.结果表明:在非线性油膜力的作用下,△kε较小时,响应中出现不可公约的.谐波分量导致系统在亚临界转速区出现概周期运动,△kε较大时,系统产生丰富的非线性动力学行为;在不同转速下,系统出现多种形式的周期运动、分岔、概周期运动和混沌运动.

作 者：焦映厚 李海峰 陈照波 李明章 Jiao Yinghou Li Haifeng Chen Zhaobo Li Mingzhang 作者单位：哈尔滨工业大学机电学院,哈尔滨,150001刊 名：振动工程学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF VIBRATION ENGINEERING年，卷(期)：200417(z1)分类号：O322 TH133关键词：裂纹转子 非线性油膜力 非线性动力学特性

金融资源配置的复杂系统动力分析 篇6

金融资源配置作用力分析

金融资源系统中的物质流、能量流和信息流都是由多要素组成的，与系统演化动力相关的“流”有：物质流中的人才、设施的量流；能量流中的货币流；信息流中的金融资源配置信息和政策法规信息。系统的演化通过这几种“流”得到实现，最终实现金融资源配置状态和系统状态的转变。根据势能定义的一般规则，驱动物质运动的力是从高势能点指向低势能点，因此在金融资源系统中，不论是在空间范畴还是在时间范畴，驱动金融资源量运动的力应该和金融资源势能的梯度方向一致。因此，金融资源势能可以表述为:dH=f(dV，dP,dM)

式中:dH为金融资源势能的变化；dV为金融资源价值势能的变化，市场经济条件下，货币流动的方向代表了资源的稀缺程度，在货币参与流通的经济中，实物资源的稀缺程度越高，以货币代表的价值量就越高，价值势能越低；dP为金融资源利益势能的变化，在金融资源利用效率越高，利益势能越低；dM为金融资源管理势能的变化，距离法律法规确定的金融资源量相差越大，管理势能越低。

从上式可以看出，金融资源量的运动方向由三种作用力的合力决定，即价值动力、利益动力和管理动力，利益动力和管理动力作用形成自组织机制，价值动力作用形成他组织机制。实际上合力的形成机制是复杂的，概括的讲，金融资源系统在一种动态的平衡状态下，由于系统外部实体经济环境的改变，导致系统状态偏离平衡状态，而在自组织机制和他组织机制作用下，使得系统内的各种物质、能量和信息产生流动，形成的结果就是系统的金融资源配置状况的调整，最终达到系统内的各个节点具有相同的金融资源势能，这时整个金融资源系统达到了一种新的动态平衡状态，从而实现对金融资源量的配置和系统演化的推动。

金融资源配置发展兼有自组织与他组织的特性，金融资源配置自组织的自然生长，与经济发展相互作用的促进，两者复合作用而形成金融资源配置的发展过程。在这个复合过程中，金融资源系统发展自组织与他组织两种机制相互作用总体上会产生下述三种情况：一是当自组织力和他组织力同向时，加速金融系统的良性发展；二是当自组织力和他组织力相背离时，则阻碍或延缓金融系统的良性发展；三是当自组织力和他组织力处于可藕合状态时，通过对他组织力的不断调试和修正，促使金融资源配置系统稳步良性发展。显然，第一种情况是寻求的目标，第二种情况是要尽量避免的，而第三种情况则是现代金融资源配置系统发展中较为普遍的现实。随着我国市场经济体制的逐渐建立和完善，金融资源配置系统的发展己较多地呈现出自组织力与他组织力相互作用复合影响的态势。金融资源配置系统发展自组织作为一种客观存在的、不以人们意志而转移的作用，带有规律性的特征和本质；而经济系统可以使其达到系统整体最优的他组织干预的作用，因而寻求金融资源配置系统发展自组织与他组织的同向复合，是研究金融资源配置系统发展规律的途径和手段。

金融资源配置自组织特征

虽然金融资源配置系统发展的过程和现象非常复杂，但金融资源配置的自组织特性仍有隐藏的秩序和自身的规律，这种秩序和规律作为一种隐藏的自发力机制作用于配置系统发展的过程中。虽然配置系统发展的自组织是作为金融资源系统内在自发力机制的一种理性认识而存在的，但仍能从过去金融资源结构中寻找其自组织的发展轨迹，从现代金融资源配置规划与现实的差异比较中寻得金融资源系统自组织发展的依据。金融资源配置系统发展自组织作为个体行为的宏观体现，是一种多因子共同作用、相互关联、互为制约的、自上而下的资源配制系统组织机制，其运作过程中具有以下特征：

(1)隐性。金融资源配置系统发展的自组织机制，作为金融系统内部多种要素的相互关系的整体体现，以一种潜在的方式作用于配置系统，即具体的作用力与最终的宏观表现之间没有必然的联系，配置系统的聚集与扩散、空间与时间的蔓延与跨越等都是在一种无形力量的控制下发生着，虽然可以感觉到这种力量的存在，但却因为缺乏目标与结果之间的线性关系而无法完全把握它。

(2)永久性。配置系统发展的自组织机制是一种永久性机制，只要金融资源配置系统满足开放、远离平衡、内部的非线性相互作用以及存在的内部涨落的耗散结构条件，自组织机制就会永无休止的进行着调整和演化，使系统从无序走向有序，而这些条件是金融资源系统作为一个“活”的系统所必须具备的。

(3)进化性。金融资源配置系统发展的自组织机制是一种进化机制，其进化性体现在新的、更适于发展的系统结构的不断涌现上，即更高级的“序”的产生。在金融资源配制系统的发展演化中，金融资源配置结构与金融功能是一对矛盾体，随着经济系统的发展，新的经济功能不断涌现，会对金融资源配置结构不断提出新的要求。当旧的金融资源配置结构逐渐不能满足新的功能要求时，新的结构便在自组织机制的作用下开始孕育，当然，其发展的过程也不是一墩而就的，其间或许会走很多弯路，但其发展的主线是在反复迭代中不断趋于进化的。

(4)自主随机性。金融资源配置系统发展的自组织机制是以道路的自主随机生长、宏观有序为特征的。在微观层次上个体单元的建立、合并和退出是没有规律的，它取决于个体的主观决策和目的性的自主行为，呈现出一种随机无序的态势，但是在宏观层次上，金融资源配置系统的发展却表现出同质聚集的整体有序，这是自主随机在投入——产出平衡下自组织演化的结果。

金融资源系统发展的自组织和他组织发展机制

金融资源配置系统是由大量的子系统构成的复杂系统，作为一种存在物，自组织指那些在没有特定外部作用下自行建立起有序结构的对象群体；他组织则是指那些在特定外部作用干预下获得有序结构的对象群体。作为一种行为，自组织指一种有序结构自发形成、维持、演化的过程，即在没有特定外部干预下，由于系统内部组分相互作用，系统从一种无序状态向有序状态，或者从一种初级的有序状态向更高级的有序状态的演化过程；而他组织指系统按照特定外部作用从无序到有序、从低序到高序、从一种有序到另一种有序的演化过程。相比较而言，自组织更为根本，而他组织是在系统演化到一定阶段上，为对付日益增大的复杂性而进化出来的。当系统的复杂性在演化过程中增加到一定程度时，单纯依靠组分之间的相互作用而引起的自组织已不足以迅速满足系统对组分行为有效协调的要求，需要从更高层次处理信息，甚至分化出专门从事协调控制的子系统才能解决问题，他组织便应运而生。

金融资源系统发展的作用力来自各个方面，而且是多目标、多层次的，但是从全局看则呈现出整体有序的态势。由于金融资源系统的自组织发展，作为金融资源系统发展物化载体的配置系统具备耗散结构的特征和条件，因而从某种意义上讲配置系统发展是自组织的，其内在机制作为内部相互作用而形成的综合自组织作用。自组织对应他组织，区分的一个重要标志为：系统在获得时间、空间或功能的结构时是否受到外界的特定干预。由于人的主观能动性必然会对配制系统的发展进行外部组织和干预，因而配置系统的发展又是他组织的，自组织和他组织交替、复合作用于金融资源配置系统，从而形成了金融资源配置系统发展的组织机制。

金融资源配置系统发展中隐性的规律性作用概括为三个方面：竞争与协同、涨落有序、演化趋优。强调金融资源配置系统“自组织”并不是排斥“他组织”作用，“他组织”作用应该建立在遵循系统自组织规律的前提下，从而使“他组织”和“自组织”作用统一起来，保证系统发展的连续性和稳定性，保证金融资源配置系统能够处于所能具有的最优或满意状态。金融资源配置系统的发展是一种自组织和他组织复合发展的过程，其中金融资源配置系统发展自组织作为一种内在的规律性机制，隐性而长效地作用于金融资源配置的发展和演化；而实体经济系统的外部作用作为他组织手段，显性地作用于金融资源配置系统的发展。

多绳摩擦提升系统动力学分析 篇7

1 主井提升系统的基本参数

本次作为分析的提升系统基本参数如下:主井的井筒直径为5.6m, 井口标高为0, 井底标高为-1120m。井筒内配置一套双箕斗提升系统, 单个箕斗自重约30t, 有效载量为30t。采用42mm密封钢丝绳作为箕斗的罐道。箕斗提升系统采用一点装矿, 一点卸矿, 井下装矿皮带道标高为-1058m, 井口卸矿标高为27m。主井提升机采用塔式配置。

主井提升机选用4.5×6的多绳摩擦式提升机, 交流变频电动机, 提升机与电动机的连接方式采用直联。

2 主井提升系统理论分析和计算

2.1 关于主井提升系统出现的问题

钢丝绳出现疲劳损坏过快问题, 钢丝绳设计使用寿命为一年, 实际工作寿命只达到6~8个月左右。这也是国内深井 (1000m以上) 提升普遍存在的问题。

由于主井提升出矿为矿山生产之咽喉, 如需换绳, 停产给公司造成很大经济损失, 因此很有必要对此问题进行分析研究。

2.2 理论分析与计算

提升钢丝绳在实际运行过程中, 不仅要承受静载荷, 还要承受冲击载荷。冲击负荷的大小受初始激发条件控制, 一般可达正常静负荷的数倍, 给运行中的提升钢丝绳造成非正常损伤而留下隐患, 如果总负荷超过钢丝绳的实际承载能力, 就会导致断绳。常见的冲击负荷来自运行中的提升机突然启动, 提升机突然停止运行。

从理论上计算钢丝绳横断面上动应力的大小, 一般常用的方法有3种:应变理论、振动理论、波动理论。

根据状况初步分析, 正常工作条件下, 钢丝绳载荷变化情况:

(1) 在提升过程中钢丝绳下端突然加载荷, 即箕斗装矿时受到冲击。

(2) 在装矿完毕, 钢丝绳内受到的载荷还未消除, 然后向上开始加速提升。

(3) 此两者的冲击效果叠加。引起钢丝绳瞬间过载, 长期工作此工况下, 引起钢丝绳过早疲劳损坏。

2.3 根据钢丝绳提升理论推导与计算

在本系统中, 为双箕斗提升系统, 为了使得到的数据更加准确, 采取应变理论进行推导, 我们假定提升系统为弹性-韧性体。弹性-韧性体是两部分构件的总合体, 即其一部分是遵守定律的弹性体, 另一部分是遵守定律的韧性体。我们把弹性构件和韧性构件并联, 即得到弹性韧性构件的模型。

在建立的数学模型中, 我们先设定以下一些基本参数。

2.3.1 基本参数

(1) 系统参数:

(2) 终端重量:

(3) 钢丝绳选型:

(4) 装载系统参数:

2.3.2 基本力学参数

2.3.3 分析问题方程

用广义坐标法分析解决问题, 步骤如下:

(1) 利用问题的边界条件拟定频率方程, 然后求出其根 (问题的故有数) 并确定基本函数Xm (x) 的形式。

(2) 计算广义力, 亦即作用力的虚功式子中广义坐标变分前的系数。

(3) 直接利用公式求解。

在本问题中, 考虑杆件x=0的终端是固定的, 而在x=l的终端上固定有荷重。边界条件总是:

①当x=0时X (0) =0;

在本系统中问题的基本函数为:

函数中λm问题的固有数, 即超越方程式λtgλ=α的根, 此根即固有数用递推法可解出。

利用广义坐标法解答矿井提升钢丝绳运动状态。

假设存在一种情况, 受力研究终端x=0固定, 终端x=l悬有荷重Q的杆件在提升状况下的运动, 在荷重上作用着这样的P (t) 力时, 这种力称为单位力:

当t<0时P (t) =0

当t>0时P (t) =1

杆件截面受单位力作用而产生的变化u (1) (x, t) , 称作系统对于单位力的反应 (变位) 。根据理论公式推导, 得到u (1) (x, t) 的计算公式:

系统对于单位力的反应 (力) :

单位总的力为:S (x, t) =Q1S1 (x, t)

把竖井提升系统的各项数据代入上述公式中, 得到最后的计算结果为:

S (x) =2835967N

钢丝绳的破断力为1270kN。

3 深井提升系统现场存在的问题分析

经公式计算及分析现场, 主井箕斗提升速度操作未按照原来设计计算的速度图进行操作, 现场有较大改动, 此改动存在问题, 还需要进一步进行分析调整。

经现场观察, 在提升过程中, 在开始加速度时期和最后停车时期提升首绳振动很厉害, 说明提升过程对钢丝绳的冲击很大。而罐道绳其中有一根罐道绳严重偏离正常位置。

现场技术人员反映提升机的摩擦衬垫存在问题, 摩擦衬垫上开的槽太小, 导致提升首绳受到过度挤压从而影响提升首绳的包角, 从而影响提升首绳的摩擦系数, 摩擦式提升机是依靠钢丝绳与摩擦轮衬垫间的摩擦力来传递动力的, 它存在着摩擦传动失效 (打滑) 的问题, 此原因是引起钢丝绳磨损破坏的原因之一。

4 结论与建议

在深井提升系统中, 提升钢丝绳在实际运行过程中, 不仅要承受静载荷、冲击载荷。一般可达正常静负荷的数倍, 给运行中的提升钢丝绳造成非正常损伤而留下隐患。运行中的提升机突然启动, 提升机突然停止运行。根据理论计算结果, 结合现场测量结果分析, 在装矿瞬间因为矿石对箕斗产生的冲击载荷, 对钢丝绳产生的拉力引起钢丝绳瞬间加载, 在而装矿尚未结束又进行提升加速, 即钢丝绳内受到的载荷还未消除, 然后向上开始加速提升。此两者的冲击效果叠加。引起钢丝绳瞬间过载, 长期工作此工况下, 根据计算分析在此工作状况下其安全系数只有2左右, 远远小于设计的安全系数7。

建议: (1) 在设计深井提升系统中, 从装矿结束到开始提升时, 时间间隔可以略为加长, 给出一个冲击载荷消除的时间。 (2) 在深井提升中, 现场操作必须严格按照设计的速度图执行, 不得为了提高提升能力, 擅自改变设计。 (3) 在深井提升中, 所使用的提升钢丝绳其强度等级最好比计算强度等级提高一个等级。

参考文献

[1][俄]弗·符·弗洛林斯基.矿井提升钢丝绳动力学[M].北京:煤炭工业出版社, 1957.

[2]LUDGER M.SZKLARSKI, Problem of Limitation of Oscillation of Winder Ropes[Z].Automation for mineral Resource Development Queensland Australia, 1985.

[3]刘清平, 杨国华.提升机钢丝绳的动载荷及其动应力分析[J].矿山机械, 2000, 5 (43) .

[4]蒋天基.竖井提升钢丝绳的冲击载荷[J].矿山机械, 2005, 8 (62) .

[5]陈志猛.钢丝绳断裂机理及防范措施浅析[J].机电工程技术, 2008, 37 (08) .

系统动力学分析 篇8

系统动力学 (SD) 是麻省理工学院福瑞斯特 (Forrester J.W.) 教授于1956年提出的, 是一门研究系统动态复杂性的科学。其产生的背景是在第二次世界大战以后, 随着工业化进程的推进, 一些国家的社会问题日趋严重, 比如城市人口剧增、失业、环境污染、资源匮乏等, 系统动力学正是基于这些问题应运而生。许多学者采用系统动力学方法来研究各国的社会经济问题, 涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业和城市等广泛的领域[1]。

中国于20世纪70年代末引入系统动力学理论, 国内部分学者参与了系统动力学在中国的应用研究工作, 王其藩、苏懋康、胡玉奎、许庆瑞、杨通谊、陶在朴等专家是系统动力学研究的先驱和积极倡导者[2]。经历了30多年的研究与发展, 系统动力学研究与应用在中国取得了飞跃发展, 并且在企业管理、城市规划、产业发展、科技管理、生态环保、海洋经济等应用领域取得了巨大进步[3]。

本文的目的是利用社会网络分析法来研究分析国内系统动力学的研究成果、研究热点和作者合作情况等, 为系统动力学的未来研究提供参考与指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究的数据源选取CNKI中《中国学术文献网络出版总库》, 检索的条件主要限制如下:篇名=“系统动力学”, 时间跨度=2000-2014, 期刊来源=核心期刊, 精确匹配, 检索时间为2014年7月1日, 共检索到1288篇文献, 用SATI软件去重复后得到1283篇文献, 获得的全部文献的题录信息包括篇名、作者、机构、关键词、摘要、基金、刊名、年、期和分类号等以Endnote格式保存。本文后续的研究围绕1283条题录来展开。

1.2 研究方法及工具

本文的研究方法采用社会网络分析法, 主要研究工具包括:文献题录信息统计分析工具SATI和Ucinet软件。本文将CNKI中Endnote格式的文献题录信息导入SATI软件, 该软件通过对期刊全文数据库题录信息的字段抽取、频次统计, 生成的共现矩阵直接导入Ucinet软件进行处理分析。采用社会网络分析方法对表征文献外部特征的时间、作者、机构、研究主题等数据进行统计分析, 直观反映了系统动力学领域的成果数据及分布的基本状况、研究主题的分布等基本情况。

2 系统动力学的数据分析

2.1 系统动力学研究的成果年限分布

从图一数据可以看出, 国内系统动力学发文数基本呈逐年增长趋势, 特别是2005、2007、2012年的文献量增长速度较快, 其他年度的发文量增减不大, 趋于稳定的状态, 2014年69篇文献只是上半年数据。从2000—2014年发文量来看, 虽然系统动力学是个成熟的理论, 但是不同时期对其理论的运用情况不同, 这是由于政策、环境和关注度等方面的影响[4]。

2.2 系统动力学的共词分析

在共词分析中, 为了便于对共现频率的运算, 利用SATI软件生成共词矩阵, 由于受到网络结点的限制, 本文只对50个高频词进行共词分析, 形成一个50×50的共词矩阵。如表一所示, 该矩阵是对称矩阵, 表中对角线上的数值为该关键词在文献中出现总的频次, 表中非主对角线单元格上的数值为两个关键词共现的次数。同时出现在一篇文献中的两个关键词容易判断文章的主题脉络, 同时根据两两关键词出现频次的高低可以发现论文的研究热点。在表一中, 系统动力学出现674次, 通过组配与其他高频词在同一篇文献中出现的次数, 发现系统动力学与仿真共现的频次是70, 与模型共现频次是41, 表明共有70篇论文的关键词同时标引了系统动力学和仿真, 41篇论文的关键词同时标引了系统动力学和模型, 也就是有70篇文章的研究主题论述了系统动力学与仿真的关系, 41篇文章的研究主题论述了系统动力学与模型的关系。由此可以看出, 研究系统动力学与仿真、模型的文献有较多, 这是由于系统动力学理论在解决社会经济复杂问题方面发挥重要作用[5]。

2.3 系统动力学的共现网络分析

共现网络分析是文献集中的词汇对或名词短语共同出现形成一个共词网络, 显示这些词对的关系及其规律, 实现对学科结构、研究热点、学科发展动态的分析。图二中每个节点代表一个关键词, 点的大小表示关键词在社会网络中的中心度大小, 节点之间的距离反映两者之间的亲疏关系, 通过K-cores的分析, 红色的点所代表K值最大的关键词处于研究的核心位置, 也是系统动力学研究领域的热点与核心。

国内外共词网络都是以系统动力学、仿真和动力学为中心, 向四周辐射, 研究文献围绕系统动力学、仿真和动力学来展开。从图二可以看出, 国内系统动力学领域研究热点主要有:系统动力学、仿真、动力学、动力学分析、动力学特征、模拟、系统动力学模型、转子系统、稳定性、多媒体动力学、虚拟样机、非线性等[6]。

2.4 系统动力学的作者合作度网络分析

利用SATI软件统计作者发文量, 排名前五依次是:何芝仙、闻邦椿、桂长林、李震、秦大同, 他们的发文依次:16、13、11、10、8。可见, 这些作者是国内系统动力学领域的专家, 引领该领域的研究与发展。

笔者对1283篇文献数据进行过滤和整理后, 利用SATI软件生成50×50矩阵导入Ucinet软件中, 构建一个基于作者合作度的合作关系网络, 去掉没有连线的节点后, 如图三所示。作者合作关系网络图的节点间连线反映了作者之间的合作相关度, 可以看出, 图三网络中有三个较大的子网:第一团队:刘超、陆启超、张伟、曾鸣和李晨;第二团队:孙军、李震、桂长林和何仙芝;第三团队:张锁怀、谢友柏、朱爱斌和刘梦军, 代表这三个团队的作者相关度较高。这三个合作团队在系统动力学领域的研究中发挥主导作用。但从整体上来看, 作者合作图谱的连线稀疏, 网络中大多数节点之间没有连线, 关联程度非常低, 表明目前大多数作者不存在合作与交流情况, 国内系统动力学领域还没有形成一支成熟的研究队伍。

3 结束语

根据以上对国内系统动力学研究的分析, 结合近几年来系统动力学发展的现状, 通过社会网络分析方法分析国内系统动力学的研究成果并做出以下判断:

第一, 从文献数量来看, 国内学术界对系统动力学的关注度较高, 由于政策、环境和技术需要运用系统动力学来研究中国可持续发展问题:人口、自然资源和能源、生态环境、经济与社会等, 2005、2007、2012年文献量增长速度较快, 近年来, 系统动力学在中国可持续发展问题研究发挥重要作用。

第二, 国内系统动力学的研究热点主要有:系统动力学、仿真、模拟, 系统动力学模型, 动力学特征、非线性、转子系统、稳定性、虚拟样机, 动力学分析与非线性等。

第三, 国内系统动力学的研究前沿涉及供应链、水资源、旅游、人口、教育、保健、土地、贸易、竞争情报等相关问题, 未来系统动力学的研究将着力解决中国可持续发展问题。

第四, 从系统动力学作者合作情况来看, 国内系统动力学领域的作者合作度不高, 没有形成核心的合作团队, 未来需要系统动力学领域的专家及学者加强合作与交流, 系统动力学的研究成果才能更好地服务于能源、生态环境、社会与经济发展等问题。

参考文献

[1]De Mello F P.Boiler models for system dynamic performance studies[J].Power Systems, IEEE Transactions on, 1991, 6 (01) :66-74.

[2]Stott B.Power system dynamic response calculations[J].Proceedings of the IEEE, 1979, 67 (02) :219-241.

[3]王其藩.系统动力学[M].北京:清华大学出版社, 1994.

[4]许光清, 邹骥.系统动力学方法:原理、特点与最新进展[J].哈尔滨工业大学学报 (社会科学版) , 2006, 8 (04) :72-77.

[5]李纪岳, 陈志, 杨敏丽.粮食作物生产机械化系统动力学建模与仿真[J].农业机械学报, 2013, 44 (02) :30-33.

系统动力学分析 篇9

能源是社会赖以进步的奠基石,是一国经济发展的筹码。步入21世纪,获取能源成为了国家的首要任务。截至目前为止,我国不仅是世界第二大能源消费国,也成为了世界第二大能源生产国,能源供应的持续增长,为我国经济发展和社会进步提供了重要支撑。特别是石油资源,我国是世界上石油消费增长最快的国家之一,自2002年起超过日本,成为仅次于美国的世界第二大石油消费国。石油关系着国民经济命脉,是维护国家经济安全的战略性物质,现已成为我国重要战略储备资源。但我国石油资源却十分贫乏,国内产量远远不能满足消费。据统计,截至2012年底,我国石油已探明量为24亿t,石油年产量仅为20 750万t,而年消费量却高达48 370万t。 并且随着我国经济快速发展,对石油的需求量在不断攀升,国内石油供需矛盾将日益严峻。普氏能源资讯石油部门全球编辑总监戴夫·厄恩斯伯格在2014年也指出,在未来很多年内中国石油消费还会持续增加。而我国石油消费的持续增长,却带来了诸如石油供应安全、石油环境等问题,这将制约着我国经济安全可持续发展。

能源安全关乎国家经济安全,而石油在能源安全和经济发展中的重要性不言而喻,因此对于能源安全和石油资源的研究一直广受学术界所重视。在能源安全研究方面,Munozleos［1］对美国在国际能源新形势下所面临的能源内部风险和外部风险进行了研究, 并提出了基本应对策略。 Veltz［2］研究了9·11及其后续事态对于世界能源安全的地缘政治影响,对新能源安全形势下国家、企业的经营策略进行了规划和设计。国内学者张宇燕等［3］认为中国维护能源安全的基本态度应当是立足现有的世界能源格局并寻找自己的位置。在石油安全研究方面,胡志丁等［4］通过引入国际关系学的安全理论和能源安全理论,在尺度政治视角下,重新构建了地缘能源安全评价模型,对1995—2010年俄罗斯太平洋石油管道建设中的中国地缘石油能源安全进行了定量评价。 而王强等［5］则提出了石油进口来源多元化、积极发展能源外交、运输方式多样化、提高海上运输通道保障力等对策保障我国能源进口安全。刘庆成［6］认为我国作为第二大石油消费国及有影响的大国,可综合运用政治、经济、外交等手段构筑我国乃至影响全球的石油安全体系。在石油供需预测方面,李震［7］运用灰色预测等定量方法,对我国石油供需趋势进行预测,并着重对供需矛盾的成因及影响因素进行分析。杜秀芳等［8］运用协整分析方法,建立向量误差修正模型,对中国石油需求与产业结构变化的关系进行了定量分析。 李连德［9］应用系统动力学的有关理论和方法对包含石油在内的不同能源供需缺口进行了较为系统的分析,但对经济、产业、人口等社会因素的影响考虑较少。以上研究均取得了一些重要成果, 但仍不够完善,特别是石油安全及供需预测研究方面,考虑影响因素不够全面。

石油供需与人口、经济、社会以及环境等因素关系密切,特别是石油消费,与国家人口数、 经济发展息息相关。因此,对石油供需进行预测需要综合考虑各方面因素。据我国统计年鉴数据显示,2000—2012年间,我国人口、经济、石油消费量和生产量、净进口均呈现增长,但增长趋势不同。人口总数增加趋势在逐渐减缓,人口自然增长率由2000年的7. 58‰ 下降至2012年的4. 95 ‰; 经济方面, 我国国内生产总值1增长速率较快,基本稳定在10% ~ 20% 之间; 石油方面,我国石油年消费量明显大于年生产量,并且石油消费的增长速率也高于国内产量,因而导致我国石油净进口增长加快,至2008年净进口为20 069. 8万t超过国内产量, 石油对外依存度也由2000年的33. 68% 上升至2013年的58. 1 %［10］。人口、经济、社会、环境等因素对石油供需的影响是复杂多变的,并且石油供需系统是一个复杂的非线性系统。因此,本文拟运用系统动力学方法,在对各因素关系及现状的研究分析基础之上,建立石油供需预测SD模型,对我国未来石油供需趋势进行预测,据此为保障我国石油供需安全提出政策建议。

2石油供需预测SD模型建立

2. 1模型框架

由上述历史数据分析可知,影响石油供需的主要因素有人口、经济和环境,外加能源强度,因而将石油供需系统分为8个部分,分别为: 石油供应、 石油消费、人口、经济、环境、国内生产、净进口、 能源强度。模型框架如图1所示。

由图1可知,石油供应主要由国内生产和净进口两部分组成,石油消费也在一定程度上影响着石油供应; 净进口同时受到国内生产和石油消费的影响; 石油消费分为生活消费和经济消费,人口总数的自然增长会在一定程度上提高居民生活石油消费, 经济消费主要包括第一产业消费、第二产业消费和第三产业消费,因而经济增长和产业结构的变化, 以及能源强度的变化共同影响着经济石油消费; 石油消费所排放的二氧化碳会对环境造成影响。

2. 2模型因果关系分析

根据SD模型框架显示,石油供需系统中8个部分相互影响,因素之间紧密联系。居民生活石油消费量由人口总数和人均石油消费量决定,主要来自于石油液化气( LPG) 的使用。在石油消费结构中,生活消费一直以来均仅占据很小比重,但增长势头却尤为迅猛,由2000年的1 336. 45万t增长到2012年的3 983. 9万t,年均增长率高达11. 6% ,并且随着我国人口总数的持续上升,生活消费量也将进一步增加。经济消费是我国石油消费的核心,因而经济发展将极大地影响着石油消费。其中第二产业消费占据头牌,尤以工业消费为主, “十二五”期间工业石油消费量将会继续攀升,但比重将呈下降趋势; 第一产业消费所占比重最小,从2000—2011年,农林牧渔业石油消费仅增加了677. 79万t,年消费仅占据3% ~7% ,预计 “十二五”期间农林牧渔业石油消费量将有所增加, 但比重也在逐步下降; 第三产业消费量增加最为迅速,在2000—2012年间年均增长率为8. 5% ,其中又以交通运输业尤为突出,预计 “十二五”期间我国轿车年均销量增速将保持在一成以上,并且随着工业化进程中物流业的迅速发展,交通运输业石油消费量将保持快速增长,比重将呈上升趋势。再则 “十二五” 期间我国经济内生性增长速度仍将处于较快阶段,这将导致石油消费量保持较快增长2。石油消费量的快速增长,伴随着大量二氧化碳气体排放,这将造成较为严重的环境污染,而严重的环境污染会在一定程度上制约着石油消费。

石油供应量受国内产量、净进口、预期供应量影响。石油消费量的增加将会提高预期供应量,也会促进石油的净进口,进而促进石油供应量的增加。国内产量的增加也将会促进石油供应量的增加。根据以上分析,可得出石油供需系统的因果回路图,如图2所示。

图2中主要包含以下几个回路:

( 1) 石油供应量→石油库存量→石油消费量→ 预期消费量→预期供应量→石油供应量。

( 2) 石油供应量→石油库存量→石油消费量→ 预期消费量→预期库存→库存差→库存修正量→预期供应量→石油供应量。

( 3) 石油供应量→石油库存量→库存差→库存修正量→预期供应量→石油供应量。

( 4) 石油消费量→净进口→石油供应量→石油库存量→石油消费量。

( 5) 累计产量→国内产量→累计产量。

( 6) 石油消费量→二氧化碳排放→石油消费量。

以上6个回路中,( 1) 、( 2) 和( 4) 回路是正反馈回路,而( 3) 、( 5) 和( 6) 是负反馈回路。在因果回路图中,石油最终可采储量的增加将会导致国内产量的增加,进而导致石油供应量的增加,通过正反馈回路,如石油供应量增加,石油库存量增加,石油消费量增加,预期消费量增加,预期供应量增加,最终导致石油供应量进一步增加; 人口数、石油消费比例、能源强度、国内总产值的增加会导致石油消费量的增加,通过正反馈回路,将会进一步增加石油消费量。

2. 3模型流图与情境设计

2. 3. 1模型存量流量图

通过上述SD模型因果关系分析,明确了石油供需系统中主要因素之间的因果关系,也确定了系统的关键变量。据此可以绘制出系统的存量流量图,如图3所示。

由图3可知,石油供需预测SD模型中水平变量包括累计产量、石油库存量、预期消费量、人口总数、能源强度和GDP; 速率变量主要有国内产量、 净进口、石油供应量、石油消费量、预期消费变化量、人口数变化量、能源强度变换量以及GDP变化量。此外,模型中还有最终可采储量、人口自然增长率、人均消费量、各产业石油消费比例、各产业比重、目标能源强度、GDP增长率等外生变量。石油供应量主要由国内产量、预期供应量和净进口决定,当国内产量与净进口之和大于预期供应量时, 石油供应量由预期供应量决定; 当国内产量与净进口之和小于预期供应量时,石油供应量由国内产量和净进口决定。石油消费量主要包含生活消费量、 第一产业消费量、第二产业消费量、第三产业消费量,以此反映人口增长、经济增长和能源强度的变化对石油消费的影响。

2. 3. 2基准情景

SD模型适用于各种假设条件下的模拟预测,因而为准确预测我国石油供需,需要合理、有效地确定模型参数。据统计预测,我国石油最终可采储量在130 ~ 150亿t之间,本文采用张抗运用逻辑斯谛模型预测的石油最终可采储量143. 78亿t。截止至2000年底,我国石油累计产量为368 223. 07万t。 根据2007年中国网发布的 《国家人口发展战略研究报告》显示,2000年底我国人口总数为126 743万人,人口自然增长率为7. 61‰,预计在未来30年内我国人口将净增2亿人左右,2020年人口总数为14. 5亿,2033年前后达到峰值15亿人左右［11］。而对于我国未来国内生产总值、各产业比重、能源强度的预测数据,借鉴于李善同［12］2010年发表的 《“十二五”期间至2030年我国经济增长前景展望》 一文; 石油消费的碳排放系数采用全球环境基金( GEF) 所测算的排放系数,其值为0. 583 2 t - c / tce,固碳系数为0. 853; 石油转换为标准煤的系数为1. 428 6 kg TCE /kg。

3我国石油供需预测与结果分析

根据基准情景,并假定石油出口量仅受国内石油产量影响,石油进口量仅受石油消费量影响,依据 《中国统计年鉴2013》 中的数据,运用Vensim模拟仿真分析软件,以2000年为仿真初始年,模拟时间段为2000—2035年,其中预测期为2013— 2035年。

3. 1模型有效性检验

运用SD模型对我国石油供需进行预测,首先需要对模型进行有效性检验,并进行模型校对。将2000—2012年GDP、人口总数、石油供应量、石油消费量的历史真实值与模型模拟仿真预测值进行对比, 如表1所示,根据预测值与真实值的误差对模型进行改进,当误差达到允许范围之内时,则模型有效。

由表1可知,无论是GDP、人口总数,还是石油供应量和消费量,预测值与真实值之间的误差均小于10% ,最大误差仅为9. 18% ,达到了系统动力学模型误差应小于15% 的范围之内。因此,可认为石油供需预测SD模型的预测结果具有较好的拟合度,能够有效地对我国石油供需进行预测。

3. 2预测结果分析

通过模型有效性检验可知,石油供需预测SD模型是可行、有效的,据此对我国石油供需进行预测分析。预测结果如图4—图7和表2所示。

由图4、图5和表2可知,我国石油消费量和供应量变化趋势极为相似,均呈现不断增长的势头,年增长率在5% 上下波动,预测2035年我国石油消费量为178 404万t,而石油供应量也达到了171 059万t, 基本处于供需平衡,说明我国石油总体供应基本能满足消费。而我国石油总体供应主要来源国内石油产量和净进口。由图6可知,受最终可采储量影响,我国国内石油产量预测将在2017年达到最大值,仅为27 857. 2万t。根据表2数据显示,我国石油净进口总量在不断增加,预测2035年将达到153 451万t的高度, 占据我国石油供应量的80% 以上,对外依存度也将高达86. 01% ; 并且每年石油净进口均大于国内产量,两者的差距在逐渐扩大,即在我国石油供应量中国内产量所占最大比重还不到50% ,并且比重有下降趋势,下降速率越来越大。说明我国国内石油供应量( 国内产量) 远远不能满足石油消费,存在严重的供不应求,因而我国石油消费绝大部分靠进口提供,大量的石油进口加大了我国石油的对外依存度,造成了严重的石油安全隐患。由图7可知, 由于我国石油消费量的持续增长,二氧化碳排放量也在逐年增加,预计2035年将达到112 465万t,对我国环境造成了一定程度上的影响。

3. 3情景分析

石油消费关乎我国经济发展、能源安全和环境保护。根据预测结果分析,对我国石油消费提出合理性政策建议。本文从模型的参数灵敏性分析入手, 对经济增长、石油消费比例和能源强度进行情景假定。经济发展是影响石油消费的重要因素,假定在其他情景条件不变的情况下,按GDP增长率提高0. 5个百分点进行模拟实验,结果如表3所示。

由表3数据可知,经济的快速发展极大地促进了我国石油消费,仅2035年石油消费量就增加了29 197万t,自2013年起累计石油消费增加量将高达282 952. 2万t。随着我国石油消费的增加, 一方面石油净进口将快速增加,2035年净进口增加比例18. 15% 大于石油消费量的16. 37% ,进而导致我国石油对外依存度由基准预测值86. 01% 提高到87. 33% ,也进一步加大了我国石油供应安全隐患; 另一方面二氧化碳排放量也将进一步增加,2035年增加到124 052万t,增加了10. 3% ,对我国环境造成了较大的影响。

石油消费量的增加,导致了我国石油安全和环境安全问题,为降低我国石油消费,可以从降低能源强度或石油消费比例入手。假定其他情景条件不变,能源强度降低0. 1,或降低石油消费比例,由于各产业的石油消费比例不同,因而第一产业石油消费比例降低0. 005,第二产业和第三产业的石油消费比例降低0. 01,进行模拟实验。结果如表4所示。

由表4数据可知,在我国经济保持持续发展的情况下,降低能源强度,提高石油利用效率,或降低石油消费比例,均能有效地降低石油消费量。一方面,在能源强度降低0. 1的情况下,自2013年起我国每年的石油消费量对应减少了10% 以上,2035年石油消费量为152 890万t,减少了14. 3% ; 净进口也相应地减少,2035年石油对外依存度降低到84. 45% ; 二氧化碳排放量也得到了很大程度上的降低,2035年二氧化碳排放量仅为91 359. 3万t,降低了18. 8% 。另一方面,降低各产业的石油消费比例也能产生减少我国石油消费量,降低对外依存度, 并减少二氧化碳排放量的效果。

根据情景分析可知,经济发展以能源为支撑, 经济的快速发展需要消耗大量的石油,而我国石油资源极度缺乏,需要大量的石油进口以满足经济耗能,进而提高了我国石油对外依存度,将对我国石油供应安全造成较大的威胁; 石油消费的增加也进一步提高了二氧化碳排放量,对环境也造成了威胁。 而降低能源强度,提高石油利用率,降低石油消费比例,可以在很大程度上减少我国石油消费,缓解国内供需矛盾; 也可以减少石油进口量,降低石油对外依存度,提高我国石油消费的安全性; 还可以减少二氧化碳排放量,进而降低环境污染。以此可以产生良好的经济效益、环境效益和社会效益。

4我国石油发展政策建议

人口总数增加和经济发展必将消耗大量的石油, 而我国石油产量后劲不足,造成高度的对外依存度, 威胁着我国石油供应安全; 以及由于二氧化碳的排放,也对我国环境造成了一定程度地影响。因此, 为促进我国石油持续发展,根据预测结果和情景分析,提出如下建议。

4. 1提高石油利用效率

目前我国能源利用效率总体上偏低,与发达国家相比差距约为20年,特别是我国石油资源,存在供应短缺和浪费并存的现象。随着我国工业化、城镇化、现代化进程的加快,将需要更多的石油资源作为支撑。据分析,降低能源强度,提高石油利用效率,能够在确保经济健康持续发展的前提下,有效地降低石油消耗量,并且能从源头上解决石油消费与环境污染问题。因此,降低单位产值石油消耗量是确保我国石油持续发展的当务之急。

4. 2优化产业结构,降低石油消费比例

根据历史统计数据和模型预测结果可知,我国石油消费主要是经济发展的消耗,其中第二产业和第三产业的石油消费量远大于第一产业,并且增长速率也远超过第一产业,因此,若第一产业超预期增长,则会在一定程度上抑制石油消费量的增长; 若第二产业和第三产业超预期增长,则会促进石油消费量的增长。从我国未来经济发展趋势来看,第一和第二产业增长速度较缓,而第三产业极有可能会超预期发展。因此,应采取必要措施鼓励第一产业发展,特别是那些与可再生能源相关产品的生产; 严格控制第二、三产业中高耗油行业的过快发展。 这将有利于抑制我国石油消费增长。再则,由情景分析分析可知,降低各产业的石油消费比例,能有效的降低我国石油消费量,特别是要降低第二产业和第三产业的石油消费比例。

4. 3调整能源结构,降低煤炭消费比重

我国能源消费结构中,煤炭消费比重最大,其次是石油消费,天然气消费比重最小。而煤炭相比于石油、天然气等清洁能源而言,利用效率低、污染物排放量大,并且开发利用投资大、成本高,并造成严重的环境问题,不利于我国经济可持续发展。 因此,为确保我国经济健康持续发展,改善环境, 必须要抑制煤炭消费,提高优质能源消费比重,如石油、天然气、可再生能源等。石油消费是我国第二大能源消费,天然气消费比重虽增加迅速,但仍旧比较低,难以替代石油消费。因此,我国能源消费结构应该逐步摆脱对煤炭的依赖,转向以石油天然气消费为主,并逐渐提高可再生能源消费比重。

4. 4加强国家石油战略储备

我国目前石油消费量较大,但产能过低,过度依赖于石油进口,2013年我国石油对外依存度就高达58. 1% ,对我国石油供应安全问题造成了极大的威胁。根据模型预测结果显示,我国石油净进口增加迅速,对外依存度也在不断攀升,2035年对外依存度达到86. 01% 。因此,我国需要加强石油战略储备,稳定国内石油供求关系,以保障我国石油安全。

5结论

基于系统动力学相关理论知识,在对我国2000—2012年的人口、经济、能源、环境等现状分析的基础上,建立了我国石油供需预测SD模型,对我国2013—2035年石油供应量、消费量、国内产量、净进口、依存度、二氧化碳排放量等进行了预测。预测结果显示: 随着我国经济发展,石油消费量在大幅度增加,而国内产量过低,受到最终可采储量的影响,我国将在2017年左右达到产量高峰约为27 857. 2万t,远远无法满足国内需求,因而需要大量的进口,对外依存度也将越来越大。大量的石油消费也带来了一定的环境问题。通过模型有效性检验,验证模型是有效的,并对模型进行了情景分析。分析结果表明: 经济的快速发展将导致石油消费量的迅速增加; 而通过降低能源强度或各产业的石油消费比例,能有效地抑制我国石油消费的增长。 据此,提高石油利用效率,调整产业结构,调整能源结构,加强国家石油战略储备等,能在确保我国经济发展的基础之上,有效地降低我国石油消费量, 缓解环境问题,从而保障我国石油安全。

摘要：基于我国2000—2012年人口、经济、能源和环境等数据,对我国石油生产、消费、净进口现状进行分析,运用系统动力学方法,建立我国石油供需预测SD模型,并通过模型有效性检验验证模型有效性,以此对我国2013—2035年石油供需趋势进行预测。预测结果显示:我国石油消费增长迅速,国内产能不足,对外依存度过高,对我国石油安全造成了严重威胁。最终根据预测结果和情景分析,为保障我国石油供需安全提出政策建议。

系统动力学分析 篇10

为了满足经济与社会发展、西部大开发战略、开边通海战略的迫切需求, 我国修建了大量的隧道, 总长度已达到了400多万延米, 隧道的总数量达到了6000多处。隧道施工兼有建设工程施工和矿山施工的特点, 施工难度大、结构复杂、隐蔽性较强, 这些都会加大施工的难度, 从而造成安全事故频发。在国外, 早就开始了隧道施工风险的识别与控制的研究。例如Nilsen等对复杂地层条件海底隧道的安全风险进行了深入研究;Ruzk、Olsson等提出了实用风险分析技术并将其用于环形隧道工程施工中。目前, 我国对隧道施工风险的研究仍处于初级阶段, 已有专家学者利用风险分析方法对饱和软土地层中管幕法隧道施工进行了风险分析研究, 根据潜在的风险得出了工程的总体风险水平, 并为该方法施工提出了相应的防范措施;对盾构隧道防水风险进行合理化等级划分, 利用模糊识别理论研究了盾构隧道防水风险评估, 一定程度上客观、量化地评价盾构隧道防水风险。从目前看, 随着对隧道施工的安全要求越来越高, 现有的研究和传统的风险评价方法已显得不够适应, 为了解决这个问题, 本文把系统动力学引进到隧道施工风险分析中来。系统动力学是研究高阶次、非线性、多变量的复杂系统的一种定量定性的方法, 广泛应用于经济学、社会与人口、生态与环境、科技与教育、医学、生物学及工程技术等领域, 并且取得了许多研究成果。本文在对隧道施工风险分析的基础上, 结合系统动力学理论, 构建隧道施工风险管理系统的系统动力学模型, 运用仿真软件模拟实验, 最终得出四种风险对隧道施工风险影响效果的大小顺序, 以此达到对隧道施工过程中风险深入分析的要求。

2 隧道施工风险的系统动力学分析

2.1 隧道施工风险系统的结构构成

隧道施工风险系统是一个复杂的、非线性的、多变量的系统, 本文结合系统工程理论和风险控制的4E原则, 把影响隧道施工风险的因素分为四类:人为失误风险因素、隧道支护风险因素、测量失误风险因素、隧道结构风险因素。其中人为风险是指隧道施工人员的素质和能力的缺乏带来的风险, 包括缺乏安全意识、缺乏工作能力等;隧道支护风险是指隧道支护不当带来的风险, 包括隧道支护选址不合理、支护设计不规范;测量失误风险是指测量失误可能给隧道施工带来的风险, 包括测量操作失误、测量信息处理不及时等;隧道结构风险是指由于设计规范以及复杂的地理地貌带来的风险, 包括隧道结构设计不合理, 地理条件过于复杂。隧道施工风险系统结构, 见图1。

2.2 隧道施工风险系统中的因果关系

根据系统动力学原理, 因果关系图是通过正负因果链, 把系统中的相关变量串联起来的一种关系图。通过因果关系图, 不仅能够简洁地表达出各变量之间的相互关系, 还能表达出各个变量的相互作用 (“+”表示加强;“-”表示是抑制) 。通过建立隧道施工风险因果关系图 (见图2) , 为建立隧道施工风险系统动力学模型打下基础。

3 模型的构建与变量方程的确立

3.1 隧道施工风险系统流图的构建

根据对隧道风险系统结构的划分以及因果关系图的确立, 结合系统动力学理论, 借助VENSIM软件, 建立隧道施工风险系统动力学流图模型, 见图3。所建立的实验模型中包括了水平变量、速率变量、常量总共22个, 其中4个水平变量、4个速率变量。

3.2 确定隧道施工风险系统模型中的方程

3.2.1 相关变量的权重值的确定

隧道施工风险系统非常复杂, 影响因素众多, 各个风险子系统影响隧道施工风险的作用强度各有差异, 因此运用层次分析法来确定4个子系统对隧道施工风险的影响权重以及4个风险因素下的各个单因素的影响权重。层次分析法的步骤如下:

(1) 根据判断矩阵标度, 建立判断矩阵。

(2) 层次分析计算: (1) 计算方法采用方根法, 即计算判断矩阵每一行元素的乘积:

根据求判断矩阵的方法, 分别对4个子系统两两比较得出判断矩阵, 见表1;根据公式 (1) 、 (2) 、 (3) 求出4个子系统对隧道施工风险的影响权重, 见表2;经过验证计算得出CI<0.1, 满足一致性检验。

同理, 根据上述的方法能够得到4个风险因素下属的各个单因素对其影响权重, 由于篇幅有限, 计算过程从略。所求相关变量权重值如下:

(1) 操作失误对人为失误风险的影响权重W11=0.2;有意破坏对人为失误风险的影响权重W12=0.25;安全管理不足对人为失误风险的影响权重为W13=0.2;缺乏工作能力对人为失误风险的影响权重W14=0.24;缺乏安全意识对人为失误风险的影响权重W15=0.06;缺乏责任心对人为失误风险的影响权重W16=0.05。

(2) 地理条件对隧道结构风险的影响权重W21=0.3;隧道结构设计对隧道结构风险的影响权重W22=0.7。

(3) 支护设计不合理对隧道支护风险的影响权重为W31=0.65;支护地点选取不合理对隧道支护风险的影响权重W32=0.35

(4) 测量操作失误对测量失误风险的影响权重W41=0.47;测量信息处理不及时对测量失误风险的影响权重W42=0.31;测量选址不合理对测量失误风险的影响权重W43=0.22

3.2.2 实验模型中常量的赋值

以某段隧道为实验对象, 该隧道全长3364m, 属于长隧道, 最大埋深150m, 浅埋段在3.5~10m, 但大部分处于深埋段, 隧道跨度为10m, 高度为9.6m, 高跨比为0.96, 属于断面稍大隧道。借鉴众多学者的研究成果, 结合该隧道施工现场的实际情况和地理地貌, 参考风险事故率数量级的划分标准和国家评价标准, 对系统中各个风险影响因素的风险变化量进行赋值。

a1 (操作失误风险变化量) =0.0077;a2 (有意破坏风险变化量) =0.0053;a3 (安全管理不足风险变化量) =0.008;a4 (缺乏工作能力风险变化量) =0.0072;a5 (缺乏安全意识风险变化量) =0.0075;a6 (缺乏责任心风险变化量) =0.0074;b1 (测量操作失误风险变化量初始值) =0.0082;b2 (测量信息处理不及时风险变化量初始值) =0.0076;b3 (测量选址不合理风险变化量) =0.007;c1 (支护设计不合理风险变化量初始值) =0.0068;c2 (支护地点选取不合理风险变化量) =0.0075;d1 (地理条件风险变化量) =0.0059;d2 (隧道结构设计风险变化量初始值) =0.0066;e1 (人为失误风水平初始值) =0.16;e2 (测量失误风险水平) =0.15;e3 (隧道支护风险水平) =0.17;e4 (隧道结构风险水平) =0.15

3.2.3 实验模型方程的建立

隧道施工风险水平=W1×人为失误风险水平+W2×隧道结构风险水平+W3×隧道支护风险水平+W4×测量失误风险水平;人为失误风险水平=INTEG (人为失误风险率, 0.16) ;隧道结构风险水平=INTEG (隧道结构风险率, 0.15) ;隧道支护风险水平=INTEG (隧道支护风险率, 0.17) ;测量失误风险水平=INTEG (测量失误风险率, 0.15) ;人为失误风险率=W11×a1+W12×a2+W13×a3+W14×a4+W15×a5+W16×a6;隧道结构设计风险变化量=d2×测量失误风险率;隧道结构风险率=W21×d1+W22×隧道结构设计风险变化量;支护设计不合理风险变化量=c1×测量失误风险率;隧道支护风险率=W31×支护设计不合理风险变化量+W32×c2;测量操作失误风险变化量=b1×人为失误风险率;测量信息处理不及时风险变化量=b2×人为失误风险率;测量失误风险率=W41×测量操作失误风险变化量+W42×测量信息处理不及时风险变化量+W43×b3。

4 实验仿真结果分析

4.1 实验仿真方案

运用Vensim-PLE-v5.6a软件, 对所建立的系统动力学模型进行模拟仿真, 仿真时间为12个月。

实验方案:在保证其他风险因素数值不变的情况下, 分别只减少人为失误风险、隧道结构风险、隧道支护风险、测量失误风险下属的风险变化量或者风险变化量初始值, 每次只减少一个子系统的所有因素值, 都减少0.005进行模拟, 根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》对风险等级划分的标准, 当风险水平达到了0.4时, 风险就极有可能发生。具体的仿真方案见表3。

4.2 结果分析

根据仿真结果数据 (表4) , 画出4种方案的隧道施工风险走势图 (图4) 。从图4 (a) 可以看出, y=0.4与隧道施工风险水平曲线交点Q1的横坐标为8, 即在其它影响因素不变的情况下, 改变人为风险子因素变化值时, 隧道施工风险水平大约240天后才达到0.4;从图4 (b) 可以看出y=0.4与隧道施工风险水平曲线交点Q2的横坐标为7.5, 即在其它影响因素不变的情况下, 改变测量失误风险子因素变化值时, 隧道施工风险水平大约225后天才达到0.4;从图4 (c) 可以看出y=0.4与隧道施工风险水平曲线交点Q3的横坐标大约为7.8, 即在其它影响因素不变的情况下, 改变隧道支护风险子因素变化值时, 隧道施工风险水平大约235天后才达到0.4;从图4 (d) 可以看出y=0.4与隧道施工风险水平曲线交点Q4的横坐标为7, 即在其它影响因素不变的情况下, 改变隧道结构风险子因素变化值时, 隧道施工风险水平大约210后天才达到0.4;通过以上分析, 可知人为失误风险对隧道施工风险水平的影响最大, 依次分别是隧道支护风险、测量失误风险和隧道结构风险。

5 结语

本文以系统动力学原理为基础, 构建隧道施工风险系统动力学模型, 通过模拟仿真分析, 得到如下结论:四大风险子系统对隧道施工风险影响效果大小的排序是:人为失误风险>隧道支护风险>测量失误风险>隧道结构风险;四大子系统对隧道施工风险影响权重大小排序为:测量失误风险>隧道结构风险=隧道支护风险>人为失误风险。权重大小的排序与实验结论不同, 说明并不是权重越大对系统的整体水平影响越大, 它还受到复杂系统中各个因子之间相互影响和制约。

参考文献

[1]赵勇, 王效良.我国2000-2005年建成的铁路隧道[J].铁路标准设计, 2006, 11 (19) .

[2]B Nilsen, A palmstrom, H Stille.Quality control of a sub-sea tunnel project in complex ground conditions[J].Challenges for the 21st century, 1992 (3) :137-145.

[3]Ruzk, Olsson, Uohansson.Risk and decision analysis for large underground project, applied to the stockholm ring road tunnels[J].Tunnel and Underground Space Technology, 1996, 11 (2) :157-164.

[4]朱合华, 闰治国.饱和软土地层中管幕法隧道施工风险分析[J].岩石力学与工程学报, 2005, 24 (S2) :5549-5554.

[5]袁永博, 闫国栋, 王艾琳, 等.系统动力学在建设工程风险识别中的应用[J].数学的实践与认识, 2010, 40 (21) :99-106.

系统动力学分析 篇11

【关键词】动力传动系统；乘用车；换挡规律；主传动比；性能

1、建立乘用车CRUISE仿真模型

所研究的乘用车的前轮驱动、发动机前置，以及配备有CVT变速器，传动系统和整车的技术参数见下列表1。

2、仿真结果

2.1动力性仿真模拟测试

仿真测试中，原地起步进行全负荷的换挡加速度操作，描绘出加速时间与行驶距离的变化关系，如图1。

由上图可知，车辆0～100km/h加速时间的计算结果是13.32s时，测得该车的实际测量数据是13.1s，数据差异十分小，表明仿真测试的结果与实际情况是相符的。之后再对该车各挡位下的最大行车速度进行仿真计算，如下表2。

在表2中可以明显的发现，当车辆在4挡的时候车速最大且为175.32km/h，并发现4挡的车速比5挡和6挡的要快得多，而该车在实际的测验中测得所有挡位中最快的速度是172.9km/h。可知实际的结果比仿真测试的结果略低，误差相对较小。

2.2经济性仿真测试

通过不同挡位在相同速度下行驶，对燃油消耗量进行统计分析可知：当车速在30km/h、40km/h和50km/h的时候，3到5挡内，耗油量相对较少。在仿真测试中，车速为90km/h时，对应的百里等速耗油为7.07L/100km，当车速为120km/h时，对应的百里等速耗油为10.31L/100km；而该车在实际测试中，这两个车速下的结果分别是7.1L/100km和10.4L/100km，数据相差甚微，说明仿真模拟结果和实际测试结果是十分吻合的。

3、挡位变化的影响研究

依据降低挡位车速差距的变化，可总结出变速器换挡的规律，通常来说换挡规律分为收敛型、组合型、等延迟型和发散型。

当换挡规律是发散型时，油门信号增加，换挡延迟也会增大。当油门较小时，换挡延迟也小，这有利于急性高挡切入，而且耗油量低。而当油门偏大时，换挡延迟也会增大，对减少换挡次数比较有利。

4、变矩器闭锁的规律

变矩器的解锁与闭锁实际上就是机械挡与液力挡两者的转换。其中，闭锁控制又分为单参数控制和双参数控制这两类。通过仿真实验（由于该部分的仿真测验不宜文字描述，在此省略过程），总结出变矩器闭锁的规律：在特定范围内，当闭锁范围越大时，燃油经济性与车辆的动力性也越好；当锁点所对应的速比比较小时，汽车产生的冲击和振动反而很大，影响乘车的舒适性。综合考虑，在闭锁点的选择中，既要考虑乘用车的动力性、经济性，同时也要兼顾乘车的舒适性。

此外通过对主减速比的仿真模拟研究发现：当乘用车配置了新的主减速器后，不仅不能提高主减速器的灵敏度，相反，汽车的动力性还会有不同程度的下降，这说明，主减速比减小，汽车的动力性也会随之降低。

通过建立乘用车动力传动系统的仿真模型，可以更加经济的实现各部件参数的合理配置。而且，通过仿真结果的分析发现，汽车在等速换挡时，3到5挡的耗油量相对较少，这是汽车用户在汽车使用中节省油耗的一个小窍门。此外还发现，主减速比影响的主要是车辆的最高时速和等速百里的油耗。

调整后的动力传动系统，既能保证汽车的动力性，又能降低油耗。希望本文对CRUISE软件系统下乘用车动力传动系统的仿真模拟实验，能够引起更多设计者对CRUISE软件的注意。同时，也启示汽车用户在日常的行车中，多利用汽车行驶的特性，来達到减少油耗，减少尾气的排放，从而在生活的点点滴滴中，形成环保用车的习惯。在此也倡导和希望汽车行业能够设计出更科学实用的软件，用更经济便捷的方法，实现乘用车动力传动系统各参数的合理配置。

参考文献

[1]罗卫东，邱望标.汽车动力性和燃油经济性的计算仿真与传动系数优化设计 [J].现代机械，2008（02）.

[2]于峰，卢伟.金属带式无级变速传动系统综合控制策略的研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2008（03）.

系统动力学分析 篇12

交通拥挤已成为影响我国大中城市可持续发展的普遍社会问题,各个城市也根据实际情况,积极论证,制定出台政策缓解拥堵。北京市为了控制私家车的增速及出行频率,实施了限号出行、购车摇号、差别化停车收费等需求管理措施,并研究了拥挤收费政策。

拥挤收费理论提出于20世纪20年代,旨在将道路拥挤而产生的外部效应通过收费形式予以内部化,纠正过度或不经济地使用道路［１］。目前, 包括伦敦、新加坡、斯德哥尔摩等在内的11个国际大都市正在实施拥挤收费。

国内对拥挤收费实施效果评价,多侧重于社会公平性分析。张中安和冯苏苇［２］以博弈论为工具,研究了公务车出行对拥挤收费实施效果的影响。结果表明,公务车出行者的时间价值大于或等于私家车出行者的时间价值时,拥挤收费缓堵效果显著;高时间价值的私家车和公务车出行比例越高,政策实施效果越差。王瑜［３］提出公务车出行成本内部化,并分别建立了成本内部化前后的双层模型,分析得出,在时间价值越小、公务出行比重越大、公务出行成本由出行者承担的情况下,拥挤收费效果就越好。张燕等［４］提出将洛伦兹曲线与基尼系数、熵分布理论运用于拥挤收费政策的公平性评价。张小宁和曹津［５］分析了拥挤收费对不同收入水平出行者的影响,结果显示公交乘客和时间价值较高的私家车出行者从拥挤收费中获益,时间价值较低的驾车者则会受损。

系统动力学(system dynamics)是一种以反馈控制理论为基础、以计算机仿真技术为手段、用于复杂社会经济系统定量研究的方法［６］。我国1980年引进系统动力学,在交通方面主要应用于交通政策、可持续发展研究等。 王继峰和陆化普［７］从人口、经济、机动车保有量、环境、交通需求、交通供给和拥挤方面综合论证,建立了城市交通可持续发展的系统动力学模型。陈海波等［８］建立了北京市交通发展系统动力学模型,对北京市2002~2020年交通运行状况进行模拟,提出应该在控制私家车、鼓励公交出行以及提高小汽车排放标准等方面制定政策,以保障北京市交通的可持续发展。姜洋［９］分别建立了传统“修路治堵”策略和“需求引导性治堵”策略的系统动力学模型, 提出应坚持公交导向型城市发展,同时提高机动车使用成本。刘运鹤［１０］建立了交通需求管理措施实施效果评价的系统动力学模型,对北京市现行的机动车限号、错峰上下班和机动车限购政策进行了评价,这3种需求管理措施在短期内效果显著,但并非城市交通可持续发展的良策。张毅媚和张谊［１１］综合考虑土地利用及社会经济对交通系统的影响,建立了城市交通拥挤问题的系统动力学模型,分析了土地开发和时空资源消耗强度对拥挤程度的影响。赵江湖［１２］建立了城市低碳交通拥挤收费的系统动力学模型,分析得出低碳交通背景下,拥挤收费政策对于控制城市人口、 缓解交通拥堵和改善环境都起到了积极作用。

一方面,系统动力学在交通方面的研究主要围绕交通系统的可持续性、低碳交通展开;另一方面,目前拥挤收费研究的主要方向为收费原理、收费模型以及定价方法等,拥挤收费实施效果评价集中在社会公平性研究,较少考虑交通系统对环境的综合影响。Atkinson等［１３］对大伦敦范围内实行拥挤收费前后的空气质量进行了监测,结果显示政策虽然在缓解拥堵上效果显著,但是对空气质量并没有改善。针对现有研究的不足,综合考虑交通、经济、人口、环境等因素及其相互关系, 对拥挤收费政策实施效果进行分析。

1拥挤收费效果分析系统动力学模型的构建

城市交通是城市社会系统中一个子系统,与经济、人口、环境等子系统密切关联、相互影响。 拥挤收费运用经济手段,直接作用于交通系统,进而对相关子系统产生间接影响。各子系统产生相应变化,反应出政策实施效果。

笔者建立交通子系统与其他它子系统间的因果关系,考虑限购政策对机动车保有量的影响,构建拥挤收费效果分析的系统动力学模型,从交通和环境两方面综合分析拥挤收费政策实施效果。

1.1模型总体结构

1)交通子系统。城市交通系统由道路系统、流量系统和管理系统组成,即交通基础设施、交通参与者、管理交通设施和参与者的各种规章制度。交通子系统主要研究对象为交通参与者中的私家车。

2)经济与人口子系统。经济与交通之间存在相互作用关系,交通运输带动区域经济的发展, 影响人口迁移,经济发展又反作用于交通系统,促进交通运输需求增长。经济和人口子系统通过人均收入影响购车欲望,与交通子系统相互联接。

3)环境子系统。这里的环境子系统主要指大气环境。交通领域的石油消耗占全球石油消费的57%,我国交通能耗占社会总能耗的18%,尾气排放已经成为城市空气污染重要污染源［１４］。2013年以来,中国大部分地区持续出现严重雾霾天气,北京的PM 2.5来源中,本地机动车尾气排放的比重超过三成［１５］。汽车尾气中所含的污染物有固体悬浮微粒、 一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等,都是空气质量的首要大敌。

各系统因果关系如图1所示,图中箭头表示因果关系,正负号表示正效应或负效应。

图1中的反馈关系有:

1)经济水平→人均收入 → 小汽车吸引度 → 小汽车总量→小汽车出行量→交通拥挤引起的环境污染→交通拥挤带来的损失→经济水平。

2)经济水平→人均收入 → 小汽车吸引度 → 小汽车总量→小汽车出行量→交通拥挤引起的时间延误→交通拥挤带来的损失→经济水平。

3)小汽车出行量→交通拥挤引起的时间延误→交通拥挤带来的损失→拥挤收费→小汽车吸引度→小汽车总量→小汽车出行量。

4)小汽车出行量→交通拥挤引起的环境污染→交通拥挤带来的损失→拥挤收费→小汽车吸引度→小汽车总量→小汽车出行量。

经济快速发展,人们的收入水平也显著提高; 对生活质量的要求不断攀升,导致人们更倾向于选择舒适的私家车出行;对驾车出行的偏好,刺激购车用户增多,进一步导致私家车出行量不断上升,不可避免地带来交通拥挤及更多尾气排放。 同时,因时间延误和交通环境污染造成的成本亏损也必将对经济发展产生一定制约。

交通拥挤带来的时间延误损失和空气污染越严重,以缓堵为目的的拥挤收费价格就越高,从而提高了小汽车出行成本,降低人们选择私家车出行的欲望,达到减少小汽车出行量的目标。

回路1,2为负反馈稳定回路,可以维持交通系统的稳定可持续发展。但是,交通运输的负外部性决定了私家车出行者所带来的时间延误和环境污染成本并不完全由其自身承担,而是分摊给了所有交通参与者。对成本的感知过低,致使人们在交通拥挤和环境污染严重的情况下仍选择私家车出行,拥挤和污染进一步加重。回路3,4中加入拥挤收费,提高小汽车的使用成本,将外部性成本内部化,降低部分出行者使用小汽车的频率, 从而缓解交通压力。

1.2系统流图

模型选取城市总人口、GDP、限购政策下的私人小汽车保有量为积累变量,建立了如图2所示的系统流图。

环境子系统以NOｘ为研究对象,通过尾气中NOｘ量的变化考察拥挤收费政策对环境的影响。

交通子系统引入小汽车限购令对私家车增量的影响,未实施限购政策时,私人汽车年增量与经济水平相关,由人均GDP决定;实施限购政策后, 私人小汽车年增量受限于限购额度。私家车总量直接关乎日出行总量和出行总距离,而出行量和出行距离正是交通拥挤程度以及尾气排放量的直接影响因素,模型以高峰路网平均速度和交通指数反应拥挤程度,比期望速度下多排放的NOｘ量则反应拥堵带来的额外尾气排放。

经济子系统中GDP受交通拥挤的影响,拥挤所带来的时间延误经济损失影响城市GDP增长。

1.3主要结构方程式

在反馈分析和系统流图的基础上,可建立相应结构方程式。

1.3.1交通系统

选取私人小汽车总量及出行量为主要研究对象。结构方程式如下。

万人小汽车保有量(WRXQC)与人均GDP (RJGDP)相关,可通过回归分析得到。

1.3.2经济与人口系统

人口子系统与经济子系统共同决定了人均收入和消费水平。其中,人均可支配收入、GDP增长率、人口出生和死亡率因城市而异,通过城市统计数据回归分析得到。

1.3.3环境子系统

本文模型主要以汽车尾气中的氮氧化合物为研究对象,每个城市机动车基础数据、驾驶特性等特性不同,将直接导致机动车尾气排放特征的差异,所以NOｘ排放因子(NOEF)取值根据每个城市的实际情况研究得出,模型不给出统一的计算公式。

2北京市拥挤收费效果分析

根据《北京市PM 2.5来源解析》的调查结果, 北京市全年PM 2.5来源中本地污染排放贡献占64%~72%,其中机动车占31.1%,比例最大［１５］。 2013年,北京市制定了《北京市2013~2017年清洁空气行动计划》,在该计划的指导下,北京市表示将研究中心城区拥堵收费实施方案。

2.1模型参数估计

模型的系统流图中,共有常量13个,参数取值主要来源于:公开发布的统计年鉴以及年度报告;公开发表的论文及研究成果。NOｘ排放因子、人均可支配收入、GDP增长率、万人小汽车拥有量函数参见式(16)~式(19),其余常量取值参见表1。

NOｘ排放因子采用宋国华等［１６］的研究成果,该研究结合北京市道路实际排放数据,拟合得到北京市NOｘ排放因子随速度的变化情况,见式(16)。

《北京交通发展纲要(2014~2030)》中制定了北京2020年中心城路网高峰平均速度达到22 km/h以上的目标,并要求交通指数控制在5.5以内。所以文中设定高峰期路网平均速度期望值为30km/h,略高于中心城区的平均速度目标值。

根据《2014年北京市国民经济和社会发展年度公报》的统计,北京市2014年人均可支配收入为43 910元,每小时时间价值约24元/h,以平均每次出行时间为0.67h,每次出行时间价值为16元计算。模型中拥挤收费分别定价低于、等于、高于每次出行时间价值,即11元/车次、16元/车次、21元/车次。

为了验证模型精度和有效性,选取路网工作日平均日交通指数、早晚高峰路网平均速度、私人小汽车保有量3个指标,在不进行拥挤收费的情况下,以2011年为起始年,模拟输出2013年的运行结果,与统计数据比较,结果见表2。

根据表2的结果,误差均在5%以内,预测结果具有较高可信度,模型能够真实有效地对城市交通运行状况进行预测模拟。

2.2模拟结果分析

本研究的主要目的是在综合考虑交通和环境的前提下,考察拥挤收费政策的实施效果,设定拥挤收费价格为控制变量,通过改变该参数数值,模拟不实行拥挤收费政策、收取不同价格拥挤费用情况下交通运行状况和交通环境的变化情况。对北京市2015-2020年的道路交通进行模拟,选取路网工作日平均日交通指数、早晚高峰路网平均速度指标反应城市交通运行状况;选取因交通拥堵而多排放的NOｘ反映尾气排放情况。图3-图6分别表示了不同收费价格下交通指数、高峰平均速度、因交通拥堵而多排放的NOｘ以及私人小汽车年增量的变化趋势。

交通指数是综合反映道路网运行情况的概念性指数值,取值范围为0~10,分为5个等级,即 “畅通”“基本畅通”“轻度拥堵”“中度拥堵”“严重拥堵”,数值越高表明交通拥堵越严重。路网工作日平均日交通指数为工作日早晚高峰时段交通指数的平均值。

拥挤收费前后,路网工作日平均日交通指数变化较大。收费前,日交通指数逐年上升,路网由中度拥堵向严重拥堵状态逼近;收费后,日交通指数虽然逐年上涨,但路网基本畅通,没有明显拥堵,并呈现出收费价格越高,路网运行状态越良好的规律。但收费21元/车次时,交通指数持续3年不高于1,高收费过度抑制了小汽车出行需求, 造成道路资源浪费。

实行拥挤收费后,高峰路网平均速度明显提高。收费价格为11元/车次时,平均速度能够达到2020年路网平均速度30km/h的目标;收费21元时,受限于城市道路限速,前3年平均速度保持在50km/h,再次印证了过高的收费会导致道路资源浪费的结论。

政策实施初期,较多用户放弃驾车,路网工作日平均日交通指数和早晚高峰路网平均速度改善明显。随着时间推移,一方面人们的收入逐步提高,而拥挤收费价格不变,出行者对拥挤收费价格的容忍度提高;另一方面小汽车数量总是在逐年上涨,拥挤收费政策的缓堵效果势必逐渐减弱。

设定30km/h为路网期望平均速度,相应速度下的NOｘ排放因子即为期望排放因子,实际运行中,比该行驶工况下多排放的NOｘ量即定义为因交通拥堵而多排放的NOｘ。

收费前,因拥堵而多排放的NOｘ逐年快速增长,尾气污染不断加重;收费后,排放情况得到缓解,其中,2017年和2018年的预测值为0,对应平均速度的小汽车行驶工况比目标速度30km/h的行驶工况更优。但收费价格为21元/车次时, 最初3年NOｘ排放量不降反增。收费价格过高, 路网速度提高大,反而提高了NOｘ排放因子,增加了尾气排放。

可以看出拥挤收费政策的缓堵效果明显,而且收费价格越高,效果越优,但是价格过高也会过度抑制出行需求;单独考察尾气排放指标时,不同收费价格下,政策实施效果差别较大。综合考察2个因素,可以看出当收费价格略低于出行时间价值时,能够实现缓堵和减少尾气排放的双重优化。

由图6可见,私人汽车年增量变化趋势主要受小汽车限购指标的限制,实行拥挤收费初期,对人们的购车影响较大;之后各年份,私人汽车年增量趋于一致。长远来看,小汽车年增量主要受到限购令的影响,拥挤收费对其影响并不大。所以拥挤收费政策必须和其他需求管理措施配合,才能取得更好的效果。

3结论

本文构建了拥挤收费实施效果分析的系统动力学模型,描述了交通与经济、人口、环境的相互关系以及拥挤收费的缓堵机制,并根据日交通指数、高峰平均速度、因拥堵而多排放的NOｘ等参数对拥挤收费实施效果进行评价。以北京市为例,选取中心城6区为拥挤收费区域,假设每次驾车出行均需收费,对政策实施效果进行分析,结果显示,综合考虑交通拥挤和尾气排放,当拥堵费略低于出行者平均每次出行时间价值时,政策实施效果最佳,收费价格过高反而会导致尾气排放量增加,也会造成道路资源浪费。同时,拥挤收费政策也需要和其他需求管理措施互补作用,才能有效实现交通运行状况的优化,实现交通可持续发展。