第5卷第6期解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 5 No 62004年月Journal of PLA University of Science and TechnologyDec.2004文章編號:1009-3443(2004)06-0095-04戰(zhàn)時城市系統(tǒng)動力學(xué)模型曲曉波1,章善彪,王開華11.解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007;2.國家人民防空辦公室,北京100091)摘要:在簡要回顧現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上,運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)的思想和方法,建立戰(zhàn)時城市系統(tǒng)旳一般模型。針對未來戰(zhàn)爭的特點,重點討論了在信息戰(zhàn)中模型的幾種特殊情形,并進(jìn)行了相應(yīng)的計算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明,在戰(zhàn)爭條件下,城市內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,特別是信息系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的關(guān)系,對城市系統(tǒng)的生存發(fā)展起著至關(guān)重要的作用關(guān)鍵詞:城市;模型;系統(tǒng)動力學(xué)中圖分類號:N941.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ASystem Dynamics Research for City in the WarQU Xiao-bo. ZHANG Shan-biao, WANG Kai-hua(1. Institute of Communications Engineering, PLA Univ. of Sci. & Tech, Nanjing 210007, China;2. Bureaux of Chinese Civil Air Defence. Beijing 100091, ChinaAbstract: After reviewing the current research results, a general model for city in the war was establishedby virtue of the SD method. Then some special models were researched and simulated in the computerwhich were used in the information war. The results show that the relation of some subsystems in cityplays a very important part in city survival in the war, especially between information system and the otherKey words city model; system dynamics自有人類文明歷史以來,城市作為整個社會創(chuàng)現(xiàn)代城市生存面臨的安全威脅主要來自兩個方造物質(zhì)財富和精神財富的重要基地,無論在哪一個面,一方面是和平時期自然災(zāi)害和突發(fā)事故的威脅,社會發(fā)展階段都是那一時期國家或地區(qū)的發(fā)展中另一方面是高技術(shù)戰(zhàn)爭的威脅。對于前者,國內(nèi)外專心。尤其在現(xiàn)代社會里,城市集聚了大量現(xiàn)代工業(yè)、家學(xué)者做了大量的理論研究,取得了一定的成果,但貿(mào)易、金融、交通、信息、科技、文化與教育。領(lǐng)導(dǎo)、支是,這些研究大都集中在對平時城市緊急條件下的配和推動著周邊地區(qū)的發(fā)展,成為國家或地區(qū)的政生存狀況的定性探討,定量的分析和研究很少,治、經(jīng)濟(jì)、文化中心,軍事戰(zhàn)略地位也極其重要。因戰(zhàn)時城市狀況的研究未見報道。因此,筆者根據(jù)戰(zhàn)爭此現(xiàn)代的地區(qū)沖突和局部戰(zhàn)爭幾乎都是以城市為條件下城市運(yùn)轉(zhuǎn)的特點用系統(tǒng)動力學(xué)的方法,從物重點而展開的其中最典型的有海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)質(zhì)爭和伊拉克戰(zhàn)爭。一旦重要的城市遭到攻擊或毀壞中國煤化工立戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)模勢必會對廣大民眾造成心理震撼,嚴(yán)重阻礙國家的多CNMH情況下城市系統(tǒng)的生存發(fā)正常運(yùn)轉(zhuǎn),同時又影響到對敵作戰(zhàn),甚至直接決定了戰(zhàn)爭的成敗1-。模型的系統(tǒng)動力學(xué)原理收稿日期:2004-06-08.作者簡介:曲曉波(1980—),男,碩士生系統(tǒng)動力學(xué)SD( system dynamics)是由美國麻解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第5卷省理工學(xué)院(MIT)工業(yè)管理系的JayW. Forrester c=c(t)。一般地,假設(shè)m(t)、e(t)、c(t)都是時間t的教授于1956年在福特基金會、斯隆基金會的贊助下連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)。顯然,城市中的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、能量開發(fā)創(chuàng)立的,是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科,流動系統(tǒng)和信息傳遞系統(tǒng),任何一個的發(fā)展都離不也是一門認(rèn)識和解決系統(tǒng)問題的綜合性的學(xué)科。SD開另外兩個,它們之間相互聯(lián)系、相互促進(jìn)、相互制將定性與定量相結(jié)合,進(jìn)行系統(tǒng)思考、系統(tǒng)分析、綜約,按照系統(tǒng)動力學(xué)的方法,三者的狀態(tài)方程為0合與推理,逐步認(rèn)識與解決復(fù)雜系統(tǒng)問題。根據(jù)SDd理論與方法建立的模型,本質(zhì)上是帶時滯的一階微m(t)1(m,e,c),分方程組。通過設(shè)計一系列具有明確物理意義的狀dee(t)中2(m,e,c)態(tài)變量、流率變量、輔助變量來構(gòu)筑反饋回路流圖,然后借助計算機(jī)模擬對復(fù)雜系統(tǒng)的各種問題進(jìn)行定=c()2(m,e,c)性與定量地分析研究般而言,關(guān)于時間t的相對變化率Φ(m,e,c)戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)動力學(xué)模型是以戰(zhàn)時的城市系統(tǒng)為研究對象,從物質(zhì)、能量和信息3個維度,考慮i=1,2,3)是變量m(t)、e(t)、c(t)的連續(xù)可導(dǎo)函戰(zhàn)爭的影響,把影響城市系統(tǒng)的諸多因素結(jié)合起來數(shù)。為了方便,不妨假設(shè)更(m,e,c)是線性函數(shù),則有抽象量化相互間的關(guān)系,用以對城市生存發(fā)展?fàn)顩rdn= m(t)(e,+ Aum he+ aisc)d進(jìn)行預(yù)測、研究和分析。本文的模型應(yīng)用了19882003年 Ventana Systems,lnc.開發(fā)的 Vensim Pledte(t)(E,+ h,,m+h,2e+h,sc).(2)編寫,這種專為SD設(shè)計的通用連續(xù)系統(tǒng)仿傷真軟件提供了延遲函數(shù)、條件函數(shù)、階躍函數(shù)和隨機(jī)函數(shù)等c(t)(E3+A31m+A2e+A3)多種函數(shù),可方便使用這個線性形式的關(guān)系方程組就是城市系統(tǒng)的Volterra模型。其中,參數(shù)e(i=1,2,3)、λ,(i2平時城市的系統(tǒng)描述1,2,3)均為常數(shù),符號要根據(jù)具體城市中各系統(tǒng)本身以及相互之間的關(guān)系而定。一般地,假設(shè)由普利高津( Pigigone j.)的耗散結(jié)構(gòu)理論可,(i=j)≤0,即城市中各系統(tǒng)的發(fā)展是自限的,都知,城市是一個多維度、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的開放系統(tǒng),要受到自身不同程度的制約。該系統(tǒng)必須與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)流、能量流、信息流的交換,才能保持系統(tǒng)的有序平衡。城市的物質(zhì)、能量、信息流動主要是由兩部分組成,一部分在城市內(nèi)3戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)描述部流動,以保障城市各系統(tǒng)的正常運(yùn)行,另一部分在現(xiàn)代高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭中,作為戰(zhàn)爭的城市內(nèi)外之間流動,以維持城市各系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)目標(biāo)、中心和重點,城市要生存和發(fā)展,必須考慮到展。一般地物質(zhì)流主要是指貨物從城市外部進(jìn)入城作戰(zhàn)情況及戰(zhàn)爭態(tài)勢的影響顯然不同的城市特點市內(nèi)部經(jīng)過生產(chǎn)、加工和經(jīng)營,一部分用以維持居不同,不同的交戰(zhàn)方作戰(zhàn)模式不同,城市系統(tǒng)的戰(zhàn)時民生活或支持城市發(fā)展,另一部分則以新產(chǎn)品形式模型也就多種多樣。在此,設(shè)函數(shù)y1(m)、y2(e)輸岀城外;能量流,主要是指能源,從城市外部進(jìn)入y(c)分別表示t時刻戰(zhàn)爭對3個系統(tǒng)的影響,將其城市內(nèi)部,經(jīng)過處理、變換或轉(zhuǎn)移,一部分熱效做功,另一部分耗散損失掉;信息流,一方面在城市內(nèi)部流加到式(1)中各方程式等號的右端得dm動以維系城市里的交往方式,另一方面在城市內(nèi)外d=m(t)④1(m,e,c)-1(m),之間流動以維系城市間的交往方式。H(1)d、(m.e可見,物質(zhì)、能量、信息對城市系統(tǒng)的重要性,在V2(e),(3)中國煤化工此不妨將城市中參與物質(zhì)、能量、信息流動的各組成CNMHG-y3(c)。部分抽象為3個系統(tǒng),分別為物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、能量流動系統(tǒng)和信息傳遞系統(tǒng),并將各系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展水y1(m)、v2(e)v3(c)分別是變量m(t)、c(t)、c(t)的平或發(fā)展?fàn)顟B(tài)簡稱為發(fā)展指數(shù)。設(shè)某一城市的物質(zhì)復(fù)雜非線性函數(shù)。若假設(shè)單位時間內(nèi),城市某一系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù)、能量流動系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù)、信的被破壞量與其自身的發(fā)展指數(shù)成正比,比例系數(shù)息傳遞系統(tǒng)的發(fā)展指數(shù)分別為m=m(t)、e=c(t)、為o,(i=1,2,3),那么,式(2)可變?yōu)榈?期曲曉波,等:戰(zhàn)時城市系統(tǒng)動力學(xué)模型dmdt-m(o(e-01+ aum t aze t dac)城市對該系統(tǒng)的修復(fù)重建。因此,在戰(zhàn)爭期間,城市信息系統(tǒng)仍然具有一定的指揮控制能力。此時相應(yīng)ded=e()(E2-02+x21m+λ2e+k2c),(4)的城市系統(tǒng)模型為dcm(t)(1-A1m+A2e+A13C)d=c()(e3-a3+入3m+A3e+A3c)。式(4)中,e;是各系統(tǒng)的固有發(fā)展速率,而?是戰(zhàn)爭d=c()(2+2m-ke+k),(6)對各系統(tǒng)的破壞率,為簡明起見,用γ代替ε-δ。滿d足上面一般形式的 Volterra方程組即為戰(zhàn)時城市的dt= c()(7s+ Aam t Aaze-xaac)系統(tǒng)模型式(6)中的參數(shù)λ均大于0。該模型的仿真結(jié)果,如圖2所示4幾種典型的城市模型現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,由于電磁戰(zhàn)、電腦戰(zhàn)、信息戰(zhàn)的出現(xiàn),改變了高技術(shù)條件下戰(zhàn)爭的形態(tài),特別是爭奪信息優(yōu)勢、取得制信息權(quán)成了作戰(zhàn)的重心之一。近年來的幾場局部戰(zhàn)爭,交戰(zhàn)雙方首先打擊的就是對方的信息系統(tǒng),破壞對方指揮控制能力,從而贏得戰(zhàn)爭的主動權(quán)因此,我們將著重考慮某城市在信息系統(tǒng)處圖2信息系統(tǒng)受損模型的仿真結(jié)果于不同狀態(tài)下的生存發(fā)展?fàn)顩rig 2 Simulation results of destroyed model4.1信息系統(tǒng)癱瘓下的城市模型4.3信息系統(tǒng)紊亂下的城市模型若戰(zhàn)爭初期,敵方集中主要作戰(zhàn)力量對城市信息系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)施進(jìn)行硬摧毀,同時阻撓對其進(jìn)行現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,敵方對城市信息系統(tǒng)進(jìn)行硬打擊,修復(fù)重建,導(dǎo)致信息系統(tǒng)始終處于癱瘓狀態(tài),城市因同時還進(jìn)行軟打擊。依靠先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù),侵入此而陷入混亂無序。在某一時刻起,式(4)中的城市的信息系統(tǒng)通過篡改、偽造、中斷等方式破壞c(t)≡0,這樣,戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)模型改寫為其指揮控制能力,信息對其它系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面性的作用,從而導(dǎo)致了戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)模型變?yōu)閐t m(t)(yA1m+A12e),(5)1(1)(71-A1m+dedte(t)(72+A2m-A2e)。de其中:參數(shù)λ大于0。該模型的仿真結(jié)果如圖1d=c(1)(71+kxm-Ae-12()k3c),(7)所示dtc(t)(r,+ haIm anne- A33c).式中,參數(shù)λ均大于0。p1(t)、P2(t)分別表示信息系統(tǒng)對其它系統(tǒng)作用參數(shù)的影響因子。該模型的仿真結(jié)果,如圖3所示。中國煤化工圖1信息系統(tǒng)癱瘓模型的仿真結(jié)果Fig. 1 Simulation results of out-of-control modelCNMHCE:N4.2信息系統(tǒng)受損下的城市模型681012與前一個模型不同的是,敵方對城市信息系統(tǒng)圖3信息系統(tǒng)紊亂模型的仿真結(jié)果進(jìn)行打擊破壞,但并沒有完全毀壞,也沒能完全阻止Fig 3 Simulation results of disordered model解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第5卷在信息系統(tǒng)紊亂模型中,若城市信息系統(tǒng)的設(shè)5模型的反饋回路流圖施比較發(fā)達(dá),城市中各系統(tǒng)關(guān)系密切,對信息系統(tǒng)的依賴性很強(qiáng),并且缺乏對信息的甄別,一旦信息系統(tǒng)根據(jù)戰(zhàn)時城市中各系統(tǒng)之間的關(guān)系以及具體的被敵方侵入,為敵方所用,那么城市受到的破壞反而假設(shè),采用1988~2003年Ⅴ entana Systems,lnc.開比一般城市要大,圖3中,當(dāng)參數(shù)/1,2的取值由1發(fā)的 Vensim ple來編寫SD流圖,如圖4所示。變?yōu)?.125時,曲線1、2明顯比曲線4、5下降得快7結(jié)束語城市是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),本文通過分析城市的功能特點,從物質(zhì)、能量、信息3個維度,構(gòu)造了平時城市的系統(tǒng)模型,并在考慮戰(zhàn)爭因素影響的情圖4戰(zhàn)時城市SD流圖況下,建立了戰(zhàn)時城市的系統(tǒng)模型,并結(jié)合未來戰(zhàn)爭Fig 4 SD flow-graph for city in the war的趨勢和特點,著重研究了幾種不同信息條件下城市系統(tǒng)的發(fā)展生存狀況。進(jìn)一步的工作有:城市系統(tǒng)生存能力的評價方法,其他子系統(tǒng)在不同情況下對6仿真結(jié)果及分析城市系統(tǒng)的影響,各子系統(tǒng)自身的進(jìn)一步分解研究在信息系統(tǒng)癱瘓模型中,當(dāng)城市中某系統(tǒng)遭到參考文獻(xiàn)重點打擊時,該系統(tǒng)的發(fā)展會受到影響,同時也會影響到其他與之相關(guān)的系統(tǒng),進(jìn)而影響到整個城市的1]丁曉明徐瑞恩,顧鍵.高技術(shù)戰(zhàn)爭與作戰(zhàn)運(yùn)籌分析生存發(fā)展。圖1中,當(dāng)參數(shù)y1=-0.1,2=0.2時,曲M].北京:海潮出版社,1998線1、2表明,雖然物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)是主要打擊對象,但[2]陳勇.軍事運(yùn)籌應(yīng)用與創(chuàng)新[M]長沙:國防科技大由于其防護(hù)和恢復(fù)能力較好,系統(tǒng)受損不是很嚴(yán)重學(xué)出版社,2002仍可以較好地發(fā)展,同時對能量系統(tǒng)的影響也比較3]朱松春,張樹義,韓春立,等.軍事運(yùn)籌學(xué)[M].北京:小。當(dāng)參數(shù)y1=0.1,72=-0.2時,曲線3、4表明,能解放軍出版社,1988量流動系統(tǒng)受到較大的破壞,發(fā)展幾乎趨近于零狀4]程建權(quán)城市系統(tǒng)工程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,態(tài),物質(zhì)系統(tǒng)也受到明顯的影響,只能以較低的水平匚5]戴慎志.論城市安全戰(zhàn)略與體系[冂].規(guī)劃師,2002,18發(fā)展。當(dāng)參數(shù)y1=-0.1,y2=-0.2時,曲線5、6表(1):9-11明,若各系統(tǒng)均受到打擊破壞,自身的恢復(fù)能力又比[6]王秀英,王夢恕.城市的安全發(fā)展與地下空間利用較差,相互間的影響就非常明顯,系統(tǒng)幾乎無法繼續(xù)J.中國安全科學(xué)學(xué)報,2003,13(5):72-74發(fā)展下去,整個城市就陷入癱瘓。為了便于分析、比7]王振江系統(tǒng)動力學(xué)引論[M]上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文較和研究,將圖形中變量m(t)、e(t)、c(t)的初始值獻(xiàn)出版社,1988進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,統(tǒng)一取1,實際操作時可由城市三系統(tǒng)8李一智,林羲和系統(tǒng)動態(tài)學(xué)[M長沙:中南工業(yè)大的具體情況來確定學(xué)出版社,19在信息系統(tǒng)受損模型中,不同的城市在同樣的9]陶在樸,系統(tǒng)及系統(tǒng)動態(tài)學(xué)概論M]成都:成都科技大學(xué)出版社,1989戰(zhàn)爭條件下,若系統(tǒng)之間的關(guān)系密切相互間能夠密101王其藩.系統(tǒng)動力學(xué)M].北京:清華大學(xué)出版社,切配合,快速支援,特別是在信息系統(tǒng)較好的組織指1994揮下,各系統(tǒng)的發(fā)展能夠持續(xù)較久,城市也就能夠生[1中國煤化工京:高等教育出版社,19存較長時間,圖2中,當(dāng)參數(shù)y1=-0.3,72=-0.8CNMHG73=-0.3時,曲線1~3表示的是一個具有較好防(責(zé)任編輯:湯雪峰)護(hù)、能夠快速協(xié)調(diào)支援的城市系統(tǒng),與之相反,當(dāng)參數(shù)1=-0.6,72=-0.8,73=-0.6時,曲線4~6則表示一個防護(hù)能力差、協(xié)調(diào)能力差、信息系統(tǒng)不健全的城市系統(tǒng)。