战时城市系统动力学模型

第5卷第6期解放军理工大学学报(自然科学版)Vol 5 No 62004年月Journal of PLA University of Science and TechnologyDec.2004文章编号:1009-3443(2004)06-0095-04战时城市系统动力学模型曲晓波1,章善彪,王开华11.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.国家人民防空办公室,北京100091)摘要:在简要回顾现有研究成果的基础上,运用系统动力学的思想和方法,建立战时城市系统旳一般模型。针对未来战争的特点,重点讨论了在信息战中模型的几种特殊情形,并进行了相应的计算机仿真。仿真结果表明,在战争条件下,城市内部各个子系统之间的相互关系,特别是信息系统与其他系统之间的关系,对城市系统的生存发展起着至关重要的作用关键词:城市;模型;系统动力学中图分类号:N941.3文献标识码: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自有人类文明历史以来,城市作为整个社会创现代城市生存面临的安全威胁主要来自两个方造物质财富和精神财富的重要基地,无论在哪一个面,一方面是和平时期自然灾害和突发事故的威胁,社会发展阶段都是那一时期国家或地区的发展中另一方面是高技术战争的威胁。对于前者,国内外专心。尤其在现代社会里,城市集聚了大量现代工业、家学者做了大量的理论研究,取得了一定的成果,但贸易、金融、交通、信息、科技、文化与教育。领导、支是,这些研究大都集中在对平时城市紧急条件下的配和推动着周边地区的发展,成为国家或地区的政生存状况的定性探讨,定量的分析和研究很少,治、经济、文化中心,军事战略地位也极其重要。因战时城市状况的研究未见报道。因此,笔者根据战争此现代的地区冲突和局部战争几乎都是以城市为条件下城市运转的特点用系统动力学的方法,从物重点而展开的其中最典型的有海湾战争、科索沃战质争和伊拉克战争。一旦重要的城市遭到攻击或毁坏中国煤化工立战时城市的系统模势必会对广大民众造成心理震撼,严重阻碍国家的多CNMH情况下城市系统的生存发正常运转,同时又影响到对敌作战,甚至直接决定了战争的成败1-。模型的系统动力学原理收稿日期:2004-06-08.作者简介:曲晓波(1980—),男,硕士生系统动力学SD( system dynamics)是由美国麻解放军理工大学学报(自然科学版)第5卷省理工学院(MIT)工业管理系的JayW. Forrester c=c(t)。一般地,假设m(t)、e(t)、c(t)都是时间t的教授于1956年在福特基金会、斯隆基金会的赞助下连续可导函数。显然,城市中的物质循环系统、能量开发创立的,是一门分析研究信息反馈系统的学科,流动系统和信息传递系统,任何一个的发展都离不也是一门认识和解决系统问题的综合性的学科。SD开另外两个,它们之间相互联系、相互促进、相互制将定性与定量相结合,进行系统思考、系统分析、综约,按照系统动力学的方法,三者的状态方程为0合与推理,逐步认识与解决复杂系统问题。根据SDd理论与方法建立的模型,本质上是带时滞的一阶微m(t)1(m,e,c),分方程组。通过设计一系列具有明确物理意义的状dee(t)中2(m,e,c)态变量、流率变量、辅助变量来构筑反馈回路流图,然后借助计算机模拟对复杂系统的各种问题进行定=c()2(m,e,c)性与定量地分析研究般而言,关于时间t的相对变化率Φ(m,e,c)战时城市的系统动力学模型是以战时的城市系统为研究对象,从物质、能量和信息3个维度,考虑i=1,2,3)是变量m(t)、e(t)、c(t)的连续可导函战争的影响,把影响城市系统的诸多因素结合起来数。为了方便,不妨假设更(m,e,c)是线性函数,则有抽象量化相互间的关系,用以对城市生存发展状况dn= m(t)(e,+ Aum he+ aisc)d进行预测、研究和分析。本文的模型应用了19882003年 Ventana Systems,lnc.开发的 Vensim Pledte(t)(E,+ h,,m+h,2e+h,sc).(2)编写,这种专为SD设计的通用连续系统仿伤真软件提供了延迟函数、条件函数、阶跃函数和随机函数等c(t)(E3+A31m+A2e+A3)多种函数,可方便使用这个线性形式的关系方程组就是城市系统的Volterra模型。其中,参数e(i=1,2,3)、λ,(i2平时城市的系统描述1,2,3)均为常数,符号要根据具体城市中各系统本身以及相互之间的关系而定。一般地,假设由普利高津( Pigigone j.)的耗散结构理论可,(i=j)≤0,即城市中各系统的发展是自限的,都知,城市是一个多维度、具有复杂结构的开放系统,要受到自身不同程度的制约。该系统必须与外界不断进行物质流、能量流、信息流的交换,才能保持系统的有序平衡。城市的物质、能量、信息流动主要是由两部分组成,一部分在城市內3战时城市的系统描述部流动,以保障城市各系统的正常运行,另一部分在现代高技术条件下的局部战争中,作为战争的城市内外之间流动,以维持城市各系统的可持续发目标、中心和重点,城市要生存和发展,必须考虑到展。一般地物质流主要是指货物从城市外部进入城作战情况及战争态势的影响显然不同的城市特点市内部经过生产、加工和经营,一部分用以维持居不同,不同的交战方作战模式不同,城市系统的战时民生活或支持城市发展,另一部分则以新产品形式模型也就多种多样。在此,设函数y1(m)、y2(e)输岀城外;能量流,主要是指能源,从城市外部进入y(c)分别表示t时刻战争对3个系统的影响,将其城市內部,经过处理、变换或转移,一部分热效做功,另一部分耗散损失掉;信息流,一方面在城市内部流加到式(1)中各方程式等号的右端得dm动以维系城市里的交往方式,另一方面在城市内外d=m(t)④1(m,e,c)-1(m),之间流动以维系城市间的交往方式。H(1)d、(m.e可见,物质、能量、信息对城市系统的重要性,在V2(e),(3)中国煤化工此不妨将城市中参与物质、能量、信息流动的各组成CNMHG-y3(c)。部分抽象为3个系统,分别为物质循环系统、能量流动系统和信息传递系统,并将各系统当前的发展水y1(m)、v2(e)v3(c)分别是变量m(t)、c(t)、c(t)的平或发展状态简称为发展指数。设某一城市的物质复杂非线性函数。若假设单位时间内,城市某一系统循环系统的发展指数、能量流动系统的发展指数、信的被破坏量与其自身的发展指数成正比,比例系数息传递系统的发展指数分别为m=m(t)、e=c(t)、为o,(i=1,2,3),那么,式(2)可变为第6期曲晓波,等:战时城市系统动力学模型dmdt-m(o(e-01+ aum t aze t dac)城市对该系统的修复重建。因此,在战争期间,城市信息系统仍然具有一定的指挥控制能力。此时相应ded=e()(E2-02+x21m+λ2e+k2c),(4)的城市系统模型为dcm(t)(1-A1m+A2e+A13C)d=c()(e3-a3+入3m+A3e+A3c)。式(4)中,e;是各系统的固有发展速率,而∂是战争d=c()(2+2m-ke+k),(6)对各系统的破坏率,为简明起见,用γ代替ε-δ。满d足上面一般形式的 Volterra方程组即为战时城市的dt= c()(7s+ Aam t Aaze-xaac)系统模型式(6)中的参数λ均大于0。该模型的仿真结果,如图2所示4几种典型的城市模型现代战争中,由于电磁战、电脑战、信息战的出现,改变了高技术条件下战争的形态,特别是争夺信息优势、取得制信息权成了作战的重心之一。近年来的几场局部战争,交战双方首先打击的就是对方的信息系统,破坏对方指挥控制能力,从而赢得战争的主动权因此,我们将着重考虑某城市在信息系统处图2信息系统受损模型的仿真结果于不同状态下的生存发展状况ig 2 Simulation results of destroyed model4.1信息系统瘫痪下的城市模型4.3信息系统紊乱下的城市模型若战争初期,敌方集中主要作战力量对城市信息系统的构成设施进行硬摧毁,同时阻挠对其进行现代战争中,敌方对城市信息系统进行硬打击,修复重建,导致信息系统始终处于瘫痪状态,城市因同时还进行软打击。依靠先进的网络信息技术,侵入此而陷入混乱无序。在某一时刻起,式(4)中的城市的信息系统通过篡改、伪造、中断等方式破坏c(t)≡0,这样,战时城市的系统模型改写为其指挥控制能力,信息对其它系统产生了负面性的作用,从而导致了战时城市的系统模型变为dt m(t)(yA1m+A12e),(5)1(1)(71-A1m+dedte(t)(72+A2m-A2e)。de其中:参数λ大于0。该模型的仿真结果如图1d=c(1)(71+kxm-Ae-12()k3c),(7)所示dtc(t)(r,+ haIm anne- A33c).式中,参数λ均大于0。p1(t)、P2(t)分别表示信息系统对其它系统作用参数的影响因子。该模型的仿真结果,如图3所示。中国煤化工图1信息系统瘫痪模型的仿真结果Fig. 1 Simulation results of out-of-control modelCNMHCE:N4.2信息系统受损下的城市模型681012与前一个模型不同的是,敌方对城市信息系统图3信息系统紊乱模型的仿真结果进行打击破坏,但并没有完全毁坏,也没能完全阻止Fig 3 Simulation results of disordered model解放军理工大学学报(自然科学版)第5卷在信息系统紊乱模型中,若城市信息系统的设5模型的反馈回路流图施比较发达,城市中各系统关系密切,对信息系统的依赖性很强,并且缺乏对信息的甄别,一旦信息系统根据战时城市中各系统之间的关系以及具体的被敌方侵入,为敌方所用,那么城市受到的破坏反而假设,采用1988~2003年Ⅴ entana Systems,lnc.开比一般城市要大,图3中,当参数/1,2的取值由1发的 Vensim ple来编写SD流图,如图4所示。变为0.125时,曲线1、2明显比曲线4、5下降得快7结束语城市是一个非常复杂的系统,本文通过分析城市的功能特点,从物质、能量、信息3个维度,构造了平时城市的系统模型,并在考虑战争因素影响的情图4战时城市SD流图况下,建立了战时城市的系统模型,并结合未来战争Fig 4 SD flow-graph for city in the war的趋势和特点,着重研究了几种不同信息条件下城市系统的发展生存状况。进一步的工作有:城市系统生存能力的评价方法,其他子系统在不同情况下对6仿真结果及分析城市系统的影响,各子系统自身的进一步分解研究在信息系统瘫瘓模型中,当城市中某系统遭到参考文献重点打击时,该系统的发展会受到影响,同时也会影响到其他与之相关的系统,进而影响到整个城市的1]丁晓明徐瑞恩,顾键.高技术战争与作战运筹分析生存发展。图1中,当参数y1=-0.1,2=0.2时,曲M].北京:海潮出版社,1998线1、2表明,虽然物质循环系统是主要打击对象,但[2]陈勇.军事运筹应用与创新[M]长沙:国防科技大由于其防护和恢复能力较好,系统受损不是很严重学出版社,2002仍可以较好地发展,同时对能量系统的影响也比较3]朱松春,张树义,韩春立,等.军事运筹学[M].北京:小。当参数y1=0.1,72=-0.2时,曲线3、4表明,能解放军出版社,1988量流动系统受到较大的破坏,发展几乎趋近于零状4]程建权城市系统工程[M].武汉:武汉大学出版社,态,物质系统也受到明显的影响,只能以较低的水平匚5]戴慎志.论城市安全战略与体系[冂].规划师,2002,18发展。当参数y1=-0.1,y2=-0.2时,曲线5、6表(1):9-11明,若各系统均受到打击破坏,自身的恢复能力又比[6]王秀英,王梦恕.城市的安全发展与地下空间利用较差,相互间的影响就非常明显,系统几乎无法继续J.中国安全科学学报,2003,13(5):72-74发展下去,整个城市就陷入瘫瘓。为了便于分析、比7]王振江系统动力学引论[M]上海:上海科学技术文较和研究,将图形中变量m(t)、e(t)、c(t)的初始值献出版社,1988进行标准化,统一取1,实际操作时可由城市三系统8李一智,林羲和系统动态学[M长沙:中南工业大的具体情况来确定学出版社,19在信息系统受损模型中,不同的城市在同样的9]陶在朴,系统及系统动态学概论M]成都:成都科技大学出版社,1989战争条件下,若系统之间的关系密切相互间能够密101王其藩.系统动力学M].北京:清华大学出版社,切配合,快速支援,特别是在信息系统较好的组织指1994挥下,各系统的发展能够持续较久,城市也就能够生[1中国煤化工京:高等教育出版社,19存较长时间,图2中,当参数y1=-0.3,72=-0.8CNMHG73=-0.3时,曲线1~3表示的是一个具有较好防(责任编辑:汤雪峰)护、能够快速协调支援的城市系统,与之相反,当参数1=-0.6,72=-0.8,73=-0.6时,曲线4~6则表示一个防护能力差、协调能力差、信息系统不健全的城市系统。