系統(tǒng)工程3系統(tǒng)模型與仿真

系統(tǒng)模型與仿真王效俐博士Xlwang_tj@；65981366（辦）一引言系統(tǒng)、模型、仿真是一根鏈條上的三個環(huán)節(jié)，是一個工作程序的三個步驟。

研究系統(tǒng)要借助模型，有了模型要進(jìn)行運(yùn)作仿真。根據(jù)仿真的結(jié)果，修改模型，再進(jìn)行仿真……。根據(jù)一系列的仿真結(jié)果，得出現(xiàn)有系統(tǒng)的調(diào)整、改革方案或新系統(tǒng)的設(shè)計、建造方案。系統(tǒng)模型是對于系統(tǒng)的描述、模仿和抽象，它反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)與主要特征。系統(tǒng)模型高于實(shí)際的某一個系統(tǒng)而具有同類系統(tǒng)的共性。

模型方法是系統(tǒng)工程的基本方法。研究系統(tǒng)一般都要通過它的模型來研究，有些系統(tǒng)只能通過模型來研究。在系統(tǒng)工程中，模型是系統(tǒng)的代名詞。我們說一個模型，就代表著一類系統(tǒng)，反過來，我們說一個系統(tǒng)，就意味著使用它的一種模型。構(gòu)造模型是為了研究系統(tǒng)的原型，因此，對模型一般有如下的要求：二系統(tǒng)模型的定義和作用（1）真實(shí)性：模型反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)。（2）簡明性：模型反映系統(tǒng)的主要特征，簡單明了，易于求解。

（3）完整性：系統(tǒng)模型應(yīng)該包括目標(biāo)與約束兩個方面。（4）規(guī)范化：盡量采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)形式，或?qū)τ跇?biāo)準(zhǔn)形式的模型加以某些修改，使之適合新的系統(tǒng)。模型的作用不在于、也不可能表達(dá)系統(tǒng)的一切特征，而是表達(dá)它的主要特征，特別是表達(dá)最需要知道的那些特征。所以建立模型需要在真實(shí)性和簡明性之間權(quán)衡。模型的完整性主要體現(xiàn)在建立一個系統(tǒng)的需要和可能兩個方面，而規(guī)范化則是強(qiáng)調(diào)對已有模型的使用，且隱含著綜合就是創(chuàng)造的理念。三系統(tǒng)模型的分類物理模型數(shù)學(xué)模型實(shí)體模型比例模型模擬模型解析模型邏輯模型網(wǎng)絡(luò)模型圖象與表格信息網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字化模型概念模型研究的速度、修改的方便性現(xiàn)實(shí)感、費(fèi)用系統(tǒng)模型分類與特征比較分類方法一分類方法二同構(gòu)模型同態(tài)模型形象模型模擬模型符號模型數(shù)學(xué)模型啟發(fā)式模型白箱模型灰箱模型黑箱模型按相似程度分按結(jié)構(gòu)特性分按對對象的了解程度分模型分類模型庫與模型體系直接分析法數(shù)據(jù)分析法（橫斷面數(shù)據(jù)）

情景分析法專家法（如Delphitechnique）1.數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建（一般步驟）（1）明確目標(biāo)（2）找出主要因素，確定主要變量（3）找出各種關(guān)系（4）明確系統(tǒng)的資源和約束條件四系統(tǒng)模型的構(gòu)建（5）用數(shù)學(xué)符號、公式表達(dá)各種關(guān)系和條件（6）代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，檢查模型是否反映所研究的問題（7）簡化和規(guī)范模型的表達(dá)形式

對模型進(jìn)行修正與簡化的方法：（1）去除一些變量（2）合并一些變量（3）改變變量的性質(zhì)（4）改變變量之間的函數(shù)關(guān)系（5）改變約束條件2.模擬模型的構(gòu)建（1）物理模擬模型例7-4：某公司擁有幾個加工廠，它們的位置已知?，F(xiàn)公司想建造一個轉(zhuǎn)運(yùn)倉庫，要使運(yùn)輸?shù)目傎M(fèi)用最小。問這個倉庫應(yīng)設(shè)何處？W1W2W3WnS1S2S3SSnS1S2S3SSnw2w3w1wn（2）電路系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的相似性例7-5：設(shè)有質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)（MNK）如下圖所示，試建立其微分方程與狀態(tài)方程。MKNF(t)yO解：根據(jù)牛頓第二定律有整理得：如果記則有：即如果記則有例7-6：一個由電感、電阻與電容組成的電路（LCR系統(tǒng)）。表7-4：相似系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系系統(tǒng)仿真的概念系統(tǒng)仿真的目的

系統(tǒng)仿真的過程：建立模型和對模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行系統(tǒng)仿真的類型：物理仿真、數(shù)字仿真、物理-數(shù)字仿真圣達(dá)菲研究所網(wǎng)址：，該研究所開發(fā)了一個名為SWARM軟件平臺，為各種模擬工具提供了方便易用的手段和環(huán)境。五系統(tǒng)仿真TheSwarmSimulationSystem:AToolkitforBuildingMulti-AgentSimulationsSwarmisamulti-agentsoftwareplatformforthesimulationofcomplexadaptivesystems.IntheSwarmsystemthebasicunitofsimulationisthe“swarm,”acollectionofagentsexecutingascheduleofactions.Swarmsupportshierarchicalmodelingapproacheswherebyagentscanbecomposedofswarmsofotheragentsinnestedstructures.Swarmprovidesobject-orientedlibrariesofreusablecomponentsforbuildingmodelsandanalyzing,displaying,andcontrollingexperimentsonthosemodels.Swarmiscurrentlyavailableasabetaversioninfull,freesourcecodeform.ItrequirestheGNUCCompiler,Unix,andXWindows.MoreinformationaboutSwarmcanbeobtainedfromourwebpages：/projects/swarm/MIT斯隆管理學(xué)院的福瑞斯特在其創(chuàng)立的系統(tǒng)動力學(xué)中提出了一種系統(tǒng)仿真方法，在社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)研究中得到了比較廣泛的應(yīng)用。AboutVensimVensimisavisualmodelingtoolthatallowsyoutoconceptualize,document,simulate,analyze,andoptimizemodelsofdynamicsystems.Vensimprovidesasimpleandflexiblewayofbuildingsimulationmodelsfromcausallooporstockandflowdiagrams.Byconnectingwordswitharrows,relationshipsamongsystemvariablesareenteredandrecordedascausalconnections.ThisinformationisusedbytheEquationEditortohelpyouformacompletesimulationmodel.Youcananalyzeyourmodelthroughoutthebuildingprocess,lookingatthecausesandusesofavariable,andalsoattheloopsinvolvingthevariable.Whenyouhavebuiltamodelthatcanbesimulated,Vensimletsyouthoroughlyexplorethebehaviorofthemodel.Vensim是由美國VentanaSystems,Inc.所開發(fā)，為一可觀念化、文件化、模擬、分析、與最佳化動態(tài)系統(tǒng)模型之圖形接口軟件。Vensim可提供一種簡易而具有彈性的方式，以建立包括因果循環(huán)(casualloop)、存貨(stock)與流程圖等相關(guān)模型。

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