系統(tǒng)模型與仿真課件

系統(tǒng)工程

SystemsEngineering2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院1系統(tǒng)工程

SystemsEngineering202本章主要內(nèi)容2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院24.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)本章主要內(nèi)容2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院24.1概第4章系統(tǒng)模型與仿真系統(tǒng)、模型、仿真三個(gè)概念是一條鏈條上的三個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)工作程序的三個(gè)步驟。借助模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。根據(jù)仿真的需要，修改模型，再進(jìn)行仿真（反復(fù)若干次）2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院3第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院3第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院44.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院44.1

概述4.1.1系統(tǒng)模型概述1．系統(tǒng)模型的定義系統(tǒng)模型是采用某種特定的形式（如文字、符號(hào)、數(shù)學(xué)公式、圖表、實(shí)物等）對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的某一方面本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，從而揭示系統(tǒng)的功能和作用，提供系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院54.1概述4.1.1系統(tǒng)模型概述2023/8/2北京物4.1

概述2．系統(tǒng)模型的特征

系統(tǒng)模型是對(duì)于系統(tǒng)的描述、模仿和抽象，它反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)和主要特征。（1）實(shí)際系統(tǒng)的合理抽象或模仿；（2）由反映系統(tǒng)本質(zhì)或特征的主要因素構(gòu)成或者是由那些與被分析的問題相關(guān)的因素構(gòu)成；（3）表明了有關(guān)因素之間的邏輯關(guān)系或定量關(guān)系。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院64.1概述2．系統(tǒng)模型的特征2023/8/2北京物資學(xué)院信4.1

概述4.1.2系統(tǒng)仿真概述

系統(tǒng)仿真又稱系統(tǒng)模擬，是指通過建立和運(yùn)行仿真模型，來模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而了解系統(tǒng)的行為或評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)用的各種策略的全過程。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院74.1概述4.1.2系統(tǒng)仿真概述2023/8/2北京物資4.1

概述4.1.2系統(tǒng)仿真概述1961年，G.W.Morgenthater首次定義仿真仿真是在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。1978年，Korn《連續(xù)系統(tǒng)仿真》仿真為用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)。1982年，Spriet所有支持模型建立與模型分析的活動(dòng)即為仿真活動(dòng)。1984年，Oren仿真是一種基于模型的活動(dòng)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院84.1概述4.1.2系統(tǒng)仿真概述2023/8/2北京物資4.1

概述系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)：（1）是一種對(duì)系統(tǒng)問題求數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿真技術(shù)卻能有效地來處理這類問題。（2）仿真是一種人為的試驗(yàn)手段，進(jìn)行類似于物理實(shí)驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢拥膶?shí)驗(yàn)。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境，而是作為實(shí)際系統(tǒng)映像的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。（3）在系統(tǒng)仿真時(shí)，盡管要研究的是某些特定時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)或行為，但仿真過程也恰恰是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)或行為在時(shí)間序列內(nèi)全過程進(jìn)行描述。換句話說，仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。（4）系統(tǒng)仿真主要是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院94.1概述系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì)：2023/8/2北京物資學(xué)院信息4.1

概述仿真的作用：（1）仿真的過程也是實(shí)驗(yàn)的過程，而且還是系統(tǒng)地收集和積累信息的過程。（2）對(duì)一些難以建立物理模型和數(shù)學(xué)模型的對(duì)象系統(tǒng)，可通過仿真模型來順利地解決預(yù)測、分析和評(píng)價(jià)等系統(tǒng)問題。（3）通過系統(tǒng)仿真，可以把一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)降階成若干子系統(tǒng)以便于分析。（4）通過系統(tǒng)仿真，能啟發(fā)新的思想或產(chǎn)生新的策略，還能暴露出原系統(tǒng)中隱藏著的一些問題，以便及時(shí)解決。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院104.1概述仿真的作用：2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院114.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院14.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.1系統(tǒng)模型概的作用1.系統(tǒng)開發(fā)的需要在開發(fā)一個(gè)新系統(tǒng)時(shí)，由于實(shí)際系統(tǒng)尚未建立，只能通過構(gòu)造系統(tǒng)模型來對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的分析、優(yōu)化和評(píng)價(jià)。2.經(jīng)濟(jì)上的考慮對(duì)大型復(fù)雜系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)其成本比較高，采用系統(tǒng)模型就便宜多了。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院124.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.1系統(tǒng)模型概4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.1系統(tǒng)模型概的作用3.安全上的考慮

對(duì)有些系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)非常危險(xiǎn)，有時(shí)根本不允許。4.時(shí)間上的考慮對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等慣性大，反應(yīng)周期長的系統(tǒng)，使用系統(tǒng)模型進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)，很快就能得到結(jié)果。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院134.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.1系統(tǒng)模型概第4章系統(tǒng)模型與仿真4.2.1系統(tǒng)模型概的作用5.系統(tǒng)模型容易操作，分析結(jié)果易于理解

由于模型突出了研究目的所要關(guān)注的主要特征，因此容易得到一個(gè)清晰的結(jié)果，而且在系統(tǒng)模型（尤其是數(shù)學(xué)模型）上進(jìn)行參數(shù)修改也是非常容易的。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院14第4章系統(tǒng)模型與仿真4.2.1系統(tǒng)模型概的作用2023/4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的分類方法1.形式分類方法

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院154.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的分類方法2.內(nèi)涵分類方法

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院164.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的分類方法3.其他分類方法

（1）變量性質(zhì):確定性模型與隨機(jī)模型。（2）變量間的關(guān)系:線性模型與非線性模型。（3）時(shí)間的因素:動(dòng)態(tài)模型與靜態(tài)模型。（4）是否間斷:連續(xù)模型與離散模型。（5）變量之間的關(guān)系:有代數(shù)方程、微分（差分、迭代）方程、統(tǒng)計(jì)型、邏輯型。（6）學(xué)科性質(zhì):運(yùn)籌學(xué)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、信息系統(tǒng)模型、計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型等。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院174.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.2系統(tǒng)模型的4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.3模型庫與模型體系

各種模型的集合，稱為模型庫。任何一種模型都有自己的優(yōu)點(diǎn)與不足。在系統(tǒng)工程項(xiàng)目研究中，把各種適用的模型拿來組成一個(gè)模型體系。既可以利用歷史數(shù)據(jù)，又可以利用最新數(shù)據(jù)；既可以進(jìn)行戰(zhàn)略研究，又可以進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)研究。同時(shí)，利用戴爾菲法、層次分析法等把一些定性因素量化，實(shí)現(xiàn)定量分析與定性分析的綜合研究。多種模型組成模型體系，取長補(bǔ)短，才能解決復(fù)雜系統(tǒng)的綜合性問題。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院184.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.2.3模型庫與模第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院194.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院14.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.1系統(tǒng)建模的原則切題清晰精度要求適當(dāng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)模型

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院204.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.1系統(tǒng)建模的原則2023/84.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.2系統(tǒng)建模的方法及步驟系統(tǒng)建模的方法（1）系統(tǒng)建模的一般方法。推理法、模擬法、辨識(shí)法、統(tǒng)計(jì)分析法、混合法。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院214.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.2系統(tǒng)建模的方法及步驟2024.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建（2）情景分析法：情景分析法是設(shè)想未來行動(dòng)所處的環(huán)境和狀態(tài)，預(yù)測相應(yīng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)后果。（3）相關(guān)對(duì)比分析法：對(duì)于已有標(biāo)準(zhǔn)化模型的研究對(duì)象系統(tǒng)必須的分析，然后與對(duì)象系統(tǒng)的有關(guān)方面進(jìn)行對(duì)比，查找其相通點(diǎn)和相異點(diǎn)，建立一個(gè)可信的新模型。（4）德爾菲法：這是一種專家調(diào)查法。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院224.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建（2）情景分析法：情景分析法是設(shè)想未來4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建2.系統(tǒng)建模的步驟（1）明確建模的目的和要求，以便使模型滿足實(shí)際需要，不致產(chǎn)生太大的偏差；（2）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一般語言描述。這是進(jìn)一步確定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；（3）弄清系統(tǒng)中的主要因素及其相關(guān)關(guān)系，以便使模型準(zhǔn)確表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；（4）確定模型的結(jié)構(gòu)，這一步?jīng)Q定了模型定量方面的內(nèi)容；2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院234.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建2.系統(tǒng)建模的步驟2023/8/2北4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建2.系統(tǒng)建模的步驟

（5）估計(jì)模型中的參數(shù)，進(jìn)一步用數(shù)量來表示系統(tǒng)中的因果關(guān)系；（6）實(shí)驗(yàn)研究，以期找出修改方案；（7）修改模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出修改方案，對(duì)模型進(jìn)行必要的修改，使之更有效。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院244.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建2.系統(tǒng)建模的步驟2023/8/2北4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.3常用的系統(tǒng)模型1.結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型就是描述系統(tǒng)各實(shí)體間的關(guān)系，以表示一個(gè)作為實(shí)體集合的系統(tǒng)模型。具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)模型是一種幾何模型，可用有相連接圖表示；該模型以定性分析為主；可以用矩陣表示。網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型在系統(tǒng)工程中應(yīng)用很廣，很多實(shí)際問題常可以歸結(jié)為一定的網(wǎng)絡(luò)模型，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型的解法來求得問題的解。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院254.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.3.3常用的系統(tǒng)模型2023/84.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建3.狀態(tài)空間模型輸入－輸出法只研究系統(tǒng)的端部特點(diǎn)，不研究系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，常用傳遞函數(shù)來表示。狀態(tài)變量法揭示系統(tǒng)的內(nèi)部特征,適合于計(jì)算機(jī)仿真與應(yīng)用2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院264.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建3.狀態(tài)空間模型2023/8/2北京4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.基于主體的模型

選擇適當(dāng)?shù)闹黧w（Agent）作為構(gòu)件（BuildingBlock），用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)少數(shù)支配主體相互作用的規(guī)則，通過計(jì)算機(jī)仿真考察該模型的涌現(xiàn)行為.

為解決復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，必須把多個(gè)Agent有效組織起來，可以相互協(xié)作、相互交流，并根據(jù)環(huán)境和交流知識(shí)進(jìn)行推理、學(xué)習(xí)等，這就提出了多Agent（Multi-agent）系統(tǒng)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院274.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.基于主體的模型2023/8/2北4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建5.層次分析法層次分析法是一種定性分析和定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，可以對(duì)非定量事件和人的主觀判斷作定量分析和描述。6.模糊邏輯模型模糊邏輯推廣了經(jīng)典的二值邏輯，可以有無窮多個(gè)中間狀態(tài)，是處理不確定性問題的有效工具。模糊技術(shù)以模糊邏輯為基礎(chǔ)，從人類思維中的模糊性出發(fā)，對(duì)于模糊信息進(jìn)行量化，其中最重要的一步是利用專家知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來定義相應(yīng)模糊集的隸屬函數(shù)。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院284.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建5.層次分析法2023/8/2北京物4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建7.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦生理特性的新型智能信息處理系統(tǒng)，它以模擬生物神經(jīng)元為基礎(chǔ)，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)性、自組織性、容錯(cuò)性等它是進(jìn)行曲線擬合、近似實(shí)現(xiàn)各種非線性復(fù)雜系統(tǒng)模型化的有效工具。8.元胞自動(dòng)機(jī)元胞自動(dòng)機(jī)（CellularAutomata,CA）是發(fā)現(xiàn)復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)涌現(xiàn)行為的模型，由烏蘭（StanislawUlam）和馮·諾依曼（JohnvonNeumann）于上個(gè)世紀(jì)40年代提出。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院294.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建7.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)2023/8/2北京4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建8.元胞自動(dòng)機(jī)元胞自動(dòng)機(jī)（CellularAutomata,CA）是發(fā)現(xiàn)復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)涌現(xiàn)行為的模型，由烏蘭（StanislawUlam）和馮·諾依曼（JohnvonNeumann）于上個(gè)世紀(jì)40年代提出。經(jīng)典元胞自動(dòng)機(jī)的基本特征在于時(shí)間上的離散性和空間上的局部性，由簡單演化規(guī)則控制的元胞自動(dòng)機(jī)在行為上卻展示了巨大的復(fù)雜性，并能詳細(xì)地模擬復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和復(fù)雜行為產(chǎn)生的全部過程，成為研究復(fù)雜性的有力工具。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院304.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建8.元胞自動(dòng)機(jī)2023/8/2北京物4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建9.時(shí)間序列建模系統(tǒng)的一些宏觀上可以觀測到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常是動(dòng)力系統(tǒng)在相空間狀態(tài)的軌線或者是一組時(shí)間序列，反映了系統(tǒng)在不同時(shí)間處于何種狀態(tài)，這些狀態(tài)是系統(tǒng)內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制的外部表現(xiàn)。當(dāng)真實(shí)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、維度、模型參數(shù)都未知或者難以進(jìn)行數(shù)值表達(dá)的情況下，就只能通過比較真實(shí)系統(tǒng)和模型所產(chǎn)生的時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特征，來驗(yàn)證模型的合理性與正確性。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院314.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建9.時(shí)間序列建模2023/8/2北京第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院324.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院34.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)1961年，G.W.Morgenthater首次定義仿真為：在實(shí)際系統(tǒng)尚不存在的情況下對(duì)于系統(tǒng)或活動(dòng)本質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。1978年，Korn的著作《連續(xù)系統(tǒng)仿真》定義仿真為：用能代表所研究的系統(tǒng)的模型做實(shí)驗(yàn)。1982年，Spriet擴(kuò)充定義為，所有支持模型建立與模型分析的活動(dòng)即為仿真活動(dòng)。1984年，Oren提出仿真是一種基于模型的活動(dòng)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院334.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.1系統(tǒng)仿真的分類1.按系統(tǒng)模型的特性分類

連續(xù)系統(tǒng)仿真

離散事件系統(tǒng)仿真。2.按模型分類

人們通常把仿真中是否有實(shí)物介入進(jìn)行分類。

物理仿真總是有實(shí)物介入的，分為實(shí)物仿真和半實(shí)物仿真。

數(shù)學(xué)仿真實(shí)是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，一般無實(shí)物介入，分為數(shù)字仿真和模擬仿真。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院344.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.1系統(tǒng)仿真的分類2023/4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)3.按仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類

實(shí)時(shí)仿真，仿真時(shí)鐘（仿真時(shí)模型采用的時(shí)鐘）與實(shí)際時(shí)鐘（實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間基）完全一致；常用于訓(xùn)練仿真器，稱為在線仿真。

亞實(shí)時(shí)仿真，仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘，即模型仿真的速度慢于時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行的速度；常用于離線分析，稱為離線仿真。

超實(shí)時(shí)仿真，仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘；如大氣環(huán)流仿真、交通系統(tǒng)仿真等。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院354.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)3.按仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.按計(jì)算機(jī)類型分類采用數(shù)學(xué)模型在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)為模擬仿真。采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行的仿真為數(shù)字仿真。將上述兩種方法結(jié)合起來的混合仿真實(shí)驗(yàn)簡稱混合仿真。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真，在實(shí)際應(yīng)用中為簡化系統(tǒng)構(gòu)成，常用數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬對(duì)象，用軟件模擬對(duì)象的各種性能和機(jī)制，稱為全數(shù)字仿真。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院364.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.按計(jì)算機(jī)類型分類2023/84.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.2系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)仿真面向?qū)嶋H過程和系統(tǒng)問題，將不確定性作為系統(tǒng)隨機(jī)變量來處理，建立系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，從而是我們對(duì)復(fù)雜的、帶有多種隨機(jī)因素的系統(tǒng)，可以方便的通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)求解，避免了求解復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型的困難。（2）系統(tǒng)仿真采用面向?qū)ο蟮慕７治龇椒?，適用人機(jī)友好的計(jì)算機(jī)軟件，是建模仿真直接面向分析人員，使之可以集中精力研究問題的內(nèi)部因素及其相互關(guān)系，而不是計(jì)算機(jī)編程、調(diào)試及實(shí)現(xiàn)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院374.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.2系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)2023/4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.2系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)（3）系統(tǒng)仿真為分析和決策人員提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，他們的設(shè)想和方案可以通過直接調(diào)整模型的參數(shù)或結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并通過模型的仿真運(yùn)行得到其“實(shí)施”結(jié)果，從而可以從中選擇滿意的方案。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院384.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.2系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)2023/4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.3系統(tǒng)仿真的發(fā)展歷史和趨勢系統(tǒng)仿真的發(fā)展歷史1773年，法國自然學(xué)家布豐Buffon用仿真方法做物理實(shí)驗(yàn)估計(jì)圓周率π1876年，美國統(tǒng)計(jì)學(xué)家第一次用仿真方法做隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)；1908年，W.S.Gosset用仿真方法證明“t分布法”；1940年代初，美國開始了飛行模擬器的設(shè)計(jì)；

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院394.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.3系統(tǒng)仿真的發(fā)展歷史和趨勢4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)1966年，美國MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室開始了頭盔式顯示器的研制；1978年，美國空軍上尉J．A．Thorpe發(fā)表了一篇文章“FutureViews：AircrewTraining1980－2000”，提出了聯(lián)網(wǎng)仿真的思想，首次系統(tǒng)地闡述了聯(lián)網(wǎng)仿真技術(shù)的功能要求。1989年，北歐制定“歐幾里德計(jì)劃”，把仿真技術(shù)作為11項(xiàng)優(yōu)先合作發(fā)展的項(xiàng)目之一。1992年，美國提出22項(xiàng)國家關(guān)鍵技術(shù)，仿真技術(shù)列第16項(xiàng)；提出21項(xiàng)國防關(guān)鍵技術(shù)，仿真技術(shù)列第6項(xiàng)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院404.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)19664.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)20世紀(jì)90年代，美國進(jìn)行了“擴(kuò)展的防空仿真系統(tǒng)（EADSIM）”計(jì)劃，該系統(tǒng)是用于攻防體系對(duì)抗研究的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。我國自20世紀(jì)50年代開始，在自動(dòng)控制領(lǐng)域首先采用仿真技術(shù)，面向工程建模和模擬計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)仿真獲得較普遍的應(yīng)用。在仿真軟件方面，我國科研人員于1990年研制成功了并行程度自動(dòng)生成系統(tǒng)。1993年研制成功了“通用計(jì)算機(jī)大型仿真建模軟件系統(tǒng)”，標(biāo)志著我國在通用計(jì)算機(jī)仿真建模軟件的研制技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院414.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)20世紀(jì)4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)2.系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢

（1）面向?qū)ο蠓抡婷嫦驅(qū)ο蟮姆抡娣椒◤?qiáng)調(diào)模型的框架化、層次化和模塊化，有利于提高模型的封裝性、靈活性、重用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通常在一個(gè)仿真系統(tǒng)中，存在大量各種類型的對(duì)象，它們之間有著復(fù)雜的通信關(guān)系。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院424.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)2.系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢20234.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)（2）定性仿真盡管定性推理這種方法新穎，它已經(jīng)很快地應(yīng)用于分析物理系統(tǒng)的行為，特別是用在方程不容易建立和解決的復(fù)雜系統(tǒng)中。

（3）分布式交互仿真分布式交互仿真是仿真技術(shù)的一個(gè)重要分支，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)多種領(lǐng)域技術(shù)為支撐。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院434.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)（2）定性仿真4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)

（4）可視化仿真為數(shù)字仿真的過程和結(jié)果增加文本提示、圖形、圖像、動(dòng)畫表現(xiàn)，可使仿真過程更直觀，結(jié)果更容易理解，并能夠驗(yàn)證仿真過程是否正確。（5）多媒體仿真多媒體仿真使用不同的媒體形態(tài)描述不同性質(zhì)的模型信息，建立反映系統(tǒng)內(nèi)在運(yùn)動(dòng)規(guī)律和外在表現(xiàn)形式的多媒體仿真模型，并在多媒體計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，產(chǎn)生定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變過程，從而獲得關(guān)于系統(tǒng)的感性和理性認(rèn)識(shí)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院444.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)（4）可視化仿真4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)（6）虛擬現(xiàn)實(shí)仿真虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的三維信息的人工環(huán)境——虛擬環(huán)境，用戶投入這種環(huán)境中，就可與之交互作用、相互影響。它融合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)分支，從而也大大推進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院454.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)（6）虛擬現(xiàn)實(shí)4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.4系統(tǒng)仿真的步驟系統(tǒng)仿真遵循相似原理，系統(tǒng)仿真一般有以下基本步驟：（1）闡述與定義問題（2）建立仿真模型（3）仿真模型的確認(rèn)（4）設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)（5）仿真運(yùn)行并分析數(shù)據(jù)

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院464.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.4系統(tǒng)仿真的步驟2023/4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.4系統(tǒng)仿真的步驟

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院474.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.4.4系統(tǒng)仿真的步驟2023/第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院484.1

概述4.2系統(tǒng)模型的作用、分類方法和體系4.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建4.4系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)知識(shí)4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)第4章系統(tǒng)模型與仿真2023/8/2北京物資學(xué)院信息學(xué)院44.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)仿真技術(shù)是以控制理論、相似原理、網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和多種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型，對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究的一門新興綜合性技術(shù)。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院494.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)2023/8/4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)仿真1.連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有連續(xù)模型和離散模型兩種基本模型。

連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型一般用常微分方程（也可能用偏微分方程、狀態(tài)方程或傳遞函數(shù)）來描述。

數(shù)字仿真算法的中心問題，是如何將用微分方程（或其他變換形式）描述的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉跀?shù)字機(jī)上運(yùn)行的仿真模型。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院504.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.2連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)仿真2024.5系統(tǒng)仿真技術(shù)2.離散系統(tǒng)仿真離散時(shí)間系統(tǒng)的狀態(tài)僅在離散時(shí)間點(diǎn)上變化，且離散時(shí)間點(diǎn)一般不確定。

離散事件系統(tǒng)中的重要概念是事件、活動(dòng)、進(jìn)程，離散系統(tǒng)的狀態(tài)變化與這三者緊密關(guān)聯(lián)，要注意正確處理事件、活動(dòng)與過程的關(guān)系。離散隨機(jī)事件仿真最關(guān)鍵的就是確定隨機(jī)變量的模型。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院514.5系統(tǒng)仿真技術(shù)2.離散系統(tǒng)仿真2023/8/2北京4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.3分布式交互仿真分布式系統(tǒng)仿真的概念當(dāng)仿真對(duì)象分布于廣闊的時(shí)空領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類型（包括人在內(nèi)）的仿真對(duì)象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生了分布式交互仿真（DistrictedInteractiveSimulation,DIS）。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院524.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.3分布式交互仿真2023/8/4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)從體系結(jié)構(gòu)上說，DIS的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）分布式（2）使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議傳輸?shù)讓诱鎸?shí)數(shù)據(jù)（3）平臺(tái)級(jí)的大系統(tǒng)仿真2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院534.5系統(tǒng)仿真技術(shù)從體系結(jié)構(gòu)上4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.3分布式交互仿真2.分布式交互仿真的特征互操作性（Interoperability）①標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。②TCP／IP的廣播通信.可伸縮性（Scalability）仿真的時(shí)空一致性（Time—SpaceCoherence）

①空間一致性。

②時(shí)間一致性。

2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院544.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.3分布式交互仿真2023/8/4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.4Multi-agent系統(tǒng)仿真

一種自下而上的建模仿真方法，在理論上側(cè)重于對(duì)Agent的自主和交互等特性的描述和處理,簡化了對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的考慮不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)高效建模，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)定量和定性參數(shù)描述。

支持基于主體的仿真的方法和技術(shù)大體可分4個(gè)部分：應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)、Al理論、建模仿真方法學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)。在CAS理論中的Agent被定義為基于規(guī)則的刺激—反應(yīng)實(shí)體。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院554.5系統(tǒng)仿真技術(shù)4.5.4Multi-agent4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)在基于主體的建模過程中，首先要對(duì)系統(tǒng)采用面向主體的方法進(jìn)行分析，然后對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)主體建模，其主要過程概括如下：需求分析根據(jù)仿真問題域的要求，選擇合適的模型粒度和研究層次。

2.功能模塊化確定Agent種類通過需求分析后，對(duì)仿真系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化劃分，并將分解后的任務(wù)與Agent對(duì)應(yīng)，從而確定系統(tǒng)所需的Agent種類及每種Agent具有的功能。2023/9/24北京物資學(xué)院信息學(xué)院564.5系統(tǒng)仿真技術(shù)在基于主體的建模過程中，首先要對(duì)系統(tǒng)采用4.5系統(tǒng)仿真技術(shù)3.對(duì)Agent進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和建模面向Agent的仿真系統(tǒng)中，Agent是行為實(shí)體，能夠?qū)ν饨缡录龀龇从?，完成某些活?dòng)。

4.建立仿真系統(tǒng)的基本框架在對(duì)Agent進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模后，根據(jù)Agent之間的需求建立通信機(jī)制和協(xié)作機(jī)制，從而建立起整個(gè)仿真系統(tǒng)的基本框架。2023/