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1第一章建模与仿真基本概念
第一章建模与仿真基本概念
§1.1前言
1、课程的主要目标
本课程的主要内容是介绍建模与仿真的框架工作。
使这些概念在它们之中能以明显的抽象的形式描述出来。
(1)介绍这一领域普遍使用的,而不是某一学科中的具体方法。
(2)为什么要建模与仿真,它能做什么,不能够完成什么。
(3)了解建模与仿真学科最新发展趋势
2、课程的主要内容
第一章建模与仿真基本概念
1.1引言
1.2建模与仿真的基本概念
§1.3模型的非形式描述
1.4建模与仿真的组成要素
1.5仿真的基本概念框架
1.6仿真的发展趋势
第二章建模方法论
§2.1数学模型
§2.2建模方法学
2.3基于计算机的建模方法学
2.4解释结构建模
第三章模型的简化
§3.1模型描述变量的简化
§3.2动态系统的模型简化—集结法
§3.3动态系统的模型简化—摄动法
第四章系统规范的分层描述和同态关系
§41时基、轨迹和分段
§2I/O关系的观测
§3I/O函数的观测
§4I/O系统
§5从结构到行为
§6时不变系统
§7I/O关系观测同态
§8I/O函数观测的同态
§9I/O系统同态
§10结构同态与行为同态
第五章随机数的产生
§5.1[0,1]均匀分布随机数的产生
§5.2[0,1]均匀分布随机数的统计检验
§5.3产生各种概率分布的随机数
第六章离散时间和连续时间模型的仿真
§6.1状态变量
§6.2离散时间模型仿真
§6.3连续时间模型仿真
§6.4离散时间和连续时间仿真模型的描述
第七章离散事件模型及其仿真策略
§7.1离散事件模型
§7.2基于事件调度的离散事件模型
§7.3基于活动扫描的离散事件模型
§7.4杂货店模型的建模与仿真过程分析
第八章系统仿真结果分析
§8.1终态仿真的结果分析
8.2稳态仿真的结果分析
§8.3系统性能测度的估计方法
§8.4方差减小技术
第九章基于Agent的建模方法及Swarm仿真
§9.1Agent的基本概念
§9.2基于Agent的建模方法
§9.3Swarm简介
§9.4Swarm应用实例
第十章离散事件系统的建模工具—Petri网
§10.1Petri网的基本概念
§10.2着色Petri网
§10.3层次Petri网
§10.4混凝土施工系统的仿真
第十一章分布建模与仿真
§11.1分布式系统
11.2分布式仿真技术
11.3分布对象计算技术
§11.4分布式交互仿真技术(DIS)
3、参考文献
1)B.P齐格勒制模与仿真理论,机械工业出版社,1984;
2)J.A斯普里特等,计算机辅助建模与仿真,科学出版社,1991
3)冯允成等,离散系统仿真,机械工业出版社,1998
4)王维平等,离散事件系统建模与仿真,国防科技大学出版社,1997
5)达庆利,大系统理论与方法,东南大学出版社,1989
6)Hamilton等,Distributedsimulation,CRCPress,1997
7)许国志等编系统科学上海科技教育出版社,2000
8)詹姆希迪,大系统建模与控制,科学出版社,1986
9)宋承龄,王章德,系统仿真,国防工业出版社,1989
10)王正中,系统仿真技术,科学出版社,1986
11)袁崇义,佩特里网,东南大学出版社
12)王众托,系统工程引论,电子工业版社
13)Geoffrion,Anintroductiontostructuredmodelling,ManagementScienceVol.33:
547-589,1987
14)Peterson,PetriMetstheoryandthemodelingofsystems,prentice-trall,1981Murata,petriNets:
properties,analysisandapplication,proceedingsofIEEE,Vol.77:
545-589,1989
§1.2建模与仿真的基本概念
1、建模与仿真的作用和历史发展
在计算机出现之前,科学研究中的绝大部分工作是利用数学手段或其它方法对事物或真实世界的描述,也就是建模活动。
计算机的出现对科学和工程技术的发展产生了深远的影响,建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容,建模与仿真技术也渗透到各学科和工程技术领域。
表1.1建模与仿真的历史发展
年代
发展的主要特点
1600~1940
在物理科学基础上的建模
40年代
电子计算机的出现
50年代中期
仿真应用于航空领域
60年代
工业控制过程的仿真
70年代
包括经济、社会和环境因素的大系统仿真
70年代中期
系统与仿真的结合,如用于随机网络建模的SLAM仿真系统
70年代中期
系统仿真与更高级的决策结合,如决策支持系统DSS
80年代中期
集成化建模与仿真环境,如美国Pritsker公司的TESS建模仿真系统
90年代
可视化建模与仿真,虚拟现实仿真,分布交互仿真
2、建模与仿真的定义
它是指构造实际世界系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动,它主要包括实际系统,模型和计算机程序设计等三个部分。
图1.1建模与仿真的基本组成与两个关系
建模:
研究实际系统与模型之间关系
仿真:
研究计算机的程序实现与模型之间关系
3、实际系统
实际系统是所关注的现实世界的某个部分,它具有独立行为规律,是相互联系又相互作用的对象的有机组合。
实际系统可能是自然的或人工的,现在存在的或是未来所计划的。
即是从X对T曲线为主要的行为数据源,X是为一变量
图1.2实际系统的一般表示
系统的三个要素:
实体、属性和活动。
●实体是指组成系统的具体对象,系统中的实体既具有一定的相对独立性,又相互联系构成一个整体。
●属性是指实体特征的描述,用特征参数或变量表示。
●活动是实体在一段时间内持续进行的操作或过程
系统的环境是对系统活动产生影响的外界因素。
系统边界包围系统中的所有实体,它的划分取决于系统研究的目的
4、模型与建模关系
●模型定义
模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象,是对系统某些本质方面的描述,它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。
●模型构造的内容
1)建立模型结构:
确定系统的边界,鉴别系统的实体、属性和活动。
2)提供数据:
能够使包含在活动中的各个属性之间有确定的关系。
●系统模型的性质
1)相似性模型与所研究系统具有相似性
2)简单性从忽略了一些次要因素
3)多面性由于其研究目的不同,关心系统的不同方面
●模型的有效性
反映建模关系正确与否,可用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来表示。
1)复制有效
模型产生数据与从实际系统所得到数据是否相匹配。
2)预测有效
从实际系统取得数据之前能够(或由模型可以看出)匹配数据的情况
3)结构有效
它不但能重复被观察的实际系统的行为,且能反映实际系统产生这个行为的操作过程
5、仿真关系
●研究计算机执行模型所规定指令的正确性(程序的正确性)
●仿真关系也包括模型的仿真机理和仿真策略研究
5.建模与仿真工作表示内容
1)模型和针对模型构造的假设两者的非形式描述
2)模型结构形式描述(数学或其它明确)
3)执行仿真的程序设计
4)仿真试验、试验结果及分析
5)模型应用的范围、有效性
6)现在模型与过去的和将来的模型的关系
§1.3模型的非形式描述
1、模型的非形式描述
模型的非形式描述主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设等组成。
它说明实际系统的本质,但不是详尽描述。
它是对模型进行深入研究的基础,也是与用户进行沟通的最自然有效的方法。
●实体是构造模型用的各个部分;
●描述变量是用于描述各个时间点上实体的所有属性(也包括说明模型特征的参变量);
●实体相互关系是实体之间相互影响的规则,
2、非形式模型描述的格式
实体
描述变量
实体相互关系
{描述实体对其它各个实体的影响、作用及它们之间联系,即刻划系统的规律、内部关系,用规则、假设和定律等作非形式描述}
3、环形罗宾服务
实体
CPU、USR1、…USR5。
描述变量
CPU:
who.Now(现在是谁)—范围{1,2,…5};who.Now=i表示USRi由CPU服务。
USR:
Completion.State(完成情况)—范围[0,1];它表示USR完成整个程序任务的比例。
参变量
Xi—范围[0,1];它表示USRi每次完成程序的比率。
实体相互关系
1)CPU以固定速度依次为用户服务,即who.now为1,2,3,4,5,1,2…循环运行。
2)当who.now=i,CPU完成USRi余下的Xi工作
假设:
1)CPU对USR的服务时间固定,不依赖于USR的程序。
2)USRi的进程是由各自的参变量Xi决定。
§1.4建模与仿真的组成要素
1.实际系统:
行为
图1.3实际系统的变量描述
实际系统的行为的描述通过变量描述来体现:
2.试验框架
试验框架可表示一个有限集,是实际系统输入-输出行为的子集,它是某种假设、限制条件。
一个模型对某一试验框架是有效的,但对另一试验框架不一定有效,模型的有效性同试验框架有关。
3.基本模型:
假想的完全解释
基本模型是能解释实际系统所有输入-输出行为的模型,对于允许的试验框架,基本模型是有效的。
基本模型要提供实际系统行为的完全解释,它包含了许多,许多的分量和相互关系,它的复杂性非常高。
4.集总模型:
简化
对于基本模型,集总模型是一个对试验框架有效的相对简单的模型,是把各个分量集总在一起并简化它们的相互关系而构造的模型。
5.计算机:
复杂性
仿真的问题
模型结构描述的状态量的确定空间
程序
排除程序的故障,参数调整所需时间
6.区别点
(1)实际系统与基本模型
可观察数据源建模者特别关注
(2)基本模型与集总模型
结构了解局部结构清楚
(3)模型与计算机程序
§1.5仿真的基本概念框架
1.仿真的定义
为了分析与研究已存在的或尚未建成的系统,对建立的该系统模型安放到计算机进行实验,这一过程称为仿真。
仿真是一种基于模型的活动。
2.仿真的基本要素
图1.4仿真研究的基本要素
(1)对仿真问题的描述
实验框架由以下五个部分组成:
可观察变量
输入调度
初始设置
终止条件
对数据的采集及压缩的说明
(2)行为产生器
它是一套对模型进行实验的软件
(3)模型行为及其处理
模型行为:
点行为、轨迹行为和结构行为
行为处理包括对模型行为进行分析和显示
1.6仿真的发展趋势
计算机仿真技术正朝着一体化建模与仿真环境的方向稳步发展。
1、建模方法学(ModelingMethodology)
研究能充分利用计算机功能的新的建模方法。
例如面向对象的建模方法和图形建模技术
2、面向对象仿真(Object-OrientedSimulation)
面向对象的仿真系统的运行是通过对象之间互相发送消息来执行的,使建模过程接近人的自然思维方式,所建立的模型具有内在的可扩充性和可重用性,有利于可视化建模仿真环境的建立,
3、分布交互仿真(DistributedInteractiveSimulation)
分布交互仿真是通过电子手段把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员联系起来,在人工合成的电子环境中交互地进行仿真试验的一种综合的仿真环境。
4、人工智能(ArtificialIntelligence)与计算机仿真
1)知识库用于建模与仿真,包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立和综合提供咨询服务,以及专家系统用于仿真结果的检验和可信度分析。
2)智能化仿真,仿真技术与人工智能技术的结合
3)仿真模型中知识的表达,需要解决的问题包括表达式模型结构的灵活性,扩展程序设计的能力,面向批处理的建模,以及作用在系统上的外部影响关系的表达等。
5、虚拟现实(VirtualReality)仿真
虚拟现实技术采用当前计算机及相关领域发展的最新技术,描述事物内部及其相互间真实的作用与变化,使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中,从而不仅拉近了用户与计算机之间的距离,改变了人机交流方式,更重要的是使用户可以进入虚拟世界内部直接观察或感受事物内在的变化,并可以直接参与到事物的相互作用之中去,对系统进行控制和作出决策,成为虚拟世界中的一部分。
7、INTERNET网上仿真
利用面向WWW的程序语言开发离散事件仿真系统、基于WWW的仿真建模以及实施互联网上的仿真运行
实验一分析三段式。
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