1、第第 2 章章 仿真建模基本理论与方法仿真建模基本理论与方法建模过程建模过程真实世界真实世界概念模型概念模型数学模型数学模型仿真模型仿真模型第一次抽象第一次抽象计算机计算机模型模型物理效物理效应模型应模型实物实物 系统系统建模过程建模过程真实世界真实世界概念模型概念模型数学模型数学模型仿真模型仿真模型第一次建模第一次建模计算机计算机模型模型物理效物理效应模型应模型实物实物 系统系统建模过程建模过程真实世界真实世界概念模型概念模型数学模型数学模型仿真模型仿真模型第二次建模第二次建模计算机计算机模型模型物理效物理效应模型应模型实物实物 系统系统2.1 系统仿真的三个要素与三项基本活动系统仿真的三个
2、要素与三项基本活动2.2 建模基本要求建模基本要求2.3 建模常用方法建模常用方法2.4 模型型谱模型型谱 2.5 复杂系统建模方法复杂系统建模方法 第第 2 章章 仿真建模基本理论与方法仿真建模基本理论与方法2.1 系统仿真的三个要素与三项基本活动系统仿真的三个要素与三项基本活动 系统系统模型模型计算机计算机仿真模型建立仿真模型建立仿真试验仿真试验模型建立模型建立三个基本要素：三个基本要素：系统、模型、计算机系统、模型、计算机三项基本活动：三项基本活动：模型建立、仿真模型建立模型建立、仿真模型建立(又称二次建模又称二次建模)、仿真试验、仿真试验2.2 建模基本要求建模基本要求切题性切题性清晰
3、性清晰性精确性精确性集合性集合性2.3 建模常用方法建模常用方法确定模型的结构和参数确定模型的结构和参数白盒系统白盒系统黑盒系统黑盒系统灰盒系统灰盒系统建模的任务建模的任务建模的方法建模的方法2.3 建模常用方法建模常用方法确定模型的结构和参数确定模型的结构和参数白盒系统白盒系统 用已知的基本定律，经过分析和演绎推用已知的基本定律，经过分析和演绎推导出系统模型，此法称导出系统模型，此法称演绎法演绎法。建模的任务建模的任务建模的方法建模的方法黑盒系统黑盒系统灰盒系统灰盒系统倾向于先验信息，倾向于先验信息，是从一般到特殊的是从一般到特殊的过程。过程。2.3 建模常用方法建模常用方法确定模型的结构和
4、参数确定模型的结构和参数白盒系统白盒系统 演绎法演绎法建模的任务建模的任务建模的方法建模的方法黑盒系统黑盒系统 允许直接进行试验观测，允许直接进行试验观测，则可假设模型则可假设模型,并通过并通过实验或辨识的方法建立模型。实验或辨识的方法建立模型。不允许直接试验测试，不允许直接试验测试，则采用数据收集和统计则采用数据收集和统计归纳方法归纳方法。灰盒系统灰盒系统倾向于观测数据，是从倾向于观测数据，是从特殊到一般的过程。特殊到一般的过程。2.3 建模常用方法建模常用方法确定模型的结构和参数确定模型的结构和参数白盒系统白盒系统 演绎法演绎法建模的任务建模的任务建模的方法建模的方法黑盒系统黑盒系统 假设
5、模型法（可直接进行试验观测）假设模型法（可直接进行试验观测）归纳法（不可直接进行试验观测）归纳法（不可直接进行试验观测）灰盒系统灰盒系统 可采用前面二种相结合方法可采用前面二种相结合方法。2.3 建模常用方法建模常用方法确定模型的结构和参数确定模型的结构和参数白盒系统白盒系统建模的任务建模的任务建模的方法建模的方法黑盒系统黑盒系统灰盒系统灰盒系统建模过程建模过程先验先验知识知识建模建模目的目的建模建模目的目的数学模型数学模型2.4 模型型谱模型型谱黑盒黑盒白盒白盒社会社会经济经济生态生态生理生理空气污染空气污染水文波动水文波动空间与航空空间与航空过程控制过程控制动力学动力学电子电路电子电路各种
6、系统的模型型谱各种系统的模型型谱2.4 模型型谱模型型谱黑箱黑箱白箱白箱社会社会经济经济生态生态生理生理空气污染空气污染水文波动水文波动空间与航空空间与航空过程控制过程控制动力学动力学电子电路电子电路集中参数集中参数常微分常微分方程方程偏微分偏微分方程方程分布参数分布参数集中参数集中参数常微分常微分方程方程离散时间离散时间差分方程差分方程各种系统模型形式各种系统模型形式2.5 复杂系统建模方法复杂系统建模方法？简单系统简单系统 简单系统（简单系统（“1+1=21+1=2”）属于牛顿科学体系属于牛顿科学体系线性、可分解还原、线性、可分解还原、结果可重复、因果关系结果可重复、因果关系明确、状态稳定
7、、可预明确、状态稳定、可预测测大多数武器系统、工大多数武器系统、工程系统程系统再复杂的机器也是简单系统再复杂的机器也是简单系统复杂系统复杂系统 复杂系统（复杂系统（1+121+12）非线性：考察系统局部非线性：考察系统局部得不出系统整体的性质得不出系统整体的性质不可分解还原、结果不不可分解还原、结果不可重复、因果关系不明、可重复、因果关系不明、状态混沌状态混沌社会系统、经济系统、社会系统、经济系统、生命系统生命系统混沌混沌涌现涌现2.5 复杂系统建模方法复杂系统建模方法 2.5.1 复杂大系统建模基础复杂大系统建模基础2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模基于智能技术的复杂系统建模2.5.3
8、综合集成法综合集成法2.5.4 其它复杂系统建模方法其它复杂系统建模方法2.5.1 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础 复杂大系统特点：复杂大系统特点：元素数量众多元素数量众多元素类型众多元素类型众多元素间的联系众多元素间的联系众多结构动态变化结构动态变化多层次多层次功能综合功能综合2.5.1 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础 复杂大系统建模的困难：复杂大系统建模的困难：复杂大系统的分析和综合首先要建立复杂大复杂大系统的分析和综合首先要建立复杂大系统的模型，但仅仅传统的数学模型是难以描述系统的模型，但仅仅传统的数学模型是难以描述复杂的大系统的，主要的困难是难以描述大系统复
9、杂的大系统的，主要的困难是难以描述大系统中许多重要因素：中许多重要因素：（1 1）人的因素）人的因素（难以用简单的传递函数模型来表示）（难以用简单的传递函数模型来表示）（2 2）不确定性）不确定性（模糊性、随机性）（模糊性、随机性）（3 3）不确知性）不确知性2.5.1 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础数学模型的适用性数学模型的适用性“适用性适用性”：一方面是要求数学模型具有足够的精确：一方面是要求数学模型具有足够的精确性，适用于描述真实系统的结构、参数、功能、特性。另一性，适用于描述真实系统的结构、参数、功能、特性。另一方面是可以利用数学模型和相应的求解方法，对真实系统进方面是可
10、以利用数学模型和相应的求解方法，对真实系统进行有效的分析与综合。行有效的分析与综合。即兼顾即兼顾“模型的精确性模型的精确性”与与“方法的有效性方法的有效性”，既可，既可对系统进行适当精度的描述，又能对系统进行有效的分析与对系统进行适当精度的描述，又能对系统进行有效的分析与综合。综合。2.5.1 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础在模型的在模型的精确性精确性与与方法有效性方法有效性之间存在矛盾。如果模之间存在矛盾。如果模型精确，复杂（非线性、变系数型精确，复杂（非线性、变系数），就缺乏有效的分析与），就缺乏有效的分析与综合方法；反之，如果方法有效，就要求简化模型（线性化、综合方法；反之
11、，如果方法有效，就要求简化模型（线性化、定常化定常化），那么模型就不能精确地描述真实系统。），那么模型就不能精确地描述真实系统。先验理论先验理论演绎推理演绎推理模型框架定义模型框架定义模型结构特征化模型结构特征化参数估计参数估计可信度分析可信度分析最终模型最终模型测试模型测试模型传传统统系系统统仿仿真真方方法法中中的的建建模模过过程程先验知识先验知识专家经验专家经验信息集成信息集成模型框架定义模型框架定义模型结构特征化模型结构特征化参数估计参数估计数据分析数据分析同构模型同构模型观测数据观测数据可信度分析可信度分析复复杂杂系系统统仿仿真真方方法法中中结结构构级级建建模模过过程程先验知识先验知识
12、专家经验专家经验系统非形式系统非形式化描述化描述数据处理数据处理数据生成数据生成可信度分析可信度分析数据分析数据分析同态模型同态模型观测数据观测数据复复杂杂系系统统仿仿真真方方法法中中的的行行为为级级建建模模过过程程2.5 复杂系统建模方法复杂系统建模方法 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模基于智能技术的复杂系统建模2.4.3 综合集成法综合集成法2.4.4 其它复杂系统建模方法其它复杂系统建模方法2.5.2 2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模基于智能技术的复杂系统建模1）功能派方法）功能派方法（1）启发式程序）启发式程序（2）专家系统）专家
13、系统2）结构派方法）结构派方法 （1）神经细胞模型）神经细胞模型 （2）神经网络模型）神经网络模型2.5.2 2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模基于智能技术的复杂系统建模 基于基于AgentAgent的建模方法的建模方法 AgentAgent定义：一种具有自治性（定义：一种具有自治性（AutonomyAutonomy）、社会能）、社会能力（力（Social AbilitySocial Ability）、响应性（）、响应性（ResponsivenessResponsiveness）、）、能动性（能动性（AbilityAbility）的行为特征的智能实体。）的行为特征的智能实体。AgentAg
14、ent是一个能于外界自主交互，是一个能于外界自主交互，并拥有一定的知识和推理能力，并拥有一定的知识和推理能力，能够独立完成一定任务的、具能够独立完成一定任务的、具有一定社会性的实体。有一定社会性的实体。AgentAgent的一种基本结构的一种基本结构环环境境资资源源环境环境感知感知模块模块执执行行模模块块信息处理模块信息处理模块自适应自适应性模块性模块决策与智能控制模块决策与智能控制模块通通信信模模块块知识库知识库任务与任务与承诺表承诺表其它其它AgentAgent决策决策AgentAgent的基本结构的基本结构决策个决策个体体Reward资资源源变化变化内部模型内部模型策略集策略集信息集信息
15、集Decision策略策略信息信息研究系研究系统的演统的演化和涌化和涌现性现性多多AgentAgent的组织结构模式的组织结构模式 在在MASMAS中，各中，各AgentAgent是自治的，各是自治的，各AgentAgent之间只能之间只能通过通信及对环境的改变来相互影响，通过通信及对环境的改变来相互影响，AgentAgent自身的自身的行为最终是由自己决定的。行为最终是由自己决定的。管理机管理机Agent 组组1Agent 组组2Agent 组组nAgent 组组1Agent 组组2Agent 组组n（a）集中式）集中式MAS （b）分布式）分布式MASAgentAgent建模的基本思想建模
16、的基本思想 将将AgentAgent作为系统作为系统的基本抽象单元，在必的基本抽象单元，在必要的时候赋予要的时候赋予AgentAgent一一定的定的智能智能，然后在多，然后在多AgentAgent之间设置具体的之间设置具体的交互交互方式，最终得到相方式，最终得到相应的系统模型。应的系统模型。特征模型层特征模型层Agent层层MAS层层基于基于Agent的系统模型的层次的系统模型的层次 基于基于AgentAgent建模的过程建模的过程 对系统进行对系统进行AgentAgent抽象抽象 对异质对异质AgentAgent和同质和同质AgentAgent的处理的处理 进行抽象时的粒度选择进行抽象时的粒
17、度选择 对对AgentAgent个体的建模个体的建模 建立多建立多AgentAgent系统的体系结构系统的体系结构 确定系统应该有多少确定系统应该有多少AgentAgent Agent Agent之间的通信管道之间的通信管道 AgentAgent之间采用什么通信协议之间采用什么通信协议 建立建立AgentAgent与其相关的其它与其相关的其它AgentAgent之间的结构之间的结构 如何协调如何协调AgentAgent之间的行动之间的行动 多多AgentAgent建模的设计准则建模的设计准则AgentAgent的粒度和抽象的层次应遵循的粒度和抽象的层次应遵循“KISS”KISS”原则原则 （K
18、eep It Simple，Stupid.）自主飞行的鸟群自主飞行的鸟群 基于多基于多AgentAgent系统的模型系统的模型Boid模型（人工鸟群模型）模型（人工鸟群模型）每只鸟只和它周围邻近的每只鸟只和它周围邻近的鸟的行为有关，每只鸟只需鸟的行为有关，每只鸟只需遵循以下遵循以下3 3条规则：条规则：（1 1）避免碰撞）避免碰撞（2 2）速度一致）速度一致（3 3）向中心聚集）向中心聚集 例：例：基于基于AgentAgent的智能交通控制结构的智能交通控制结构主控制中主控制中心心（Agent）信息发布信息发布Agent区域控制中心区域控制中心Agent区域控制中心区域控制中心Agent路口路
19、口Agent信信号号灯灯传传感感器器摄摄像像机机路口路口Agent信信号号灯灯传传感感器器摄摄像像机机可可变变情情报报版版电电台台 例：例：基于基于AgentAgent的智能交通控制结构的智能交通控制结构通信器通信器控制头控制头控制体控制体Agent结构模型结构模型通信器通信器驾驶员特性驾驶员特性控制器控制器车辆的功能特性车辆的功能特性车辆车辆Agent结构结构1、交通、交通Agent的结构的结构2、交通、交通Agent的交互的交互3、Agent的实现的实现车辆车辆Agent交通信号灯交通信号灯Agent街道街道Agent交叉路口交叉路口AgentAgent之间的关系图之间的关系图软件实现中可采用进程软件实现中可采用进程或线程来实现或线程来实现2.5 复杂系统建模方法复杂系统建模方法 2.5.1 复杂系统建模基础复杂系统建模基础2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模基于智能技术的复杂系统建模2.5.3 综合集成法综合集成法2.5.4 其它复杂系统建模方法其它复杂系统建模方法2.5.3 综合集成法综合集成法定量定性定量定性综合集成方法综合集成方法 思考题思考题（1 1）系统模型的分类，建模方法的分类及建模原则？）系统模型的分类，建模方法的分类及建模原则？（2 2）查阅资料，了解复杂系统建模方法、应用及其发）查阅资料，了解复杂系统建模方法、应用及其发展。展。
