第4章-系统模型与仿真

系统工程SystemsEngineering2020/4/22北京物资学院信息学院1本章主要内容2020/4/22北京物资学院信息学院24.1概述4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.3系统模型的构建4.4系统仿真基础知识4.5系统仿真技术第4章系统模型与仿真系统、模型、仿真三个概念是一条链条上的三个环节，是一个工作程序的三个步骤。借助模型进行系统仿真。根据仿真的需要，修改模型，再进行仿真（反复若干次）2020/4/22北京物资学院信息学院3第4章系统模型与仿真2020/4/22北京物资学院信息学院44.1概述4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.3系统模型的构建4.4系统仿真基础知识4.5系统仿真技术4.1概述4.1.1系统模型概述1．系统模型的定义系统模型是采用某种特定的形式（如文字、符号、数学公式、图表、实物等）对一个系统的某一方面本质属性进行描述，从而揭示系统的功能和作用，提供系统的相关知识。2020/4/22北京物资学院信息学院54.1概述2．系统模型的特征系统模型是对于系统的描述、模仿和抽象，它反映系统的物理本质和主要特征。（1）实际系统的合理抽象或模仿；（2）由反映系统本质或特征的主要因素构成或者是由那些与被分析的问题相关的因素构成；（3）表明了有关因素之间的逻辑关系或定量关系。2020/4/22北京物资学院信息学院64.1概述4.1.2系统仿真概述系统仿真又称系统模拟，是指通过建立和运行仿真模型，来模仿实际系统的运行状态，从而了解系统的行为或评估系统运用的各种策略的全过程。2020/4/22北京物资学院信息学院74.1概述4.1.2系统仿真概述1961年，G.W.Morgenthater首次定义仿真仿真是在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现。1978年，Korn《连续系统仿真》仿真为用能代表所研究的系统的模型做实验。1982年，Spriet所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动。1984年，Oren仿真是一种基于模型的活动。2020/4/22北京物资学院信息学院84.1概述•系统仿真的实质：–（1）是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法建立数学模型求解时，仿真技术却能有效地来处理这类问题。–（2）仿真是一种人为的试验手段，进行类似于物理实验、化学实验那样的实验。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。–（3）在系统仿真时，尽管要研究的是某些特定时刻的系统状态或行为，但仿真过程也恰恰是对系统状态或行为在时间序列内全过程进行描述。换句话说，仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。–（4）系统仿真主要是在计算机上实现的2020/4/22北京物资学院信息学院94.1概述•仿真的作用：–（1）仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。–（2）对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。–（3）通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。–（4）通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。2020/4/22北京物资学院信息学院10第4章系统模型与仿真2020/4/22北京物资学院信息学院114.1概述4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.3系统模型的构建4.4系统仿真基础知识4.5系统仿真技术4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.1系统模型概的作用1.系统开发的需要在开发一个新系统时，由于实际系统尚未建立，只能通过构造系统模型来对系统的性能进行预测，以实现对系统的分析、优化和评价。2.经济上的考虑对大型复杂系统直接进行实验其成本比较高，采用系统模型就便宜多了。2020/4/22北京物资学院信息学院124.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.1系统模型概的作用3.安全上的考虑对有些系统直接进行实验非常危险，有时根本不允许。4.时间上的考虑对于社会、经济、生态等惯性大，反应周期长的系统，使用系统模型进行分析、评价，很快就能得到结果。2020/4/22北京物资学院信息学院13第4章系统模型与仿真4.2.1系统模型概的作用5.系统模型容易操作，分析结果易于理解由于模型突出了研究目的所要关注的主要特征，因此容易得到一个清晰的结果，而且在系统模型（尤其是数学模型）上进行参数修改也是非常容易的。2020/4/22北京物资学院信息学院144.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.2系统模型的分类方法1.形式分类方法2020/4/22北京物资学院信息学院15模型物理模型概念模型数学模型实体模型比例模型模拟模型解析模型逻辑模型网络模型图像与表格信息网络与数字化模型4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.2系统模型的分类方法2.内涵分类方法2020/4/22北京物资学院信息学院16模型分类按相似程度分按结构特性分按对象的了解程度分同态模型同构模型启发式模型灰箱模型黑箱模型白箱模型数学模型符号模型模拟模型形象模型4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.2系统模型的分类方法3.其他分类方法（1）变量性质:确定性模型与随机模型。（2）变量间的关系:线性模型与非线性模型。（3）时间的因素:动态模型与静态模型。（4）是否间断:连续模型与离散模型。（5）变量之间的关系:有代数方程、微分（差分、迭代）方程、统计型、逻辑型。（6）学科性质:运筹学模型、系统动力学模型、信息系统模型、计量经济学模型等。2020/4/22北京物资学院信息学院174.2系统模型的作用、分类方法和体系4.2.3模型库与模型体系各种模型的集合，称为模型库。任何一种模型都有自己的优点与不足。在系统工程项目研究中，把各种适用的模型拿来组成一个模型体系。既可以利用历史数据，又可以利用最新数据；既可以进行战略研究，又可以进行战术研究。同时，利用戴尔菲法、层次分析法等把一些定性因素量化，实现定量分析与定性分析的综合研究。多种模型组成模型体系，取长补短，才能解决复杂系统的综合性问题。2020/4/22北京物资学院信息学院18第4章系统模型与仿真2020/4/22北京物资学院信息学院194.1概述4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.3系统模型的构建4.4系统仿真基础知识4.5系统仿真技术4.3系统模型的构建4.3.1系统建模的原则1.切题2.清晰3.精度要求适当4.尽量使用标准模型2020/4/22北京物资学院信息学院204.3系统模型的构建4.3.2系统建模的方法及步骤1.系统建模的方法（1）系统建模的一般方法。推理法、模拟法、辨识法、统计分析法、混合法。2020/4/22北京物资学院信息学院214.3系统模型的构建（2）情景分析法：情景分析法是设想未来行动所处的环境和状态，预测相应的技术、经济和社会后果。（3）相关对比分析法：对于已有标准化模型的研究对象系统必须的分析，然后与对象系统的有关方面进行对比，查找其相通点和相异点，建立一个可信的新模型。（4）德尔菲法：这是一种专家调查法。2020/4/22北京物资学院信息学院224.3系统模型的构建2.系统建模的步骤（1）明确建模的目的和要求，以便使模型满足实际需要，不致产生太大的偏差；（2）对系统进行一般语言描述。这是进一步确定模型结构的基础；（3）弄清系统中的主要因素及其相关关系，以便使模型准确表示现实系统；（4）确定模型的结构，这一步决定了模型定量方面的内容；2020/4/22北京物资学院信息学院234.3系统模型的构建2.系统建模的步骤（5）估计模型中的参数，进一步用数量来表示系统中的因果关系；（6）实验研究，以期找出修改方案；（7）修改模型，根据实验结果提出修改方案，对模型进行必要的修改，使之更有效。2020/4/22北京物资学院信息学院244.3系统模型的构建4.3.3常用的系统模型1.结构模型结构模型就是描述系统各实体间的关系，以表示一个作为实体集合的系统模型。具有以下特点：结构模型是一种几何模型，可用有相连接图表示；该模型以定性分析为主；可以用矩阵表示。2.网络模型网络模型在系统工程中应用很广，很多实际问题常可以归结为一定的网络模型，然后根据网络模型的解法来求得问题的解。2020/4/22北京物资学院信息学院254.3系统模型的构建3.状态空间模型输入－输出法只研究系统的端部特点，不研究系统的内部结构，常用传递函数来表示。状态变量法揭示系统的内部特征,适合于计算机仿真与应用2020/4/22北京物资学院信息学院264.3系统模型的构建4.基于主体的模型选择适当的主体（Agent）作为构件（BuildingBlock），用计算机程序设计少数支配主体相互作用的规则，通过计算机仿真考察该模型的涌现行为.为解决复杂的分布式系统，必须把多个Agent有效组织起来，可以相互协作、相互交流，并根据环境和交流知识进行推理、学习等，这就提出了多Agent（Multi-agent）系统。2020/4/22北京物资学院信息学院274.3系统模型的构建5.层次分析法层次分析法是一种定性分析和定量分析相结合的多目标决策分析方法，可以对非定量事件和人的主观判断作定量分析和描述。6.模糊逻辑模型模糊逻辑推广了经典的二值逻辑，可以有无穷多个中间状态，是处理不确定性问题的有效工具。模糊技术以模糊逻辑为基础，从人类思维中的模糊性出发，对于模糊信息进行量化，其中最重要的一步是利用专家知识和实际经验来定义相应模糊集的隶属函数。2020/4/22北京物资学院信息学院284.3系统模型的构建7.人工神经网络人工神经网络是模仿人脑生理特性的新型智能信息处理系统，它以模拟生物神经元为基础，使系统具有自适应性、自组织性、容错性等它是进行曲线拟合、近似实现各种非线性复杂系统模型化的有效工具。8.元胞自动机元胞自动机（CellularAutomata,CA）是发现复杂适应性系统涌现行为的模型，由乌兰（StanislawUlam）和冯·诺依曼（JohnvonNeumann）于上个世纪40年代提出。2020/4/22北京物资学院信息学院294.3系统模型的构建8.元胞自动机元胞自动机（CellularAutomata,CA）是发现复杂适应性系统涌现行为的模型，由乌兰（StanislawUlam）和冯·诺依曼（JohnvonNeumann）于上个世纪40年代提出。经典元胞自动机的基本特征在于时间上的离散性和空间上的局部性，由简单演化规则控制的元胞自动机在行为上却展示了巨大的复杂性，并能详细地模拟复杂系统内部结构和复杂行为产生的全部过程，成为研究复杂性的有力工具。2020/4/22北京物资学院信息学院304.3系统模型的构建9.时间序列建模系统的一些宏观上可以观测到的数据，这些数据通常是动力系统在相空间状态的轨线或者是一组时间序列，反映了系统在不同时间处于何种状态，这些状态是系统内在运行机制的外部表现。当真实的系统的结构、维度、模型参数都未知或者难以进行数值表达的情况下，就只能通过比较真实系统和模型所产生的时间序列的统计特征，来验证模型的合理性与正确性。2020/4/22北京物资学院信息学院31第4章系统模型与仿真2020/4/22北京物资学院信息学院324.1概述4.2系统模型的作用、分类方法和体系4.3系统模型的构建4.4系统仿真基础知识4.5系统仿真技术4.4系统仿真基础知识1961年，G.W.Morgenthater首次定义仿真为：在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现。1978年，Korn的著作《连续系统仿真》定义仿真为：用能代表所研究的系统的模型做实验。1982年，Spriet扩充定义为，所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动。1984年，Oren提出仿真是一种基于模型的活动。2020/4/22北京物资学院信息学院334.4系统仿真基础知识4.4.1系统仿真的分类1.按系统模型的特性分类连续系统仿真离散事件系统仿真。2.按模型分类人们通常把仿真中是