系统模型与仿真课件

系统工程

SystemsEngineering2023/6/9北京物资学院信息学院1本章主要内容2023/6/9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）2023/6/9北京物资学院信息学院3第4章系统模型与仿真2023/6/9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。

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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。

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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。

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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。2023/6/9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2023/6/9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。2023/6/9北京物资学院信息学院10第4章系统模型与仿真2023/6/9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。2023/6/9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。2023/6/9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。2023/6/9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

2023/6/9北京物资学院信息学院154.2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

2023/6/9北京物资学院信息学院164.2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。2023/6/9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。2023/6/9北京物资学院信息学院18第4章系统模型与仿真2023/6/9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系统建模的原则切题清晰精度要求适当尽量使用标准模型

2023/6/9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。

2023/6/9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。

2023/6/9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；2023/6/9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。2023/6/9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。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。

2023/6/9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2023/6/9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。2023/6/9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。

2023/6/9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。2023/6/9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。2023/6/9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。2023/6/9北京物资学院信息学院31第4章系统模型与仿真2023/6/9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。2023/6/9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否有实物介入进行分类。

物理仿真总是有实物介入的，分为实物仿真和半实物仿真。

数学仿真实是在计算机上进行的，一般无实物介入，分为数字仿真和模拟仿真。

2023/6/9北京物资学院信息学院344.4系统仿真基础知识3.按仿真时钟与实际时钟的比例关系分类

实时仿真，仿真时钟（仿真时模型采用的时钟）与实际时钟（实际动态系统的时间基）完全一致；常用于训练仿真器，称为在线仿真。

亚实时仿真，仿真时钟慢于实际时钟，即模型仿真的速度慢于时间系统运行的速度；常用于离线分析，称为离线仿真。

超实时仿真，仿真时钟快于实际时钟；如大气环流仿真、交通系统仿真等。2023/6/9北京物资学院信息学院354.4系统仿真基础知识4.按计算机类型分类采用数学模型在模拟计算机上进行的实验为模拟仿真。采用数学模型，在数字计算机上借助数值计算方法进行的仿真为数字仿真。将上述两种方法结合起来的混合仿真实验简称混合仿真。对于计算机控制系统的仿真，在实际应用中为简化系统构成，常用数字计算机模拟对象，用软件模拟对象的各种性能和机制，称为全数字仿真。2023/6/9北京物资学院信息学院364.4系统仿真基础知识4.4.2系统仿真的特点

（1）系统仿真面向实际过程和系统问题，将不确定性作为系统随机变量来处理，建立系统的内部结构关系模型，从而是我们对复杂的、带有多种随机因素的系统，可以方便的通过计算机仿真实验求解，避免了求解复杂的数学模型的困难。（2）系统仿真采用面向对象的建模分析方法，适用人机友好的计算机软件，是建模仿真直接面向分析人员，使之可以集中精力研究问题的内部因素及其相互关系，而不是计算机编程、调试及实现。2023/6/9北京物资学院信息学院374.4系统仿真基础知识4.4.2系统仿真的特点（3）系统仿真为分析和决策人员提供了一种有效的实验环境，他们的设想和方案可以通过直接调整模型的参数或结构来实现，并通过模型的仿真运行得到其“实施”结果，从而可以从中选择满意的方案。2023/6/9北京物资学院信息学院384.4系统仿真基础知识4.4.3系统仿真的发展历史和趋势系统仿真的发展历史1773年，法国自然学家布丰Buffon用仿真方法做物理实验估计圆周率π1876年，美国统计学家第一次用仿真方法做随机数实验；1908年，W.S.Gosset用仿真方法证明“t分布法”；1940年代初，美国开始了飞行模拟器的设计；

2023/6/9北京物资学院信息学院394.4系统仿真基础知识1966年，美国MIT的林肯实验室开始了头盔式显示器的研制；1978年，美国空军上尉J．A．Thorpe发表了一篇文章“FutureViews：AircrewTraining1980－2000”，提出了联网仿真的思想，首次系统地阐述了联网仿真技术的功能要求。1989年，北欧制定“欧几里德计划”，把仿真技术作为11项优先合作发展的项目之一。1992年，美国提出22项国家关键技术，仿真技术列第16项；提出21项国防关键技术，仿真技术列第6项。2023/6/9北京物资学院信息学院404.4系统仿真基础知识20世纪90年代，美国进行了“扩展的防空仿真系统（EADSIM）”计划，该系统是用于攻防体系对抗研究的作战仿真系统。我国自20世纪50年代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向工程建模和模拟计算机的数据仿真获得较普遍的应用。在仿真软件方面，我国科研人员于1990年研制成功了并行程度自动生成系统。1993年研制成功了“通用计算机大型仿真建模软件系统”，标志着我国在通用计算机仿真建模软件的研制技术已处于国际领先水平。2023/6/9北京物资学院信息学院414.4系统仿真基础知识2.系统仿真的发展趋势

（1）面向对象仿真面向对象的仿真方法强调模型的框架化、层次化和模块化，有利于提高模型的封装性、灵活性、重用性、可扩展性和可维护性，在各个领域得到了广泛的应用，通常在一个仿真系统中，存在大量各种类型的对象，它们之间有着复杂的通信关系。

2023/6/9北京物资学院信息学院424.4系统仿真基础知识（2）定性仿真尽管定性推理这种方法新颖，它已经很快地应用于分析物理系统的行为，特别是用在方程不容易建立和解决的复杂系统中。

（3）分布式交互仿真分布式交互仿真是仿真技术的一个重要分支，以计算机技术、网络技术、分布计算和虚拟现实多种领域技术为支撑。2023/6/9北京物资学院信息学院434.4系统仿真基础知识

（4）可视化仿真为数字仿真的过程和结果增加文本提示、图形、图像、动画表现，可使仿真过程更直观，结果更容易理解，并能够验证仿真过程是否正确。（5）多媒体仿真多媒体仿真使用不同的媒体形态描述不同性质的模型信息，建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型，并在多媒体计算机上运行，产生定性和定量相结合的系统动态演变过程，从而获得关于系统的感性和理性认识。2023/6/9北京物资学院信息学院444.4系统仿真基础知识（6）虚拟现实仿真虚拟现实技术是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，用户投入这种环境中，就可与之交互作用、相互影响。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而也大大推进了计算机技术的发展。2023/6/9北京物资学院信息学院454.4系统仿真基础知识4.4.4系统仿真的步骤系统仿真遵循相似原理，系统仿真一般有以下基本步骤：（1）阐述与定义问题（2）建立仿真模型（3）仿真模型的确认（4）设计仿真实验（5）仿真运行并分析数据

2023/6/9北京物资学院信息学院464.4系统仿真基础知识4.4.4系统仿真的步骤

2023/6/9北京物资学院信息学院47第4章系统模型与仿真2023/6/9北京物资学院信息学院484.1

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4.5系统仿真技术4.5.1计算机仿真技术仿真技术是以控制理论、相似原理、网络与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性技术。2023/6/9北京物资学院信息学院494.5系统仿真技术4.5.2连续系统和离散系统仿真1.连续系统仿真系统的数学模型有连续模型和离散模型两种基本模型。

连续系统的动态模型一般用常微分方程（也可能用偏微分方程、状态方程或传递函数）来描述。

数字仿真算法的中心问题，是如何将用微分方程（或其他变换形式）描述的动力学系统转变为能在数字机上运行的仿真模型。

2023/6/9北京物资学院信息学院504.5系统仿真技术2.离散系统仿真离散时间系统的状态仅在离散时间点上变化，且离散时间点一般不确定。

离散事件系统中的重要概念是事件、活动、进程，离散系统的状态变化与这三者紧密关联，要注意正确处理事件、活动与过程的关系。离散随机事件仿真最关键的就是确定随机变量的模型。2023/6/9北京物资学院信息学院514.5系统仿真技术4.5.3分布式交互仿真分布式系统仿真的概念当仿真对象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型（包括人在内）的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布式交互仿真（DistrictedInteractiveSimulation,DIS）。2023/6/9北京物资学院信息学院524.5系统仿真技术从体系结构上说，DIS的基础结构和实现方式有如下几个特点：（1）分布式（2）使用一个标准协议传输底层真实数据（3）平台级的大系统仿真2023/6/9北京物资学院信息学院534.5系统仿真技术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标准的数据结构。②TCP／IP的广播通信.可伸缩性（Scalability）仿真的时空一致性（Time—SpaceCoherence）

①空间一致性。

②时间一致性。

2023/6/9北京物资学院信息学院544.5系统仿真技术4.5.4Multi-agent系统仿真

一种自下而上的建模仿真方法，在理论上侧重于对Agent的自主和交互等特性的描述和处理,简化了对系统动力学方面的考虑不仅能够实现对复杂系统高效建模，而且还可以实现对系统定量和定性参数描述。

支持基于主体的仿真的方法和技术大体可分4个部分：应用领域知识、Al理论、建模仿真方法学和计算机科学。在CAS理论中的Agent被定义为基于规则的刺激—反应实体。2023/6/9北京物资学院信息学院554.5系统仿真技术在基于主体的建模过程中，首先要对系统采用面向主体的方法进行分析，然后对系统中的各个主体建模，其主要过程概括如下：需求分析根据仿真问题域的要求，选择合适的模型粒度和研究层次。

2.功能模块化确定Agent种类通过需求分析后，对仿真系统功能进行模块化划分，并将分解后的任务与Agent对应，从而确定系统所需的Agent种类及每种Agent具有的功能。2023/6/9北京物资学院信息学院564.5系统仿真技术3.对Agent进行分析、设计和建模面向Agent的仿真系统中，Agent是行为实体，能够对外界事件做出反映，完成某些活动。

4.建立仿真系统的基本框架在对Agent进行设计和建模后，根据Agent之间的需求建立通信机制和协作机制，