《仿真建模方法》PPT课件.ppt

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1、系统建模与仿真,第 2 章 仿真建模基本理论与方法,建模过程,第一次抽象,计算机模型,物理效应模型,实物 系统,建模过程,第一次建模,计算机模型,物理效应模型,实物 系统,建模过程,第二次建模,计算机模型,物理效应模型,实物 系统,2.1 系统仿真的三个要素与三项基本活动2.2 建模基本要求2.3 建模常用方法2.4 模型型谱 2.5 复杂系统建模方法,第 2 章 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,模型,计算机,仿真模型建立,仿真试验,模型建立,三个基本要素：系统、模型、计算机,三项基本活动：模型建立、仿真模型建立(又称二次建模)、仿真试验,2.2 建模基

2、本要求,切题性清晰性精确性集合性,2.3 建模常用方法,确定模型的结构和参数,白盒系统黑盒系统灰盒系统,建模的任务,建模的方法,2.3 建模常用方法,确定模型的结构和参数,白盒系统 用已知的基本定律，经过分析和演绎推导出系统模型，此法称演绎法。,建模的任务,建模的方法,黑盒系统,灰盒系统,倾向于先验信息，是从一般到特殊的过程。,2.3 建模常用方法,确定模型的结构和参数,白盒系统 演绎法,建模的任务,建模的方法,黑盒系统 允许直接进行试验观测，则可假设模型,并通过实验或辨识的方法建立模型。不允许直接试验测试，则采用数据收集和统计归纳方法。,灰盒系统,倾向于观测数据，是从特殊到一般的过程。,2.

3、3 建模常用方法,确定模型的结构和参数,白盒系统 演绎法,建模的任务,建模的方法,黑盒系统 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）,灰盒系统 可采用前面二种相结合方法。,2.3 建模常用方法,确定模型的结构和参数,白盒系统,建模的任务,建模的方法,黑盒系统,灰盒系统,2.4 模型型谱,黑盒,白盒,社会,经济,生态,生理,空气污染,水文波动,空间与航空,过程控制,动力学,电子电路,各种系统的模型型谱,2.4 模型型谱,黑箱,白箱,社会,经济,生态,生理,空气污染,水文波动,空间与航空,过程控制,动力学,电子电路,集中参数,常微分方程,偏微分方程,分布参数,集中参数,常微分

4、方程,离散时间差分方程,各种系统模型形式,2.5 复杂系统建模方法,？,简单系统,简单系统（“1+1=2”）属于牛顿科学体系线性、可分解还原、结果可重复、因果关系明确、状态稳定、可预测大多数武器系统、工程系统,再复杂的机器也是简单系统,复杂系统,复杂系统（1+12）非线性：考察系统局部得不出系统整体的性质不可分解还原、结果不可重复、因果关系不明、状态混沌社会系统、经济系统、生命系统,混沌涌现,2.5 复杂系统建模方法,2.5.1 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2.5.3 综合集成法2.5.4 其它复杂系统建模方法,2.5.1 复杂系统建模基础,复杂大系统特点：元素数量

5、众多元素类型众多元素间的联系众多结构动态变化多层次功能综合,2.5.1 复杂系统建模基础,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中许多重要因素：（1）人的因素（难以用简单的传递函数模型来表示）（2）不确定性（模糊性、随机性）（3）不确知性,2.5.1 复杂系统建模基础,数学模型的适用性“适用性”：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，对真实系统进行有效的分析与综合。即兼顾“模型的精确性”与“方法的有效性

6、”，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综合。,2.5.1 复杂系统建模基础,在模型的精确性与方法有效性之间存在矛盾。如果模型精确，复杂（非线性、变系数），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、定常化），那么模型就不能精确地描述真实系统。,先验理论,演绎推理,模型框架定义,模型结构特征化,参数估计,可信度分析,最终模型,测试模型,传统系统仿真方法中的建模过程,先验知识,专家经验,信息集成,模型框架定义,模型结构特征化,参数估计,数据分析,同构模型,观测数据,可信度分析,复杂系统仿真方法中结构级建模过程,复杂系统仿真方法中的行为级建模过程,2

7、.5 复杂系统建模方法,2.5.1 复杂系统建模基础2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模2.4.3 综合集成法2.4.4 其它复杂系统建模方法,2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模,1）功能派方法（1）启发式程序（2）专家系统2）结构派方法（1）神经细胞模型（2）神经网络模型,2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模,基于Agent的建模方法 Agent定义：一种具有自治性（Autonomy）、社会能力（Social Ability）、响应性（Responsiveness）、能动性（Ability）的行为特征的智能实体。,Agent是一个能于外界自主交互，并拥有一定的知识和推理能力，能够独立

8、完成一定任务的、具有一定社会性的实体。,Agent的一种基本结构,环境资源,环境感知模块,执行模块,信息处理模块,自适应性模块,决策与智能控制模块,通信模块,知识库,任务与承诺表,其它Agent,Agent,决策Agent的基本结构,决策个体,Reward,资源,变化,内部模型,策略集,信息集,Decision,策略,信息,研究系统的演化和涌现性,多Agent的组织结构模式,在MAS中，各Agent是自治的，各Agent之间只能通过通信及对环境的改变来相互影响，Agent自身的行为最终是由自己决定的。,Agent建模的基本思想,将Agent作为系统的基本抽象单元，在必要的时候赋予Agent一定

9、的智能，然后在多Agent之间设置具体的交互方式，最终得到相应的系统模型。,基于Agent建模的过程,对系统进行Agent抽象 对异质Agent和同质Agent的处理 进行抽象时的粒度选择 对Agent个体的建模 建立多Agent系统的体系结构 确定系统应该有多少Agent Agent之间的通信管道 Agent之间采用什么通信协议 建立Agent与其相关的其它Agent之间的结构 如何协调Agent之间的行动,多Agent建模的设计准则,Agent的粒度和抽象的层次应遵循“KISS”原则,（Keep It Simple，Stupid.）,自主飞行的鸟群,基于多Agent系统的模型,Boid模型

10、（人工鸟群模型）每只鸟只和它周围邻近的鸟的行为有关，每只鸟只需遵循以下3条规则：（1）避免碰撞（2）速度一致（3）向中心聚集,例：基于Agent的智能交通控制结构,主控制中心（Agent）,信息发布Agent,区域控制中心Agent,区域控制中心Agent,路口Agent,信号灯,传感器,摄像机,路口Agent,信号灯,传感器,摄像机,可变情报版,电台,例：基于Agent的智能交通控制结构,1、交通Agent的结构,2、交通Agent的交互,3、Agent的实现,软件实现中可采用进程或线程来实现,2.5 复杂系统建模方法,2.5.1 复杂系统建模基础2.5.2 基于智能技术的复杂系统建模2.5.3 综合集成法2.5.4 其它复杂系统建模方法,2.5.3 综合集成法,定量定性,综合集成方法,思考题,（1）系统模型的分类，建模方法的分类及建模原则？（2）查阅资料，了解复杂系统建模方法、应用及其发展。,