仿真建模方法

系統(tǒng)建模與仿真軍用仿真技術(shù)研究室國(guó)防科大MSL第2章仿真建模基本理論與方法建模過(guò)程真實(shí)世界概念模型數(shù)學(xué)模型仿真模型第一次抽象計(jì)算機(jī)模型物理效應(yīng)模型實(shí)物系統(tǒng)建模過(guò)程真實(shí)世界概念模型數(shù)學(xué)模型仿真模型第一次建模計(jì)算機(jī)模型物理效應(yīng)模型實(shí)物系統(tǒng)建模過(guò)程真實(shí)世界概念模型數(shù)學(xué)模型仿真模型第二次建模計(jì)算機(jī)模型物理效應(yīng)模型實(shí)物系統(tǒng)§2.1系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素與三項(xiàng)基本活動(dòng)§2.2建?；疽蟆?.3建模常用方法§2.4模型型譜§2.5復(fù)雜系統(tǒng)建模方法

第2章仿真建模基本理論與方法§2.1系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素與三項(xiàng)基本活動(dòng)

系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)仿真模型建立仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑷齻€(gè)基本要素：

系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)三項(xiàng)基本活動(dòng)：

模型建立、仿真模型建立(又稱(chēng)二次建模)、仿真試驗(yàn)§2.2建?；疽笄蓄}性清晰性精確性集合性§2.3建模常用方法確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)白盒系統(tǒng)黑盒系統(tǒng)灰盒系統(tǒng)建模的任務(wù)建模的方法§2.3建模常用方法確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)白盒系統(tǒng)

用已知的基本定律，經(jīng)過(guò)分析和演繹推導(dǎo)出系統(tǒng)模型，此法稱(chēng)演繹法。建模的任務(wù)建模的方法黑盒系統(tǒng)灰盒系統(tǒng)傾向于先驗(yàn)信息，是從一般到特殊的過(guò)程。§2.3建模常用方法確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)白盒系統(tǒng)

演繹法建模的任務(wù)建模的方法黑盒系統(tǒng)

允許直接進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，則可假設(shè)模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)或辨識(shí)的方法建立模型。不允許直接試驗(yàn)測(cè)試，則采用數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)歸納方法。灰盒系統(tǒng)傾向于觀測(cè)數(shù)據(jù)，是從特殊到一般的過(guò)程。§2.3建模常用方法確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)白盒系統(tǒng)演繹法建模的任務(wù)建模的方法黑盒系統(tǒng)假設(shè)模型法（可直接進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)）歸納法（不可直接進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)）灰盒系統(tǒng)

可采用前面二種相結(jié)合方法?！?.3建模常用方法確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)白盒系統(tǒng)建模的任務(wù)建模的方法黑盒系統(tǒng)灰盒系統(tǒng)建模過(guò)程先驗(yàn)知識(shí)建模目的建模目的數(shù)學(xué)模型§2.4模型型譜黑盒白盒社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)生理空氣污染水文波動(dòng)空間與航空過(guò)程控制動(dòng)力學(xué)電子電路各種系統(tǒng)的模型型譜§2.4模型型譜黑箱白箱社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)生理空氣污染水文波動(dòng)空間與航空過(guò)程控制動(dòng)力學(xué)電子電路集中參數(shù)常微分方程偏微分方程分布參數(shù)集中參數(shù)常微分方程離散時(shí)間差分方程各種系統(tǒng)模型形式§2.5復(fù)雜系統(tǒng)建模方法

？簡(jiǎn)單系統(tǒng)簡(jiǎn)單系統(tǒng)（“1+1=2”）屬于牛頓科學(xué)體系線(xiàn)性、可分解還原、結(jié)果可重復(fù)、因果關(guān)系明確、狀態(tài)穩(wěn)定、可預(yù)測(cè)大多數(shù)武器系統(tǒng)、工程系統(tǒng)……再?gòu)?fù)雜的機(jī)器也是簡(jiǎn)單系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)（1+1≠2）非線(xiàn)性：考察系統(tǒng)局部得不出系統(tǒng)整體的性質(zhì)不可分解還原、結(jié)果不可重復(fù)、因果關(guān)系不明、狀態(tài)混沌社會(huì)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)……混沌涌現(xiàn)§2.5復(fù)雜系統(tǒng)建模方法

§2.5.1復(fù)雜大系統(tǒng)建模基礎(chǔ)§2.5.2基于智能技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)建?！?.5.3綜合集成法§2.5.4其它復(fù)雜系統(tǒng)建模方法§2.5.1復(fù)雜系統(tǒng)建?；A(chǔ)

復(fù)雜大系統(tǒng)特點(diǎn)：元素?cái)?shù)量眾多元素類(lèi)型眾多元素間的聯(lián)系眾多結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化多層次功能綜合§2.5.1復(fù)雜系統(tǒng)建?；A(chǔ)

復(fù)雜大系統(tǒng)建模的困難：

復(fù)雜大系統(tǒng)的分析和綜合首先要建立復(fù)雜大系統(tǒng)的模型，但僅僅傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是難以描述復(fù)雜的大系統(tǒng)的，主要的困難是難以描述大系統(tǒng)中許多重要因素：（1）人的因素（難以用簡(jiǎn)單的傳遞函數(shù)模型來(lái)表示）（2）不確定性（模糊性、隨機(jī)性）（3）不確知性§2.5.1復(fù)雜系統(tǒng)建?；A(chǔ)數(shù)學(xué)模型的適用性

“適用性”：一方面是要求數(shù)學(xué)模型具有足夠的精確性，適用于描述真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、功能、特性。另一方面是可以利用數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的求解方法，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析與綜合。即兼顧“模型的精確性”與“方法的有效性”，既可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)精度的描述，又能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的分析與綜合。

§2.5.1復(fù)雜系統(tǒng)建?；A(chǔ)在模型的精確性與方法有效性之間存在矛盾。如果模型精確，復(fù)雜（非線(xiàn)性、變系數(shù)…），就缺乏有效的分析與綜合方法；反之，如果方法有效，就要求簡(jiǎn)化模型（線(xiàn)性化、定?；敲茨Ｐ途筒荒芫_地描述真實(shí)系統(tǒng)。

先驗(yàn)理論演繹推理模型框架定義模型結(jié)構(gòu)特征化參數(shù)估計(jì)可信度分析最終模型測(cè)試模型傳統(tǒng)系統(tǒng)仿真方法中的建模過(guò)程先驗(yàn)知識(shí)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)信息集成模型框架定義模型結(jié)構(gòu)特征化參數(shù)估計(jì)數(shù)據(jù)分析同構(gòu)模型觀測(cè)數(shù)據(jù)可信度分析復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法中結(jié)構(gòu)級(jí)建模過(guò)程先驗(yàn)知識(shí)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)非形式化描述數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)生成可信度分析數(shù)據(jù)分析同態(tài)模型觀測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)仿真方法中的行為級(jí)建模過(guò)程§2.5復(fù)雜系統(tǒng)建模方法

§2.5.1復(fù)雜系統(tǒng)建?；A(chǔ)§2.5.2基于智能技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)建?！?.4.3綜合集成法§2.4.4其它復(fù)雜系統(tǒng)建模方法§2.5.2基于智能技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)建模1）功能派方法（1）啟發(fā)式程序（2）專(zhuān)家系統(tǒng)2）結(jié)構(gòu)派方法（1）神經(jīng)細(xì)胞模型（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型§2.5.2基于智能技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)建模

基于Agent的建模方法

Agent定義：一種具有自治性（Autonomy）、社會(huì)能力（SocialAbility）、響應(yīng)性（Responsiveness）、能動(dòng)性（Ability）的行為特征的智能實(shí)體。Agent是一個(gè)能于外界自主交互，并擁有一定的知識(shí)和推理能力，能夠獨(dú)立完成一定任務(wù)的、具有一定社會(huì)性的實(shí)體。Agent的一種基本結(jié)構(gòu)環(huán)境資源環(huán)境感知模塊執(zhí)行模塊信息處理模塊自適應(yīng)性模塊決策與智能控制模塊通信模塊知識(shí)庫(kù)任務(wù)與承諾表其它AgentAgent決策Agent的基本結(jié)構(gòu)決策個(gè)體Reward資源變化內(nèi)部模型策略集信息集Decision策略信息研究系統(tǒng)的演化和涌現(xiàn)性多Agent的組織結(jié)構(gòu)模式

在MAS中，各Agent是自治的，各Agent之間只能通過(guò)通信及對(duì)環(huán)境的改變來(lái)相互影響，Agent自身的行為最終是由自己決定的。管理機(jī)…Agent組1Agent組2Agent組n…Agent組1Agent組2Agent組n（a）集中式MAS（b）分布式MASAgent建模的基本思想

將Agent作為系統(tǒng)的基本抽象單元，在必要的時(shí)候賦予Agent一定的智能，然后在多Agent之間設(shè)置具體的交互方式，最終得到相應(yīng)的系統(tǒng)模型。特征模型層Agent層MAS層基于Agent的系統(tǒng)模型的層次

基于Agent建模的過(guò)程

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Agent抽象

對(duì)異質(zhì)Agent和同質(zhì)Agent的處理進(jìn)行抽象時(shí)的粒度選擇

對(duì)Agent個(gè)體的建模建立多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

確定系統(tǒng)應(yīng)該有多少AgentAgent之間的通信管道

Agent之間采用什么通信協(xié)議建立Agent與其相關(guān)的其它Agent之間的結(jié)構(gòu)如何協(xié)調(diào)Agent之間的行動(dòng)

多Agent建模的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則Agent的粒度和抽象的層次應(yīng)遵循“KISS”原則

（KeepItSimple，Stupid.）自主飛行的鳥(niǎo)群

基于多Agent系統(tǒng)的模型Boid模型（人工鳥(niǎo)群模型）每只鳥(niǎo)只和它周?chē)徑镍B(niǎo)的行為有關(guān)，每只鳥(niǎo)只需遵循以下3條規(guī)則：（1）避免碰撞（2）速度一致（3）向中心聚集

例：基于Agent的智能交通控制結(jié)構(gòu)主控制中心（Agent）信息發(fā)布Agent區(qū)域控制中心Agent區(qū)域控制中心Agent路口Agent信號(hào)燈傳感器攝像機(jī)路口Agent信號(hào)燈傳感器攝像機(jī)可變情報(bào)版電臺(tái)……

例：基于Agent的智能交通控制結(jié)構(gòu)通信器控制頭控制體Agent結(jié)構(gòu)模型通信器駕駛員特性控制器車(chē)輛的功能特性車(chē)輛Agent結(jié)構(gòu)1、交通Agent的結(jié)構(gòu)2、交通Agent的交互3、Agent的實(shí)現(xiàn)車(chē)輛Agent交通信號(hào)燈Agent街道Agent交叉路口AgentAgent之間的關(guān)系圖軟件實(shí)現(xiàn)