《計算機仿真》PPT課件.ppt

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1、第九章 仿真應(yīng)用技術(shù),實際應(yīng)用計算機仿真技術(shù)時，還有許多問題需要考慮，本章將向讀者介紹部分仿真應(yīng)用技術(shù)，包括：仿真語言、一體化仿真技術(shù)、人工智能和專家系統(tǒng)在仿真技術(shù)中的應(yīng)用、仿真建模方法學，以及仿真實驗的計劃指定和實施。 如果要有效地進行仿真研究，最大限度地避免工作中的盲目性，減少研究費用，縮短研究周期，必須對整個仿真研究工作進行科學而周密的組織與設(shè)計。對于從事實際應(yīng)用的人員來說，仿真應(yīng)用技術(shù)或仿真研究的組織方法是非常必要的知識。組織與設(shè)計工作的好壞，直接關(guān)系到仿真應(yīng)用的成效。本章的最后向讀者介紹這一方面的基本知識，使讀者尤其是初學者重視仿真實驗的組織設(shè)計和實驗工作，了解有關(guān)基本知識，并能應(yīng)用

2、到實際工作中去。 考慮到重點突出篇幅限制等原因，對有些問題僅僅提出，而不做深入討論。顯然，在實際應(yīng)用時，所要遇到的問題是極其復(fù)雜的，需要讀者在今后的工作中不斷探索，不斷總結(jié)。,第九章 仿真應(yīng)用技術(shù),9.1 仿真語言及其發(fā)展 9.2 仿真語言的基本結(jié)構(gòu)和組織 9.3 一種典型的連續(xù)系統(tǒng)仿真語言 9.4 一體化仿真技術(shù) 9.5 人工智能與仿真技術(shù) 9.6 數(shù)學模型和建模方法學 9.7 仿真實驗的計劃指定和實施,9.1 仿真語言及其發(fā)展 9.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真,在數(shù)字計算機上進行仿真研究時，很重要的一個步驟是將研究對象的數(shù)學模型轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉谟嬎銠C上實現(xiàn)的仿真模型，并編制仿真程序。仿真程序的一

3、般組成如圖3.5.1所示。 傳統(tǒng)地編寫仿真程序所采用的語言是高級算法語言，如FORTRAN語言，BASIC語言，C語言等。除非有時需要高質(zhì)量的程序以節(jié)省使用機器內(nèi)存和縮短程序執(zhí)行時間，才用匯編語言編寫。在采用高級語言編寫仿真程序時，用戶發(fā)現(xiàn)，雖然基本語言不難學習，并且便于移植，不受機型限制，但如需要充分利用語言的能力與精微之處，則需要很高的熟練程度。尤其是對一些模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型狀態(tài)變量和參數(shù)多的系統(tǒng)，用戶不得不將許多精力和時間花費在模型參數(shù)處理仿真算法和程序的實現(xiàn)，以及輸出數(shù)據(jù)的分析等輔助性工作上，而不能將精力集中于對系統(tǒng)本身的研究。因而需要一種面向問題的非順序的計算機語言。這種語言應(yīng)該是足夠

4、簡單，而且易于學習和使用。用戶只需寫入被仿真系統(tǒng)的模型，定義變量和必要的數(shù)據(jù)和命令，就可以進行仿真。這使得用戶能擺脫程序編寫中的許多細節(jié)問題，將精力集中于研究所要仿真的問題本身。這樣的一種用于仿真研究的專用計算機語言，便是仿真語言。,9.1.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真,仿真程序具有一定通用性的仿真程序包和仿真語言是處理不同問題常用的三種仿真工具。表9.1.1對它們進行了比較。讀者可以根據(jù)問題的需求，以及軟硬件的可能性進行選擇使用。 表9.1.1,9.1.2 仿真語言的功能,數(shù)字仿真語言是一種直接面向仿真問題的專用語言，是進行數(shù)字仿真的重要工具。其主 要功能表現(xiàn)為以下三點： (

5、1) 有一套完整的規(guī)定描述模型的符號語句句法及語法，并有檢測用該語言所 編寫的源程序中錯誤的能力，最后能將文法上正確的源程序翻譯成機器可執(zhí)行碼（一般是先翻譯成某一種高級語言，比如FORTRAN語言，然后由計算機廠家所提供的編譯程序轉(zhuǎn)換成機器代碼）。 (2) 具有設(shè)定模型實驗的初始條件終止條件，以及控制并實現(xiàn)單次多次或迭代 運行的功能。 (3) 具有對仿真結(jié)果的分析與顯示功能。,9.1.2 仿真語言的功能,由上面所介紹的仿真語言的三種功能可知：使用者使用這種語言不僅能更多地擺脫掉 對程序的熟悉與了解，而且由于它具有更強的仿真功能，因此能用來仿真比較復(fù)雜的系統(tǒng)，并且對系統(tǒng)進行更全面的實驗。,9

6、.1.3 仿真語言的分類,仿真語言可以按不同方式進行分類。 一、按被仿真系統(tǒng)的特點分類 按被仿真系統(tǒng)的特點可將仿真語言分為三類： 連續(xù)系統(tǒng)仿真語言； 離散系統(tǒng)仿真語言； 通用仿真語言。 連續(xù)系統(tǒng)仿真語言所采用的模型通常是微分方程，系統(tǒng)的響應(yīng)是按一個或幾個自變量的 變化而連續(xù)發(fā)生的。而離散系統(tǒng)仿真語言所采用的模型通常不包括微分方程，而包括部分代數(shù)方程和邏輯關(guān)系，其系統(tǒng)的響應(yīng)是以在一個自變量的離散點上的事件序列的形式發(fā)生的。對于兩類系統(tǒng)均適用的是通用仿真語言。本書僅介紹連續(xù)系統(tǒng)仿真語言。,9.1.3 仿真語言的分類,二、按數(shù)學模型的形式分類 連續(xù)系統(tǒng)仿真語言按被仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型形式，可分為

7、： 面向方程的仿真語言； 面向框圖的仿真語言。 面向方程的仿真語言采用的模型描述方式是一階微分方程組和代數(shù)方程，即與現(xiàn)代控制 理論中的狀態(tài)空間相對應(yīng)。面向框圖的仿真語言中模型是通過框圖的形式描述的，框圖中的內(nèi)容可以是加減乘除運算，邏輯運算和積分運算等基本算符，也可以是基本傳遞函數(shù)或其它特定函數(shù)。,9.1.3 仿真語言的分類,三、按運行方式分類 按仿真語言在計算機上運行方式可分為： 交互式仿真語言，或會話式仿真語言； 非交互式仿真語言，或批處理式仿真語言。 交互式仿真語言在具有分時操作系統(tǒng)的大中型計算機或小型微型計算機上運行，通 常采用圖形顯示終端，并以鍵盤或光筆作為輸入設(shè)備。該方式由于

8、采用對話形式，故可及時觀察分析仿真結(jié)果，修改模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)。非交互式仿真語言在大中型機上通常采用讀卡機來輸入問題，在微型機上通常采用宏定義方式來描述問題和實驗方法。顯見這種方式只有在取得一次運行的結(jié)果后，才能分析仿真結(jié)果，并修改模型參數(shù)和實驗方法。,9.1.4 數(shù)字仿真語言的發(fā)展概況和性能評價,從60年代開始，國外就已著手研制仿真語言。第一個獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)字仿真語言是MIMIC，它是1965年研制成功的一種面向方程的仿真語言。該語言的主要部分是一個翻譯器，它把用MIMIC語言書寫的仿真源程序翻譯成機器代碼。1966年美國又推出了另一個數(shù)字仿真語言DSL/90，它也是面向方程的一種仿真語言。但

9、它的翻譯器是將仿真源程序翻譯成FORTRAN語言，因此這種仿真語言可以和FORTRAN語言兼容。在這期間，美國相繼推出了許多種數(shù)字仿真語言，為了促進數(shù)字仿真語言規(guī)范化，進一步普及推廣數(shù)字仿真的應(yīng)用，美國計算機仿真協(xié)會（SCS）軟件委員會于1967年召集了許多仿真方面的專家進行了討論，最后發(fā)表了一個數(shù)字仿真語言的標準文本CSSL。因為SCS是美國仿真學術(shù)界的中心，因此CSSL有相當?shù)臋?quán)威性，在70年代初一直被廣泛應(yīng)用。與CSSL并列的還有一個被廣泛應(yīng)用的數(shù)字仿真語言CSMP，它是IBM公司推出的。由于IBM公司是美國最大的一家計算機公司，所以CSMP也擁有眾多的用戶。,9.1.4 數(shù)字仿真語言的

10、發(fā)展概況和性能評價,在70年代以后，數(shù)字仿真語言在提高功能提高速度等方面有了一些新的發(fā)展。它們的代表是ACSL及DARE系列。我國從70年代后期在引進移植和研制數(shù)字仿真語言方面也做了不少工作，并已取得了可喜的成績。80年代，我國的仿真工作者在引進與消化國外仿真語言的基礎(chǔ)上，逐步形成了自己的語言規(guī)范。ICSL就是我國一個功能比較齊全質(zhì)量較高的仿真語言。,9.2 仿真語言的基本結(jié)構(gòu)和組織 9.2.1 對仿真語言的主要要求,一個好的仿真語言應(yīng)滿足下列要求： (1) 被仿真的問題可以以自然的形式，方便地用仿真語言的語句描述。所謂自然的形式，是指與工程技術(shù)人員用來描述被仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型相一致的形式。通

11、常，被仿真系統(tǒng)的數(shù)學模型具有微分方程與代數(shù)方程組合的形式，或框圖的形式，因而要求仿真語言也能以相似的形式描述系統(tǒng)，最好兼有兩種方式描述的能力，因為有些系統(tǒng)的模型具有組合的形式。 (2) 要求仿真語言具有并行性的特點。在被仿真的實際連續(xù)系統(tǒng)中，過程是并行發(fā)生的，對模擬計算機來說，它是一種并行的計算裝置，即對各個變量的運算是同時進行的，因而真實地體現(xiàn)了所仿真的連續(xù)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)。但數(shù)字計算機是串行計算裝置，為了滿足閉合回路的要求，一個變量在先前沒有規(guī)定就不能出現(xiàn)在語句中，因而仿真語言必須有一種自動分選能力，能將規(guī)定數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)的仿真語言的語句排列成正確的計算順序，從而使計算機按順序計算，而從仿真

12、語言的程序看來則如并行運算一樣。,9.2.1 對仿真語言的主要要求,(3) 仿真語言應(yīng)備有多種不同的積分方法可供使用者選擇。積分算法是數(shù)字仿真程序的核心。微分方程的數(shù)值解法有許多種；不同的方法具有不同的特點（精度計算速度和對計算機的要求等），適合于不同的應(yīng)用場合。多種積分算法的存在為滿足用戶的具體應(yīng)用要求提供充分的選擇余地。 (4) 仿真語言應(yīng)包含有預(yù)先編制好的輸入和輸出程序。輸入程序可使用戶方便地輸入問題的模型和參數(shù)，并且便于修改模型參數(shù)。輸出程序使用戶可按所研究的問題的需要，選擇有關(guān)的輸出變量與參數(shù)，以多種輸出方式輸出。輸出方式包括數(shù)據(jù)表格，時間響應(yīng)曲線，相平面軌跡及變量與參數(shù)的交叉列表和

13、繪圖。輸出設(shè)備的形式應(yīng)多樣化，包括寬行打印機數(shù)字繪圖機圖像終端等。使用者可以方便地用于準備技術(shù)報告的規(guī)格化文件。,9.2.1 對仿真語言的主要要求,(5) 為了面向用戶，仿真語言應(yīng)與現(xiàn)有常用的有序編程語言（通常為FORTRAN,C語言等）有兼容性，使仿真語言的語句和有序語言的語句混和，從而有經(jīng)驗的用戶可以將有序語言的功能引入到仿真語言中，擴展仿真語言的能力。 (6) 為了面向用戶，要求仿真語言要適應(yīng)不同水平用戶的要求。對不太熟悉的用戶，可以使用仿真語言的基本組成部分，基本結(jié)構(gòu)語句（或基本算符）和代數(shù)語句，內(nèi)裝的程序庫，完成基本的仿真研究。對熟練的或內(nèi)行的用戶，則要求仿真語言具有擴展能力，能將用

14、戶規(guī)定的函數(shù)和程序加入到內(nèi)裝程序庫中。 (7) 要求仿真語言配有宏函數(shù)處理器。用戶可將他所研究的問題中多次重復(fù)使用的部分編寫為宏函數(shù)，通過宏函數(shù)處理器可被主程序反復(fù)引用。仿真語言的宏函數(shù)不僅是一種方便的速記手段，而且可成為一種表示分系統(tǒng)或特殊運算的直觀的有意義的語言要素。,9.2.1 對仿真語言的主要要求,(8) 仿真語言不僅應(yīng)便于輸入和修改系統(tǒng)參數(shù)及初始條件，更進一步應(yīng)能進行多次運行的仿真研究，對多次運行具有邏輯控制函數(shù)存儲二次運行間的代數(shù)運算等能力。這種多次運行研究可用于模型參數(shù)及初始條件的“起始計算”和運行結(jié)果的“終結(jié)”處理，如求得時間歷程采樣的函數(shù)；按預(yù)先編定的程序或按前次運算結(jié)果確定

15、的參數(shù)及初始條件進行多次仿真運行，做迭代仿真實驗，優(yōu)化或模型匹配等研究；保存多次運行的時間歷程；交叉繪制或交叉列表表示參數(shù)和初始條件對解的影響；進行隨機輸入作用下的統(tǒng)計特性計算（蒙特卡羅仿真）。 (9) 要求具有多重速率的能力，即被仿真的模型可分成兩段或多段（相應(yīng)于被仿真總系統(tǒng)的分系統(tǒng)或暫存部分），以便不同時間常數(shù)的子系統(tǒng)（如快的分系統(tǒng)和慢的分系統(tǒng)）可采用不同的積分方法或積分步長；不同子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在時間推移過程中的轉(zhuǎn)接。 (10) 具有面向問題的錯誤的診斷能力，使仿真研究者能在源程序的級別上很快發(fā)現(xiàn)和改正錯誤。 上述要求是作為設(shè)計仿真語言的指導(dǎo)原則提出的，并不是所有仿真語言都能滿足所有這些要

16、求。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,一、仿真語言的一般結(jié)構(gòu) 仿真語言在結(jié)構(gòu)上一般包括三個區(qū)域：初始區(qū)動態(tài)區(qū)和終止區(qū)，如圖9.2.1所示。 一般將仿真語言的單次運行稱為仿真，同一問題的多次運行稱為研究。 (1) 初始區(qū)：初始區(qū)包括了所有在一次仿真之前必須進行的輸入/輸出操作和初始化步驟。那些具有更永久性特點的初始化操作（如指定具體的積分算法）應(yīng)在進入這一區(qū)域之前進行。 圖9.2.2說明了初始區(qū)的一般結(jié)構(gòu)。初始區(qū)在作用上可用三個分區(qū)域說明：解釋程序初始分區(qū)和積分初始分區(qū)。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,圖9.2.1 圖9.2.2,,,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組

17、織,解釋程序是一個標準的系統(tǒng)程序，它完成仿真分析人員和程序之間在運行時間的交互作用。仿真分析人員可通過終端或其它輸入裝置輸入?yún)?shù)和系統(tǒng)初始化的指令，這些指令經(jīng)解釋程序的翻譯而在運行時執(zhí)行。有下述類型的指令： 調(diào)整仿真中變量的值（如參數(shù)或初始條件）； 中間讀出任何仿真中變量的值； 對積分算法中可調(diào)控制參數(shù)，包括自變量的間隔初值和終值及誤差控制參數(shù)，進行控制； 進行簡單的算術(shù)運算，用以根據(jù)前一次的結(jié)果計算參數(shù)的改變量； 對個別的仿真運行進行初始控制和對一組仿真運行（研究）進行終止控制。 初始分區(qū)是進行初始化計算輸入和仿真研究終止邏輯控制的有序編碼。 積分初始化程序是運行時間所用數(shù)值積分系統(tǒng)的一部分

18、。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(2) 動態(tài)區(qū)：動態(tài)區(qū)是仿真過程中在數(shù)字計算機和外界之間起積極的交互作用中的一部 分，它表示在使用者規(guī)定的自變量的離散值上進行的所有計算和輸入/輸出操作。 自變量的基本間隔用每次經(jīng)過動態(tài)區(qū)的穿越來表示，稱為仿真通訊間隔。這一間隔只由 與外界通訊的準確度要求來決定。計算（積分）間隔可以比通訊間隔短。計算間隔嚴格按數(shù)字計算（特別是積分）的準確度要求來決定。 圖9.2.3所示說明了動態(tài)區(qū)的一般結(jié)構(gòu)，它可用兩個分區(qū)域描述：輸入/輸出和積分。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,圖9.2.3,,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,輸入/輸出分區(qū)包括了在基本自

19、變量回路中進行的積分運算以外的作用，其中有那些不屬于導(dǎo)數(shù)計算部分的與時間有關(guān)的代數(shù)計算和動態(tài)回路，以及程序條件實驗所必需的所有數(shù)字輸入。程序條件實驗用于確定：是否終止仿真并將控制轉(zhuǎn)移到終止區(qū)；是否要計算新的值和重新開始積分。在通信間隔上輸出系統(tǒng)變量是在這一分區(qū)上控制的。 積分分區(qū)包括了動態(tài)區(qū)內(nèi)對自變量的所有積分運算。積分分區(qū)還可以分成不同的數(shù)段，以便對幾組仿真的狀態(tài)變量采用不同的積分速率（或算法）。某些段落也可能根本不包含積分，而可能是仿真與積分速率有不同速率的并行同步邏輯部分的程序。 包括積分的各段都有與它相關(guān)的計算被積分的狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)的子程序，因為每一積分段都有這樣一個子程序，故它被稱為導(dǎo)

20、數(shù)段。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(3) 終止區(qū)：終止區(qū)接受動態(tài)區(qū)的控制，并將控制作用返回到仿真的入口處。終止區(qū)包括用以適當?shù)亟K止一次單一的仿真所需要的計算和輸入/輸出作用。此外，制備某些仿真報告的操作，如數(shù)據(jù)表和繪圖輸出，也在這一階段完成。 二 仿真語言的程序組織 仿真語言的程序通常由三部分組成：翻譯部分運行部分和輸出部分。 (1) 翻譯部分: 翻譯部分的主要作用是將使用者用仿真語言編寫的仿真程序翻譯為中介語言或機器語言的子程序，以供和運行部分的有關(guān)程序一起編譯（如果仿真語言的程序用中介語言寫成）連接和加載。翻譯部分還完成語句的分選和排序作用對使用者規(guī)定的輸出指令的解釋作用，以及

21、輸入數(shù)據(jù)（初始條件和參數(shù)）的處理。,9.2.2 仿真語言的一般結(jié)構(gòu)和組織,(2) 運行部分: 運行部分主要包括仿真運行的控制程序各種積分算法的子程序，以及各種仿真語言的內(nèi)裝程序庫函數(shù)。它們與翻譯模塊輸出的程序一起進行編譯連接加載執(zhí)行。 (3) 輸出部分: 輸出部分按使用者規(guī)定的輸出指令要求將仿真運算結(jié)果進行處理。它包括處理輸出指令，從有關(guān)的數(shù)據(jù)文件中抽取所需數(shù)據(jù)的子程序，在指定的輸出設(shè)備上顯示仿真結(jié)果的相應(yīng)的子程序。,9.3 一種典型的連續(xù)系統(tǒng)仿真語言,DARE-P(Differential Analyzer Replacement Portable)是由美國阿里桑那（Arizona）大學電器

22、工程系計算機科學研究實驗室研制成的一種仿真軟件。它是按批處理方式設(shè)計的，適合在中型及大型計算機上運行。國內(nèi)已有多家單位將它移植到微型機上。其主要特點如下：,9.3.1 DARE-P的主要功能,DARE-P主要功能如下： 面向方程，其模型采用一階微分方程和代數(shù)方程組描述，其狀態(tài)變量數(shù)200。 具有自動安排各方程運算次序的能力； 共有10種積分方法（見表9.3.1）可供選擇，用戶還可加入自定義的積分法則； 有多種庫函數(shù)可供調(diào)用，如延遲函數(shù)比較器飽和死區(qū)脈沖采樣滯環(huán)等； 具有多種輸出方式，包括打印數(shù)據(jù)和圖形，用繪圖機輸出圖形，等等； 在程序運行過程中，可以分階段給出編程錯誤診斷信息，便于用戶查錯。,

23、9.3.1 DARE-P的主要功能,表9.3.1 DARE-P仿真語言的10種積分法,9.3.2 DARE-P語言的基本結(jié)構(gòu),翻譯系統(tǒng)TRNSYS（占內(nèi)存約90KB） 這部分共有1個主程序1個數(shù)據(jù)塊26個子程序和2個函數(shù)子程序。它的主要作用是將用戶用仿真語言編寫的仿真題目程序翻譯成FORTRAN語言，編譯完后，自動與運行系統(tǒng)連接，一起運行。 運行系統(tǒng)RUNSYS（占內(nèi)存約170KB） 運行系統(tǒng)中包括1個主程序5個基本子程序，以及其它子程序和函數(shù)子程序等，這些子程序可分成三類： 存放控制變量值及生成數(shù)據(jù)文件子程序； 各種積分法則子程序； 仿真中常用的一些函數(shù)子程序。 運行系統(tǒng)中還分為單次仿

24、真和多次仿真兩種執(zhí)行過程。兩種過程的輸出結(jié)果各有不同要求。,9.3.2 DARE-P語言的基本結(jié)構(gòu),3輸出系統(tǒng)OUTSYS(占內(nèi)存約40KB) 輸出系統(tǒng)中有1個主程序1個數(shù)據(jù)塊19個子程序和2個函數(shù)子程序。它的作用是按輸出指令的要求從有關(guān)數(shù)據(jù)文件中抽取所需信息，完成所要求形式的輸出結(jié)果。,9.3.3 DARE-P的使用方法,DARE-P是一種模塊式結(jié)構(gòu)語言，模型描述初始值和參數(shù)設(shè)置，以及輸出指令，都分別寫在各個塊中。每一種模塊都有一定的識別符號（第2列上寫有$符號，其后再接1或2個字符）。各模塊名稱及其內(nèi)容見表9.3.2。,9.3.3 DARE-P的使用方法,下面分別說明各模塊內(nèi)容及有關(guān)子程

25、序。 (1) 導(dǎo)數(shù)塊($D1和$D2) 本塊主要用于寫入狀態(tài)方程和所定義的變量方程。其狀態(tài)變量導(dǎo)數(shù)用變量名加一圓點號(.)表示。例如： 一階微分方程為 其書寫格式為 方程可以按任意順序?qū)懭?，翻譯程序會自動將方程組整理出運算順序。但是表達式中必須避免代數(shù)環(huán)出現(xiàn)，即要求用顯式表示，而不能用隱式表示。例如，以下兩式就構(gòu)成了代數(shù)環(huán)： Q=P-X P=Y+Q 因為上式中的變量Q需從兩方程中解出，故構(gòu)成了代數(shù)環(huán)。,,,9.3.3 DARE-P的使用方法,導(dǎo)數(shù)塊中可以包含以下程序及變量： 過程段：它用于定義一組變量，其格式為 PROCED P,Q,,=X,Y, ENDPRO

26、被定義變量 控制仿真運行終止語句：其格式為 TERMINATE 算術(shù)表達式 當表達式小于或等于零時，仿真運行立即停止。例如： TERMINATE X+30.0 當X-30.0時，仿真運行停止。 存儲變量的語句：其格式為 STORE A,B, 其中 A,B, 為要存儲的變量名稱。,9.3.3 DARE-P的使用方法, 重復(fù)段：當有些算式需要重復(fù)運算時，可用重復(fù)段語句，例如： REPEAT 3 FI$.=(V$(-1)-V$)/FL V$.=(FI$-FI$(+1))/C ENDREP 即實現(xiàn)以下運算： FI1.=(V-V1)/FL FI2.=(V1-V2)/FL F3.=(V2-V3)/FL

27、V1.=(FI1-FI2)/C V2.=(FI2-FI3)/C V3.=(FI3-FI4)/C 導(dǎo)數(shù)塊$D1和$D2都是用于書寫模型方程及變量表達式的，一般只用一塊$D1就夠了。如果需要分開兩組寫（當采用不同的積分方法時），則可再用$D2導(dǎo)數(shù)塊。,9.3.3 DARE-P的使用方法,(2) 邏輯塊（$L） 這塊主要用于控制多次仿真運行。控制方式是重新設(shè)置變量值，并調(diào)用仿真運行程序RUN等。若是單次時不需要邏輯塊。 本塊中除調(diào)用運行子程序RUN完成從T=0到TMAX的一次仿真運行外，還調(diào)用以下子程序： RESET 用于將狀態(tài)變量等設(shè)置到初始值，但不對外部定義變量（參數(shù)）重新設(shè)置。仿真參數(shù)如DT,

28、DTMAX,DTMIN等也不重新設(shè)置。 CROSS 用于將輸出變量隨時間變化過程寫于磁盤文件CROSS中，其作用與STORE（存儲）子程序相似。 SAVE 用于將輸出變量隨時間變化過程寫于磁盤文件SAVE中。如不用SAVE，則輸出變量將寫在磁盤文件TIME中，但TIME文件只保留多次運行中的最后一次結(jié)果。 STROF 用于阻止TIME文件的數(shù)據(jù)輸出到SAVE文件中。因為有時只對多次運行中的最后一次解感興趣，故這時可調(diào)用這一子程序。 STRON 用于恢復(fù)TIME文件向SAVE文件的輸出。,9.3.3 DARE-P的使用方法,(3) FORTRAN塊（$F）和自編塊（$O） (4)表格塊（$T）

29、 用于設(shè)置一維和二維任意非線形函數(shù)自變量和函數(shù)值的數(shù)據(jù)表格，以及相應(yīng)的線性內(nèi)插查表函數(shù)。以一維函數(shù)為例，其格式如下： $T EXAMPLE OF ONE-DIMENSIONAL TABLE NAME,4 3.0,1.0 4.0,5.0 8.0,3.0 9.0,2.0 以上表格規(guī)定了一個單變量函數(shù)NAME(X),有4個數(shù)據(jù)點，自變量值3.0，4.0，8.0，9.0自小到大排列。 (5) 方法塊（$M） 主要用于調(diào)用各種積分法則子程序。 (6) 打印控制塊($P) 用于阻止打印。 (7) 模型結(jié)束（END） 寫于第13列上的END字符表示模型結(jié)束。另外，7380列作為識別區(qū)，語句內(nèi)容不能寫入。,9

30、.3.4 應(yīng)用例子,設(shè)二階系統(tǒng)的微分方程為 狀態(tài)方程為 在應(yīng)用DARE-P仿真語言時，用戶只需書寫以下程序即可 $D1 * SECOND ORDER SYSTEM Y.=YDOT YDOT.=-D*YDOT-Y+1.0 END TMAX=50.0,DT=0.1 END LIST,Y,YDOT PLOT,Y PLOTXY,Y,YDOT END,,,9.4 一體化仿真技術(shù),50年代最熱門的仿真領(lǐng)域是火炮控制和飛行控制系統(tǒng)，60年代是火箭（導(dǎo)彈）控制系統(tǒng)，70年代是航天能源和經(jīng)濟管理系統(tǒng)，80年代是計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）,而90年代最熱門的仿真領(lǐng)域是仿真技術(shù)本身的革命，即仿真理論

31、的發(fā)展和仿真開發(fā)系統(tǒng)的革新。這主要是因為各種技術(shù)工程所面臨的系統(tǒng)愈來愈龐大和復(fù)雜。要對這類系統(tǒng)進行符合相似程度的仿真實驗，傳統(tǒng)的仿真理論與仿真方法難以適應(yīng)，只有發(fā)展新型的仿真技術(shù)才能提高仿真效率，改善仿真環(huán)境。,9.4 一體化仿真技術(shù),一體化仿真技術(shù)起源于80年代中期，由于當時仿真應(yīng)用在廣度及深度方面已達到一個相當?shù)牡夭?；已有的各種仿真軟件常常不能方便而協(xié)調(diào)地支持仿真研究的全過程；而且不同的用戶或者不同的仿真任務(wù)對仿真環(huán)境均有不同的要求。此外更重要的是仿真工程師已經(jīng)意識到，仿真不是單純的對模型的實驗，而是應(yīng)當包括從建模到實驗再到結(jié)果分析的全過程。換言之，仿真軟件不再只是由仿真程序組成的簡單系統(tǒng)

32、，而是定義了一個建模分析和設(shè)計全過程仿真的環(huán)境。在這個環(huán)境中，嵌入了一個仿真運行系統(tǒng)。特別重要的是，這個環(huán)境支持仿真研究的全過程，包括模型描述實驗框架描述實驗運行統(tǒng)計分析輸出報告圖形顯示，以及對與各種仿真關(guān)聯(lián)的資源（如：模型參數(shù)集實驗框架算法和實驗結(jié)果）的存儲和管理。,9.4 一體化仿真技術(shù),一體化仿真環(huán)境的定義是：一體化仿真環(huán)境是一個軟件工具的集合，它包括設(shè)計編制及檢驗?zāi)Ｐ?；編寫及證實仿真程序；準備模型輸入數(shù)據(jù)；分析模型輸出數(shù)據(jù)；設(shè)計及執(zhí)行模型實驗大綱。由此也可以認為，所謂一體化仿真環(huán)境就是將若干個具有不同功能的軟件集成為一個包含有多種功能的軟件系統(tǒng)，使仿真模型能根據(jù)仿真任務(wù)的需求進行分解和

33、拼合，并能對仿真資源一體化在集成的程度上可以不同。比如：可以僅僅實現(xiàn)功能上的一體化，或僅僅實現(xiàn)資源管理上的一體化（線集成）；也可以實現(xiàn)功能與資源，或功能與模型的一體化（面集成）；還可以對功能模型處理及資源管理全面實現(xiàn)一體化（體集成），如圖9.4.1所示。,9.4 一體化仿真技術(shù),圖9.4.1 一體化仿真模型,,顯見，這樣的一體化仿 軟件必須以工程數(shù)據(jù)庫為核心，使操作系統(tǒng)編譯系統(tǒng)仿真語言數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)計分析和圖形生成軟件形成一個整體?；镜囊惑w化仿真環(huán)境如圖9.4.2所示，各部分的主要功能如下所述。,,9.4 一體化仿真技術(shù),圖9.4.2 一體化仿真環(huán)境,,9.4 一體化仿真技術(shù),一、一體化語

34、言 一體化語言部分的模塊主要由一體化語言命令集和一體化語言預(yù)編譯器所組成。命令集解釋系統(tǒng)并接受用戶的命令，對該命令進行語法檢查。若命令合法，則調(diào)用完成該命令的有關(guān)模塊，將接收到的參數(shù)傳給相應(yīng)的模塊，并完成命令所要求完成的功能。若命令不合法，則打印錯誤信息，并能給出正確的語法格式。一體化語言預(yù)編譯器則是處理用戶命令，并將命令翻譯成仿真語言的格式寫入仿真語言程序。仿真工程師按一體化語言格式寫成仿真程序。預(yù)編譯器的功能就是讀取用戶仿真程序，區(qū)別程序語句和命令語句，并完成命令語句功能。在一體化仿真語言的支持下，用戶可以用簡練的命令集構(gòu)成的仿真程序，完成從建模運行到優(yōu)化和結(jié)果分析一系列復(fù)雜的仿真過程。

35、,9.4 一體化仿真技術(shù),二 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫RDB實現(xiàn)，常用的有ORACLE,FOXPRO,DBASE等關(guān)系數(shù)據(jù)庫 語言。各種仿真關(guān)聯(lián)資源：模型參數(shù)集實驗框架和實驗數(shù)據(jù)等都存儲在這里。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過對這些資源的存儲和管理，以實現(xiàn)不同的仿真目的。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的存在是一體化仿真環(huán)境與傳統(tǒng)仿真工具之間最大差別的原因之一，也正是由于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠在仿真全過程中對仿真資源實行同一管理，因此也有學者認為：一體化仿真環(huán)境是以仿真數(shù)據(jù)庫為核心的軟件系統(tǒng)。,9.4 一體化仿真技術(shù),三、實驗運行系統(tǒng) 實驗運行系統(tǒng)包括辨識仿真優(yōu)化和分析等支撐服務(wù)軟件，其主要功能應(yīng)包括： 辨

36、識軟件的主要功能是根據(jù)用戶要求和實驗數(shù)據(jù)完成仿真模型的建立，參數(shù)辨識和模型驗證，采用的算法有最小二乘法極大似然法和隨機尋優(yōu)法等。 仿真部分應(yīng)包括各種數(shù)值積分算法，如亞當斯多步法龍格庫塔法，以及解剛性系統(tǒng)的雷納爾法，半隱式龍格庫塔法等。 優(yōu)化包括參數(shù)尋優(yōu)和函數(shù)尋優(yōu)等功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制設(shè)計，其算法應(yīng)包括梯度法單純形法隨機搜索尋優(yōu)等方法。 分析軟件至少應(yīng)有數(shù)據(jù)輸出和存放，圖形和曲線生成功能，對于較強的軟件還應(yīng)有對仿真結(jié)果的統(tǒng)計分析列表等功能，甚至能達到將仿真實驗階段的分析結(jié)果反饋到建模階段，以實現(xiàn)閉環(huán)仿真。,9.4 一體化仿真技術(shù),目前一體化仿真軟件的實現(xiàn)，公認最好的是由美國學者研

37、制成的TESS（The Extended Simulation System）。TESS由七部分構(gòu)成： TESS語言； 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)； 圖形產(chǎn)生器； 形式處理器； 圖形網(wǎng)絡(luò)建立器； FORTRAN子程序庫； 與仿真語言的接口。,9.4 一體化仿真技術(shù),整個系統(tǒng)以一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，通過TESS語言關(guān)系，存儲檢查數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，如圖9.4.3所示。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)包括：描述模型的數(shù)據(jù)仿真模型的輸入數(shù)據(jù)仿真實驗結(jié)果輸入/輸出顯示的參數(shù)。 用戶使用TESS可以做到建模仿真分析結(jié)果處理的一體化以及數(shù)據(jù)和參數(shù)格式的標準化。,圖9.4.3,,9.5 人工智能與仿真技術(shù) 9.5.1 概述,在過去的

38、幾十年時間里，作為研究智能本質(zhì)，并試圖建立實用系統(tǒng)的人工智能學科，在知識獲取知識表示問題解答定理證明程序自動設(shè)計自然語言理解計算機視覺多媒體技術(shù)機器人學機器學習和專家系統(tǒng)等方面，已取得了令人鼓舞的成果與廣泛的應(yīng)用。各種用途的專家系統(tǒng)正在不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)地理論和關(guān)鍵技術(shù)也已取得突破，并日益發(fā)展和完善。由于人工智能（AI）不僅在人類探索智能本質(zhì)方面具有重大的科學價值，而且在幫助人們解決某些專門領(lǐng)域中的問題時具有重大的經(jīng)濟價值，因此，眾多的學科和技術(shù)正在不斷地受著人工智能的影響。 將人工智能專家系統(tǒng)嵌入到仿真環(huán)境是減少仿真中的人力消耗，提高仿真自動化程度和仿真精度，拓寬一體化仿真規(guī)模的不可缺少的技術(shù)，

39、也是仿真技術(shù)本身變革的外在動力之一。仿真工程師們普遍關(guān)注人工智能專家系統(tǒng)學科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術(shù)增強系統(tǒng)仿真建模的能力，其主要表現(xiàn)在：,9.5.1 概述,引入知識表達及處理技術(shù)以擴大仿真模型的知識描述能力； 在建模仿真實驗設(shè)計和仿真結(jié)果分析等階段中，引入專家知識自動推理和解釋機制，以輔助領(lǐng)域工程師做各種決策； 輔助模型的修正和維護； 實現(xiàn)友好的人機界面（可視化技術(shù)自然語言理解多媒體技術(shù)）； 建立智能化數(shù)據(jù)庫以及輔助數(shù)據(jù)的管理維護。 AI技術(shù)在仿真中的應(yīng)用，最近幾年已有相當?shù)陌l(fā)展，許多理論問題和技術(shù)難點已獲得突破。隨著計算機軟硬件的發(fā)展，具有智能化的仿真環(huán)境已成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域。限于

40、篇幅，在此僅介紹人工智能在仿真技術(shù)中的應(yīng)用，以及討論某些相關(guān)的問題，而不去研究具有智能化仿真環(huán)境在具體領(lǐng)域中的應(yīng)用問題。有興趣的讀者可以參看相關(guān)的文獻。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,圖9.5.1是目前經(jīng)常用來描述人工智能與仿真技術(shù)在學科上的交叉圖，它涉及仿真領(lǐng)域的各方面，在此僅討論幾個主要方面。 圖9.5.1,,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,一 知識庫用于系統(tǒng)的建模與模型驗證 人類的科學知識從低級特殊到高級一般有層次地積累起來，用腦力來完成這些與科學理論構(gòu)造有關(guān)的知識的組織過程是困難的，

41、這需要付出巨大的代價。對物理系統(tǒng)的建模就屬于這樣的工作，它不僅需要一定的數(shù)學物理等知識，而且需要相當?shù)膶嶋H經(jīng)驗，即領(lǐng)域知識，才能做好工作。但利用計算機適當?shù)亟M織來自世界系統(tǒng)的信息，不僅對人機緊密結(jié)合的發(fā)展有所幫助，而且對建立一個能徹底支持建模活動的信息庫起了極大的作用。在這樣一個建模活動中，知識庫扮演著一個重要的角色。知識庫用于建模與模型驗證的基本課題是：在仿真研究的各個不同階段上借助專家知識庫輔助仿真工程師對仿真模型的建立驗證和綜合進行咨詢服務(wù)和決策。其主要應(yīng)用項目是建模顧問專家系統(tǒng)。它用在建模過程中應(yīng)用模型庫選擇模型元素并合成適當?shù)哪Ｐ停渲行膯栴}是能夠根據(jù)人類的經(jīng)驗用規(guī)范的形式來綜合描述

42、物理過程。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,二、仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合 在仿真與AI結(jié)合方面，一個重要的領(lǐng)域是AI對于大系統(tǒng)的計算機仿真，特別是用于決策系統(tǒng)的仿真。這時，要在一個信息不充分不確定，甚至不正確的情況下去進行計劃調(diào)度和做出各種方案的假設(shè)。在這類系統(tǒng)的仿真研究中，AI技術(shù)是十分適用的。由于這類系統(tǒng)的某些子過程主要表現(xiàn)為啟發(fā)式或符號運算式，因此用一個專家系統(tǒng)來建模是很合適的。對于另一些子過程，它們具有確定的和連續(xù)的性質(zhì)（如物理過程），因此可以按照一般動態(tài)系統(tǒng)建模方法來建模。 另一方面，仿真可用于評估一個知識系統(tǒng)。知識庫系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用是控制生產(chǎn)過程，類似人在控制過程

43、中所起的分析和支持作用。為了測試這樣一個智能控制系統(tǒng)，有必要建立系統(tǒng)仿真模型。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,若將仿真技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)有機地結(jié)合起來，就可實現(xiàn)自尋最佳的結(jié)果。實現(xiàn)這種智能化仿真系統(tǒng)所存在的主要問題是在目標的合適形式算法及硬件能力等方面。 目前的仿真基本上都是屬于開環(huán)仿真，領(lǐng)域工程師要花大量的時間和代價去面對一大堆表示仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表，在仿真環(huán)境中引入知識和專家系統(tǒng)可用于仿真實驗結(jié)果的分析和決策，并將結(jié)果反饋到建模型階段，再根據(jù)仿真結(jié)果和專家決策對仿真模型做綜合分析。,9.5.2 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用,三、仿真模型中知識的表達 在經(jīng)典的建模與仿真方法

44、中，主要存在的問題是：表達式模型結(jié)構(gòu)的靈活性；擴展程序設(shè)計的能力；面向批處理的建模等。解決這些問題的方法之一，是采用AI的知識表達系統(tǒng)去表達仿真模型中的知識（知識庫仿真）。具體而言，首先是要建立面向?qū)ο蟮姆抡嬲Z言。這里的知識包括下述一些內(nèi)容。 系統(tǒng)中關(guān)于每個實體的不同事實； 實體與實體之間關(guān)系的知識； 實體與系統(tǒng)特性之間關(guān)系的知識。 此外，還包括作用在系統(tǒng)上的外部影響關(guān)系的表達?？偟奶匦灾T如：模型在建立與改變過程中的交互性（知識表達具有靈活性和擴展性）；在建立模型過程中較少的程序設(shè)計工作量；相容性和完整性檢查。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),仿真專家系統(tǒng)是一個基于知識庫及推理機制的仿真軟件系統(tǒng)。

45、它具有下述與常規(guī)仿真系統(tǒng)不同的特點： 具有建模專家系統(tǒng)； 在AI基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫知識庫及控制結(jié)構(gòu)； 數(shù)據(jù)庫中除數(shù)值數(shù)據(jù)外，還有大量的符號數(shù)據(jù)，它們用來描述有關(guān)事實判斷規(guī)則及經(jīng)驗的知識； 仿真模型包括：數(shù)值/符號處理；算法/模式搜索，集成信息和控制/命令結(jié)構(gòu)分離； 具有智能化前端。 系統(tǒng)仿真的目的，就是用模型來產(chǎn)生用以擬合實際系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在建模方法學中，有演繹建模法，也有歸納建模法。演繹法是人們把建模方法的經(jīng)驗總結(jié)出來提供給計算機系統(tǒng)，作為以后建模的依據(jù)。歸納法則是借助計算機系統(tǒng)去分析數(shù)據(jù)抽取特征歸納概括成有指導(dǎo)意義的規(guī)則。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),不管哪種方法，要實現(xiàn)建模過程的自動

46、化，都必須有一個完備的專家系統(tǒng)支持。特別對于非工程系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，更需要一個龐大的仿真ES的支持。這是因為，在這些領(lǐng)域里，沒有完善的公式，甚至很多問題不能用公式表達而只有對問題的非形式化描述，仿真系統(tǒng)應(yīng)該能適應(yīng)這種描述，理解其意義，并根據(jù)它來建立模型。例如，對排隊系統(tǒng)的仿真，就應(yīng)該有關(guān)于排隊系統(tǒng)的基本常識和描述，這些描述很類似于人們?nèi)粘５臅捳Z言，而不是一串代數(shù)方程或FORTRAN代碼。因此，計算機如何適應(yīng)人的這種思維習慣（即模型的非形式化描述），就成了仿真建模的一個重要問題。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),計算機的功能應(yīng)盡可能適應(yīng)用戶描述仿真問題的習慣，盡可能適應(yīng)系統(tǒng)仿真本質(zhì)的要求，作為人類認識

47、世界和改造世界的有力工具。為此，必須建立對計算機的高一級控制功能，給計算機賦予一個“被仿真”系統(tǒng)的“世界觀”，讓計算機能理解用戶描述的問題，并把這種模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋬?nèi)部的仿真計算機模型，以用戶熟悉和易于理解的形式輸出仿真結(jié)果。這樣一個方便的人機友好的智能化仿真環(huán)境，能夠讓用戶以更多的精力去了解客觀世界的本身，而不陷于具體的仿真實現(xiàn)上。由此可見，這種達到智能化仿真水平的系統(tǒng)是很有意義的。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),目前，從事仿真技術(shù)的人們正在把更多的注意力轉(zhuǎn)移到社會經(jīng)濟環(huán)境生態(tài)等對象和系統(tǒng)上。計算機仿真越來越多地用于這類非工程系統(tǒng)的研究預(yù)測和決策。由于非工程系統(tǒng)多數(shù)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，具有“黑盒”的性質(zhì)

48、，故人們對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很難了解，只能根據(jù)其表現(xiàn)出來的行為實現(xiàn)建模和仿真。人們往往是根據(jù)觀測的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來描述這些行為的，因此采用自然語言的交互形式，并且借助專家系統(tǒng)進行輔助分析，這對于建模和仿真是很有利的。所借助的專家系統(tǒng)應(yīng)具有交互式的人機接口和用戶存取知識庫。此外，還應(yīng)具有一定的邏輯推理能力，這樣就可使計算機從單純的數(shù)據(jù)處理變?yōu)橛幸欢ㄖ悄艿耐评頇C。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),現(xiàn)在已開發(fā)出一些能實際應(yīng)用的仿真專家系統(tǒng)。仿真研究涉及許多方面的專家知識。一個計算機仿真過程包括：建立模型；分析解的存在性；選擇仿真語言；編寫仿真程序；實現(xiàn)仿真分析和優(yōu)化等。在建模和辨識方面，需要統(tǒng)計學知識；在仿真方面

49、，需要數(shù)值分析和概率論的知識。在這些方面，可建立相應(yīng)的知識庫和推理系統(tǒng)，從而給仿真研究提供一個決策咨詢系統(tǒng)仿真專家系統(tǒng)，用以實現(xiàn)仿真研究的自動化。,9.5.3 仿真專家系統(tǒng),例如，1984年法國INRIA的C戈梅斯（C.Gomez）發(fā)表的關(guān)于隨機控制系統(tǒng)建模仿真和優(yōu)化的專家系統(tǒng)就是一種很有意義的探索。系統(tǒng)采用半自然語言對求解問題進行描述，然后自動地實現(xiàn)以下功能： 選擇和產(chǎn)生數(shù)學模型； 進行理論分析； 選擇仿真算法； 生成FORTRAN程序； 編寫和編輯報告。 這個用于輔助建模型仿真和優(yōu)化的專家系統(tǒng)，采用LISP語言編寫程序，并將程序嵌入MACSYMA系統(tǒng)中。另一個例子是由美國NASA開發(fā)的仿真

50、專家系統(tǒng)NESS，它能輔助用戶對動態(tài)系統(tǒng)進行數(shù)學仿真，并能對仿真結(jié)果進行解釋和說明。如果輸出不滿足性能要求，則NESS可自動加入一個合適的補償器。NESS 由兩個子系統(tǒng)構(gòu)成：專家子系統(tǒng)及數(shù)值計算子系統(tǒng)。系統(tǒng)中的知識采用框架結(jié)構(gòu)來描述。,9.5.4 智能化仿真的研究與探索,隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與完善，人們設(shè)想了第五代智能化建模與仿真環(huán)境。它將把面向建模與仿真方法學的知識或面向某種應(yīng)用領(lǐng)域的知識裝入環(huán)境，構(gòu)成各種專家系統(tǒng)；將機器學習能力及面向目標的知識處理能力引入環(huán)境；將自然語言圖形及視像技術(shù)等用于人/機智能接口，從而構(gòu)成高度智能化的面向用戶面向問題面向?qū)嶒灥慕Ｅc仿真環(huán)境。它將使經(jīng)典的仿真系統(tǒng)

51、轉(zhuǎn)變成新一代的專家仿真系統(tǒng)。 自80年代中期以來，人們已在專家系統(tǒng)及智能接口方面做了大量的探索工作，包括智能前端型咨詢式系統(tǒng)型緊密結(jié)合型等各種建立系統(tǒng)數(shù)學模型的專家系統(tǒng)，用以輔助確定模型框架結(jié)構(gòu)特征化參數(shù)估計模型評價與檢驗原系統(tǒng)實驗設(shè)計等；仿真模型建立及檢驗的專家系統(tǒng)；仿真算法選擇專家系統(tǒng)；輸出分析專家系統(tǒng)；建模/仿真全過程專家系統(tǒng)；智能接口（自然語言交與及動畫視覺交與）。必須指出，國內(nèi)學者也在這方面開展了不少工作。限于篇幅，在此不予贅述。,9.5.4 智能化仿真的研究與探索,新的研究課題有： 1.自然語言語音識別視像系統(tǒng)圖形技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用；2.新的建模仿真方法學；3.各種仿真專家系統(tǒng)；4

52、.仿真信息/知識庫管理系統(tǒng)；5.將機器學習能力引進環(huán)境；6.擴展環(huán)境功能以適應(yīng)智能系統(tǒng)模型的建立與仿真；7.適合環(huán)境中各類用戶軟件的開發(fā)環(huán)境與工具；8.認識仿真過程中質(zhì)量的保證問題。 可以預(yù)見，隨著計算機軟件工程人工智能控制論系統(tǒng)論建模/仿真技術(shù)的發(fā)展，新一代智能化建模與仿真環(huán)境終將成為現(xiàn)實。,9.6 數(shù)學模型和建模方法學,在眾多的仿真文獻中，對仿真的定義是基于同一觀點：為了分析與研究已經(jīng)存在的或尚未建成的系統(tǒng)，首先應(yīng)該建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，并將其安裝在計算機上進行實驗，這一過程就稱為仿真。顯見“模型”和“實驗”是仿真的兩個重點。但傳統(tǒng)的仿真著重于“實驗”和“實驗方法”研究。近年來，隨著一體化仿

53、真技術(shù)的提出和發(fā)展，人們認識到仿真應(yīng)該是“建模實驗分析建?！边@樣一個循環(huán)體系。限于篇幅，在此重點介紹數(shù)學模型的作用性質(zhì)和建模方法的一般性原理，而關(guān)于模型結(jié)構(gòu)辨識和參數(shù)估計的具體算法，則是屬于系統(tǒng)辨識的范疇。,9.6.1 數(shù)學模型的作用和目標,數(shù)學模型，無論是在純科學領(lǐng)域還是在實際工程領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。首先，數(shù)學模型可以幫助人們不斷加深對客觀世界的認識，并且啟發(fā)人們?nèi)ミM行可以獲得滿意結(jié)果的實驗。另一方面數(shù)學模型有助于提高人們的決策和對客觀世界的干預(yù)能力。針對這兩個目標，又提出三級重要的標準，如圖9.6.1所示。 圖9.6.1 數(shù)學模型的作用,,9.6.1 數(shù)學模型的作用和目

54、標,從提高認識能力這個方面考慮，為了提高對通信思考理解三個層次的認識，加強這種影響作用，應(yīng)做到：首先，一個數(shù)學描述應(yīng)提供一個準確的易于理解的模式，即在信息傳遞時，這種描述模式可以減少引起誤解的幾率。其次，在研究系統(tǒng)的各種不同問題或考慮各種選擇時，需要一個相當規(guī)模的輔助思考過程。最后，一旦模型被綜合成為一組公理和定律時，這樣的模型將會使研究者更好地認識客觀世界的現(xiàn)象。 同樣，為了加強決策能力，也分化出三個不同的層次，管理控制和設(shè)計。管理是一種十分有限的干預(yù)方式，通過管理這種方式可以確定目標和決定行動的大致過程。但是這些策略無法制定得十分詳細，其具體實施必須委托給下一個層次，并在下一個層次被翻譯和

55、理解。因此，在意圖與實現(xiàn)兩者之間的聯(lián)系就變得模糊不清，在控制這一層，動作與策略之間的關(guān)系是確定的。但由于在控制層中動作僅限于在某個固定范圍內(nèi)選擇，所以仍然限制了干預(yù)的范圍。與此相反，在實施決策的設(shè)計層，設(shè)計者能在較大程度上進行選擇，擴大或替換部分真實系統(tǒng)，以滿足設(shè)計者的要求。相對其他兩層而言，實現(xiàn)一種設(shè)計所花費的代價更高，而且也不常進行。但是控制和管理這兩層是一種連續(xù)的“在線”活動。,9.6.1 數(shù)學模型的作用和目標,根據(jù)這種目標觀點，現(xiàn)實世界的物理系統(tǒng)按兩種觀點可分別分為兩部分。即，按第一種觀點，物理系統(tǒng)由能觀測和不能觀測兩部分組成；按第二種觀點看，物理系統(tǒng)是由能控制和不能控制兩部分組成。能

56、觀測部分對應(yīng)于系統(tǒng)中所有能被辨識理解觀測的部分；而能控制部分對應(yīng)于系統(tǒng)中那些可用某種方法加以修改轉(zhuǎn)換影響的部分。余下的部分對應(yīng)不能觀測和不能控制的部分，在一個實際的物理系統(tǒng)中它們占的比例往往很大。而一個真實的物理系統(tǒng)這種分解不是唯一的，它依賴于工程師的理解力對待事物的看法和客觀條件。當然，觀測和控制相應(yīng)地限制在系統(tǒng)的能觀測和能控制部分。 由于不能觀測和不能控制部分的存在，因此，對實際系統(tǒng)的觀測和控制的結(jié)果將是不確定的。而對系統(tǒng)認識得越深入，則對于觀測得理解和控制成功的把握性也就越大。,9.6.1 數(shù)學模型的作用和目標,到現(xiàn)在為止，已清楚地看出建模工作有兩個目的，一個數(shù)學描述具有目標上的二元性這

57、一事實具有特殊的意義。雖然在一個給定的環(huán)境中，建?？赡苁菫榱思由顚ο到y(tǒng)的認識程度，但同時也必將在同一水平上提供對系統(tǒng)控制的可能。換句話說，為了控制而建立的模型將有助于對系統(tǒng)的認識，而為了提高認識所建立的模型也有助于提高對系統(tǒng)控制的精度。建模的這種關(guān)系的主要優(yōu)點是能將互不關(guān)聯(lián)的關(guān)系結(jié)合成一個整體，否則這些關(guān)系之間的隱含點將難以刻畫。這一點對于預(yù)測現(xiàn)在已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)以外的數(shù)據(jù)有著特殊的意義和用途。 雖然數(shù)學建模可為許多目的服務(wù)，但是，如果認為一個特殊的描述對所有目標都適用，那將是十分愚蠢和可笑的。對于這一點，過去一直沒有很好地加以強調(diào)。這種情況在定量分析過于繁瑣，數(shù)學上的嚴格性過于精確時可能發(fā)生。

58、尤其是對于建模新手，更應(yīng)注意。 在實踐中，建模的目的應(yīng)該用較為準確的和具體的形式描述。而建模目的對于建模過程和建模效果有著很大的影響，隨著建模工程師對建模認識的深入，這一點將表現(xiàn)得更為明顯。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),在第一章中，已從功能的角度研究了系統(tǒng)的概念。這一部分將從建模的角度研究系統(tǒng)及其數(shù)學模型。為此還是先研究系統(tǒng)的概念。 一、系統(tǒng) 目前，人們把真實世界的一部分理解為系統(tǒng)，并將它定義為幾個相互作用的分系統(tǒng)的 合成體。從這個定義中，可以看出系統(tǒng)的“遞歸”性。即一個系統(tǒng)將是若干分系統(tǒng)的合成，而分系統(tǒng)中的每一個又依次是另一些系統(tǒng)的合成體。由此而帶來下面的系統(tǒng)“可分性”。 由上述

59、定義的結(jié)果看出，一個系統(tǒng)可以是一個大系統(tǒng)的組成部分。因此任何一個系統(tǒng)均需提供一個界面，通過它可以和其他系統(tǒng)相互作用。界面代表了有可能發(fā)生在系統(tǒng)邊緣的潛在事件。在邊緣處發(fā)生的事件，一方面取決于處于邊緣內(nèi)部的系統(tǒng)，另一方面則取決于邊緣外的環(huán)境。系統(tǒng)的這個特點約束了系統(tǒng)對界面的作用，這個約束就是所謂系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。正是這個內(nèi)部結(jié)構(gòu)，必須允許在希望停止分解時能停止抽象的描述過程，或者在希望繼續(xù)分解時能進一步具體化。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),為了精確地使內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體化，必須具有將互相分離的約束因素結(jié)合起來重新構(gòu)造的能力。這里所指的約束是指組成系統(tǒng)的所有各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在它們相互界面上的約束，若上

60、述重構(gòu)對于某個分解是可行的，則系統(tǒng)將服從這個分解。 二、抽象 模型和真實世界的過程之間最重要的關(guān)系之一是抽象，它是建模過程的基礎(chǔ)。例如在研究物體的運動軌跡時，經(jīng)過抽象可以將物體僅僅處理成一定質(zhì)量的點。 在數(shù)學上，集合的概念是建立在抽象的基礎(chǔ)上的。共同的基礎(chǔ)使集合論對于建模過程非常有用。通常，數(shù)學模型可看成是由一個集合構(gòu)造的。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),在建立一個數(shù)學模型時，需要建立幾個抽象概念，即定義幾個集合：輸入輸出和系統(tǒng)狀態(tài)變量。進一步，在這些抽象的基礎(chǔ)上，可建立復(fù)合的集合結(jié)構(gòu)，特別是要定義的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)常稱這個過程為理論建模。在此應(yīng)特別提醒讀者注意的是，基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析

61、和設(shè)計方法，在現(xiàn)代建模理論中越來越引起工程師們的注意。 再從模型到現(xiàn)實世界過程這方面看，這些集合最終要應(yīng)用到實際物理系統(tǒng)中。因此，抽象必須和真實目標相聯(lián)系。由此可提出建模中的一個基本公理：存在一個十分復(fù)雜的抽象模型，它可以詳細而精確地描述真實地物理系統(tǒng)。根據(jù)這個公理，可不斷地把細節(jié)增加到原抽象中去，以達到抽象與真實目標更接近的目的。這個過程成為具體化，也就是使抽象不斷地變得具體。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),在建模方法學中，還有一個基本假設(shè)：對于被研究的物理系統(tǒng)，當它們用于某種特殊目的時，對于研究過程和建模的目標，至少是“部分可理解”的?？煞纸獾南到y(tǒng)允許從系統(tǒng)中取出任何一部分，而不影響其

62、他部分。在現(xiàn)代科學中，往往假定每一個特定領(lǐng)域都是高度可分解的。例如，對大多數(shù)的航行器運動，均可在一定范圍內(nèi)將三維運動分解為水平和垂直運動。所以“部分可分解”的系統(tǒng)有著明顯的工程實際意義。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),三、建模的公式化 利用一個通用的公式可將一個物理系統(tǒng)定義為下面的集合結(jié)構(gòu)： S（t,x,w,q,y,,,） 式中 t 時間集 x 輸入集 w 輸入段集 q 內(nèi)部狀態(tài)集 y 輸出集 狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù) 輸出函數(shù) 系統(tǒng)不確定性。 根據(jù)上面提出的形式化的定義，可以給出關(guān)于系統(tǒng)行為的概念。一個系統(tǒng)的行為是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外部表現(xiàn)形式。即在叉積（x,t）(y,t)上的

63、關(guān)系。 這個關(guān)系可做如下計算：對于每一個狀態(tài)qQ和Q中的輸入段 w:t0,t1x,存在一個相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)軌跡： STRAJq,wt0,t1Q 使得 STRAJq,w（t0）=q 和對于tt0,t1有 STRAJq,w（t）=(q,wt),9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),上述的狀態(tài)軌跡是一個可檢測的結(jié)果，或者可在計算機仿真過程中被計算出來。這個軌跡的可觀測投影是和qQ，wQ相關(guān)的輸出軌跡 OTRAJqwt0,t1Y 例如，使用簡單的輸出函數(shù)形式（q），則存在 OTRAJqw(t)= (STRAJq,w（t）)| 這時，系統(tǒng)的行

64、為就可通過輸入輸出關(guān)系表現(xiàn)出來： Rs=(,|Q, = OTRAJqw ,Q對于某一個qQ) 我們稱每一個(,)Rs的元素為輸入輸出段對，并用它來表示一個有關(guān)系統(tǒng)的實驗結(jié)果或觀測結(jié)果。在該系統(tǒng)中，是對系統(tǒng)的輸入，是觀測到的輸出。由于一個系統(tǒng)在初始時可能處于任意一個狀態(tài)，因此對于同一個輸入段可對應(yīng)多個輸出段。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),四、描述水平 可以將一個實際過程看做一個系統(tǒng)，它能在某種水平上被分解。描述在某種所需要的水平上被分解的系統(tǒng)，可用一種數(shù)學上的程序，它對建模研究很有好處，特別是在可信性分析方面。圖9.6.2給出了系統(tǒng)描述的某些水平。 a b

65、 c 圖9.6.2 系統(tǒng)的描述水平 （a）在行為水平上的系統(tǒng) （ b）在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的系統(tǒng) （c）在分解結(jié)構(gòu)水平上的系統(tǒng),,,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),(1) 行為水平。 人們在這個水平上描述系統(tǒng)，是將它看成一個黑盒，并且對它施加一個輸入信號，然后對它的輸出信號進行測量與記錄。為此，至少需要兩個“時間基”，它一般是一個實數(shù)的區(qū)間（連續(xù)時間）或者是一個整數(shù)的區(qū)間（離散時間）。一個基本描述單位是“軌跡”，它是從一個時間基的區(qū)間到表示可能的觀測結(jié)果的某個集合上的映射。一個“行為描述”是由這樣一組軌跡的集合所組成的，這種描述也可成為系統(tǒng)的“行為”。通常

66、，在仿真概念上，加到黑盒上的某個變量被看做是輸入，它不受盒子本身的控制；而另一個是輸出，它指向表示系統(tǒng)邊界以外的環(huán)境。 因為對實際過程的實驗是處于行為水平上，所以這個水平是十分重要的。在這個水平上的描述比起下面所要介紹的結(jié)構(gòu)描述要簡單一些。,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)和假設(shè),(2) 狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平。 人們在這個水平上描述系統(tǒng)是將它看成一個了解內(nèi)部工作情況的機構(gòu)。這樣一種描述通過在整個時間上的遞推中，產(chǎn)生一種軌跡，也即一個行為。能產(chǎn)生這種遞推的基本單位是“狀態(tài)集”以及“狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)”，前者表示在任意時刻所有可能的結(jié)果，而后者則提供從當前給定狀態(tài)計算未來狀態(tài)的規(guī)則。另外，正如已經(jīng)看到的，為了映射狀態(tài)集，需要一個輸出函數(shù)，對能觀測的輸出集合來講，這些狀態(tài)集不一定能直接觀測。在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的描述比以前表示的行為水平更具有典型性。 (3) 分解結(jié)構(gòu)水平。 人們在這個水平上描述系統(tǒng)，是將它看做由許多基本的黑盒互相連接起來而構(gòu)成的一個整體。這種描述也可稱為網(wǎng)絡(luò)描述，其中的基本黑盒稱為成分，它給出了一個系統(tǒng)在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的描述。另外，每個成分必須表明“輸入變量”和“輸出變,9.6.2 數(shù)學模型的性質(zhì)