仿真建模方法PPT.ppt

,国防科大三院军用仿真技术研究室,系统建模与仿真,军用仿真技术研究室,国防科大,MSL,第,2,章 仿真建模基本理论与方法,建模过程,真实世界,概念模型,数学模型,仿真模型,第一次抽象,计算机模型,物理效应模型,实物 系统,建模过程,真实世界,概念模型,数学模型,仿真模型,第一次建模,计算机模型,物理效应模型,实物 系统,建模过程,真实世界,概念模型,数学模型,仿真模型,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,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,建模过程,先验知识,建模目的,建模目的,数学模型,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,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+1,2,）,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”，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,先验知识,专家经验,系统非形式化描述,数据处理,数据生成,可信度分析,数据分析,同态模型,观测数据,复杂系统仿真方法中的行为级建模过程,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,2.4.3,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。,管理机,Agent,组,1,Agent,组,2,Agent,组,n,Agent,组,1,Agent,组,2,Agent,组,n,（,a,）集中式,MAS,（,b,）分布式,MAS,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。,特征模型层,Agent,层,MAS,层,基于,Agent,的系统模型的层次,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（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,通信器,控制头,控制体,Agent,结构模型,通信器,驾驶员特性,控制器,车辆的功能特性,车辆,Agent,结构,1,、交通,Agent,的结构,2,、交通,Agent,的交互,3,、,Agent,的实现,车辆,Agent,交通信号灯,Agent,街道,Agent,交叉路口,Agent,Agent,之间的关系图,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。,