1、系統(tǒng)模型與仿真,王效俐 博士, ；65981366（辦）,1,一引言,系統(tǒng)、模型、仿真是一根鏈條上的三個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)工作程序的三個(gè)步驟。 研究系統(tǒng)要借助模型，有了模型要進(jìn)行運(yùn)作-仿真。根據(jù)仿真的結(jié)果，修改模型，再進(jìn)行仿真。根據(jù)一系列的仿真結(jié)果，得出現(xiàn)有系統(tǒng)的調(diào)整、改革方案或新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造方案。,2,系統(tǒng)模型是對(duì)于系統(tǒng)的描述、模仿和抽象，它反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)與主要特征。 系統(tǒng)模型高于實(shí)際的某一個(gè)系統(tǒng)而具有同類系統(tǒng)的共性。 模型方法是系統(tǒng)工程的基本方法。研究系統(tǒng)一般都要通過它的模型來研究，有些系統(tǒng)只能通過模型來研究。 在系統(tǒng)工程中，模型是系統(tǒng)的代名詞。我們說一個(gè)模型，就代表著一類系統(tǒng)，反過來，

2、我們說一個(gè)系統(tǒng)，就意味著使用它的一種模型。 構(gòu)造模型是為了研究系統(tǒng)的原型，因此，對(duì)模型一般有如下的要求：,二系統(tǒng)模型的定義和作用,3,（1）真實(shí)性：模型反映系統(tǒng)的物理本質(zhì)。 （2）簡(jiǎn)明性：模型反映系統(tǒng)的主要特征，簡(jiǎn)單明了，易于求解。 （3）完整性：系統(tǒng)模型應(yīng)該包括目標(biāo)與約束兩個(gè)方面。 （4）規(guī)范化：盡量采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)形式，或?qū)τ跇?biāo)準(zhǔn)形式的模型加以某些修改，使之適合新的系統(tǒng)。 模型的作用不在于、也不可能表達(dá)系統(tǒng)的一切特征，而是表達(dá)它的主要特征，特別是表達(dá)最需要知道的那些特征。所以建立模型需要在真實(shí)性和簡(jiǎn)明性之間權(quán)衡。 模型的完整性主要體現(xiàn)在建立一個(gè)系統(tǒng)的需要和可能兩個(gè)方面，而規(guī)范化則是強(qiáng)調(diào)對(duì)已有

3、模型的使用，且隱含著綜合就是創(chuàng)造的理念。,4,三系統(tǒng)模型的分類,物理模型,數(shù)學(xué)模型,實(shí)體模型,比例模型,模擬模型,解析模型,邏輯模型,網(wǎng)絡(luò)模型,圖象與表格,信息網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字化模型,概念模型,研究的速度、修改的方便性,現(xiàn)實(shí)感、費(fèi)用,系統(tǒng)模型分類與特征比較,分類方法一,5,分類方法二,同構(gòu)模型,同態(tài)模型,形象模型,模擬模型,符號(hào)模型,數(shù)學(xué)模型,啟發(fā)式模型,白箱模型,灰箱模型,黑箱模型,按相似程度分,按結(jié)構(gòu)特性分,按對(duì)對(duì)象的了解程度分,模型分類,6,模型庫(kù)與模型體系,7,直接分析法 數(shù)據(jù)分析法（橫斷面數(shù)據(jù)） 情景分析法 專家法（如Delphi technique） 1. 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建（一般步驟） （

4、1）明確目標(biāo) （2）找出主要因素，確定主要變量 （3）找出各種關(guān)系 （4）明確系統(tǒng)的資源和約束條件,四系統(tǒng)模型的構(gòu)建,8,（5）用數(shù)學(xué)符號(hào)、公式表達(dá)各種關(guān)系和條件 （6）代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，檢查模型是否反映所研究的問題 （7）簡(jiǎn)化和規(guī)范模型的表達(dá)形式 對(duì)模型進(jìn)行修正與簡(jiǎn)化的方法： （1）去除一些變量 （2）合并一些變量 （3）改變變量的性質(zhì) （4）改變變量之間的函數(shù)關(guān)系 （5）改變約束條件,9,2. 模擬模型的構(gòu)建 （1）物理模擬模型 例7-4：某公司擁有幾個(gè)加工廠，它們的位置已知?，F(xiàn)公司想建造一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)庫(kù)，要使運(yùn)輸?shù)目傎M(fèi)用最小。問這個(gè)倉(cāng)庫(kù)應(yīng)設(shè)何處？,W1,W2,W3,Wn,S1,S2,S3,S

5、,Sn,S1,S2,S3,S,Sn,w2,w3,w1,wn,10,（2）電路系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的相似性 例7-5：設(shè)有質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)（MNK）如下圖所示，試建立其微分方程與狀態(tài)方程。,M,K,N,F(t),y,O,解：根據(jù)牛頓第二定律有,整理得：,如果記,則有：,11,即,如果記,則有,12,例7-6：一個(gè)由電感、電阻與電容組成的電路（LCR系統(tǒng) ）。 表7-4：相似系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,13,系統(tǒng)仿真的概念 系統(tǒng)仿真的目的 系統(tǒng)仿真的過程：建立模型和對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行 系統(tǒng)仿真的類型：物理仿真、數(shù)字仿真、物理-數(shù)字仿真 圣達(dá)菲研究所網(wǎng)址：，該研究所開發(fā)

6、了一個(gè)名為SWARM軟件平臺(tái)，為各種模擬工具提供了方便易用的手段和環(huán)境。,五系統(tǒng)仿真,14,The Swarm Simulation System: A Toolkit for Building Multi-Agent Simulations Swarm is a multi-agent software platform for the simulation of complex adaptive systems. In the Swarm system the basic unit of simulation is the “swarm,” a collection of agents e

7、xecuting a schedule of actions. Swarm supports hierarchical modeling approaches whereby agents can be composed of swarms of other agents in nested structures. Swarm provides object-oriented libraries of reusable components for building models and analyzing, displaying, and controlling experiments on

8、 those models. Swarm is currently available as a beta version in full, free source code form. It requires the GNU C Compiler, Unix, and X Windows. More information about Swarm can be obtained from our web pages：/projects/swarm/,15,MIT斯隆管理學(xué)院的福瑞斯特在其創(chuàng)立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中提出了一種系統(tǒng)仿真方法，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)研究中得

9、到了比較廣泛的應(yīng)用。 About Vensim Vensim is a visual modeling tool that allows you to conceptualize, document, simulate, analyze, and optimize models of dynamic systems. Vensim provides a simple and flexible way of building simulation models from causal loop or stock and flow diagrams. By connecting words wit

10、h arrows, relationships among system variables are entered and recorded as causal connections. This information is used by the Equation Editor to help you form a complete simulation model. You can analyze your model throughout the building process, looking at the causes and uses of a variable, and a

11、lso at the loops involving the variable. When you have built a model that can be simulated, Vensim lets you thoroughly explore the behavior of the model.,16,Vensim是由美國(guó)Ventana Systems, Inc.所開發(fā)，為一可觀念化、文件化、模擬、分析、與最佳化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型之圖形接口軟件。Vensim可提供一種簡(jiǎn)易而具有彈性的方式，以建立包括因果循環(huán)(casual loop)、存貨(stock)與流程圖等相關(guān)模型。 使用Vensim建立動(dòng)態(tài)模型，