（交通信息工程及控制专业论文）基于LabVIEW的软件仿真平台的设计与实现.pdf

摘要 通过软件仿真平台，应用系统仿真技术，可以将软件和硬件有机地结合起来，当用 户在计算机界面上进行操作的时候，实际的效果可以在仿真平台上显示出来。软件设计 者可以通过软件仿真平台的操作得出对本软件的更客观的了解。有利于掌握软件各个环 节的运行情况和各个器件的参数和特征，有利于了解各器件的运行状态以及操作软件对 器件的影响和作用，从而更加有效且实际地开发出更符合实际和行之有效的软件。 本文设计的软件仿真平台可以看作是个高速公路的单向隧道模型，运用l a b v i e w 软件以系统工程方法论为指导对该软件仿真平台进行设计和实现。文中给出了软件仿真 平台的设计和实现过程，然后用d e l p h i 软件和三维力控组态软件之间以d d e 通信方式 进行控制软件仿真平台来对该平台进行调试，给出了d d e 通信的调试方法和过程，得 出调试结果。仿真平台的软件方面主要是编写了一个在平台上运行的用户界面，用以将 仿真实验的内容完整地展示给用户，并允许用户进行实验操作。硬件方面则使用模拟现 场实际情况的实验板，主要功能是将用户进行的实验操作进行计算，并将结果通过仿真来 显示出来。这样可以使软件开发者获得较为真实的实验感受，得出软件开发阶段的第一 手资料，从实际的角度对软件的完备性和可行性进行论证，从而得出对软件的准确的评 价和验证。 关键字：仿真平台，l a b v i e w ，调试，隧道模型 a b s t r a c t s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec a nb el i n k e dj u d i c i o u s l yw i t hs y s t e ms i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , b y m e a n so ft h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m w h e nt h eu s e r sa r eo p e r a t i n gt h es o f t w a r e ， p r a c t i c a lr e s u l t sc a nb ed i s p l a y e do nt h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m s o f t w a r ed e s i g n e rc a n g e tm o r eo b j e c t i v ee f f o r t sb yo p e r a t i n gs o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m o p e r a t i n gs o f t w a r e s i m u l a t i o np l a t f o r mi sp r o p i t i o u st om a s t e rt h er u n n i n gc o n d i t i o n so ft h es o f t w a r e ，g e th o l do f e v e r ye l e m e n t sp a r a m e t e r sa n df e a t u r e s ；i sp r o p i t i o u s t og e to p e r a t i o n a ls t a t e so fe v e r y e l e m e n ta n ds o f t w a r e si n f l u e n c et oe l e m e n t s ；a c c o r d i n g l y , m o r ew o r k a b l e ，e f f e c t i v ea n d p r a c t i c a ls o f t w a r ew o u l db ee x p l o i t e d t h ed e s i g n e ds o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi nt h et h e s i sc a nb er e g a r d e da sao n e w a y m o d e lo fh i g h w a yt u n n e l ，i sd e s i g n e db ym e a n so fl a b v i e wu p h o l d i n gm e t h o d o l o g yo f s y s t e m se n g i n e e r i n g t h ep r o c e s si m p l e m e n t a t i o no f t h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi sg i v e n i nt h et h e s i s ，a n dt h e nd e b u g g e dt h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mb ym e a n so fd d e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e l p h ia n df o r c ec o n t r o l ，t h ed e b u g g i n gm e t h o da n dt h ep r o c e s so f c o m m u n i c a t i o ni sg i v e n ，f i n a l l y , g o tt h ed e b u g g i n gr e s u l t t h ed e t a i l sa b o u ts o f t w a r em a i n l y c o n t a i n sc o m p i l i n gau s e ri n t e r f a c et h a tc a nr u ni nt h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi no r d e rt o s h o wt h ec o n t e n t so ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tt ou s e r s ，a n da l l o wu s e r st oo p e r a t et h e e x p e r i m e n t t h ed e t a i l sa b o u th a r d w a r ea r et h a tu s i n gab r e a d b o a r dt os i m u l a t ef i e l dc o n d i t i o n ， a n dt h em a i nf u n c t i o n so fc a l c u l a t i n gu s e r s l a b o r a t o r yo p e r a t i o n ，a n dt h e nd i s p l a y i n gr e s u l t s b ym e a n so fs i m u l a t i o n a d o p t i n go p e r a t i o no ft h es o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m ，s o f t w a r e d e v e l o p e r sc a ng e tt r u l yr e a ll a b o r a t o r yr e s u l t sa n df i r s t h a n di n f o r m a t i o na b o u tt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tp h a s e ，d e m o n s t r a t e st h ec o m p l e t e n e s sa n df e a s i b i l i t yi nt e r m so ft h er e a l i t y , t h u s c a no b t a i nv e r a c i o u se v a l u a t i o na n dv a l i d a t i o na b o u tt h es o f t w a r e k e yw o r d s ：s o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r m ；l a b v i e w ；d e b u g ；h i g h w a yt u n n e lm o d e l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：醺称确 三汐7 年j 月二r 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：膨娟雨力7 年，月2 乒日 导师签名： 序嘶 沙7 年月枷 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 随着高速公路建设的快速发展，高效、快捷、针对性强的监控软件开发在高速公路 建设方面占有越来越重要的地位。在高速公路监控软件开发阶段，应用软件仿真平台可 有效地对软件进行仿真测试，其目的就是为了得到较为真实的实验感受，得出软件开发 阶段的第一手资料，从而掌握软件各个环节的运行情况和各个部分的参数和特征，然后 根据这些资料对监控软件进行及时的修改和完善。 在高速公路监控软件开始阶段，利用软件仿真平台论证方案，进行经济和技术比较， 选择最优方案；在设计阶段，软件仿真平台可帮助软件开发人员优选系统合理结构，优 化系统参数，以期望获得系统最优的品质和性能；在调试阶段，利用软件仿真平台分析 系统响应与参数关系，指导调试工作，可以迅速完成调试任务；对已经运行的系统，利 用软件仿真平台可以在不影响生产的条件下分析系统的工作状态，预防事故发生，寻求 改进薄弱环节，以提高系统的性能和运行效率。通过在硬件上对软件的各个应用方向进 行测试，根据得到客观的数据，对软件的应用进行针对性的分析，这样有助于更加有效 且实际地开发出更符合实际的软件。 通过软件仿真平台，可以将软件和硬件有机地结合起来，当用户在计算机界面上进 行操作的时候，实际的效果可以在仿真平台上显示出来。软件设计者可以通过软件仿真 平台的操作得出对本软件的更客观的了解。本文设计的软件仿真平台模拟的是一个高速 公路的单向隧道，可以用于高速公路监控软件的后期测试，从而掌握软件各个环节的运 行情况和各个器件的参数和特征，了解各器件的运行状态和操作软件对器件的影响和作 用，以开发出更符合实际和行之有效的软件。对监控软件进行仿真研究，在不需要现有 现场参与的情况下，利用仿真平台进行仿真实验，通过对仿真输出结果的分析、对比和 评估来获得系统的行为表现，无疑是一种经济的方法，而且可以节省大量的时间，从来 提高时效性和工作效率。这在软件的实际应用方面具有先进性的意义。 1 2 研究背景 对高速公路监控软件仿真有助于对现有系统或未来系统的行为进行再现或预先把 握【l j 。当人们需要了解某一系统在特定条件或环境下的运行状态时，将该系统置于该特 第一章绪论 定条件或环境下，对系统本身做完整的实际运行，当然可以得到系统的运行特性和主要 参数，但是，这往往需要付出高昂的成本。而应用软件仿真平台对高速公路监控软件进 行仿真，在不需要现有系统参与或未来系统存在的情况下，利用仿真平台进行仿真实验， 通过对仿真输出结果的分析、对比和评估来获得系统的行为表现，无疑是一种经济的方 法，并引起人们的广泛关注。 软件仿真平台是在软件开发方向中的一个应用，在软件开发过程中占有非常重要的 地位。通过软件仿真平台，可以将软件和硬件有机地结合起来，当用户在计算机界面上 进行操作的时候，实际的效果可以在仿真平台上显示出来【2 】。本仿真平台服务于长安大 学交通系统工程研究所开发的高速公路监控软件，为后期开发出的监控软件进行实物仿 真。仿真平台的软件方面主要是编写了一个在平台上运行的用户界面，用以将仿真实验 的内容完整地展示给用户，并允许用户进行实验操作。硬件方面则使用模拟现场实际情 况的实验板，通过将编译好的软件加载到实验板上进行模拟现场的操作，将结果通过硬 件仿真来显示出来。这样可以使软件开发者获得较为真实的实验感受，得出软件开发阶 段的第一手资料，从实际的角度对软件的完备性和可行性进行论证，从而得出对软件的 准确的评价和验证1 3 j 。 在软件开发过程中，软件开发人员可以利用仿真平台对所设计的软件进行硬件仿 真，从而得出对本软件的更客观的评比结果，有利于掌握软件各个环节的运行情况和各 个器件的参数和特征，以更加有效且实际地开发出更符合实际和行之有效的软件，也可 以使设计人员节省大量的设计时间，提高工作效率。 1 3 国内外研究状况 仿真平台的应用不仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，而且已扩大为可 应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、技术指标论证、设计分析、生产制造、 试验、维护、训练等各个阶段，并可应用于由多个系统综合构成的复杂系统钔。 1 3 1 国外研究状况 对于国外仿真技术的发展和应用，已经有了专用的仿真平台，如n i 公司的l a b v i e w 软件，a d i 公司的a d r i t 系统和c o n e u r r e n t c o m p u t e r c o p 的h a w k 系列都是v m e 总线 的多处理器系统，主要用于嵌入式系统开发的m a t l a b 等仿真软件【5 1 。美国国防科学 委员会认为建立集成的综合仿真平台和仿真系统，应能解决实现以下五个层次的应用技 2 长安大学硕士学位论文 术【6 。 第一层次：基础技术。包括：光纤通信、集成电路、软件工程工具、人的行为模型 及环境模型。 第二层次：元、部件级技术。包括：内存、海量存储器、显示、局域网、微处理器、 数据库管理系统、数模数转换器、建模与仿真构造工具及测试设备。 第三层次：系统级技术。包括：微计算机系统、远距离通信广域网、人机界面、计 算机图像生成系统、高性能计算机系统、仪器装备系统、数据库及协议标准保密。 第四层次：应用级技术。包括：制造过程仿真、工程设计建模与仿真、含人仿真系 统、随机作战仿真及半自动兵力。 第五层次：集成综合环境和建模与仿真工具。包括：需求定义、原型机、规划、设 计与制造、训练与备战及测试与评估。 关于仿真系统的分类，从不同的角度可以有不同的分类名称。按被仿真对象的性质 划分，可分为连续系统仿真、离散事件系统仿真和混合系统仿真；按仿真系统的结构和 实现手段不同可分为数学仿真和硬件在回路仿真( 半实物仿真) 、人在回路仿真、软件 在回路仿真；按仿真应用可分为训练仿真和工程仿真；根据虚实结合的程序又可分为构 造仿真、虚拟仿真和实物仿真【刀。 在交通系统仿真平台方面，国外已经进入了成熟期，尤其在美国已经得到了迅速的 发展和广泛的应用【8 1 。这一时期，交通系统仿真平台的发展呈现如下特征： 1 系统建模开始突破微观模型和宏观模型的界限，出现了混合模型。 2 仿真软件开始向大型化、综合化方向发展。 3 研究重点从软件开发逐渐转向了系统模型的改进，包括模型的精炼，如加入优化 子模型和加入有效性测定、仿真模型集成、向个人计算机转移等等。 4 新的计算机技术开始用于交通系统仿真，主要表现在仿真界面更加友好，人机交 互更加方便等。 1 3 2 国内研究状况 我国仿真平台研究与应用开展较早，发展迅速。国内研制的仿真平台，可以在目标 硬件环境上进行仿真工作运行，如上海航虹高科技有限公司的爱迪克a c t 自动控制原 理教学实验系统【9 1 以及北京精仪达盛科技有限公司的自动控制原理实验系统【l o 】，这些自 动控制原理实验系统包含多个模块，可以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系 第一章绪论 统。7 0 年代，训练仿真器获得迅速发展，自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机 组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器 等相继研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起了很大作用【l o 】。8 0 年代，建 设了一批水平高、规模大的半实物仿真平台，如射频制导导弹半实物仿真平台、红外制 导导弹半实物仿真平台、歼击机工程飞行模拟器等，这些半实物仿真平台在武器型号研 制中发挥了重大作用【7 】。9 0 年代，开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其 应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，由单个武器平台的性能仿真发展为多 武器平台在作战环境下的对抗仿真，并进行分布式综合虚拟环境【1 2 】( d s v e ，d i s t r i b u t e d s y m h e t i cv i r t u a le n v i r o n m e n t ) 的研究。分布式综合虚拟环境是指基于网络的虚拟环境， 在此虚拟环境中，位于不同地理位置的多个用户或多个虚拟环境通过网络相连接，并共 享信息，实现人机交互，动态仿真，使人可以参与和沉浸在计算机创建的虚拟世界中【1 3 】。 分布式虚拟环境和科学计算环境可视化技术的结合，将使这种协同变得更加自然、更加 高效。利用分布虚拟环境进行大系统的并行设计工作，使上千名的设计者可以观察庞大 复杂的设计结果，了解不同设计方案对整体或其他部分的影响，从而促进各部门之间的 协作。 在交通仿真平台方面，用系统仿真技术进行道路交通的仿真实验开始于2 0 世纪8 0 年代，并且主要集中在高等院校等研究机构。早在1 9 8 4 年，北京工业大学就开始了交 通仿真的研究工作，为了了解直行汽车车队通过灯管路口的运行状态，用b a s i c 语言 编制了一个仿真程序，来求解头车运动方程和跟驰方程【1 4 】；2 0 世纪9 0 年代，采用以c 语言编制的程序对高速公路路段通行能力进行了计算机仿真【l5 1 ；近两年来，又开展了高 速公路基本路段通行能力和道路交织区交通行为的仿真研列蚓。同济大学在2 0 世纪9 0 年代初期，建立了优先控制t 型交叉口车辆运行的仿真模型，并研制了相应的仿真软件， 用来分析不同道路和交通条件对优先控制的t 型交叉口通行能力的影响；近年来利用微 观仿真技术对高速公路互通式立交的通行能力以及延误进行了研列1 。7 1 。此外，长安大学、 清华大学、东南大学、西安交通大学等单位也开展了交通仿真方面的工作。 总之，交通系统仿真平台在我国的应用只有一二十年的时间，还远远没有被广泛接 受。从已经做过的工作来看，基本上都是探索性的，迄今为止还没有开发一个被普遍认 可的或能用来解决实际问题的交通软件仿真平台，可以说，交通系统仿真在我国不仅起 步晚，而且发展也很缓慢【8 】。造成这种情况的原因是很多方面的，主要有： 1 交通工程技术人员计算机应用水平并不高。电子计算机特别是微型电子计算机在 4 长安大学硕士学位论文 我国只有十几年的时间，其广泛普及和应用只是近几年的事情，在这么短时间内来大幅 度提高交通技术人员的计算机水平难度太大。 2 计算机专业人员缺乏交通知识。在我国，计算机专业是作为一个单独的学科来对 待的，与其他学科的交叉融合尚有很长的路要走，与交通行业之间更是距离遥远。 3 混合交通使系统仿真建模变得十分困难。交通流中机动车与非机动车以及种类繁 多的机动车相互混合行驶是我国道路交通的一大特色，加之公民的现代交通意识比较薄 弱，导致交通秩序混乱。在这种情况下，要建立比较符合实际交通行为的系统仿真模型 确实十分困难，而国外也没有这方面的经验可以借鉴。 4 交通基础资料匮乏。建立交通系统仿真模型需要很多的参数，有些参数的确定依 赖于大量的观测数据和基础理论研究。由于交通工程学在2 0 世纪8 0 年代才刚刚进入我 国，至今尚未形成完整的学科体系；而我国进入机动化时代也只是最近几年的事情。 因此，要改变我国交通系统仿真技术应用的落后状况，尚需交通工程技术人员和计 算机专业人员的大力携手合作，并且要付出长期艰苦的努力。 1 4 本文主要研究内容 本论文设计的仿真平台主要是面向高速公路监控软件，运用l a b v i e w 软件以系统 工程方法论为指导进行设计和实现。仿真平台的软件方面主要是编写了一个在平台上运 行的用户界面，用以将仿真实验的内容完整地展示给用户，并允许用户进行实验操作。 硬件方面则使用以p l c 模块为核心的实验板，主要功能是将用户进行的实验操作进行 计算，并将结果通过仿真来显示出来。从而使软件开发者获得较为真实的实验感受，得 出软件开发阶段的第一手资料，从实际的角度对软件的完备性和可行性进行论证，从而 得出对软件的准确的评价和验证。 本论文首先针对系统工程方法论的主要分支和各分支的主要内容进行了简要的介 绍，确定了霍尔三维结构方法论为指导思想，其次对论文中用到的工具l a b v i e w 进行 简洁的说明，然后介绍了本软件仿真平台的设计过程，最后用d e l p h i 和三维力控组态软 件之间的d d e 通信进行后期调试。 第二章理论基础以及开发工具 第二章理论基础以及开发工具 2 1 系统工程的定义 第二次世界大战以后，为适应社会化大生产和复杂的科学技术体系的需要，需要逐 步把自然科学与社会科学中的某些理论和策略、方法联系起来。系统工程是一门高度综 合性的工程技术，涉及自然科学和社会科学的多门学科，是- - f - j 把已有学科分支中的知 识有效地组合起来用以解决综合化的工程技术【1 8 】。系统工程的基本方法是：系统分析、 系统设计相系统的综合评价。具体地说，就是用数学模型和逻辑模型来描述系统，通过 模拟反映系统的运行、求得系统的最优组合方案和最优的运行方案【1 9 1 。7 0 年代以来， 系统工程已广泛地应用于交通运输、通讯、企业生产经营等部门，在体育领域亦有应用 价值和广阔的前景【2 0 1 。它的基本特点是：把研究对象作为整体看待，要求对任一对象的 研究都必须从它的组成、结构、功能、相互联系方式、历史的发展和外部环境等方面进 行综合的考察做到分析与综合的统一【2 1 1 。最常用的系统工程方法，是系统工程创始人 之一霍尔创立的，称为三维结构图：1 时间维，分为规划、设计、开发、建造、安装、 运行、更新七个时间阶段。2 逻辑维，是指时间维的每一个阶段内所要进行的工作内容 和应该遵循的思维程序，包括明确问题、建立价值体系或评价体系、系统分析、系统综 合、系统方案的优化选择、决策、制定实施计划七个逻辑步骤。3 知识维，列举需要运 用包括工程技术、技术科学、自然社会科学、系统科学、哲学科学等各种知识和技能【2 2 1 。 系统工程( s y s t e m se n g i n e e r i n g ) 是系统科学的一个分支，实际是系统科学的实际应用 【捌。可以用于一切有大系统的方面，包括人类社会、生态环境、自然现象、组织管理等， 如交通事故、人口增长、军备竞赛、化工过程、环境污染、信息网络等【2 0 1 。系统工程是 以整个系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果 最优的理论与方法【2 l 】。 2 2 系统工程方法论的基本概念 系统工程方法论用于解决系统问题的一套工作步骤、方法、工具和技术，是在综合 应用运筹学、控制论、信息论、管理科学以及计算机科学等有关学科的理论和方法的基 础上形成的科学思想和方法【2 2 】。 6 长安人学硕士学位论文 2 2 1 系统工程的发展概况 系统工程方法论是在系统工程的实践中不断形成和发展起来的。早在1 9 5 7 年，美 国学者h h 古德和r e 麦克霍尔在系统工程书中就对工作步骤、工具和技术等方 面作过较为系统的描述。到了6 0 年代，许多系统工程学者根据实践经验，总结出了系 统工程方法论的许多有关步骤、内容和方法，虽然这些工作成果在形式上不尽相同，但 基本思想还是一致的，其中以霍尔的方法论最具代表性【2 3 2 4 ，2 5 1 。美国学者a d 霍尔在 1 9 6 9 年利用结构分析法提出著名的霍尔三维结构，使系统工程的工作阶段和步骤更为清 晰明了。此种方法论是系统工程方法论中经典的一种。在战争年代，系统工程也可以用 来寻求各种作战问题的最优策略，同时也用于研究一些与组织和管理大型工程项目有关 的技术。 为解决系统工程各类问题的需要，对有关的方法和工具进行合理的组合，就构成了 相应的实用技术。系统工程中最常用的技术有：建模、仿真( 模拟) 、最优化技术、决策 分析、预测技术和技术评估等【2 引。例如，在明确目标步骤中，常常应用各种预测技术对 未来进行推测和估计；在系统综合步骤中，可以应用方案生成技术来帮助形成方案；在 系统分析步骤中，更需要用各种建模技术和最优化技术来分析各种备选方案的功能、费 用和效益等技术经济指标；在决策步骤中，则要使用决策分析、多目标决策等【2 1 ，2 5 1 。 系统工程方法论正在不断发展和不断完善，还在不断研究出一些新方法，用于解决 各种实践问题，它也常常根据需要选用其他学科领域中的新方法来充实和丰富自己的内 容。目前影响力较大的主要有霍尔三维结构方法论、软系统方法论和综合集成方法论。 2 2 2 霍尔三维结构方法论 该三维结构是由美国系统工程专家霍尔( a d h a l l ) 于1 9 6 9 年提出的一种系统工程方 法论。本软件仿真平台在设计和实现的过程中也是由此做指导思想。它的出现，为解决 大型复杂系统的规划、组织、管理问题提供了一种统一的思想方法，因而在世界各国得 到了广泛应用。霍尔三维结构是将系统工程整个活动过程分为前后紧密衔接的七个阶段 和七个步骤，同时还考虑了为完成这些阶段和步骤所需要的各种专业知识和技能【2 丌，该 方法论的示意图如图2 1 所示。这样，就形成了由时间维、逻辑维和知识维所组成的三 维空间结构，如图所示。其中，时间维表示系统工程活动从开始到结束按时间顺序排列 的全过程，分为规划、设计、开发、建造、安装、运行、更新七个时间阶段【2 引。逻辑维 是指时间维的每个阶段内所要进行的工作内容和应该遵循的思维程序，包括明确问 7 第二章理论基础以及开发工具 题、建立价值体系或评价体系、系统分析、系统综合、系统方案的优化选择、决策、制 定实施计划七个逻辑步骤。知识维列举需要运用包括工程技术、技术科学、自然社会科 学、系统科学、哲学科学等各种知识和技能。 时闻维 逻辑维 图2 1 霍尔三维结构 三维结构体系形象地描述了系统工程研究的框架，对其中任一阶段和每一个步骤， 又可进一步展开，形成了分层次的树状体系。下面将逻辑维的7 个步骤逐项进行展开讨 论，由此可以看出，这些内容几乎覆盖了系统工程理论方法的各个方面【2 1 , 2 8 , 2 9 , 3 0 】。 1 明确问题。系统开发的最初阶段首先要明确问题的性质，特别是在问题的形成和 规划阶段，搞清楚要研究的是什么性质的问题，以便正确地设定问题，否则，以后的许 多工作将会劳而无功，造成很大浪费。国内外学者在问题的设定方面提出了许多行之有 效的方法，主要有： ( 1 ) 直观的经验方法。这类方法中，比较知名的主要有头脑风暴法( b r a i ns t o r m i n g ) ， 又称智暴法、5 w 1 h 法、k j 法等。这一方法的特点是总结人们的经验，集思广益，通过 分散讨论和集中归纳，整理出系统所要解决的问题。 ( 2 ) 预测法。系统要分析的问题常常与技术发展趋势和外部环境的变化有关，其中有 许多未知因素，这些因素可用打分的办法或主观概率法来处理。预测法主要有德尔菲法、 情景分析法、交叉影响法、时间序列法等。 ( 3 ) 结构模型法。复杂问题可用分解的方法，形成若干相关联的相对简单的子问题， 8 长安大学硕士学位论文 然后用网络图方法将问题直观地表示出来。常用的方法有解释结构模型法( 1 5 m 法) 、决 策实验室法( d e m a t e l 法) 、图论法等。 ( 4 ) 多变量统计分析法。用统计理论方法所得到的多变量模型一般是非物理模型，对 象也常是非结构的或半结构的。统计分析法中比较常用的有因子分析法、主成份分析法 等，成组分析和正则相关分析也属此类。此外，还有利用行为科学、社会学、一般系统 理论和模糊理论来分析，或几种方法结合起来分析，使问题明确化。 2 建立价值体系或评价体系。评价体系要回答以下一些问题：评价指标如何定量化， 评价中的主观成分和客观成分如何分离，如何进行综合评价，如何确定价值观问题等。 行之有效的价值体系方法有以下几种。 ( 1 ) 效用理论。该理论是从公理出发建立的价值理论体系，反映了人的偏好，建立了 效用理论和效用函数，并发展为多属性和多隶属度效用函数。 ( 2 ) 费用效益分析法。多用于经济系统评价，如投资效果评价、项目可行性研究等。 ( 3 ) 风险估计。在系统评价申，风险和安全性评价是一个重要内容，决策人对风险的 态度也反映在效用函数上。在多个目标之间有冲突时，人们也常根据风险估计来进行折 衷评价。 ( 4 ) 价值工程。价值是人们对事物优劣的观念准则和评价准则的总和。例如，要解决 的问题是否值得去做，解决问题的过程是否适当，结果是否令人满意等。价值工程是个 总体概念，具体体现在设计、制造和销售各个环节的合理性上。 3 、系统分析。不论是工程技术问题还是社会环境问题，系统分析首先要对所研究 的对象进行描述，建模的方法和仿真技术是常采用的方法，对难以用数学模型表达的社 会系统和生物系统等，也常用定性和定量相结合的方法来描述。系统分析的主要内容涉 及以下几方面： ( 1 ) 系统变量的选择。用于描述系统主事状态及其演变过程的是一组状态变量和决策 变量，因此，系统分析首先要选择出能反映问题本质的变量，并区分内生变量和外生变 量，用灵敏度分析法可区别各个变量对系统命题的影响程度，并对变量进行筛选。 ( 2 ) 建模和仿真。在状态变量选定后，要根据客观事物的具体特点确定变量间的相互 依存和制约关系，即构造状态平衡方程式，得出描述系统特征的数学模型。在系统内部 结构不清楚的情况下，可用输入输出的统计数据得出关系式，构造出系统模型。系统对 象抽象成模型后，就可进行仿真，找出更普遍、更集中和更深刻反映系统本质的特征和 演变趋势。 。 9 第二章理论基础以及开发工具 ( 3 ) 可靠性工程。系统可靠性工程是研究系统中元素的可靠性和由多个元素组成的系 统整体可靠性之间的关系。一般讲，可靠的元件是组成可靠系统的基础，然而，局部的 可靠性和整体可靠性间并非简单的对应关系，系统工程强调从整体上来看问题。在4 0 年代，冯诺依曼( v o nn e u m a n n ) 开始研究用重复的不那么可靠的元件组成高度可靠系统 的问题，并进行了可靠性理论探讨。钱学森教授也提出，现在大规模集成电路的发展便 元器件的成本大大降低，如何用可靠性较低的元器件组成可靠性高的系统，是个很有现 实意义的问题。近年来，己采用的可靠性和安全性评价方法有f t a 或e t a 等树状图形 方法。 4 、系统综合。系统综合是在给定条件下，找出达到预期目标的手段或系统结构。 一般来讲，按给定目标设计和规划的系统，在具体实施时，总与原来的设想有些差异， 需要通过对问题本质的深入理解，做出具体解决问题的替代方案，或通过典型实例的研 究，构想出系统结构和简单易行的能实现目标要求的实施方案。系统综合的过程常常需 要有人的参与，计算机辅助设计( c a d ) 和系统仿真可用于系统综合，通过人机的交互作 用，以及人的经验知识，使系统具有推理和联想的功能。近年来，知识工程和模糊理论 已成为系统综合的有力工具。 5 、系统方案的优化选择。在系统的数学模型和目标函数已经建立的情况下，可用 最优化方法选择便目标值最优的控制变量值或系统参数。所谓优化，就是在约束条件规 定的可行域内，从多种可行方案或替代方案中得出最优解或满意解。实践中要根据问题 的特点选用适当的最优化方法，目前应用最广的仍是线性规划和动态规划，非线性规划 的研究很多，但实用性尚有待改进，大系统优化已开发了分解协调的算法。 6 、决策。“决策就是管理”，“决策就是决定，人类的决策管理活动面临着被决策 系统的日益庞大和日益复杂。决策又有个人决策和团体决策、定性决策和定量决策、单 目标决策和多目标决策之分。在系统分析和系统综合的基础上，人们可根据主观偏好、 主观效用和主观概率做决策。决策的本质反映了人的主观认识能力，因此，就必然受到 人的主观认识能力的限制。近年来，决策支持系统受到人们的重视，系统分析者将各种 数据、条件、模型和算法放在决策支持系统中，该系统甚至包含了有推理演绎功能的知 识库，便决策者在做出主观决策后，力图从决策支持系统中尽快得到效果反应，以求得 到主观判断和客观效果的一致。决策支持系统在一定条件下起到决策科学化和合理化的 作用。 7 、制定实施计划。有了决策就要付诸实施，实施就要依靠严格的有效的计划。以 1 0 长安大学硕士学位论文 工厂为例，为实现工厂的生产任务和发展战略目标，就要制定当年的生产计划和未来的 发展规划。厂内还要按厂级、车间级和班组级分别制定实施计划。一项大的开发项目， 涉及设计、开发、研究和施工等许多环节，每个环节又涉及组织大量的人力、财力、物 力。在系统工程申常用的计划评审技术( p e r t ) 和关键路线法( c p m ) 在制定和实施计划 方面起了重要的作用。 2 2 3 软系统方法论 软系统方法论( s s m ) 是英国兰切斯特大学( l a n c a s t e ru n i v e r s i t y ) 切克兰德 ( p c h e c k l a n d ) 教授于1 9 8 1 年首次提出的。其背景是自上世纪6 0 年代开始，针对起源 于工程问题解决的系统方法论在社会系统应用过程中的局限性，而产生的对系统方法改 造的需要，是在硬系统方法论的基础上提出来的【3 1 1 。 切克兰德软系统方法论认为，人类活动系统中的问题不像人造系统中的问题那样是 “公众的知识”，“什么是问题 本身成了一个问题。因此，硬系统方法论的第一个阶段 摆明问题，变成了有关的人对问题情境进行感知；第二个阶段确定目标，变成 了定义相关系统；运用系统方法论的过程也由寻优过程变成了学习过程，结果是有关的 人感到问题情境有所改进，而不是问题的解决。切克兰德认为软系统方法论的这些特点 是由于人的“维特沙 ( w e l t a n s c h u u n g 德文：世界观，价值观) 的普遍存在且不相统一 造成的2 9 1 。因此在人的活动系统中存在的问题大多是边界模糊，难于定义，结构不良的 软问题，这些问题更应该用软系统方法论来处理，而不能应用传统的起源于工程问题解 决的h s m ( 硬系统方法论) 思想。 相对于优化解决方案的h s m 而言，切克兰德的s s m 思想是全新的，其基本思想是 通过试误法，反复进行系统理论构思与现实世界的问题情境进行比较，以不断改善系统。 软系统方法论使用四种智力活动：感知判断比较决策，构成了各个阶段联 系在一起的学习系统【3 2 1 。它包含7 个逻辑步骤，它们的联系如图2 2 所示： 第二章理论基础以及开发工具 图2 2 软系统方法论( s s m ) 模型 该模型包括两种类型的活动：阶段l 、2 、5 、6 、7 是包括人在内的实际世界里的活 动，它可以使用日常的语言来描述；阶段3 、4 ( 包括4 a 和4 b ) 是系统思考的活动，它用 系统的语言来描述f 3 3 】。 阶段1 和2 表达。 这两个阶段的作用是为被研究的问题情况建立一个尽可能丰富多彩的图像，要尽量 避免将这些图像嵌入一个特定的结构。 阶段1 和2 常常通过寻找结构与过程元素以及他们之间的关系来进行。结构元素是 问题情境中不变的或缓慢改变的元素，它通常指物理上的设计、权力的组织形式等。过 程元素指问题情境中变化的元素，它常指决策、实施、监视等活动。 阶段3 有关系统的根定义。 有关系统是指从阶段2 看来可能与改进问题的情境有关的人类活动系统，这里不排 除使用其他方法对有关系统进行选择。根定义是回答有关系统是什么的问题。它是根据 某一特定的“维特沙 对有关系统的意义进行的描述。根定义的构成要素包括：c ( c u s t o m e r ) ：系统的受害者或受益者；a ( a c t o r s ) ：系统活动的执行者；t ( t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s ) ：系统输入输出的转换；w ( w o r l d - - v i e w ) ：使根定义有意义的世界观；o ( o w n e r s ) ：该系统的废止者；e ( e n v i r o n m e n t a lc o n s t r a i n t s ) 系统的环境约束。 1 2 长安大学硕士学位论文 阶段卜建立与检查概念模型。 本阶段要建立一个有关系统的概念模型，完成根定义中所定义的转换功能，它是一 个人类活动系统的模型。建立概念系统的要求是：用尽可能少的动词覆盖有关系统根定 义中所必须的活动，然后用逻辑关系组织它们，这里的动词必须是描述活动者的直接活 动所使用的。按详尽程度的不同，概念模型可以有不同的层次。 建立概念模型的过程常常是一个提问过程，什么行动? 什么次序? 这些行动对变换 是必须的吗? 由上可知，概念模型回答有关系统“做什么 问题。 阶段5 概念模型与现实的比较。 阶段5 是将对问题情境是怎样的感性认识与概念模型提供的应该怎样的理性认识进 行比较，其目的是引起一场讨论。讨论的结果是将用来确定可能的变革。比较阶段实际 上是对现实情境中的“怎样做”与概念模型中揭示的“做什么”是否配套的分析。 阶段6 和卜确定、实施期望与可行的变革。 有三种类型的变革：结构的、程度的和态度的变革。这些变革，作为从概念模型获 得的洞察力的结果，必须是系统的、合乎需要的，同时又要是可行的。阶段7 的任务是 把阶段6 的决定付诸行动以改善问题情境。在实施了期望与可行的变革后，又会有新的 问题情境出现，又可再次使用软系统方法论。 以上就是软系统方法论的逻辑步骤。我们可以从任一阶段开始研究，也可在几个阶 段同时工作，还可从任一阶段进行反复。这是因为切克兰德的方法论是一个系统，重要 的是各个阶段的关系，而不是他们的顺序。 2 2 4 综合集成方法论 现代系统工程的理论与应用研究，反映出现代科学技术发展的一种新趋势，这就是 不同学科、不同领域之间相互交叉、结合以至融合，向综合性整体化的方向发展。其中 不仅有同一领域内不同学科的交叉、结合，还有不同领域之间的相互结合以至融合，这 已成为现代科学技术发展的重要特点。在这个方向上既有科学理论问题，也有技术与实 践问题，还有方法论和方法问题。 综合集成方法运用的是专家体系的合作以及专家体系与机器体系合作的研究方式 与工作方式。具体地说，是通过：定性综合集成到：定性、定量相结合综合集成再 到：从定性到定量综合集成这样三个步骤来实现的【3 4 1 。这个过程不是截然分开，而是 循环往复、逐次逼近的，如图2 3 所示。 第二章理论基础以及开发工具 图2 3 综合集成方法模型 这套方法是目前处理复杂系统、复杂巨系统( 包括社会系统) 的有效方法，已有成 功的案例证明了它的有效性。综合集成方法的理论基础是思维科学，方法基础是系统科 学与数学，技术基础是以计算机为主的现代信息技术1 3 训。综合集成思想在方法论层次上 的体现就是综合集成方法。运用综合集成方法所形成的系统理论和系统技术，均是综合 集成思想在科学、技术层次上的体现，而综合集成工程则是综合集成思想在实践层次上 的体现。 2 3 三种方法论的对比 对比以上三种系统工程方法论，软系统方法论侧重于社会经济系统和逻辑系统方面 的设计和实现，对自然科学系统的设计和实现的作用并不明显；而综合集成方法论侧重 于复杂系统的设计和实现，在设计过程中需要进行循环往复的逐次逼近，对工作量的要 求较高；霍尔三维结构方法论结构清晰，模型简单易懂，工作量相对较小，同时对设计 者的要求不高，对于软件平台的设计而言，适合于采取此种方法论进行设计，该方法论 也为多数系统在设计阶段所采用。 2 4 开发工具l a b v i e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是种图形化的程 序开发环境，由美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司研制开发的，类似于c 和b a s i c 1 4 长安大学硕士学位论文 开发环境，但是l a b v i e w 与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用 基于文本的语言产生代码，而l a b v i e w 使用的是图形化编辑语言来编写程序，产生的 程序是框图的形式。在开发过程中，用图标就可以代替应用系统的硬件部分，这样就可 以省去了很多购买硬件的资金，以节省大量的研发资金。l a b v i e w 中尽可能的利用了 工程师们所熟知的术语、图标和概念，是一个工业标准的开发环境。它结合了图形化编 程方式的高性能和灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设计的高端性能和配 置，能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具， 这能帮助工程师们提高工作效率【3 5 】。 l a b v i e w 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采 集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬 件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t 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