第二章-仿真建模方法.ppt

系统建模与仿真 第2章仿真建模基本理论与方法 建模过程 第一次抽象 计算机模型 物理效应模型 实物系统 建模过程 第一次建模 计算机模型 物理效应模型 实物系统 建模过程 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 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 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 SocialAbility 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 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 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AgentAgent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 KeepItSimple 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 1 交通Agent的结构 2 交通Agent的交互 3 Agent的实现 软件实现中可采用进程或线程来