系統(tǒng)工程3系統(tǒng)模型與仿真

系統(tǒng)模型與仿真王效俐博士Xlwang_tj@；65981366（辦）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。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，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（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)已有模型的使用，且隱含著綜合就是創(chuàng)造的理念。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模型庫與模型體系直接分析法數(shù)據(jù)分析法（橫斷面數(shù)據(jù)）

情景分析法專家法（如Delphitechnique）1.數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建（一般步驟）（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（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。現(xiàn)公司想建造一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)倉庫，要使運(yùn)輸?shù)目傎M(fèi)用最小。問這個(gè)倉庫應(yīng)設(shè)何處？W1W2W3WnS1S2S3SSnS1S2S3SSnw2w3w1wn（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。MKNF(t)yO解：根據(jù)牛頓第二定律有整理得：如果記則有：即如果記則有例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)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TheSwarmSimulationSystem:AToolkitforBuildingMulti-AgentSimulationsSwarmisamulti-agentsoftwareplatformforthesimulationofcomplexadaptivesystems.IntheSwarmsystemthebasicunitofsimulationisthe“swarm,”acollectionofagentsexecutingascheduleofactions.Swarmsupportshierarchicalmodelingapproacheswherebyagentscanbecomposedofswarmsofotheragentsinnestedstructures.Swarmprovidesobject-orientedlibrariesofreusablecomponentsforbuildingmodelsandanalyzing,displaying,andcontrollingexperimentsonthosemodels.Swarmiscurrentlyavailableasabetaversioninfull,freesourcecodeform.ItrequirestheGNUCCompiler,Unix,andXWindows.MoreinformationaboutSwarmcanbeobtainedfromourwebpages：/projects/swarm/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)研究中得到了比較廣泛的應(yīng)用。AboutVensimVensimisavisualmodelingtoolthatallowsyoutoconceptualize,document,simulate,analyze,andoptimizemodelsofdynamicsystems.Vensimprovidesasimpleandflexiblewayofbuildingsimulationmodelsfromcausallooporstockandflowdiagrams.Byconnectingwordswitharrows,relationshipsamongsystemvariablesareenteredandrecordedascausalconnections.ThisinformationisusedbytheEquationEditortohelpyouformacompletesimulationmodel.Youcananalyzeyourmodelthroughoutthebuildingprocess,lookingatthecausesandusesofavariable,andalsoattheloopsinvolvingthevariable.Whenyouhavebuiltamodelthatcanbesimulated,Vensimletsyouthoroughlyexplorethebehaviorofthemodel.Vensim是由美國VentanaSystems,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)(casualloop)、存貨(stock)與流程圖等相關(guān)模型。

使用Vensim建立動(dòng)