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专题学习——系统仿真(20110723)

已有 3327 次阅读 2011-10-15 12:52 |个人分类:读书会之专题介绍|系统分类:科研笔记| 系统仿真, 计算机程序, 仿真模型

——专题介绍人:李亚婷


一、系统仿真
就是根据系统分析的目的,在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上,建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型,据此进行试验或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息。
利用计算机程序进行建模:善于模拟过程,解决非线性问题;深入了解社会现象;与社会观察的结果对比。

二、系统动力学
①系统动力学将生命系统和非生命系统都作为信息反馈系统来研究,并且认为,在每个系统之中都存在着信息反馈机制,是以控制论为理论基础的;
②系统动力学把研究对象划分为若干子系统,并且建立起各个子系统之间的因果关系网络,立足于整体以及整体之间的关系研究,以整体观替代传统的元素观;
③系统动力学的研究方法是建立计算机仿真模型—流图和构造方程式,实行计算机仿真试验,验证模型的有效性,为战略与决策的制定提供依据。

1.状态变量
又称存储体,用方框表示。
通过速率变量的影响产生变化。
状态方程可根据有关基本定律来建立,如连续性原理、能量质量守恒原理等。状态方程有三种最基本的表达方式:微分方程表达、差分方程表达和积分方程表达。在一定的条件下,这三种表达方式可以互相转化。

2.速率变量
又称流,用阀门表示
控制着状态变量的变化,速率方程规定了这种控制的方式和强度。
一般说来,速率方程可以是状态变量、辅助变量、外生变量等的代数组合。但是应该特别注意的是,状态变量对速率变量的作用关系不是通过物质的直接转移来实现的,而是通过状态变量变化的信息传递来实现的。

3.辅助变量及外生变量
辅助变量用圆圈表示,由于速率方程函数关系的确定是一个比较困难的过程,因此有必要引入辅助变量对速率方程进行分解,以使得构模的思路更加清晰。辅助变量是为了构模方便而人为引入的信息反馈变量,它是状态信息变量的函数。
外生变量用两个同心圆。外生变量是系统边界以外对系统发生作用或产生影响的环境因素,外生变量也可以是政策变量。

4.常数与表函数
在特殊的情况下,外生变量呈现出固定不变的状态时就退化成常数。常数的流图符号是一杠上加小圆圈。
系统中变量与变量之间的关系除了可以用各种代数形式的函数来表示之外,还可以用图表的方式来表示,这样的图表函数称为表函数,它的流图符号是圆圈内加两横。表函数反映了两个变量之间某种特定的非线性关系。

5.流线与延迟
流图中的流线(通道)分成物质流线和信息流线两种,分别用带箭头的实线和虚线表示。箭头的指向表示物质或信息的运动方向。
在流线上经常会出现各种延迟现象。如工厂的产品要经过运输才能到达仓库;信件发出后要经过一定的时间才能寄到等等。发生在物质流上的延迟叫物质延迟,发生在信息流上的延迟叫信息延迟。它们的流图符号为一个方框内标上延迟的种类和延迟变量的名字。

6.物质的源与汇
在流图中物质的源与汇都是用水潭符号表示。
源与它相连的物质流线箭头均朝外,汇则均向内。成对出现的,有时用双向箭头流线与其它变量相连。

7.守恒子系统
所有的物质都取之于源而聚入汇,但是出自于不同源的物质只能聚入与其同质的汇中去,这就是守恒子系统的概念。
是指以一个状态变量为中心组成的局部系统。根据源和汇的特点可以得到以下两个结果:
a.同质守恒子系统之间既可以用物质流线连接,表示正向的因果关系,也可以用信息流线连接,表示反馈的因果关系。
b.不同质的守恒子系统之间只能用信息流线连接,不能用物质流线连接。

三、基于主体的建模
在特定条件下去适应环境,并且通过自适应学习,以实现一系列设定好的计算的独立实体或者程序。
自治能力:代理运行时不受外界干预和控制,对其自身行为和内部状态有自主控制能力。
社会能力:代理通过某种沟通方式与其他主体进行交互。
反应能力:代理可以感知所处的环境,并通过行为响应并适应环境。
主动行为:代理的行为是主动的,不仅简单地响应环境,还能够主动采取目标定向的行为。

1)特征
A 确定性与随机性相结合
基于代理的建模方式是从底层建立仿真模型,每一个体由相对比较简单的确定法则组成。建模思想认为,个体的运动和变化不是来自系统的外部,而是在一定条件下系统内部各种因素相互作用的结果。利用蒙特卡洛方法模拟随机状态,每一个体根据其自身的准则产生近似随机行为的复杂现象,反映出“适应性造就复杂性”。
B.动态仿真
波动、不平衡是复杂系统运动的常态,系统本身处于不断运动变化当中。个体之间的非线性作用使得整个系统的宏观状态不是各个微观个体的简单叠加;系统整体的性质与各子系统的性质并不存在必然的因果关系。这是传统的数学建模和其他将宏观与微观割裂开来研究的分析方法力所不及的。因此,基于主体的计算模型具有更强的描述和表达能力,更接近客观现实世界的真实情况。
C.微观与宏观   
任何复杂系统中大量个体的动态行为成为整个系统演变的基础,个体与环境,个体与个体之间的相互影响、相互作用,形成系统演化的主要动力。基于主体的建模思想是将系统的宏观变化看作是微观变化导致的结果。赋予宏观模型一个虚拟的微观基础,便于探索微观层次众多个体交互作用导致整个系统显现某种动态演化的趋势,即宏观层次所呈现的模式或规律。

四、系统动力学与基于主体的建模
系统动力学多用于长期的战略模型,并对高度集合的对象进行建模:在系统动力学模型中人、产品、事件和其他离散物都是大量地显示出来。这样,它们就失去了所有的个体特征、历史或动态变化。
抽象层问题(总体交互),系统动力学是很好的选择。
个体细节(个体交互)使用基于主体建模方法对模型的全部或局部重新概念化。

五、系统仿真的工具
系统动力学建模工具:Vensim
基于主体建模工具:Swarm、Repast、 Ascape
Anylogic是一款专业虚拟原型环境,用于设计包括离散,连续和混合行为的复杂系统。其不仅支持UML语音面向对象的建模方法,也支持Java建模。



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