系統仿真

系統仿真

系統仿真就是根據系統分析的目的,在分析系統各要素性質及其相互關係的基礎上,建立能描述系統結構或行為過程的、且具有一定邏輯關係或數量關係的仿真模型,據此進行試驗或定量分析,以獲得正確決策所需的各種信息。

基本信息

仿真概念

仿真或譯作 模擬(英語:Simulation),泛指基於實驗或訓練為目的,將原本的真實或抽象的系統、事務或流程,建立一個模型以表征其關鍵特性(key characteristics)或者行為、功能,予以系統化與公式化,以便進行可對關鍵特徵做出模擬。模型表示系統自身,而仿真表示系統的時序行為。

計算機試驗常被用來研究仿真模型(simulation model)。仿真也被用於對自然系統或人造系統的科學建模以獲取深入理解。仿真可以用來展示可選條件或動作過程的最終結果。仿真也可用在真實系統不能做到的情景,這是由於不可訪問(accessible)、太過於危險、不可接受的後果、或者設計了但還未實現、或者壓根沒有被實現等。仿真的主要論題是獲取相關選定的關鍵特性與行為的有效信息源,仿真時使用簡化的近似或者假定,仿真結果的保真度(fidelity)與有效性。模型驗證(verification)與有效性(validation)的過程、協定是學術學習、改進、研究、開發仿真技術的熱點,特別是對計算機仿真。

仿真保真度(Simulation Fidelity)用於描述仿真精度,模擬真實對應物有多近似:

•低保真:對系統的最小模擬,接受輸入產生輸出

•中等保真:對刺激能自動回響,有限精度

•高保真:接近不可辨識或者儘可能地接近真實系統

在中國,自動控制領域把simulation翻譯為仿真,emulation翻譯為模擬。例如:核電站仿真、電廠仿真等等。而2002年全國科學技術名詞審定委員會公布出版的《計算機科學技術名詞》(第二版)把simulation翻譯為模擬,emulation翻譯為仿真。這造成了極大的混淆。

技術介紹

(1)它是一種對系統問題求數值解的計算技術。尤其當系統無法通過建立數學模型求解時,仿真技術能有效地來處理。

(2)仿真是一種人為的試驗手段。它和現實系統實驗的差別在於,仿真實驗不是依據實際環境,而是作為實際系統映象的系統模型以及相應的“人造”環境下進行的。這是仿真的主要功能。

(3)仿真可以比較真實地描述系統的運行、演變及其發展過程。

(4)中國學者認為:系統仿真就是在計算機上或(/和)實體上建立系統的有效模型(數字的、物理效應的或數字物理效應混合的模型),並在模型上進行系統試驗。

作用

(1)仿真的過程也是實驗的過程,而且還是系統地收集和積累信息的過程。尤其是對一些複雜的隨機問題,套用仿真技術是提供所需信息的唯一令人滿意的方法。

(2)對一些難以建立物理模型和數學模型的對象系統,可通過仿真模型來順利地解決預測、分析和評價等系統問題。

(3)通過系統仿真,可以把一個複雜系統降階成若干子系統以便於分析。

(4)通過系統仿真,能啟發新的思想或產生新的策略,還能暴露出原系統中隱藏著的一些問題,以便及時解決。

方法

系統仿真的基本方法是建立系統的結構模型和量化分析模型,並將其轉換為適合在計算機上編程的仿真模型,然後對模型進行仿真實驗。

由於連續系統和離散(事件)系統的數學模型有很大差別,所以系統仿真方法基本上分為兩大類,即連續系統仿真方法和離散系統仿真方法。

在以上兩類基本方法的基礎上,還有一些用於系統(特別是社會經濟和管理系統)仿真的特殊而有效的方法,如系統動力學方法、蒙特卡洛法等。

系統動力學方法通過建立系統動力學模型(流圖等)、利用DYNAMO仿真語言在計算機上實現對真實系統的仿真實驗,從而研究系統結構、功能和行為之間的動態關係。

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