仿真模型設(shè)計與執(zhí)行

前言

仿真是一種利用模型開展模擬試驗研究的科學(xué)活動。構(gòu)造系統(tǒng)的模型，用模型代替實際系統(tǒng)進行試驗，在很多情況下是十分必要的，有時甚至是研究和解決問題的唯一可行手段。近年來，建模與仿真作為一種新的計算試驗技術(shù)和試驗手段，已經(jīng)成為一種表示問題、思考問題和解決問題的典型方法。仿真建模是一種創(chuàng)造性的勞動，必須透過事物復(fù)雜的表面現(xiàn)象，抓住其本質(zhì)，找出解決問題的途徑。然而，由于研究問題和研究領(lǐng)域差異性的存在，而且模型需要根據(jù)研究問題對系統(tǒng)進行合理的簡化，往往很難解決好仿真應(yīng)用中的建模問題。本書針對很多領(lǐng)域和系統(tǒng)中的仿真建模技術(shù)進行了介紹和分析，主要關(guān)注模型的設(shè)計方法和應(yīng)用及模型的串行運行算法。本書首先對仿真的概念、應(yīng)用類型、開發(fā)過程和模型設(shè)計方法進行了介紹，然后給出了仿真模型設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)，分別從描述建模、功能建模、約束建模、限制建模和空間建模的角度介紹了不同領(lǐng)域的模型設(shè)計方法，最后介紹面向不同建模方法的多層次抽象建模方法和多分辨率建模的相關(guān)問題?？紤]到仿真模型設(shè)計是一門實踐性很強的技術(shù)，本書在介紹相關(guān)理論方法的同時，提供了相關(guān)材料的閱讀文獻，強調(diào)對相關(guān)建模方法的研究及實踐練習(xí)，并對相關(guān)軟件進行了介紹，便于學(xué)生理解和掌握不同建模方法的本質(zhì)。關(guān)于不同領(lǐng)域建模方法和算法的介紹，國內(nèi)相關(guān)書籍中較少見到。本書的模型分類源于1995年P(guān)aul A. Fishwick教授的《Simulation Model Design and Execution》一書，與此同時，作者結(jié)合了幾年來的“仿真模型設(shè)計與實現(xiàn)”教學(xué)的實際情況和教學(xué)經(jīng)驗、仿真技術(shù)的最新發(fā)展及作者對仿真模型設(shè)計方法的應(yīng)用體會，修改了原書第1章的內(nèi)容，補充細化了仿真模型設(shè)計基礎(chǔ)的相關(guān)內(nèi)容，增加了事件圖建模方法、活動周期圖建模方法、進程交互建模方法、影響圖建模方法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、Modelica統(tǒng)一物理建模方法、Agent仿真方法、電子表格建模、多分辨率建模等內(nèi)容，也補充了原有的一些建模方法中缺少的相關(guān)的實例和工程實踐內(nèi)容，使之更符合教學(xué)與實踐的需要。全書由李群組織編寫和統(tǒng)稿。第1～4章、第6章和第8章由李群編寫，第5章由雷永林編寫，第7章由侯洪濤編寫，朱一凡編寫了Bond Graph的相關(guān)內(nèi)容。感謝Paul A. Fishwick教授在本書相關(guān)內(nèi)容編寫過程中給予的支持。實驗室的趙新、張偉、王磊、蘇年樂、劉晨、陳超、仲輝、許永平、宋麗麗、朱延廣、吳揚波、劉娟、王超、唐蘇妍等博士研究生和碩士研究生，在書稿的編寫過程中幫助收集了大量資料，并對書稿進行了仔細的校對，在此一并致謝。最后，感謝所有關(guān)心和支持本書編寫和出版的人們。本書涉及的領(lǐng)域非常廣泛，錯誤在所難免，書中不當(dāng)之處敬請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

　　模型是仿真的核心，是仿真試驗工作開展的基礎(chǔ)，也是仿真應(yīng)用成功的關(guān)鍵，所以仿真模型設(shè)計與執(zhí)行是系統(tǒng)仿真技術(shù)的一個非常重要的研究領(lǐng)域?！　”緯^系統(tǒng)地介紹了系統(tǒng)建模與仿真的概念、仿真模型設(shè)計的原則、方法及應(yīng)用，突出對仿真模型設(shè)計、相關(guān)算法和應(yīng)用的闡述，是關(guān)于仿真模型設(shè)計與執(zhí)行的一本內(nèi)容比較全面的教材。書中各章均附有習(xí)題、工程實踐和閱讀文獻，可以滿足教學(xué)或個人自學(xué)的需要。 　　本書可作為系統(tǒng)工程、自動化及其他相近專業(yè)的研究生教材，也可供從事系統(tǒng)仿真工作的工程技術(shù)人員和管理人員作為參考書使用。

書籍目錄

第1章　概論  　1.1　引言  　1.2　仿真的類型  　1.3　仿真的應(yīng)用  　1.4　仿真的層次  　1.5　仿真的作用與限制  　　1.5.1　仿真的作用  　　1.5.2　仿真的限制  　1.6　仿真的開發(fā)過程  　1.7　仿真模型設(shè)計  　　1.7.1　基本概念  　　1.7.2　仿真模型的開發(fā)過程  　　1.7.3　仿真模型的設(shè)計原則  　　1.7.4　模型設(shè)計的誤區(qū)  　　1.7.5　基本的模型設(shè)計方法  　　1.7.6　仿真模型的設(shè)計方法  　　1.7.7　仿真模型的工程化  　1.8　本書的組織  　本章練習(xí)  　本章研究實踐  　本章相關(guān)閱讀文獻  第2章　仿真技術(shù)基礎(chǔ)  　2.1　仿真模型設(shè)計  　　2.1.1　系統(tǒng)模型描述規(guī)范  　　2.1.2　模型基本組成要素  　　2.1.3　行為抽象  　　2.1.4　描述抽象和功能抽象  　　2.1.5　模型的簡化  　　2.1.6　蒙特卡羅仿真方法  　2.2　仿真模型執(zhí)行  　　2.2.1　時間片法  　　2.2.2　基本事件調(diào)度法  　　2.2.3　結(jié)構(gòu)化的事件調(diào)度  　2.3　仿真中的概率統(tǒng)計模型  　　2.3.1　概率統(tǒng)計基本概念  　　2.3.2　常用概率分布  　　2.3.3　分布假設(shè)與檢驗  　2.4　隨機變量生成  　　2.4.1　偽隨機數(shù)  　　2.4.2　偽隨機數(shù)生成方法  　　2.4.3　反變換法  　　2.4.4　函數(shù)變換法  　　2.4.5　拒絕法  　2.5　仿真結(jié)果分析  　　2.5.1　終態(tài)仿真結(jié)果分析  　　2.5.2　穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果分析  　本章練習(xí)  　本章研究實踐  　本章相關(guān)閱讀文獻  　本章相關(guān)軟件  第3章　仿真概念模型設(shè)計  　3.1　仿真概念模型  　　3.1.1　仿真概念模型的定義  　　3.1.2　仿真概念模型的組成  　　3.1.3　仿真概念模型的評價  　3.2　仿真概念模型的開發(fā)  　　3.2.1　仿真需求交互  　　3.2.2　仿真概念模型的開發(fā)過程  　　3.2.3　仿真需求和概念模型定義  　　3.2.4　概念模型分解  　　3.2.5　表示抽象  　　3.2.6　仿真概念模型文檔  　3.3　基于UML的仿真概念模型開發(fā)  　　3.3.1　UML簡介  　　3.3.2　基于UML的概念模型的開發(fā)過程  　　3.3.3　知識抽取  　3.4　使命空間概念模型  　3.5　DoDAF  　　3.5.1　作戰(zhàn)視圖  　　3.5.2　系統(tǒng)視圖  　　3.5.3　技術(shù)視圖  　　3.5.4　DoDAF標準架構(gòu)開發(fā)過程  　　3.5.5　作戰(zhàn)視圖開發(fā)  　　3.5.6　系統(tǒng)視圖開發(fā)  　　3.5.7　技術(shù)視圖開發(fā)  　3.6　SysML  　　3.6.1　SysML語義  　　3.6.2　SysML的圖形表示  　本章練習(xí)  　本章工程實踐  　本章相關(guān)閱讀文獻  　本章相關(guān)軟件  第4章　描述模型設(shè)計方法  第5章　基于功能的建模  第6章　約束建模  第7章　空間建模  第8章　多層次抽象建模

章節(jié)摘錄

插圖：在航天工業(yè)中，仿真是運載火箭、衛(wèi)星、飛船等復(fù)雜大系統(tǒng)分析、設(shè)計、驗證和操作訓(xùn)練的重要手段。例如，在美國的阿波羅登月計劃中成功運用仿真手段，對飛船的空間飛行、月球著陸等過程進行了分析評估和訓(xùn)練模擬，為登月計劃的成功實現(xiàn)提供了重要的保證。我國的“神舟”載人飛船工程中，也在飛船的軌道設(shè)計、航天員的救生逃逸系統(tǒng)等許多方面采用了仿真技術(shù)。仿真在航空工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，飛機的設(shè)計制造和駕駛訓(xùn)練都離不開仿真技術(shù)的支持。例如由英、法聯(lián)合研制的“協(xié)和”噴氣式超音速客機，在整個設(shè)計過程中均采用了計算機仿真技術(shù)，使得其研制周期縮短、研制費用下降。又如，飛行模擬器被廣泛用于飛行訓(xùn)練，由計算機系統(tǒng)、六自由度運動系統(tǒng)、視景系統(tǒng)等構(gòu)成的模擬駕駛裝置，其成本遠低于飛機及其飛行的成本，且安全性高。據(jù)統(tǒng)計，利用波音747飛行仿真器訓(xùn)練飛行員，每天按飛行20架次／小時計算，僅燃油一年就至少可以節(jié)約30萬噸。武器工業(yè)是仿真技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，而且發(fā)展迅速。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，武器裝備的高新技術(shù)含量大大增加，信息化程度不斷提高。面對未來體系對體系的信息化戰(zhàn)場環(huán)境，傳統(tǒng)的武器裝備研制方法已不能適應(yīng)新形勢的需要，仿真在武器裝備研制的各個階段都發(fā)揮著越來越重要的作用，各類武器裝備仿真方法和仿真系統(tǒng)也應(yīng)運而生。例如，采用不同層次的仿真方法，可以在給定的作戰(zhàn)需求背景下，從工程研制的角度分析和評估單個武器裝備（或其分系統(tǒng)和部件）的設(shè)計性能及與性能有關(guān)的其他技術(shù)指標；也可以在戰(zhàn)術(shù)行動背景下分析、評估某一型號武器系統(tǒng)對特定目標的作戰(zhàn)效能，或在戰(zhàn)役行動背景下分析、評估使用多種武器系統(tǒng)完成特定作戰(zhàn)任務(wù)的整體效能，乃至在戰(zhàn)區(qū)行動條件下分析、評估協(xié)同使用多兵種武器裝備完成聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)的綜合效能等。仿真在核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常成功。在能源日趨緊張的今天，核能備受青睞，核電站得到很大的發(fā)展和普及。但由于核電站特殊的安全性要求，其操作人員的培訓(xùn)不能直接在運行中的核電站上進行，只能用核電仿真器來訓(xùn)練操作人員，研究異?，F(xiàn)象處理和故障排除等方法。核電仿真器的控制臺操作面板與真實系統(tǒng)的操作面板完全一致，只是反應(yīng)堆、渦輪發(fā)電機等裝置的工作過程和響應(yīng)輸出是用計算機仿真實現(xiàn)的。機械制造工業(yè)經(jīng)歷了從手工業(yè)到大機器再到大規(guī)模流水生產(chǎn)線的發(fā)展歷程。柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)使得機械制造工業(yè)的自動化程度有了很大的提高。在自動化生產(chǎn)線上加工產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝流程安排是通過計算機仿真完成的。每個工件什么時候通過自動小車運送到機床上加工，什么時候送到哪一個緩沖站等候加工，其中存在著復(fù)雜的優(yōu)化決策問題，通過計算機仿真可以尋找最佳控制方案。此外，仿真也可以用于工程領(lǐng)域中某類特定系統(tǒng)的設(shè)計及其理論研究。例如在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計中大量應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，以便對控制器的性能進行驗證，非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計尤其依賴于仿真。在最佳控制、自適應(yīng)控制、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)等理論研究中，仿真還被用來驗證理論成果的正確性。社會、經(jīng)濟、軍事作戰(zhàn)等非工程領(lǐng)域問題有一個普遍的特點，就是系統(tǒng)狀態(tài)的變化具有多重性和不確定性等復(fù)雜的性質(zhì)，因此大都很難用解析方法求解。對于解決非工程領(lǐng)域中的預(yù)測、評價、優(yōu)化和決策等問題，計算機仿真能夠起到很大的作用。

編輯推薦

《仿真模型設(shè)計與執(zhí)行》為“十一五”國家重點圖書出版規(guī)劃。

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