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1、第4章系統(tǒng)仿真方法SystemSimulationMethod本章問題什么是系統(tǒng)仿真？------概念!為什么要系統(tǒng)仿真？------作用!如何進(jìn)行系統(tǒng)仿真？------方法!系統(tǒng)仿真的概念什么是系統(tǒng)仿真？為什么要系統(tǒng)仿真？系統(tǒng)仿真（亦稱系統(tǒng)模擬）是指通過建立和運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，來模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的全過程。什么是系統(tǒng)仿真？為什么要系統(tǒng)仿真？由于安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、時(shí)間等原因，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)的物理試驗(yàn)很困難或者跟蹤記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，仿真技術(shù)就成為必不可少的工具。在我國(guó)，目前仿
2、真技術(shù)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸、生態(tài)環(huán)境、軍事裝備、企業(yè)管理等，還有最近興起的網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)等。系統(tǒng)仿真的應(yīng)用領(lǐng)域管理系統(tǒng)仿真公共管理的對(duì)象通常是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、軍事等復(fù)雜系統(tǒng)，一般都不能通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術(shù)就成為十分重要甚至必不可少的工具。本講在介紹管理系統(tǒng)模擬的概念以及一般原理、方法和步驟的基礎(chǔ)上，主要介紹四種基本的模擬方法及其模型，即蒙特卡洛模擬方法、排隊(duì)模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬、多AGENT系統(tǒng)模擬。通過蒙特卡洛模擬可以具體了解管理系統(tǒng)模擬的基本原理及方法，排隊(duì)模型與多AGE
3、NT系統(tǒng)體現(xiàn)了離散事件系統(tǒng)模擬的特點(diǎn)與規(guī)律，而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬則是一種可以廣泛應(yīng)用于公共管理決策及政策分析的連續(xù)系統(tǒng)模擬方法。系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)系統(tǒng)仿真模型是面向?qū)嶋H過程和系統(tǒng)性問題的。系統(tǒng)仿真技術(shù)是一種實(shí)驗(yàn)手段，可以在短時(shí)間內(nèi)通過計(jì)算機(jī)獲得對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律以及未來特性的認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)仿真研究由多次獨(dú)立的重復(fù)模擬過程所組成，需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)推斷，并對(duì)系統(tǒng)的性能和變化規(guī)律作多因素的綜合評(píng)價(jià)。系統(tǒng)仿真只能得到問題的一個(gè)特解或可行解，而不能得到問題的通解或最優(yōu)解。(1)．問題的描述、定義和分析；(2)．建立仿真模型；(3)．?dāng)?shù)據(jù)采集和篩選；(4)
4、．仿真模型的確認(rèn)；(5)．仿真模型的編程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證；(6)．仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)；(7)．仿真模型的運(yùn)行；(8)．仿真結(jié)果的輸出、記錄；(9)．分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。系統(tǒng)仿真的步驟：系統(tǒng)仿真的分類連續(xù)系統(tǒng)仿真(ContinuousSystemSimulation)系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化，通常用常微分方程、偏微分方程或差分方程描述的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)，該類系統(tǒng)仿真稱為連續(xù)系統(tǒng)仿真。熱電、化工、航天航空中許多系統(tǒng)都屬于連續(xù)系統(tǒng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)也是一種連續(xù)系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)仿真(DiscreteeventSystemSimulation)系統(tǒng)狀態(tài)變量
5、隨時(shí)間呈間斷性變化，即系統(tǒng)狀態(tài)僅在可數(shù)的或有限的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化?；蛘咧赶到y(tǒng)狀態(tài)只是在一些時(shí)間點(diǎn)上由于某些隨機(jī)事件的驅(qū)動(dòng)兒發(fā)生變化的這一類系統(tǒng)。對(duì)于這一類系統(tǒng)仿真稱之為離散事件系統(tǒng)仿真。在某次額系統(tǒng)中既包含了離散事件仿真，又有連續(xù)系統(tǒng)仿真，那么稱之為復(fù)合系統(tǒng)仿真。加工車間作業(yè)調(diào)度、多出納臺(tái)的銀行系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)分時(shí)系統(tǒng)則是典型的離散事件系統(tǒng)。MonteCarlo方法亦稱統(tǒng)計(jì)模擬(statisticalsimulation)方法，有時(shí)也稱著隨機(jī)抽樣(RandomSampling)技術(shù)或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)(StatisticalTesting)方法。屬
6、于試驗(yàn)數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，起源于早期的用幾率近似概率的數(shù)學(xué)思想，它利用隨機(jī)數(shù)學(xué)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，以求得的統(tǒng)計(jì)特征值（如均值、概率等）作為待解問題的數(shù)值解(利用隨機(jī)數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬的方法)。這一方法源于美國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)中研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”，該計(jì)劃的主持人之一數(shù)學(xué)家馮.諾依曼把他和烏拉姆所從事的與研制原子彈有關(guān)的秘密工作—對(duì)裂變物質(zhì)的種子隨機(jī)擴(kuò)散進(jìn)行直接模擬，并以摩納哥國(guó)的世界聞名賭城蒙特卡羅作為秘密代號(hào)來稱呼。蒙特卡羅(MonteCarlo)仿真方法蒙特卡羅是摩納哥公國(guó)(ThePrincipalityofMonaco)的第一大城市，甚
7、至超過了首都摩納哥，與中國(guó)澳門、美國(guó)拉斯維加斯并稱世界三大賭城。MonteCarlo模擬方法的基本思想為了求解數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)以及生產(chǎn)管理等方面的問題，首先建立一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使其某個(gè)參數(shù)等于問題的解；然后通過對(duì)模型或過程的觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出所求解的近似值，解的精確度可用估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差來表示。上述思想可以總結(jié)為三步：構(gòu)造或描述概率過程；在概率過程中隨機(jī)抽樣；建立各種估計(jì)量并給出近似解。MonteCarlo方法的基本思想很早以前就被人們所發(fā)現(xiàn)和利用。早在17世紀(jì)，人們就知道用事件發(fā)生的"頻
8、率"來決定事件的"概率"。19世紀(jì)人們用投針試驗(yàn)的方法來決定圓周率π。本世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特別是近年來高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得用數(shù)學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上大量、快速地模擬這樣的試驗(yàn)成為可能。MonteCarlo模擬
