系统仿真的一般方法与步骤

系统仿真的过程就是建立系统模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修正,使模型不断趋于完善的过程。所有仿真研究如同计算机应用软件开发一样,都分为若干阶段。图1-16描述了系统仿真研究的基本步骤。

图1-16　系统仿真过程

1.系统定义

在试图求解问题以前,要详细地定义系统。定义一个系统时首先必须提出明确的准则来描述系统目标及是否达到目标的衡量标准,其次必须描述系统的约束条件,然后要确定研究的范围,即确定哪些实体属于要研究的系统,哪些属于系统的环境。

2.构造模型

构造模型时要把真实系统缩小抽象,使它规范化,必须确定模型的要素、变量和参数以及它们之间的关系,在一定的约束条件下用数学模型描述所研究的系统。模型必须和研究目的紧密联系,要有明确的目标与要求,模型的性质要求和真实系统尽量接近。同时模型必须尽可能简单明了,容易控制和操作,易于为用户所理解,并应便于修正和改进。但要避免把模型过于简化,不然得到的是一个平庸的模型,也不能过分具体,以致降低模型的效率使之难以处理。因此,最好从简单模型开始,然后建立逐渐趋于复杂的模型。但是模型的复杂程度要和模型预期达到的研究目标相适应。在这一过程中,要确定系统以下几个结构要素:

①系统的“实体”;

②抽象出系统关键实体的属性;

③定义各种活动或事件;

④描述活动与实体之间的关系。

3.数据准备

数据准备包括收集数据和决定在模型中如何使用这些数据。收集数据是系统研究的一个组成部分,必须收集所研究系统的输入、输出各项数据以及描述系统各部分之间关系的数据。收集仿真数据要花费很多的时间和费用,因此,必须有效地进行观测,按照收集到的数据确定模型中随机变量的概率分布或概率密度函数以及各项参数。

4.模型的转换

模型的转换是指用计算机高级语言或专用仿真语言来描述数学模型,以便用计算机模型来仿真被研究的系统。模型是用程序设计语言编成的程序,为此必须在高级语言和专用仿真语言之间作出选择。专用仿真语言的优点是易学、易用,具有面向进程的仿真程序结构,仿真功能强,有良好的诊断措施等。曾有人作过统计比较,在使用仿真语言GPSS时,程序设计和调试的时间是用FORTRAN语言所需时间的15%,相应地,用于编译和仿真的机器时间为FORTRAN语言的32%,这个结果是带有普遍性的。然而有经验的程序设计人员则认为仿真语言缺乏灵活性。

5.模型运行

运行模型的目的是为了得到有关被研究的系统的信息,了解和预测实际系统运行的情况,特别是在输入数据或决策规则有变化时输出响应的变动情况。因此,模型运行是一个动态过程,要进行反复的试验运行,从而得到所需要的试验数据。

6.分析并评论仿真结果

由于仿真技术中包括某些主观的方法,如抽象化、直观感觉和设想等,因此在将仿真报告提交管理部门之前,必须对仿真结果作全面的分析和论证。对仿真结果进行分析有两个基本目标:

①确定仿真实验中获得的信息是否充分;

②把仿真数据精简、归纳并提供管理部门以辅助决策。

在①中可能要探索新的方案,例如,改变模型的结构或参数,确保仿真结果信息的可靠性。