建模與仿真介紹

建模是表示模型的過程，包括模型的構(gòu)建和運(yùn)行。該模型與真實(shí)系統(tǒng)相似，有助于開發(fā)與驗(yàn)證等人員預(yù)測系統(tǒng)變化的影響。換句話說，建模就是創(chuàng)建一個(gè)代表系統(tǒng)（包括其屬性）的模型。這是一種建立模型的行為。

系統(tǒng)仿真是在時(shí)間或空間方面對(duì)模型的操作，有助于分析現(xiàn)有或擬議系統(tǒng)的性能。換句話說，模擬是使用模型研究系統(tǒng)性能的過程。它是一種使用模型進(jìn)行模擬的行為。

仿真的歷史

仿真的歷史沿革按時(shí)間順序排列。

1940 年--研究人員（約翰-馮-諾依曼、斯坦尼斯瓦夫-烏蘭、愛德華-特勒、赫爾曼-卡恩）和物理學(xué)家開發(fā)出一種名為 "蒙特卡羅 "的方法，用于研究曼哈頓中子散射項(xiàng)目。

1960 年--蘭德公司（RAND Corporation）的哈里-馬科維茨（Harry Markowitz）開發(fā)出第一種專用模擬語言，如 SIMSCRIPT。

1970 年--在此期間，開始研究模擬的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

1980 年--在此期間，開發(fā)了基于 PC 的仿真軟件、圖形用戶界面和面向?qū)ο缶幊獭?/p>

1990 年--在此期間，開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的仿真、花哨的動(dòng)畫圖形、基于仿真的優(yōu)化、馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法。

開發(fā)仿真模型

仿真模型由以下部分組成：系統(tǒng)實(shí)體、輸入變量、性能指標(biāo)和功能關(guān)系。以下是開發(fā)仿真模型的步驟：

第 1 步 - 確定現(xiàn)有系統(tǒng)的問題或設(shè)定擬議系統(tǒng)的要求。

第 2 步 - 設(shè)計(jì)問題，同時(shí)考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的因素和限制。

第 3 步 - 收集并開始處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，觀察其性能和結(jié)果。

第 4 步 - 使用網(wǎng)絡(luò)圖開發(fā)模型，并使用各種驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

第 5 步 - 將模型在各種條件下的性能與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證模型。

第 6 步 - 創(chuàng)建一份模型文檔，供將來使用，其中包括目標(biāo)、假設(shè)、輸入變量和性能的詳細(xì)信息。

第 7 步 - 根據(jù)要求選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

第 8 步 - 在模型上引入實(shí)驗(yàn)條件并觀察結(jié)果。

執(zhí)行仿真分析

以下是進(jìn)行仿真分析的步驟：

第 1 步 - 編寫問題陳述。

第 2 步 - 為仿真過程選擇輸入變量并創(chuàng)建實(shí)體。變量分為兩類--決策變量和不可控變量。決策變量由程序員控制，而不可控變量是隨機(jī)變量。

第 3 步 - 將決策變量分配給模擬流程，從而為其創(chuàng)建約束條件。

第 4 步 - 確定輸出變量。

第 5 步 - 從現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)，輸入模擬程序。

第 6 步 - 繪制顯示模擬過程進(jìn)度的流程圖。

第 7 步 - 選擇合適的仿真軟件運(yùn)行模型。

第 8 步 - 將仿真結(jié)果與實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型。

第 9 步 - 通過改變變量值對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以找到最佳解決方案。

第 10 步 - 最后，將這些結(jié)果應(yīng)用到實(shí)時(shí)系統(tǒng)中。

建模與仿真 - 優(yōu)勢

使用建模與仿真的優(yōu)勢如下：

易于理解 - 無需使用實(shí)時(shí)系統(tǒng)，即可了解系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

易于測試 - 無需在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上工作，即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更改，并了解更改對(duì)輸出的影響。

易于升級(jí) - 可以通過應(yīng)用不同的配置來確定系統(tǒng)需求。

易于識(shí)別限制因素 - 可以對(duì)造成工作流程、信息等延遲的瓶頸進(jìn)行分析。

易于診斷問題--某些系統(tǒng)非常復(fù)雜，不容易同時(shí)理解它們之間的相互作用。然而，建模與仿真可以了解所有的相互作用并分析其影響。此外，還可以在不影響實(shí)際系統(tǒng)的情況下探索新的政策、操作和程序。

建模與仿真 - 缺點(diǎn)：

使用建模與仿真的缺點(diǎn)如下

設(shè)計(jì)模型是一門藝術(shù)，需要領(lǐng)域知識(shí)、培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)。

使用隨機(jī)數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，因此很難預(yù)測結(jié)果。

模擬需要人力，是一個(gè)耗時(shí)的過程。

模擬結(jié)果難以轉(zhuǎn)化。需要專家才能理解。

仿真過程費(fèi)用昂貴。

建模與仿真 - 應(yīng)用領(lǐng)域

建模與仿真可應(yīng)用于以下領(lǐng)域 - 軍事應(yīng)用、培訓(xùn)與支持、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、電信、土木工程設(shè)計(jì)與演示以及電子商務(wù)模型。

此外，它還可用于研究生物系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它還可用于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如路由算法、裝配線等。用于測試新的設(shè)計(jì)和策略。用于驗(yàn)證分析解決方案。

模型與事件

以下是建模與仿真的基本概念：對(duì)象是存在于現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體，用于研究模型的行為?；A(chǔ)模型是對(duì)對(duì)象屬性及其行為的假設(shè)性解釋，在整個(gè)模型中有效。系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)世界中存在的、在確定條件下的可銜接對(duì)象。實(shí)驗(yàn)框架用于研究現(xiàn)實(shí)世界中的系統(tǒng)，如實(shí)驗(yàn)條件、方面、目標(biāo)等?；緦?shí)驗(yàn)框架由兩組變量組成--框架輸入變量和框架輸出變量，它們與系統(tǒng)或模型終端相匹配。框架輸入變量負(fù)責(zé)匹配應(yīng)用于系統(tǒng)或模型的輸入?？蚣茌敵鲎兞控?fù)責(zé)匹配系統(tǒng)或模型的輸出值。集成模型是對(duì)系統(tǒng)的精確解釋，它遵循給定實(shí)驗(yàn)框架的指定條件。Verification驗(yàn)證是比較兩個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目以確保其準(zhǔn)確性的過程。在建模與仿真中，驗(yàn)證可以通過比較仿真程序和集成模型的一致性來完成，以確保它們的性能。執(zhí)行驗(yàn)證過程有多種方法，我們將在后面介紹。Validation確認(rèn)是比較兩個(gè)結(jié)果的過程。在建模與仿真中，確認(rèn)是通過比較實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)框架內(nèi)的仿真結(jié)果來進(jìn)行的。如果結(jié)果不匹配，則模型無效。確認(rèn)過程有多種方法，我們將在后續(xù)介紹。

系統(tǒng)狀態(tài)變量

系統(tǒng)狀態(tài)變量是一組數(shù)據(jù)，用于定義給定時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)的內(nèi)部過程。在離散事件模型中，系統(tǒng)狀態(tài)變量在時(shí)間間隔內(nèi)保持不變，其值在稱為事件時(shí)間的定義點(diǎn)發(fā)生變化。在連續(xù)事件模型中，系統(tǒng)狀態(tài)變量由微分方程結(jié)果定義，其值隨時(shí)間不斷變化。以下是一些系統(tǒng)狀態(tài)變量：實(shí)體和屬性 - 實(shí)體代表一個(gè)對(duì)象，其值可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的，這取決于與其他實(shí)體的過程。屬性是實(shí)體使用的本地值。資源 - 資源是同時(shí)為一個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)實(shí)體提供服務(wù)的實(shí)體。動(dòng)態(tài)實(shí)體可以請(qǐng)求一個(gè)或多個(gè)資源單位；如果被接受，實(shí)體就可以使用該資源，并在使用完畢后釋放。如果被拒絕，實(shí)體可加入隊(duì)列。隊(duì)列--隊(duì)列用于表示實(shí)體和資源使用的隊(duì)列。隊(duì)列有多種可能，如后進(jìn)先出、先進(jìn)先出等，具體取決于流程。延遲 - 由系統(tǒng)條件的某些組合造成的不確定持續(xù)時(shí)間。

模型分類

系統(tǒng)可分為以下幾類：離散事件仿真模型 - 在該模型中，狀態(tài)變量值僅在事件發(fā)生的某些離散時(shí)間點(diǎn)發(fā)生變化。事件只會(huì)在規(guī)定的活動(dòng)時(shí)間和延遲時(shí)間發(fā)生。隨機(jī)系統(tǒng)與確定系統(tǒng) - 隨機(jī)系統(tǒng)不受隨機(jī)性影響，其輸出也不是隨機(jī)變量，而確定系統(tǒng)受隨機(jī)性影響，其輸出是隨機(jī)變量。靜態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)仿真?- 靜態(tài)仿真包括不受時(shí)間影響的模型。例如Monte Carlo模型。動(dòng)態(tài)仿真包括受時(shí)間影響的模型。離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng) - 離散系統(tǒng)受離散時(shí)間點(diǎn)上狀態(tài)變量變化的影響。其行為如下圖所示。

連續(xù)系統(tǒng)受狀態(tài)變量的影響，狀態(tài)變量作為函數(shù)隨時(shí)間連續(xù)變化。其行為如下圖所示。

建模過程建模過程包括以下步驟：

第 1 步 - 研究問題。在這一階段，我們必須了解問題，并選擇相應(yīng)的分類，如確定性或隨機(jī)性。第 2 步 - 設(shè)計(jì)模型。在這一階段，我們必須執(zhí)行以下簡單任務(wù)，以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)模型：

根據(jù)系統(tǒng)行為和未來需求收集數(shù)據(jù)；分析系統(tǒng)特征、假設(shè)以及為使模型成功而需采取的必要行動(dòng)；確定模型中使用的變量名、函數(shù)、單位、關(guān)系及其應(yīng)用；使用合適的技術(shù)求解模型，并使用驗(yàn)證方法驗(yàn)證結(jié)果。然后，驗(yàn)證結(jié)果；編寫一份報(bào)告，其中包括結(jié)果、解釋、結(jié)論和建議。第 3 步 - 在完成與模型相關(guān)的整個(gè)流程后提出建議。包括投資、資源、算法、技術(shù)等。

驗(yàn)證和確認(rèn)?Validation&Verification

仿真工程師面臨的真正問題之一是驗(yàn)證模型。只有當(dāng)仿真模型準(zhǔn)確地再現(xiàn)了實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，仿真模型才是有效的，否則就是無效的。

驗(yàn)證和確認(rèn)是任何仿真項(xiàng)目中驗(yàn)證模型的兩個(gè)步驟：

Validation驗(yàn)證是比較兩個(gè)結(jié)果的過程。在這個(gè)過程中，我們需要將概念模型的表示與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行比較。如果比較結(jié)果為真，則模型有效，否則無效。

Verification確認(rèn)是比較兩個(gè)或多個(gè)結(jié)果以確保其準(zhǔn)確性的過程。在這個(gè)過程中，我們必須將模型的實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)數(shù)據(jù)與開發(fā)人員的概念描述和規(guī)格說明進(jìn)行比較。

驗(yàn)證和確認(rèn)技術(shù)

仿真模型的驗(yàn)證和確認(rèn)有多種技術(shù)。以下是一些常見的技術(shù)：

以下是對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證的方法：

使用編程技巧編寫和調(diào)試子程序；

使用 "結(jié)構(gòu)化演練 "策略，由多人閱讀程序；

跟蹤中間結(jié)果，并與觀察到的結(jié)果進(jìn)行比較；

使用各種輸入組合檢查仿真模型輸出；

將最終仿真結(jié)果與分析結(jié)果進(jìn)行比較。

驗(yàn)證仿真模型的技術(shù)

步驟 1 - 設(shè)計(jì)一個(gè)高度有效的模型?？赏ㄟ^以下步驟實(shí)現(xiàn)：

設(shè)計(jì)模型時(shí)必須與系統(tǒng)專家進(jìn)行討論；

模型必須在整個(gè)過程中與客戶互動(dòng)；

輸出結(jié)果必須由系統(tǒng)專家監(jiān)督。

第 2 步 - 根據(jù)假設(shè)數(shù)據(jù)測試模型。這可以通過將假設(shè)數(shù)據(jù)應(yīng)用到模型中并對(duì)其進(jìn)行定量測試來實(shí)現(xiàn)。還可以進(jìn)行敏感性分析，以觀察輸入數(shù)據(jù)發(fā)生重大變化時(shí)結(jié)果變化的影響。

第 3 步 - 確定模擬模型的代表性輸出?？赏ㄟ^以下步驟實(shí)現(xiàn)：

確定模擬輸出與真實(shí)系統(tǒng)輸出的接近程度；

可以使用圖靈測試進(jìn)行比較。它以系統(tǒng)格式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，只有專家才能解釋；

統(tǒng)計(jì)方法可用于比較模型輸出與真實(shí)系統(tǒng)輸出。

模型數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的比較

模型開發(fā)完成后，我們必須將其輸出數(shù)據(jù)與真實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。以下是進(jìn)行比較的兩種方法。

驗(yàn)證現(xiàn)有系統(tǒng)：

在這種方法中，我們使用模型的真實(shí)輸入，將其輸出與真實(shí)系統(tǒng)的真實(shí)輸入進(jìn)行比較。這一驗(yàn)證過程簡單明了，但在執(zhí)行時(shí)可能會(huì)遇到一些困難，例如，如果要將輸出與平均時(shí)長、等待時(shí)間、空閑時(shí)間等進(jìn)行比較，可以使用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和假設(shè)檢驗(yàn)進(jìn)行比較。統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)包括卡方檢驗(yàn)、Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)、Cramer-von Mises 檢驗(yàn)和矩量檢驗(yàn)。

驗(yàn)證首次模型：

考慮到我們必須描述一個(gè)目前不存在、過去也不存在的擬議系統(tǒng)。因此，沒有可用的歷史數(shù)據(jù)來比較其性能。因此，我們必須使用一個(gè)基于假設(shè)的假定系統(tǒng)。以下有用的要點(diǎn)將有助于提高其效率。

子系統(tǒng)有效性 - 模型本身可能沒有任何現(xiàn)有系統(tǒng)可與之比較，但它可能由已知的子系統(tǒng)組成。可以分別測試每個(gè)子系統(tǒng)的有效性。

內(nèi)部有效性--一個(gè)內(nèi)部差異較大的模型將被拒絕，因?yàn)橐粋€(gè)內(nèi)部過程差異較大的隨機(jī)系統(tǒng)會(huì)掩蓋輸入變化帶來的輸出變化。

敏感性分析 - 它提供了系統(tǒng)中敏感參數(shù)的信息，我們需要對(duì)這些參數(shù)給予更多關(guān)注。

表面有效性 - 當(dāng)模型的表現(xiàn)與邏輯相反時(shí)，即使它的表現(xiàn)與真實(shí)系統(tǒng)相似，也應(yīng)予以否定。

離散模型仿真

在離散系統(tǒng)中，系統(tǒng)狀態(tài)的變化是不連續(xù)的，系統(tǒng)狀態(tài)的每次變化都稱為一個(gè)事件。離散系統(tǒng)仿真中使用的模型有一組數(shù)字來表示系統(tǒng)狀態(tài)，稱為狀態(tài)描述符。在本文中還將介紹隊(duì)列仿真，這是離散事件仿真和分時(shí)系統(tǒng)仿真中非常重要的一個(gè)方面。

以下是離散系統(tǒng)仿真的行為圖示：

離散事件仿真 - 主要特點(diǎn)

離散事件仿真通常由使用高級(jí)編程語言（如 Pascal、C++ 或其他專門的仿真語言）設(shè)計(jì)的軟件來執(zhí)行。以下是五個(gè)主要特征：

實(shí)體 - 表示機(jī)器部件等真實(shí)元素。

關(guān)系 - 指將實(shí)體聯(lián)系在一起。

仿真執(zhí)行器 - 它負(fù)責(zé)控制提前時(shí)間和執(zhí)行離散事件。

隨機(jī)數(shù)生成器 - 它有助于模擬進(jìn)入仿真模型的不同數(shù)據(jù)。

結(jié)果和統(tǒng)計(jì) - 它驗(yàn)證模型并提供其性能指標(biāo)。

時(shí)間圖表示法

每個(gè)系統(tǒng)都取決于時(shí)間參數(shù)。在圖形表示法中，它被稱為時(shí)鐘時(shí)間或時(shí)間計(jì)數(shù)器，初始時(shí)設(shè)置為零。時(shí)間的更新基于以下兩個(gè)因素：

時(shí)間切分 - 這是模型為每個(gè)事件定義的時(shí)間，直到?jīng)]有任何事件發(fā)生。

下一個(gè)事件 - 模型為下一個(gè)要執(zhí)行的事件定義的事件，而不是時(shí)間間隔。它比時(shí)間片更有效。

隊(duì)列系統(tǒng)仿真

隊(duì)列是系統(tǒng)中正在接受服務(wù)的所有實(shí)體和等待輪到他們的實(shí)體的組合。

參數(shù)：

以下是隊(duì)列系統(tǒng)中使用的參數(shù)列表。

符號(hào) 說明

λ 表示到達(dá)率，即每秒到達(dá)的人數(shù)

Ts 表示每次到達(dá)的平均服務(wù)時(shí)間，不包括隊(duì)列中的等待時(shí)間

σTs 表示服務(wù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)偏差

ρ 表示服務(wù)器空閑和繁忙時(shí)的時(shí)間利用率

u 表示流量強(qiáng)度

r 表示系統(tǒng)中項(xiàng)目的平均值

R 表示系統(tǒng)中的項(xiàng)目總數(shù)

Tr 表示系統(tǒng)中項(xiàng)目的平均時(shí)間

TR 表示系統(tǒng)中項(xiàng)目的總時(shí)間

σr 表示 r 的標(biāo)準(zhǔn)偏差

σTr 表示 Tr 的標(biāo)準(zhǔn)偏差

w 表示隊(duì)列中等待物品的平均數(shù)量

σw 表示 w 的標(biāo)準(zhǔn)差

Tw 表示所有項(xiàng)目的平均等待時(shí)間

Td 表示在隊(duì)列中等待的項(xiàng)目的平均等待時(shí)間

N 表示系統(tǒng)中服務(wù)器的數(shù)量

mx(y) 表示第 y 個(gè)百分位數(shù)，即低于該百分位數(shù)的 y 值在 x 出現(xiàn)的時(shí)間中占 y%。

單服務(wù)器隊(duì)列

這是最簡單的隊(duì)列系統(tǒng)，如下圖所示。系統(tǒng)的中心元素是服務(wù)器，它為連接的設(shè)備或項(xiàng)目提供服務(wù)。如果服務(wù)器處于空閑狀態(tài)，則項(xiàng)目請(qǐng)求系統(tǒng)提供服務(wù)。那么它就會(huì)立即得到服務(wù)，否則就會(huì)加入等待隊(duì)列。服務(wù)器完成任務(wù)后，項(xiàng)目離開。

多服務(wù)器隊(duì)列

顧名思義，該系統(tǒng)由多個(gè)服務(wù)器和一個(gè)用于所有項(xiàng)目的共同隊(duì)列組成。當(dāng)任何項(xiàng)目請(qǐng)求服務(wù)器時(shí)，如果至少有一臺(tái)服務(wù)器可用，就會(huì)分配給它。否則，隊(duì)列開始啟動(dòng)，直到服務(wù)器空閑為止。在這個(gè)系統(tǒng)中，我們假設(shè)所有服務(wù)器都是相同的，即哪個(gè)項(xiàng)目選擇哪個(gè)服務(wù)器沒有區(qū)別。

但利用率是個(gè)例外。假設(shè) N 是相同的服務(wù)器，那么 ρ 就是每個(gè)服務(wù)器的利用率。設(shè) Nρ 為整個(gè)系統(tǒng)的利用率，則最大利用率為 N*100%，最大輸入率為：

$λmax = frac{{text{N}}{text{T}s}$

隊(duì)列關(guān)系

下表顯示了一些基本隊(duì)列關(guān)系：

一般術(shù)語? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?單服務(wù)器? ?多服務(wù)器

r = λTr 利特爾公式? ? ? ρ = λTs? ? ? ρ = λTs/N

w = λTw利特爾公式? ? r = w + ρ? ?u = λTs = ρN

Tr = Tw + Ts? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? r = w + Nρ

分時(shí)系統(tǒng)仿真

時(shí)間共享系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是，每個(gè)用戶只使用系統(tǒng)上共享時(shí)間的一小部分，從而導(dǎo)致多個(gè)用戶同時(shí)共享系統(tǒng)。每個(gè)用戶的切換如此迅速，以至于每個(gè)用戶都感覺在使用自己的系統(tǒng)。它基于 CPU 調(diào)度和多程序設(shè)計(jì)的概念，通過在一個(gè)系統(tǒng)上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，可以有效地利用多個(gè)資源。

連續(xù)系統(tǒng)仿真連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的重要活動(dòng)在沒有任何延遲的情況下順利完成的系統(tǒng)，即沒有事件排隊(duì)、沒有時(shí)間仿真排序等。在對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)，其代表屬性的變量由連續(xù)函數(shù)控制。什么是連續(xù)仿真？連續(xù)仿真是一種狀態(tài)變量隨時(shí)間連續(xù)變化的仿真類型。以下是其行為的圖形表示。

為什么使用連續(xù)仿真？

我們必須使用連續(xù)仿真，因?yàn)樗Q于與系統(tǒng)相關(guān)的各種參數(shù)的微分方程以及我們已知的估計(jì)結(jié)果。應(yīng)用領(lǐng)域連續(xù)模擬用于以下領(lǐng)域。土木工程中的堤壩建設(shè)和隧道建設(shè)。在軍事領(lǐng)域，用于導(dǎo)彈彈道模擬、戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練模擬以及水下航行器智能控制器的設(shè)計(jì)和測試。在物流領(lǐng)域，用于收費(fèi)廣場設(shè)計(jì)、機(jī)場航站樓客流分析和航班時(shí)刻主動(dòng)評(píng)估。在業(yè)務(wù)開發(fā)方面，用于產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃、員工管理規(guī)劃和市場研究分析。

蒙特卡羅仿真蒙特卡羅仿真是一種計(jì)算機(jī)化的數(shù)學(xué)技術(shù)，可根據(jù)某些已知分布生成隨機(jī)樣本數(shù)據(jù)，用于數(shù)值實(shí)驗(yàn)。這種方法適用于風(fēng)險(xiǎn)定量分析和決策問題。金融、項(xiàng)目管理、能源、制造、工程、研發(fā)、保險(xiǎn)、石油天然氣、交通等各行各業(yè)的專業(yè)人士都在使用這種方法。1940 年，研究原子彈的科學(xué)家首次使用這種方法。這種方法可用于我們需要做出估計(jì)和不確定決策的情況，如天氣預(yù)報(bào)預(yù)測。

蒙特卡羅仿真 - 重要特征以下是蒙特卡洛法的三個(gè)重要特征 - 它的輸出必須產(chǎn)生隨機(jī)樣本：其輸出必須產(chǎn)生隨機(jī)樣本；其輸入分布必須已知；在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)必須知道實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

蒙特卡羅仿真?- 優(yōu)點(diǎn)易于實(shí)施；利用計(jì)算機(jī)為數(shù)值實(shí)驗(yàn)提供統(tǒng)計(jì)采樣；提供數(shù)學(xué)問題的近似解；既可用于隨機(jī)問題，也可用于確定性問題。

蒙特卡羅模仿真- 缺點(diǎn)耗費(fèi)時(shí)間，因?yàn)樾枰纱罅砍闃硬拍塬@得所需的輸出；這種方法的結(jié)果只是真實(shí)值的近似值，而不是精確值。

蒙特卡羅模擬法 - 流程圖下圖是蒙特卡羅模擬的一般流程圖。
建模與仿真 - 數(shù)據(jù)庫

建模與仿真中的數(shù)據(jù)庫旨在為分析和測試目的提供數(shù)據(jù)表示及其關(guān)系。第一個(gè)數(shù)據(jù)模型由 Edgar Codd 于 1980 年提出。該模型的突出特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)庫是定義信息及其關(guān)系的不同數(shù)據(jù)對(duì)象的集合；規(guī)則用于定義對(duì)象中數(shù)據(jù)的約束條件；操作可應(yīng)用于對(duì)象以檢索信息。

最初，數(shù)據(jù)建?；趯?shí)體和關(guān)系的概念，其中實(shí)體是數(shù)據(jù)信息的類型，關(guān)系代表實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)建模的最新概念是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，其中實(shí)體被表示為類，在計(jì)算機(jī)編程中用作模板。一個(gè)類有自己的名稱、屬性、約束以及與其他類對(duì)象的關(guān)系。其基本表示法如下

數(shù)據(jù)表示事件的數(shù)據(jù)表示：仿真事件具有事件名稱和相關(guān)時(shí)間信息等屬性。它表示使用與輸入文件參數(shù)相關(guān)聯(lián)的一組輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行所提供的模擬，并以一組輸出數(shù)據(jù)的形式提供結(jié)果，這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在與數(shù)據(jù)文件相關(guān)聯(lián)的多個(gè)文件中。

輸入文件的數(shù)據(jù)表示：每個(gè)仿真過程都需要一組不同的輸入數(shù)據(jù)及其相關(guān)參數(shù)值，這些數(shù)據(jù)在輸入數(shù)據(jù)文件中表示。輸入文件與處理模擬的軟件相關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)模型通過與數(shù)據(jù)文件的關(guān)聯(lián)來表示引用文件。

輸出文件的數(shù)據(jù)表示：模擬過程結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生各種輸出文件，每個(gè)輸出文件都表示為一個(gè)數(shù)據(jù)文件。每個(gè)文件都有其名稱、描述和通用因子。一個(gè)數(shù)據(jù)文件分為兩個(gè)文件。第一個(gè)文件包含數(shù)值，第二個(gè)文件包含數(shù)值文件內(nèi)容的描述信息。

建模與仿真中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一個(gè)分支。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由許多被稱為單元的處理器組成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)單元都有自己的小型本地存儲(chǔ)器。每個(gè)單元通過單向通信通道連接起來，這些通道被稱為 "連接"，用于傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。每個(gè)單元只對(duì)其本地?cái)?shù)據(jù)和從連接處接收的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

歷史

仿真的歷史按時(shí)間順序排列：第一個(gè)神經(jīng)模型由 McCulloch 和 Pitts 于 1940 年開發(fā)；1949 年，唐納德-赫伯撰寫了《行為的組織》一書，指出了神經(jīng)元的概念；1950 年，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，建立這些理論的模型成為可能。這項(xiàng)工作由 IBM 研究實(shí)驗(yàn)室完成。然而，這項(xiàng)工作失敗了，后來的嘗試取得了成功；1959 年，伯納德-維德羅（Bernard Widrow）和馬西安-霍夫（Marcian Hoff）開發(fā)了名為 "ADALINE "和 "MADALINE "的模型。這些模型具有多重 ADAptive LINear 元件。MADALINE 是第一個(gè)應(yīng)用于實(shí)際問題的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；1962 年，羅森布拉特（Rosenblatt）開發(fā)了感知器模型，該模型具有解決簡單模式分類問題的能力；1969 年，明斯基和帕帕特從數(shù)學(xué)角度證明了感知器模型在計(jì)算中的局限性。據(jù)說，感知器模型無法解決X-OR問題。這些缺陷導(dǎo)致了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的暫時(shí)衰落；1982 年，加州理工學(xué)院的約翰-霍普菲爾德（John Hopfield）向美國國家科學(xué)院提交了他的論文，提出了利用雙向線制造機(jī)器的想法。在此之前，人們使用的是單向線；當(dāng)涉及符號(hào)方法的傳統(tǒng)人工智能技術(shù)失敗后，人們開始需要使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行技術(shù)，可提供解決此類問題所需的計(jì)算能力。。。。。。。

應(yīng)用領(lǐng)域

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于語音合成機(jī)、模式識(shí)別、檢測診斷問題、機(jī)器人控制板、智能駕駛視覺識(shí)別和醫(yī)療設(shè)備等。

建模與仿真中的模糊集

如前所述，連續(xù)仿真的每個(gè)過程都取決于微分方程及其參數(shù)，如 a、b、c、d > 0。但是，有時(shí)這些估計(jì)值是不確定的，因此我們需要微分方程中的模糊數(shù)來提供未知參數(shù)的估計(jì)值。

什么是模糊集？

在經(jīng)典集合中，一個(gè)元素要么是集合的成員，要么不是。模糊集是用經(jīng)典集 X 來定義的，即：A = {(x,μA(x))| x∈X}情況 1 - 函數(shù) μA(x) 具有以下性質(zhì)?x ∈ X μA(x) ≥ 0sup x ∈ X {μA(x)} = 1

情況 2 - 假設(shè)模糊集 B 定義為 A = {(3, 0.3), (4, 0.7), (5, 1), (6, 0.4)}, 那么它的標(biāo)準(zhǔn)模糊符號(hào)為 A = {0.3/3, 0.7/4, 1/5, 0.4/6} 。

任何成員等級(jí)為零的值都不會(huì)出現(xiàn)在集合的表達(dá)式中。

情況 3 - 模糊集合與經(jīng)典清晰集合的關(guān)系。

下圖描述了模糊集與經(jīng)典脆集之間的關(guān)系：

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