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1、离散系统建模与仿真离散系统建模与仿真离散系统建模与仿真离散系统建模与仿真 面向工业工程的应用面向工业工程的应用面向工业工程的应用面向工业工程的应用 王谦王谦 博士博士 副教授副教授 南开大学商学院南开大学商学院管理科学与工程管理科学与工程系系 wangqian70 wangqian70 C CHAPTERHAPTER 7 7C CHAPTERHAPTER 7 7 仿真模型仿真模型仿真模型仿真模型的校核 验证和的校核 验证和的校核 验证和的校核 验证和确认确认确认确认 VV AVV AVV AVV A 7 7 1 1 概述概述 仿真模型的可信性检验仿真模型的可信性检验 仿真的结果是否可信 不仅取
2、决于模型对于系统行为特性描述的正确性 还取决于计 算机模型 或物理模型 在实现系统模型时的准确性 美国国防部 DoD 最早开展了VV A的研究 7 7 1 1 概述概述 仿真模型的可信性检验仿真模型的可信性检验 为保证一个建模和仿真 Modeling and Simulation M S 项目的质量 需要测 量和评估很多指标 如精度 执行效率 可维护性 简洁性 可重用性和可用性 人 机界面 等 模型校核 验证 确认主要用于评定建模和仿真的优劣以及评估模型的精度 7 7 1 1 概述概述 概念概念 模型校核 Verification 确保模型的实现及其相关的数据准确地代表了开发者 的概念描述和技
3、术要求的过程 正确地建立了模型正确地建立了模型正确地建立了模型正确地建立了模型吗 吗 吗 吗 7 7 1 1 概述概述 概念概念 模型验证 Validation 从模型预期使用的角度 确定模型及其相关的数据在多 大程度上正确地反映现实世界的过程 建立了有效的模型吗建立了有效的模型吗 7 7 1 1 概述概述 概念概念 模型确认 Accreditation 正式地确认一个模型 仿真或者模型与仿真的联合 及其相关的数据用于一个特定目的时是可接受的过程 所建立的模型可以使用吗所建立的模型可以使用吗 7 7 1 1 概述概述 仿真和建模的评估过程仿真和建模的评估过程 7 7 1 1 概述概述 仿真 建
4、模及其仿真 建模及其VV AVV A过程过程 7 7 1 1 概述概述 VV AVV A的原则的原则 原则1 VV A必须贯穿于M S的整个周期 原则2 VV A不应该得出模型或仿真绝对正确或绝对错误的结论 原则3 仿真模型根据建模与仿真对象而建立 其可信度也应由相应的建模与仿 真对象来评判 原则4 V V的实施应保持独立性以避免开发者的偏见 原则5 仿真模型VV T是困难的 它要求VV T人员具有创造性和敏锐的洞察力 原则6 仿真模型的可信度只适用于进行校核 验证和确认时所限定的条件 原则7 完全的仿真模型测试是不可能的 原则8 必须制定仿真模型的VV A计划并进行相应的文档记录 7 7 1
5、 1 概述概述 VV AVV A的原则的原则 continuedcontinued 原则9 应防止第I II III类错误的发生 原则10 应尽可能早的发现仿真整个周期中存在的错误 原则11 必须正确地发现和处理多响应问题 原则12 每一个子模型的成功测试并不意味着整个模型一定可信 原则13 必须认识到双验证问题的存在并加以适当解决 原则14 仿真模型验证的有效性并不能保证仿真结果的可信度和可接受性 原则15 一个好的仿真问题的提出会大大影响仿真结果的可信度和可接受性 7 27 2 M SM S VV AVV A与与T ET E的的关系关系 M S M S modeling and simul
6、ationmodeling and simulation VV A VV A verification validation accreditationverification validation accreditation T E T E test and evaluationtest and evaluation 7 27 2 M SM S VV AVV A与与T ET E的的关系关系 M SM S与与VV AVV A的关系的关系 M S整个周期的三个主要阶段 分析与建模阶段 设计实现阶段 仿真实验阶段 图7 3 VV A与M S 7 27 2 M SM S VV AVV A与与T ET
7、 E的的关系关系 M SM S与与T ET E的关系的关系 T E过程为决策者提供基本信息 评定技术参数是否达到指标 并确定系统是 否达到预期的目标 任何一个系统在交付使用前必须进行测试与评估 采用M S的方法进行T E 可以扩大测试环境的应用范围并提高逼真度和测试 效率 增加实时的人机交互能力 设置不同的环境条件 进行后置系统分析 等 使用M S方法可增加测试时间和事件 降低系统测试的费用和风险 并且使 测试过程具有可重复性 7 27 2 M SM S VV AVV A与与T ET E的的关系关系 VV AVV A与与T ET E的关系的关系 T E作为VV A的一个子集 其过程和VV A过
8、程大致相同 只是VV A过程 还包括一些T E过程所不具备的活动 如代码校核 算法验证等 VV A和T E相互配合 相互促进 用模型来指导系统开发 对系统测试的结 果反过来又用于模型的修正 图7 4 VV A与T E的对应关系 7 37 3 影响模型有效性的因素影响模型有效性的因素 模型与现实系统不能完全吻合的主要模型与现实系统不能完全吻合的主要因素因素 建模过程中忽视了部分次要因素 缺乏 忽略的标准 目标修改 某些已被忽略的因素变得重要了 人为决定的错误 目前尚没有一套完整的评价方法来检验哪些约束是可忽略的 模型仿真试验的时间过短 模型初始数据的确定失误 输入随机数据分布的确定 仿真输出结果
9、的统计误差 7 37 3 影响模型有效性的因素影响模型有效性的因素 模型验证模型验证工作的工作的难点难点 模型验证工作是一个反复的过程 模型验证工作具有模糊性 模型验证工作受多种因素影响 模型验证过程中往往存在大量的统计分析与计算 在有些情况下 难以得到或者得不到实际系统的输出行为的可靠结果 给模 型的验证带来很大困难 7 47 4 仿真模型仿真模型VV AVV A的的意义意义 意义意义 1 校核与验证工作增强了应用M S的信心 校核与验证工作与M S应用的开发紧密结合 所以校核与验证工作的计划人员要根据系 统开发过程安排有关的校核与验证工作 以减少经费和时间 减少不必要的重复工作 校核与验证
10、工作是在一定的条件下开展的 为系统的应用目标服务 2 校核与验证工作减少了应用M S的风险 3 校核与验证工作增强了M S在未来的可用性 4 校核与验证工作减少了开支 5 校核 验证与确认为更好地完成系统分析提供了潜在的动力 6 校核 验证与确认工作满足了政府的政策要求 7 47 4 仿真模型仿真模型VV AVV A的的意义意义 系统仿真精度系统仿真精度 定义 仿真精度又可称为系统仿真或仿真系统精度 它往往以误差的形式描述 为仿真系统或其子系统实现其规定或期望的动 静态性能技术指标的误差 或允许误差 仿真精度通常包括静态和动态两个方面 7 47 4 仿真模型仿真模型VV AVV A的的意义意义
11、 系统仿真精度系统仿真精度 影响仿真精度的因素是多方面的 从仿真硬件换件来看 包括各仿真设备和参试设备误差 设备间接口关系 接口分辨率 采样周期 信号传递延迟等 信号与数据处理装置字 长 各类机械现在和机械传递误差等 从软件方面看 包括原始数据误差 各类建模误差 算法误差等 7 47 4 仿真模型仿真模型VV AVV A的的意义意义 系统仿真可信度系统仿真可信度 定义 仿真系统 或模型系统 作为原型 真实系统 的相似替代系统 在特定的建 模与仿真意义上 在总体结构和行为上能够复现原型系统的可信性程度 这种 可信性体现在建模 模型试验和仿真结构分析的全过程 乃至其多次反复之中 而不是局限在其中的
12、某个阶段 由于系统具有内部结果和外部行为两个方面 因此所建立的仿真系统 或称 模型系统 应具有这两个方面的可信水平 即行为水平和结构水平 7 57 5 模型模型校核的一般方法校核的一般方法 通过校核过程使仿真程序与仿真模型保持一致 并能准确地反映 模型中各部分之间的逻辑关系 各参数之间的数量关系以及对模 型所作的简化和假设等 一般方法 用子程序编写和调试仿真程序 在仿真程序的运行中检查输出的合理性 仿真程序运行时的跟踪检查 7 67 6 模型验证的模型验证的一般方法一般方法 仿真模型的验证是检验所构成的模型能否代表一个实际系统 或 所设计系统 的基本性能 一般方法 直观考察模型的有效性 检验模
13、型的假设 模型的初始数据与实际数据的比较 7 77 7 模型确认的模型确认的一般方法一般方法 图灵测试法 询问对实际系统比较熟悉的人 看他们能否分辨出哪些是模型的结果 哪些是 系统的实际数据 主观有效性评价 由熟悉实际系统的专家评价模型及其输出结果是否合理 理论比较法 将模型结果与理论结果进行比较 以判断模型的正确性 曲线法 比较模型结果曲线和实际系统结果曲线之间的吻合程度 动画法 将模型的输出结果进行动画演示 凭直觉判断模型的正确性 手算法 模型的所有输入值和内部变量都采用规定值 检查模型结果与手算结果是否一致 模型比较法 将模型结果与已普遍认为有效的模型结果进行比较 根据其偏差评价模型的有
14、 效性 7 77 7 模型确认的模型确认的一般方法一般方法 灵敏度分析法 用灵敏度分析技术确定模型的输入 输出关系 并检查其合理性 历史数据法 利用历史数据中的一部分来建立模型 而另一部分来检查模型的正确性 事件有效性检验 将仿真过程中出现的事件与实际系统发生的事件比较 看它们是否相同 11 内部有效性检验 通过多次运行模型来确定模型内部随机可变性的大小 并尽可能减少其可 变性 12 参数有效性检验 改变模型的内部参数和输入值 观察对模型输出结果的影响 并判断这种 影响关系与真实系统是否一致 13 子模型有效性分析 根据一定的原则将模型分解成若干个子模型 通过对子模型的确认得到 总模型有效性的
15、认识 14 预测有效性分析 把模型的预测值与实际系统的输出结果进行比较 看它们是否一致 7 77 7 模型确认的模型确认的一般方法一般方法 15 局部测试法 移走模型的某些部分 或设定适当的输入参数点 然后测试结果 看它们是否 符合一定的规律 16 极端条件测试法 采用极端条件或对各种不同层次的影响因素进行特殊组合 看模型的输出 结果是否合理 17 跟踪测试法 对模型不同类型实体的行为进行跟踪 以确定模型逻辑上是否正确 18 多阶段确认法 分三个阶段 首先提出模型假设 然后检验假设的有效性 再检验模型输 入 输出关系的正确性 19 统计检验法 使用数理统计的方法检验和评估模型的有效性 是一种定量的方法 包括基于 时序 频谱和参数辨识的模型确认方法 T
