《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第8章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机仿真技术 教学课件 ppt 作者 郝培锋 崔建江 潘峰 第8章（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章,8.1 系统模型的校核、验证与认可的基本概念 8.2 系统模型校核与验证的一般策略 8.3 小结,8.1 系统模型的校核、验证与认可的基本概念,8.1.1 有关基本概念 8.1.2 模型校核与验证的难点,8.1 系统模型的校核、验证与认可的基本概念,仿真系统的精度和可信度是系统仿真实验过程中必须十分重视的问题，也是仿真系统最终用户最为关心的问题，因为它直接影响甚至决定仿真结果的置信度及其价值。模型是仿真系统的核心和基础，因此系统模型是否准确地描述被仿真对象，是仿真结果是否可信的前提，仿真结果的置信度取决于系统模型的质量。这里应对系统模型作最广义的理解，它包括在相似理论基础上建立起来的各
2、级各类模型，如数学模型、物理模型或物理效应模型、仿真计算模型、数据集合等，仿真建模的过程与实现.仿真置信度包括系统模型可信度(也可认为是仿真系统可信度)和模型运行过程的可信度两个方面，是二者的综合。,芳樟醇利用途径,芳樟醇（3,7-二甲基-1,6辛二烯-3-醇,1,6-Octadien-3-ol-3.7-dimethyl) 别称:里哪醇（Linalool)、沉香醇 分子式：C10H180,举例：芳樟醇生产过程开发流程模型,燃料电池的电能与化学品共生过程设计模型,8.1.1 有关基本概念,1.问题实体 2.概念模型 3.计算模型 4.概念模型有效性 5.运行有效性 6.数据有效性 7.模型校核
3、8.模型验证 9.模型认可,1.问题实体,计算机仿真技术问题实体(Problem Entity)即研究对象，可以是一个系统(真实的或假想的)，也可以是一种构思，一种概念，一种情景，一项决策或政策，或者是其他等待研究的事物或现象。,2.概念模型,概念模型(Conceptual Model)是针对某一具体研究目的而对问题实体所作出的数学的、逻辑的或自然语言的表述，这些表述最终应能够用仿真设备或程序来实现。,3.计算模型,计算模型(Computerized Model)是指概念模型在仿真设备上的实现。 概念模型是在问题分析和建模阶段建立起来的；计算模型是在概念模型的基础上通过程序设计和实现阶段建立起
4、来的；关于问题实体(研究对象)的一些结论，则是在仿真过程中通过运行计算模型而获得的。,4.概念模型有效性,概念模型有效性(Conceptual Model Validity)是指在形成概念模型的过程中所使用的理论和假设是否正确，问题实体的模型表达对于该模型的指定用途和具体目的是否合情合理，能否体现建模的预期目的。,5.运行有效性,运行有效性(Operational Validity)是指在给定的工作域和模型应用域内，模型行为相对于预期的研究目的来说是否足够精确。,6.数据有效性,数据有效性(Data Validity)是指能保证模型建立、模型评价、模型测试以及指导各种模型实验所使用的数据是充分
5、而可靠的。,7.模型校核,概括地说，模型校核(Model Verification)是一个过程，在这个过程中要检查和确定仿真计算模型是否准确地表述了概念模型；换言之，模型校核的目的是确保模型二次模型化(对概念模型的翻译)过程是正确的。,8.模型验证,模型验证(Model Validation)是在建模目的的意义下模型能否准确地代表实际系统，这有两方面的含义：其一是首先检查概念模型(数学模型、物理模型等)是否正确地描述了实际系统；其二是进一步考察仿真模型输出是否充分接近系统的行为。模型验证的目的并不是为了使模型与实际系统完全一致，由于模型只是对实际系统的一种相似，所以让模型百分之百地符合真实系统
6、的行为是不可能的，由于实际系统的复杂性，这也是做不到的。,9.模型认可,模型认可(Model Accreditation)是指正式地认定“模型对于特定的研究目的是可以接受的”，模型认可同研究目的、仿真目标、认可标准、用户要求、相关的输入数据的质量(有效性)等方面因素有关。,8.1.2 模型校核与验证的难点,1.模型验证工作是一个过程 2.模型验证工作具有模糊性 3.模型论证工作受多种因素的影响 4.模型验证过程中往往存在大量的统计分析与计算 5.有时难以获得或几乎得不到实际系统输出行为的可靠结果，给模型的验证带来困难,8.2 系统模型校核与验证的一般策略,8.2.1 模型校核的一般方法 8.2
7、.2 模型验证的一般方法,8.2.1 模型校核的一般方法,1.仿真算法的校核 2.静态检测 3.动态调试 4.多人复核 5.参考基准校核 6.标准实例测试 7.运用软件可靠性理论,1.仿真算法的校核,仿真算法的校核包括两方面的内容：一是对算法进行理论研究，对其主要的品质，如精度、收敛性、稳定性、适应性等进行分析，确保算法的合理性；二是检查计算机程序是否准确地实现算法的功能。 对于系统的仿真算法，如有可能应尽量选择经过测试和实践检验的标准程序。,2.静态检测,静态检测即检查算法、公式推导是否合理、仿真模型的流程图是否合乎逻辑、程序实现是否正确。为了便于模型的动态校核，从一开始就应当严格按照结构化
8、、模块化、规范化的风格编写程序。,3.动态调试,在模型运行过程中，通过考察关键因素或敏感因素的变化检查模型的正确性。,4.多人复核,对某个人开发设计的仿真计算模型，可由其他人来检查，采用一切办法甚至带有挑剔性地去寻找计算模型中潜在的错误，这种方法比较客观，可以提高模型的可信性,5.参考基准校核,检查模型计算结果是否同所研究的特定物理现象相符合，对模型结果中出现的非正常现象作出合理的物理解释。,6.标准实例测试,对于比较简单的、规模比较小的仿真问题，或许可以有足够的信心认为所设计的仿真计算模型是正确可靠的。但是对于复杂的、规模较大的系统来说，多数情况下，难以轻信仿真计算模型是正确可靠的。因为在多
9、数场合下必须经过许多标准实例的测试和验证，通过多方面的校核，经过反复修改、优化，最终才能获得正确的仿真计算模型。用于测试的例子往往是那些典型的、标准解已知的系统模型，将需要测试的仿真计算模型作适当的调整，使其成为标准解已知的典型系统的仿真计算模型，并将仿真结果与标准解相比较，以此来考核被测试的系统模型的正确性。,7.运用软件可靠性理论,仿真计算模型是一类用于专门目的的软件或计算机程序，因而除了在设计过程中遵循软件工程的思想方法和要求以外，对于已经设计出来的复杂系统的仿真程序，也可以利用软件可靠性的理论和方法进行诊断与检查。在20世纪70年代，Mills和Basin利用超几何分布模型解决了软件系
10、统错误数的评估问题。可以把这一方法用于仿真计算模型的错误及错误数的诊断：首先随机地将一些已知的错误播入待测试的仿真计算模型中，然后运行并测试仿真程序，通过测得的固有错误数与播入错误数，使用超几何分布模型来估算仿真计算模型的错误总数，然后再逐一排除。,模拟模型的verification，解决所建立的模拟模型是否能准确代表系统模型的问题；模拟模型的validation，解决模拟模型是否能真正代表所模拟的实际系统的问题。它们的关系如下图。,建模与仿真中的VV&A过程,在整个MS的生命周期中都要进行，而不仅仅在快要完成仿真时才进行。 相对正确、创造性的进行全局分析与验证 相对独立无偏好的进行 具体见D
11、OD的12条建议原则,单因子完全随机化实验设计：,分析 水平 j 对响应的影响分析： 对于统计假设： 若接受，则对所有水平，平均响应均为，对输出响应无显著影响。 若拒绝，则不同水平对响应有影响显著，于是要进一步了解哪一个水平有最大的影响，或不同水平对响应的影响的差异大小。,将模拟输出响应的变异分为两部分：其一为每一水平引起的变异，其二为被模拟过程内部固有的变异，即抽样随机波动引起的偏差。,即响应变量与样本的总平均响应之间的差 ：,用Q表示,Q = Q1 + Q2,由每一水平引起的偏差平方和，又称组间平方和,由抽样随机波动引起的偏差平方和，又称组内平方和,检验零假设 的基本方法：,8.2.2 模
12、型验证的一般方法,1.可信性验证 2.一致性检验,1.可信性验证,1)通过对前提(各种假设)是否真实的研究，来验证模型本身是否可信。 2)通过对推理过程是否符合思维规律、规则，即推理的形式是否正确的研究来检验模型的可信性。,2.一致性检验,(1)专家经验评估法 请有经验的领域专家、行业工程师和项目主管对仿真模型输出和实际系统进行比较、判断，如果他们认为两类输出相差无几或者区分不开，那么，就可认为仿真模型已经达到足够的精度，是可以接受的。 (2)动态关联分析法 根据先验知识，提出某一关联性指标，利用该性能指标对仿真模型输出与实际系统输出进行定性分析、比较，据此给出两者一致性的定性结论。 (3)系
13、统分解法(子系统分析法) 把复杂的大系统分解成若干个小子系统，对每个子模型进行分析验证，然后根据子系统组成大系统的方式(串联、并联等)考察整个模型的有效性。 (4)灵敏度分析法 通过考察模型中一组灵敏度系数的变化，给模型系数造成的影响情况来分析、判断模型的有效性。,2.一致性检验,(5)参数估计法 对于系统的某些性能指标参数(如武器系统的杀伤概率、命中精度等)，考察其复杂输出置信域是否与相应的参考(期望)输出置信域重和或落入期望的置信域内。 (6)假设检验法 利用假设检验理论来判断仿真结果与参考结果是否在统计意义下一致，以及一致性的程度如何。 (7)时间序列与频谱分析 把仿真输出与相应的参考输
14、出看作时间序列，对它们进行某些处理后用时间序列理论和频谱分析方法考察两者在频域内的统计一致性。 (8)综合方法 上述两种或两种以上方法综合使用，以便从多个侧面考察仿真模型的有效性。,举例1: 迁移系统,（Q,Q0,T ) Q=on, off Q0 =on T=(on,on),(on,off), (off,on),(off,off) 计算序列: On,on,off, On, off,. 所有以on开头,后面为on或off的无穷序列.,Untimed systems: 系统建模（2）,标号迁移系统（Labeled Transition Systems, LTS ） （Q, Q0, , T ） 其中
15、： Q 是状态集合, Q0Q为初始状态集, S 是一个有限的 标号集合(字母集), 通常用来事件、动作或变量的取值， T QS Q为迁移关系.,这里：q0 Q0, 且对任意非负整数i 有: (qi, ai , q(i+1)T,(无穷)计算序列:,举例2: 标号迁移系统:,（Q,Q0,T ) Q=on, off, Q0 =on, =a, b (设想a 表示开灯事件， b 表示关灯事件) T=(on,a,on),(on,b,off), (off,a,on),(off,b,off) 计算序列:,Untimed systems: 系统建模（3）,-automata (无穷字上的有限状态自动机) Bch
16、i automata：(Q,Q0,T,F), 其中： Q是有穷的状态集, Q0 Q为初始状态集， S 是一个有限字母集， T Q S Q为迁移关系 F Q为接受状态. 计算序列: F 中的状态在序列中要出现无穷多次.,举例3: Bchi automata,（Q,Q0,T,F) Q=on, off, Q0 =on, =a, b, T=(on,a,on),(on,b,off), (off,a,on),(off,b,off) F=off 计算序列: (状态off要出现无穷次) 接受： 不接受：,Untimed systems: 性质表示,时序逻辑（Temporal Logic ） 用于表示时序关系的逻辑语言 线性时序逻辑（LTL， Linear Temporal Logic ） 分支时序逻辑 CTL（Computation Tree Logic）, (省略) -演算 (省略),LTL: 语法,设P是一个命题集，LTL公式由以下规
