30经济管理复杂适应系统理论与仿真研究

发布时间：2016-10-21 08:57

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第四章经济管理复杂适应系统仿真研究；第四章经济管理复杂适应系统仿真研究；科学研究的基本方法不外乎三种：数学理论、试验技术；４．１．１系统仿真的基本概念１３５ｌ；根据国际标准化组织（ＩＳＯ）标准中的《数据处理词；系统仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像；第四章经济管理复杂适应系统仿真研究；仿真界专家和学者对仿真下过不少定义；在此基础上形成了系统仿真方法

第四章经济管理复杂适应系统仿真研究

科学研究的基本方法不外乎三种：数学理论、试验技术和计算机仿真。在经济管理科学的研究中，由于学科本身的特点，使得科学家在对经济管理系统进行研究时，不能象研究自然科学那样进行数学的分析和试验。在研究经济管理系统时，如果片面地套用研究自然科学的方法，势必造成理论与实践相脱节，这也是经典经济学研究的局限之处。复杂性科学的发展为经济管理科学的研究提供了新的契机，定性与定量相结合，理论研究和计算机仿真相结合成为研究经济管理系统的主要手段，尤其是随着计算机技术的发展，计算机仿真技术在科学研究中的应用显得越来越重要，基于计算机仿真技术的ＭＡＳ理论研究已经成为当代计算机技术的热点，本章的研究重点集中在基于经济管理复杂适应系统理论基础之上的多主体系统仿真技术的研究，以及其仿真平台ＳＷＡＲＭ的应用研究上。４．１系统仿真理论概述

４．１．１系统仿真的基本概念１３５ｌ

根据国际标准化组织（ＩＳＯ）标准中的《数据处理词汇》部分的名词解释。“模拟”（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）与“仿真”（ｅｍｕｌａｔｉｏｎ）两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以致于模仿的系统能象被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。鉴于目前实际上己将上述“模拟”和“仿真”两者所含的内容都统归于“仿真”的范畴，而且都用英文ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ一词来代表，因此本书所讨论的仿真概念也就这样泛指。

系统仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具。利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真不仅限于系统生产集成后的性能测试试验，仿真技术还应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也应用于由多个系统综合构成的复杂系统。那么应该如何对计算机仿真下一个明确的定义呢？９６

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仿真界专家和学者对仿真下过不少定义。艾伦（Ａ?Ａｌａｎ）在１９７９年８月出版的《仿真》期刊上对众多的定义进行了综述，其中雷诺（Ｔ?Ｈ?Ｎａｙｌｏｒ）于１９６６年在其专著中对仿真作了如下定义：“仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件或经济系统（或者它们的某些部分）在若干周期内的特征。”其它一些定义只对仿真作一些概括的描述：仿真就是模仿真实系统；仿真就是利用模型来作实验等等。从这些有关仿真的定义中不难看出，要进行仿真试验，系统和系统模型是两个主要因素。同时由于对复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置，而现代化的计算机又责无旁贷地充当了这一角色，所以系统仿真（尤其是数学仿真）实质上应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三项要素的基本活动则是：模型建立、模型程序化和仿真试验与分析。它们之间的关系如图４—１所示。

在此基础上形成了系统仿真方法学的三个分支：

（１）仿真建模方法学（演绎推理：归纳推理）：

（２）仿真语言构造方法学（连续系统仿真方法和语言ＣＳＳＬ，离散事件仿真方法和语言ＤＥＳＬ，混合仿真语言ＨＣＳＬ）；

（３）仿真试验支撑环境构造

方法学，（集成化仿真环境ＩＳＥ，

分布式仿真环境ＤＳＥ，虚拟仿真

环境ＶＳＥ，互连网仿真环境

ＷＳＥ）。

系统仿真技术作为分析和研

究系统运动行为、揭示系统动态

过程和运动规律的一种重要的手

段和方法，随着２０世纪４０年代图４—１仿真三要素

第一台计算机的诞生而迅速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论、计算技术、信息处理技术的发展，计算机软件、硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究、工程应用、仿真工程和工具开发环境等许多方面都取得令人瞩目的成就，形成一门独立发展的综合性科学。

文献【３５］综合国内外仿真界学者对系统仿真的定义，提出了如下的系统仿真定义：

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算披术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假

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想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。

上述定义中的计算技术，除了包含通常意义下的计算理论和技术，还应该包括现代运筹学的绝大部分内容。对信息理论、控制理论、运筹学等概念和术语，其它一些有关系统科学和系统工程的著作都给予了明确的解释。定义中模型可以是定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是数学的，或者是它们的综合。要对某一系统进行研究，其“白色”部分，可以建立定量的解析模型；“灰色”部分则可以通过实验、观测和归纳推理获得其模型结构．并根据专家经验和知识来辨识其参数：而对于“黑色”部分则只能借助于各种信息知识（感性的、理性的、经验的、意念的、行为的等）给予定性描述。

４．１．２系统仿真的分类１３ｓｌ

依据不同的分类标淮，可将系统仿真进行不同的分类。如：

（１）根据被研究系统的特征可分为两大类，连续系统仿真及离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等）以及连续一离散混合模型。

离散事件系统仿真则是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。

（２）按仿真实验中所取的时间标尺ｒ（模型时间）与自然时间（原型）时间标尺７１之间的比例关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若ｆ／丁＝１，则称为实时仿真，否则称为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时ｒＩＴ＞１和亚实时ｒＩＴ＜１两种。

（３）按照参与仿真的模型的种类不同，将系统仿真分为物理仿真、数学仿真及物理一数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真）。

物理仿真，又称物理效应仿真，是指按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需花费较大的投资，且周期也较长，此外在物理模型上作试验不易修改系统的结构和参数。

数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行状况的考察的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件／硬件环境，动画与图形显示、输入输出等设备组成。数学仿真在

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系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性与合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软硬件技术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。

物理一数学仿真，又称为半实物仿真，准确称谓是硬件（实物）在回路中（ｈａｒｄｗａｒｅｉｎｔｈｅｌｏｏｐ）的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。半实物仿真有以下几个特点：

?原系统中的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。在半实物仿真中，可将不易建模的部分以实物代之参与仿真试验，可以避免建模的困难。

?利用半实物仿真可以进一步检验系统数

学模型的正确性和数学仿真结果的准确性。

?利用半实物仿真可以检验构成真实系统

的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及

可靠性，准确调整系统参数和控制规律。在航

空航天、武器系统等研究领域，半实物仿真是

不可缺少的重要手段。

４．１．３一般系统仿真步骤｜３５１

系统仿真的第一步是建立数学模型和仿真

模型，主要应由专业人员完成：在计算机发展

的今天，一般的通用计算机已经可以完成小型

的系统仿真，大型的系统仿真也可以通过设计

成并行计算程序，发挥互联网的优势，进行

ＷＳＥ环境下的仿真。将仿真模型通过专用的仿

真语言，编制程序，这自然是软件工作人员的

事。而模拟结果的分析，参数的调整，就要靠

专业人员与软件人员共同来完成了。

具体的仿真步骤如图４—２所示。

对实际系统的仿真过程是一个不断发展和

完善的过程，～般可分为以下几步：

①问题的提出：描述所研究问题的定义和图４—２系统仿真过程

求解目标。

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②模型的建立：根据所提出的问题及其阐述，，将系统抽象为数学上的逻辑关系。

③数据需求：数据的定义、标识和收集。

④模型转换：用文字、图形和流程表示的逻辑关系转换为计算机的仿真语句序列。

⑤论证和计划：建立仿真模型和实际系统之间的关系，并为使用模型建立实验条件。

⑥实验：执行仿真模型，输出实验结果，包括数据、表格和图形等。

⑦分析结果：分析仿真输出的结果，求得解决问题的途径。

⑧修改和完善模型：根据仿真输出的结果，分析、修改和完善模型，验证分析，直到取得满意的结果为止。

⑨实施和文档：根据仿真结果做出决策，进行实施，记载模型和它的使用情况。

⑨系统维护：使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。

４．２经济管理复杂适应系统仿真的基本框架

传统的系统仿真方法学主要是面向工程系统如航空、航天、电力、化工等，一般说来，这类系统具有良好定义和良好结构，具有充分可用的理论知识；可以采用演绎推理的方法建模。而复杂系统仿真主要是面向社会、经济、生态、生物等这些十分复杂的非工程系统。仿真这些复杂系统的难点主要在于系统的病态定义和病态结构，以及无充分可用的理论和先验知识。传统系统仿真方法中的建模，其侧重点是对形式化模型进行演绎推理，实验，分析。这显然具有工程技术的特点。而在复杂系统仿真方法中，其侧重点是解决如何建立系统的形式化模型，建立一种抽象的表示方法以获得对客观世界和自然现象的深刻认识，这明显是面向科学的。

４．２．１复杂系统仿真方法１３０㈣ｌ

近年来对于复杂系统（社会、经济、生物、生态）的研究，推动了包括系统仿真在内各相关学科的发展。如果说２０世纪７０年代以前，多数的仿真专著都是面向物理系统，并以讨论基于演绎推理的传统建模与仿真方法学为主。那么７０年代以后。许多重要的系统仿真专著，都已从不同方面讨论了复杂系统仿真的方法学问题。其中如理查森和普茨的《系统动力学建模导论》；齐格勒的《建模与仿真理论》；戈登的《系统仿真》；斯普里特及范斯蒂思斯基的《计算机辅助建模与仿真》。００

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