【文章內(nèi)容簡介】 ? 一體化仿真環(huán)境的定義是： 一體化仿真環(huán)境是一個軟件工具的集合，它包括設(shè)計 ﹑ 編制及檢驗模型；編寫及證實仿真程序；準備模型輸入數(shù)據(jù)；分析模型輸出數(shù)據(jù)；設(shè)計及執(zhí)行模型實驗大綱。 由此也可以認為，所謂一體化仿真環(huán)境就是將若干個具有不同功能的軟件集成為一個包含有多種功能的軟件系統(tǒng)，使仿真模型能根據(jù)仿真任務的需求進行分解和拼合，并能對仿真資源一體化在集成的程度上可以不同。比如：可以僅僅實現(xiàn)功能上的一體化，或僅僅實現(xiàn)資源管理上的一體化（線集成）；也可以實現(xiàn)功能與資源，或功能與模型的一體化（面集成）；還可以對功能 ﹑ 模型處理及資源管理全面實現(xiàn)一體化（體集成），如圖 所示。 一體化仿真技術(shù) 圖 一體化仿真模型 資源功能模型分析實驗模型基本模型實驗框架算法建模 實驗 優(yōu)化拼合模型數(shù)據(jù) 顯見，這樣的一體化仿 軟件必須以工程數(shù)據(jù)庫為核心，使操作系統(tǒng) ﹑編譯系統(tǒng) ﹑ 仿真語言 ﹑數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) ﹑ 統(tǒng)計分析和圖形生成軟件形成一個整體。基本的一體化仿真環(huán)境如圖 所示，各部分的主要功能如下所述。 一體化仿真技術(shù) 圖 一體化仿真環(huán)境 數(shù)據(jù)庫管理中心模型庫 數(shù)據(jù)庫實驗庫算法庫辨識分析優(yōu)化仿真一體化語言數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接口接口用戶用戶 一體化仿真技術(shù) 一、一體化語言 一體化語言部分的模塊主要由一體化語言命令集和一體化語言預編譯器所組成。命令集解釋系統(tǒng)并接受用戶的命令，對該命令進行語法檢查。若命令合法，則調(diào)用完成該命令的有關(guān)模塊，將接收到的參數(shù)傳給相應的模塊，并完成命令所要求完成的功能。若命令不合法，則打印錯誤信息，并能給出正確的語法格式。一體化語言預編譯器則是處理用戶命令，并將命令翻譯成仿真語言的格式寫入仿真語言程序。仿真工程師按一體化語言格式寫成仿真程序。預編譯器的功能就是讀取用戶仿真程序，區(qū)別程序語句和命令語句，并完成命令語句功能。在一體化仿真語言的支持下，用戶可以用簡練的命令集構(gòu)成的仿真程序，完成從建模﹑ 運行到優(yōu)化和結(jié)果分析一系列復雜的仿真過程。 一體化仿真技術(shù) 二 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫 RDB實現(xiàn)，常用的有ORACLE,FOXPRO,DBASE等關(guān)系數(shù)據(jù)庫 語言。各種仿真關(guān)聯(lián)資源：模型 ﹑ 參數(shù)集 ﹑ 實驗框架和實驗數(shù)據(jù)等都存儲在這里。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過對這些資源的存儲和管理，以實現(xiàn)不同的仿真目的。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的存在是一體化仿真環(huán)境與傳統(tǒng)仿真工具之間最大差別的原因之一，也正是由于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠在仿真全過程中對仿真資源實行同一管理，因此也有學者認為：一體化仿真環(huán)境是以仿真數(shù)據(jù)庫為核心的軟件系統(tǒng)。 一體化仿真技術(shù) 三、實驗運行系統(tǒng) 實驗運行系統(tǒng)包括辨識 ﹑ 仿真 ﹑ 優(yōu)化和分析等支撐服務軟件，其主要功能應包括： ? 辨識軟件的主要功能是根據(jù)用戶要求和實驗數(shù)據(jù)完成仿真模型的建立，參數(shù)辨識和模型驗證，采用的算法有最小二乘法 ﹑ 極大似然法和隨機尋優(yōu)法等。 ? 仿真部分應包括各種數(shù)值積分算法，如亞當斯多步法 ﹑ 龍格－庫塔法，以及解剛性系統(tǒng)的雷納爾法，半隱式龍格庫塔法等。 ? 優(yōu)化包括參數(shù)尋優(yōu)和函數(shù)尋優(yōu)等功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制設(shè)計，其算法應包括梯度法 ﹑ 單純形法 ﹑ 隨機搜索尋優(yōu)等方法。 ? 分析軟件至少應有數(shù)據(jù)輸出和存放，圖形和曲線生成功能，對于較強的軟件還應有對仿真結(jié)果的統(tǒng)計 ﹑ 分析 ﹑ 列表等功能，甚至能達到將仿真實驗階段的分析結(jié)果反饋到建模階段，以實現(xiàn)閉環(huán)仿真。 一體化仿真技術(shù) ? 目前一體化仿真軟件的實現(xiàn)，公認最好的是由美國學者研制成的 TESS（ The Extended Simulation System）。 TESS由七部分構(gòu)成： 1. TESS語言； 2. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)； 3. 圖形產(chǎn)生器； 4. 形式處理器； 5. 圖形網(wǎng)絡(luò)建立器； 6. FORTRAN子程序庫； 7. 與仿真語言的接口。 一體化仿真技術(shù) ? 整個系統(tǒng)以一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫為核心，通過 TESS語言關(guān)系，存儲 ﹑ 檢查數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，如圖。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)包括：描述模型的數(shù)據(jù) ﹑ 仿真模型的輸入數(shù)據(jù) ﹑ 仿真實驗結(jié)果 ﹑ 輸入 /輸出顯示的參數(shù)。 ? 用戶使用 TESS可以做到建模 ﹑ 仿真 ﹑ 分析結(jié)果處理的一體化以及數(shù)據(jù)和參數(shù)格式的標準化。 圖 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計計算網(wǎng)絡(luò)管理格式管理 圖形生成數(shù)據(jù)管理仿真執(zhí)行運行控制數(shù)據(jù)庫T E S S 語言FORTRAN實 用程序 人工智能與仿真技術(shù) 概述 ? 在過去的幾十年時間里，作為研究智能本質(zhì)，并試圖建立實用系統(tǒng)的人工智能學科，在知識獲取 ﹑ 知識表示 ﹑ 問題解答 ﹑ 定理證明 ﹑ 程序自動設(shè)計 ﹑ 自然語言理解 ﹑ 計算機視覺 ﹑ 多媒體技術(shù) ﹑ 機器人學 ﹑ 機器學習和專家系統(tǒng)等方面，已取得了令人鼓舞的成果與廣泛的應用。各種用途的專家系統(tǒng)正在不斷涌現(xiàn)，相應地理論和關(guān)鍵技術(shù)也已取得突破，并日益發(fā)展和完善。由于人工智能（ AI）不僅在人類探索智能本質(zhì)方面具有重大的科學價值，而且在幫助人們解決某些專門領(lǐng)域中的問題時具有重大的經(jīng)濟價值，因此，眾多的學科和技術(shù)正在不斷地受著人工智能的影響。 ? 將人工智能 ﹑ 專家系統(tǒng)嵌入到仿真環(huán)境是減少仿真中的人力消耗，提高仿真自動化程度和仿真精度，拓寬一體化仿真規(guī)模的不可缺少的技術(shù)，也是仿真技術(shù)本身變革的外在動力之一。仿真工程師們普遍關(guān)注人工智能 ﹑ 專家系統(tǒng)學科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術(shù)增強系統(tǒng)仿真 ﹑ 建模的能力，其主要表現(xiàn)在： 概述 1. 引入知識表達及處理技術(shù)以擴大仿真模型的知識描述能力； 2. 在建模 ﹑ 仿真實驗設(shè)計和仿真結(jié)果分析等階段中，引入專家知識 ﹑ 自動推理和解釋機制，以輔助領(lǐng)域工程師做各種決策； 3. 輔助模型的修正和維護； 4. 實現(xiàn)友好的人機界面（可視化技術(shù) ﹑ 自然語言理解 ﹑ 多媒體技術(shù)）； 5. 建立智能化數(shù)據(jù)庫以及輔助數(shù)據(jù)的管理維護。 ? AI技術(shù)在仿真中的應用，最近幾年已有相當?shù)陌l(fā)展，許多理論問題和技術(shù)難點已獲得突破。隨著計算機軟 ﹑ 硬件的發(fā)展，具有智能化的仿真環(huán)境已成功地應用于許多領(lǐng)域。限于篇幅，在此僅介紹人工智能在仿真技術(shù)中的應用，以及討論某些相關(guān)的問題，而不去研究具有智能化仿真環(huán)境在具體領(lǐng)域中的應用問題。有興趣的讀者可以參看相關(guān)的文獻。 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應用 ? 圖 ，它涉及仿真領(lǐng)域的各方面，在此僅討論幾個主要方面。 圖 仿真模型中知識的表達知識庫用于仿真與建模仿真與A I的結(jié)合知識庫( 專家) 系統(tǒng)由于模型的綜合專家系統(tǒng)用于模型的辨識及驗證建模中的公式管理A I 和軟件工程定性建模與仿真仿真中的知識表達面向目標的建模語言仿真用于知識庫系統(tǒng)評估或設(shè)計仿真方法學與符號處理A I 在仿真過程中的運用知識庫系統(tǒng)與仿真模型的結(jié)合決策、判定系統(tǒng)仿真智能控制/接口仿真 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應用 一 知識庫用于系統(tǒng)的建模與模型驗證 人類的科學知識從低級 ﹑ 特殊到高級 ﹑ 一般有層次地積累起來，用腦力來完成這些與科學理論構(gòu)造有關(guān)的知識的組織過程是困難的，這需要付出巨大的代價。對物理系統(tǒng)的建模就屬于這樣的工作，它不僅需要一定的數(shù)學 ﹑ 物理等知識，而且需要相當?shù)膶嶋H經(jīng)驗，即領(lǐng)域知識，才能做好工作。但利用計算機適當?shù)亟M織來自世界系統(tǒng)的信息，不僅對人機緊密結(jié)合的發(fā)展有所幫助，而且對建立一個能徹底支持建模活動的信息庫起了極大的作用。在這樣一個建模活動中，知識庫扮演著一個重要的角色。知識庫用于建模與模型驗證的基本課題是：在仿真研究的各個不同階段上借助專家知識庫輔助仿真工程師對仿真模型的建立 ﹑ 驗證和綜合進行咨詢服務和決策。其主要應用項目是建模顧問專家系統(tǒng)。它用在建模過程中應用模型庫選擇模型元素并合成適當?shù)哪Ｐ停渲行膯栴}是能夠根據(jù)人類的經(jīng)驗用規(guī)范的形式來綜合描述物理過程。 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應用 二、仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合 在仿真與 AI結(jié)合方面，一個重要的領(lǐng)域是 AI對于大系統(tǒng)的計算機仿真，特別是用于決策系統(tǒng)的仿真。這時，要在一個信息不充分 ﹑ 不確定，甚至不正確的情況下去進行計劃 ﹑ 調(diào)度和做出各種方案的假設(shè)。在這類系統(tǒng)的仿真研究中， AI技術(shù)是十分適用的。由于這類系統(tǒng)的某些子過程主要表現(xiàn)為啟發(fā)式或符號運算式，因此用一個專家系統(tǒng)來建模是很合適的。對于另一些子過程，它們具有確定的和連續(xù)的性質(zhì)（如物理過程），因此可以按照一般動態(tài)系統(tǒng)建模方法來建模。 另一方面，仿真可用于評估一個知識系統(tǒng)。知識庫系統(tǒng)的一個重要應用是控制生產(chǎn)過程，類似人在控制過程中所起的分析和支持作用。為了測試這樣一個智能控制系統(tǒng)，有必要建立系統(tǒng)仿真模型。 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應用 ? 若將仿真技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)有機地結(jié)合起來，就可實現(xiàn)自尋最佳的結(jié)果。實現(xiàn)這種智能化仿真系統(tǒng)所存在的主要問題是在目標的合適形式 ﹑ 算法及硬件能力等方面。 ? 目前的仿真基本上都是屬于開環(huán)仿真，領(lǐng)域工程師要花大量的時間和代價去面對一大堆表示仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖表，在仿真環(huán)境中引入知識和專家系統(tǒng)可用于仿真實驗結(jié)果的分析和決策，并將結(jié)果反饋到建模型階段，再根據(jù)仿真結(jié)果和專家決策對仿真模型做綜合分析。 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應用 ? 三、仿真模型中知識的表達 在經(jīng)典的建模與仿真方法中，主要存在的問題是：表達式模型結(jié)構(gòu)的靈活性；擴展程序設(shè)計的能力；面向批處理的建模等。解決這些問題的方法之一，是采用AI的知識表達系統(tǒng)去表達仿真模型中的知識（知識庫仿真）。具體而言，首先是要建立面向?qū)ο蟮姆抡嬲Z言。這里的知識包括下述一些內(nèi)容。 1. ? 系統(tǒng)中關(guān)于每個實體的不同事實； 2. ? 實體與實體之間關(guān)系的知識； 3. ? 實體與系統(tǒng)特性之間關(guān)系的知識。 此外，還包括作用在系統(tǒng)上的外部影響關(guān)系的表達?？偟奶匦灾T如：模型在建立與改變過程中的交互性（知識表達具有靈活性和擴展性）；在建立模型過程中較少的程序設(shè)計工作量；相容性和完整性檢查。 仿真專家系統(tǒng) ? 仿真專家系統(tǒng)是一個基于知識庫及推理機制的仿真軟件系統(tǒng)。它具有下述與常規(guī)仿真系統(tǒng)不同的特點： 1. 具有建模專家系統(tǒng)； 2. 在 AI基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫 ﹑ 知識庫及控制結(jié)構(gòu)； 3. 數(shù)據(jù)庫中除數(shù)值數(shù)據(jù)外，還有大量的符號數(shù)據(jù)，它們用來描述有關(guān)事實 ﹑ 判斷 ﹑ 規(guī)則及經(jīng)驗的知識； 4. 仿真模型包括：數(shù)值 /符號處理；算法 /模式搜索，集成信息和控制 /命令結(jié)構(gòu)分離； 5. 具有智能化前端。 ? 系統(tǒng)仿真的目的，就是用模型來產(chǎn)生用以擬合實際系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在建模方法學中，有演繹建模法，也有歸納建模法。演繹法是人們把建模方法的經(jīng)驗總結(jié)出來提供給計算機系統(tǒng)，作為以后建模的依據(jù)。歸納法則是借助計算機系統(tǒng)去分析數(shù)據(jù) ﹑ 抽取特征 ﹑ 歸納概括成有指導意義的規(guī)則。 仿真專家系統(tǒng) ? 不管哪種方法，要實現(xiàn)建模過程的自動化，都必須有一個完備的專家系統(tǒng)支持。特別對于非工程系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，更需要一個龐大的仿真 ES的支持。這是因為，在這些領(lǐng)域里，沒有完善的公式，甚至很多問題不能用公式表達而只有對問題的非形式化描述，仿真系統(tǒng)應該能適應這種描述，理解其意義，并根據(jù)它來建立模型。例如，對排隊系統(tǒng)的仿真，就應該有關(guān)于排隊系統(tǒng)的基本常識和描述，這些描述很類似于人們?nèi)粘５臅捳Z言，而不是一串代數(shù)方程或 FORTRAN代碼。因此，計算機如何適應人的這種思維習慣（即模型的非形式化描述），就成了仿真建模的一個重要問題。 仿真專家系統(tǒng) ? 計算機的功能應盡可能適應用戶描述仿真問題的習慣，盡可能適應系統(tǒng)仿真本質(zhì)的要求，作為人類認識世界和改造世界的有力工具。為此，必須建立對計算機的高一級控制功能，給計算機賦予一個 “ 被仿真 ” 系統(tǒng)的 “ 世界觀 ” ，讓計算機能理解用戶描述的問題，并把這種模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋬?nèi)部的仿真計算機模型，以用戶熟悉和易于理解的形式輸出仿真結(jié)果。這樣一個方便的人機友好的智能化仿真環(huán)境，能夠讓用戶以更多的精力去了解客觀