【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(gè)軟件工具的集合，它包括設(shè)計(jì) ﹑ 編制及檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?；編寫及證實(shí)仿真程序；準(zhǔn)備模型輸入數(shù)據(jù)；分析模型輸出數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)及執(zhí)行模型實(shí)驗(yàn)大綱。 由此也可以認(rèn)為，所謂一體化仿真環(huán)境就是將若干個(gè)具有不同功能的軟件集成為一個(gè)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(wù)的需求進(jìn)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(shí)現(xiàn)功能上的一體化，或僅僅實(shí)現(xiàn)資源管理上的一體化（線集成）；也可以實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突灸Ｐ蛯?shí)驗(yàn)框架算法建模 實(shí)驗(yàn) 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(jì)分析和圖形生成軟件形成一個(gè)整體?；镜囊惑w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(shí)驗(yàn)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(yù)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(jìn)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(yīng)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(cuò)誤信息，并能給出正確的語法格式。一體化語言預(yù)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(yù)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(yùn)行到優(yōu)化和結(jié)果分析一系列復(fù)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(shí)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(shí)驗(yàn)框架和實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)行同一管理，因此也有學(xué)者認(rèn)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(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)包括辨識 ﹑ 仿真 ﹑ 優(yōu)化和分析等支撐服務(wù)軟件，其主要功能應(yīng)包括： ? 辨識軟件的主要功能是根據(jù)用戶要求和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成仿真模型的建立，參數(shù)辨識和模型驗(yàn)證，采用的算法有最小二乘法 ﹑ 極大似然法和隨機(jī)尋優(yōu)法等。 ? 仿真部分應(yīng)包括各種數(shù)值積分算法，如亞當(dāng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化和控制設(shè)計(jì)，其算法應(yīng)包括梯度法 ﹑ 單純形法 ﹑ 隨機(jī)搜索尋優(yōu)等方法。 ? 分析軟件至少應(yīng)有數(shù)據(jù)輸出和存放，圖形和曲線生成功能，對于較強(qiáng)的軟件還應(yīng)有對仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì) ﹑ 分析 ﹑ 列表等功能，甚至能達(dá)到將仿真實(shí)驗(yàn)階段的分析結(jié)果反饋到建模階段，以實(shí)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(shí)現(xiàn)，公認(rèn)最好的是由美國學(xué)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(gè)系統(tǒng)以一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化。 圖 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)計(jì)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(yùn)行控制數(shù)據(jù)庫T E S S 語言FORTRAN實(shí) 用程序 人工智能與仿真技術(shù) 概述 ? 在過去的幾十年時(shí)間里，作為研究智能本質(zhì)，并試圖建立實(shí)用系統(tǒng)的人工智能學(xué)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(jì) ﹑ 自然語言理解 ﹑ 計(jì)算機(jī)視覺 ﹑ 多媒體技術(shù) ﹑ 機(jī)器人學(xué) ﹑ 機(jī)器學(xué)習(xí)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(yīng)用。各種用途的專家系統(tǒng)正在不斷涌現(xiàn)，相應(yīng)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(xué)價(jià)值，而且在幫助人們解決某些專門領(lǐng)域中的問題時(shí)具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此，眾多的學(xué)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(xué)科的發(fā)展，并期望引入人工智能技術(shù)增強(qiáng)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(dá)及處理技術(shù)以擴(kuò)大仿真模型的知識描述能力； 2. 在建模 ﹑ 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jī)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(hù)； 4. 實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)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(hù)。 ? AI技術(shù)在仿真中的應(yīng)用，最近幾年已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，許多理論問題和技術(shù)難點(diǎn)已獲得突破。隨著計(jì)算機(jī)軟 ﹑ 硬件的發(fā)展，具有智能化的仿真環(huán)境已成功地應(yīng)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(yīng)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(yīng)用問題。有興趣的讀者可以參看相關(guān)的文獻(xiàn)。 人工智能在仿真技術(shù)中的主要應(yīng)用 ? 圖 ，它涉及仿真領(lǐng)域的各方面，在此僅討論幾個(gè)主要方面。 圖 仿真模型中知識的表達(dá)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(yàn)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(dá)面向目標(biāo)的建模語言仿真用于知識庫系統(tǒng)評估或設(shè)計(jì)仿真方法學(xué)與符號處理A I 在仿真過程中的運(yùn)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(yīng)用 一 知識庫用于系統(tǒng)的建模與模型驗(yàn)證 人類的科學(xué)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(xué)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(jià)。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(xué) ﹑ 物理等知識，而且需要相當(dāng)?shù)膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)，即領(lǐng)域知識，才能做好工作。但利用計(jì)算機(jī)適當(dāng)?shù)亟M織來自世界系統(tǒng)的信息，不僅對人機(jī)緊密結(jié)合的發(fā)展有所幫助，而且對建立一個(gè)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(gè)建模活動中，知識庫扮演著一個(gè)重要的角色。知識庫用于建模與模型驗(yàn)證的基本課題是：在仿真研究的各個(gè)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(yàn)證和綜合進(jìn)行咨詢服務(wù)和決策。其主要應(yīng)用項(xiàng)目是建模顧問專家系統(tǒng)。它用在建模過程中應(yīng)用模型庫選擇模型元素并合成適當(dāng)?shù)哪Ｐ停渲行膯栴}是能夠根據(jù)人類的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(gè)重要的領(lǐng)域是 AI對于大系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，特別是用于決策系統(tǒng)的仿真。這時(shí)，要在一個(gè)信息不充分 ﹑ 不確定，甚至不正確的情況下去進(jìn)行計(jì)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(yùn)算式，因此用一個(gè)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(gè)知識系統(tǒng)。知識庫系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)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(gè)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(yīng)用 ? 若將仿真技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，就可實(shí)現(xiàn)自尋最佳的結(jié)果。實(shí)現(xiàn)這種智能化仿真系統(tǒng)所存在的主要問題是在目標(biāo)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(shí)間和代價(jià)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用 ? 三、仿真模型中知識的表達(dá) 在經(jīng)典的建模與仿真方法中，主要存在的問題是：表達(dá)式模型結(jié)構(gòu)的靈活性；擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)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(dá)系統(tǒng)去表達(dá)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(gè)實(shí)體的不同事實(shí)； 2. ? 實(shí)體與實(shí)體之間關(guān)系的知識； 3. ? 實(shí)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(dá)?？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(dá)具有靈活性和擴(kuò)展性）；在建立模型過程中較少的程序設(shè)計(jì)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(gè)基于知識庫及推理機(jī)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(diǎn)： 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(shí) ﹑ 判斷 ﹑ 規(guī)則及經(jīng)驗(yàn)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(shí)際系統(tǒng)的行為數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在建模方法學(xué)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(yàn)總結(jié)出來提供給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為以后建模的依據(jù)。歸納法則是借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)去分析數(shù)據(jù) ﹑ 抽取特征 ﹑ 歸納概括成有指導(dǎo)意義的規(guī)則。 仿真專家系統(tǒng) ? 不管哪種方法，要實(shí)現(xiàn)建模過程的自動化，都必須有一個(gè)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(gè)龐大的仿真 ES的支持。這是因?yàn)椋谶@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(dá)而只有對問題的非形式化描述，仿真系統(tǒng)應(yīng)該能適應(yīng)這種描述，理解其意義，并根據(jù)它來建立模型。例如，對排隊(duì)系統(tǒng)的仿真，就應(yīng)該有關(guān)于排隊(duì)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(jì)算機(jī)如何適應(yīng)人的這種思維習(xí)慣（即模型的非形式化描述），就成了仿真建模的一個(gè)重要問題。 仿真專家系統(tǒng) ? 計(jì)算機(jī)的功能應(yīng)盡可能適應(yīng)用戶描述仿真問題的習(xí)慣，盡可能適應(yīng)系統(tǒng)仿真本質(zhì)的要求，作為人類認(rèn)識世界和改造世界的有力工具。為此，必須建立對計(jì)算機(jī)的高一級控制功能，給計(jì)算機(jī)賦予一個(gè) “ 被仿真 ” 系統(tǒng)的 “ 世界觀 ” ，讓計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(gè)方便的人機(jī)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