模型与仿真的关系

从系统工程角度来看,系统是研究对象,模型是系统抽象,仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的。系统、模型与仿真三者之间的关系如图1-17所示。

图1-17　系统、模型与仿真关系示意图

在认识客观世界的过程中,人们建立系统概念是为了深入认识并掌握研究对象的运动规律,希望通过定性、定量地分析、综合研究对象,以期比较准确地解决诸如自然、现代社会和工程中的种种复杂问题,以获得更大的效益。

系统模型则是对实际系统的一种抽象,是系统本质的表达,是人们对客观世界反复认识、分析,经过多极转换、整合等相似过程而形成的最终结果,它具有与系统相似的数学描述或物理属性,以各种可用的形式,给出研究对象的信息。模型是在对系统进行分析的基础上,根据研究的目的,在一定的假设条件下用抽象的数学语言,概括系统的内在规律,从而确定系统状态的一种方法。正确建立的模型能更深刻、更集中地反映实体的主要特征和运动规律,从而达到对实体的抽象,帮助人们认识、分析研究对象。

建立模型的目的是根据系统目标,描述系统的主要构成要素、分析各个构成要素之间的联系、研究系统和环境之间的信息传递关系以及明确实现系统目标的约束条件等。建模在系统分析中的作用概括为以下几点:

①方便对系统的理解和认识。尤其对于复杂系统而言,模型只是系统的抽象,通过对模型的学习,人们容易掌握系统的运行原理和主要构成,所以模型能够帮助人们认识和理解系统。从另外一个角度来讲,只有对系统进行充分地理解才能对系统进行正确分析。

②建模在整个系统分析过程中起到承上启下的作用。系统分析中系统目标的确立、历史信息的收集等都是为系统建模服务的,而系统建模的结果是系统优化方案的构建以及方案选择的依据。

③系统模型便于系统分析。有些实体很难通过试验进行相关性质的测定,但所有系统都可以通过建模来进行系统的可靠性、稳定性分析。

④建立模型便于揭示系统的本质规律。通过模型参数的变化便于显示系统的本质规律。

构造一个真实系统的模型,在模型上进行实验是我们进行系统分析、研究的十分有效的手段。为了达到系统研究的目的,系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。也就是说,模型是为了产生行为数据的一组指令,它可以用数学公式、图、表等形式表示。模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象,是对系统某些本质方面的描述,它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。模型描述可视为是对真实世界中的物体或过程的相关信息进行形式化的结果,模型在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述或物理描述。从某种意义上说,模型是系统的代表,同时也是对系统的简化。

模拟仿真是通过对系统的分析,用物理模型或数学模型对系统进行定量的描述,以体现系统发展变化规律性的一种方法,即模拟仿真是应用模型进行实验的方法。因此,没有模型就谈不上模拟仿真。仿真实际上是一种知识处理的过程,是分析和研究系统运动行为,揭示系统动态过程和内在规律的一种重要手段和方法,它涉及多学科、多领域的知识和经验。它必须通过描述系统的模型,利用仿真程序语言,借助现代化的计算机设备来实现对系统的模拟,揭示系统存在的某一问题,并提供解决问题方案的参考。

值得注意的是,不管是系统模型的建立,还是利用模型对系统进行仿真,这一过程本身就是一项很复杂的活动,应注意模型与仿真和实际系统之间的偏离。就模型而言,建模以后可以利用某些方法对原有系统进行优化,但是有了模型以后还必须结合原有系统的实际情况进行系统分析,否则可能导致模型分析的结果和现实系统严重不符,需要不断地接受实际系统的反馈,正如我们前面所介绍的,通常模型的建立需要一个反复过程,其意义就在于若建立的模型和现实系统之间存在重大误差,那么就不具备任何价值,因此就需要对模型和仿真模型进行修正,尽管这种修正可能是模型参数的修正,也可能是模型结构的修改。