6系统仿真概述

运作系统仿真简介1系统仿真概述任海英运作系统仿真简介21.仿真的概念为什么用仿真?仿真在运作系统中的应用仿真软件介绍2.多智能体和基于多智能体的仿真NetLogo仿真实例运作系统仿真简介3引子——墨子中的仿真《墨子•公输第五十》1.子墨子见王，曰：“今有人于此，舍其文轩，邻有敝舆，而欲窃之；舍其锦绣，邻有短褐，而欲窃之；舍其粱肉，邻有糠糟，而欲窃之。此为何若人？”王曰：“必为窃疾矣。”子墨子曰：“荆之地，方五千里，宋之地，方五百里，此犹文轩之与敝舆也；荆有云梦，犀兕麋鹿满之，江汉之鱼鳖鼋鼍为天下富，宋所为无雉兔狐狸者也，此犹粱肉之与糠糟也；荆有长松、文梓、楩楠、豫章，宋无长木，此犹锦绣之与短褐也。臣以三事之攻宋也，为与此同类，臣见大王之必伤义而不得。”王曰：“善哉！虽然，公输盘为我为云梯，必取宋。”•任氏曰：“此回合子墨子用“类比”、“同构”，未成。”运作系统仿真简介4引子——墨子中的仿真（续）2.于是见公输盘，子墨子解带为城，以牒为械，公输盘九设攻城之机变，子墨子九距之，公输盘之攻械尽，子墨子之守圉有余。公输盘诎，而曰：“吾知所以距子矣，吾不言。”子墨子亦曰：“吾知子之所以距我，吾不言。”楚王问其故，子墨子曰：“公输子之意，不过欲杀臣。杀臣，宋莫能守，可攻也。然臣之弟子禽滑厘等三百人，已持臣守圉之器，在宋城上而待楚寇矣。虽杀臣，不能绝也。”楚王曰：“善哉！吾请无攻宋矣。”•任氏赞曰：“此回合子墨子祭出仿真之利器，或为世界最早之作战模拟，乃‘不战而屈人之兵’，壮哉！”运作系统仿真简介5UncleBen’sInn•Twoparkingspaces•Carsarriveevery30min.•TheFirstcararrivesatminute5•Dinnerstake70min.•Simulatefor100min.一个服务系统的例子运作系统仿真简介6•Twoparkingspaces•Carsarriveevery30min.•TheFirstcararrivesatminute5•Dinnerstake70min.•Simulatefor100min.TimepkQpkS5356575951001344111222223330手工仿真运作系统仿真简介7仿真的概念•仿真：就是模仿或模拟实际系统，在我们的学科中通常以计算机为工具。•也称为模拟，英文都是Simulation•应用范围很广，我们主要介绍仿真在工业和服务业的运作系统中的应用•仿真具有强大的使用潜力几项对美国大企业的调查显示，应用在工作中的管理科学方法中，仿真仅次于统计分析，排在第2位运作系统仿真简介8多姿多彩的仿真•电脑游戏:战争,谋略,生活和竞技游戏都是仿真程序•系统动力学也是一种仿真程序，主要用微分方程组进行建模和积分（属于连续系统仿真）•MonteCarlo仿真：Leclerc曾用MonteCarlo模拟法估算圆周率，技术经济学中也用模拟来计算复杂项目的收益分布（属于离散事件仿真）•元胞自动机(CA)：用空间网格中的细胞模拟空间演化•基于主体的计算经济学(ACE)：股市仿真、期货市场仿真、经济的非均衡模型•Swarm,JADE等多主体仿真平台：当前最时尚的仿真运作系统仿真简介9与仿真有关的概念•研究运作系统的目的：理解评价改进设计控制•直接研究系统——“试点”方法•直接研究系统的问题在实际中经常不可能做到–系统不存在–打乱系统正常运行–成本高–有危险运作系统仿真简介10与仿真有关的概念•模型与直接研究系统本身相比，研究系统的“模型”通常更容易、更迅速、更廉价、更安全缺点：主要是模型的有效性问题•模型的分类物理模型——例子：地球仪、墨子和公输盘的攻城模型文字模型——例子：描写风景的散文、《黔之驴》图形模型——例子：SWOT，五力模型、供求曲线数学模型（也叫逻辑模型）——例子：E=mc2运作系统仿真简介11（数学）仿真的引入•数学模型的优点比概念模型更加精确比物理模型更省钱、适用面更广•数学模型的困难有许多数学模型无法得到精确的解答数据搜集量大、采集有困难模型的真实性(validity)问题•答案：仿真！运作系统仿真简介12系统、模型和仿真概念总结系统真实系统改进度量建模物理模型数学/逻辑模型精确求解仿真求解静态/动态连续/离散确定/随机文字模型图形模型仿真最擅长求解复杂、动态和随机问题运作系统仿真简介13仿真在运作系统中的应用•模拟现有生产或服务流程，找到改进效率的办法增加生产率防止用户等待时间过长，提高办事效率减少库存费用，降低生产和服务成本降低物流费用，提高物流运转效率优化交通控制，缓和城市交通拥堵电力资源调配，减少拉闸限电•对新的生产和服务系统进行设计新建机场的容量和设施设计新工艺的可行性分析新的生产系统（例如JIT系统）的参数设计运作系统仿真简介14仿真在管理中的其他应用•可以用来进行复杂财务决策问题的风险分析•模拟动态和复杂的金融市场，研究投资者、消息面等因素对资本价格的影响•模拟社交网络中个体行为规则，研究信息和价值的转移或增值•模拟创新组织、创新系统或战略网络中各个主体之间的相互关系，研究组织、知识、技术以及主体关系的演化规律•供应链中企业的竞争和协调关系可以用博弈论研究，但是动态、同时地研究多个企业间的关系可能需要用仿真方法运作系统仿真简介15仿真研究的步骤•仿真的步骤1.调查系统，明确仿真目的2.搜集和分析数据3.建立逻辑模型4.编写仿真程序5.调试程序6.设计仿真试验、运行程序7.检验分析仿真结果8.提出系统改进方案•以上步骤不是一成不变的运作系统仿真简介16计算机仿真语言•通用语言仿真(FORTRAN，C等)速度慢、容易出错灵活性强•语言扩展包和库SWARM是一个大型的多主体仿真对象和方法库Repast,Ascape,JADE,ABLE,NetLogo等都是多智能体仿真语言平台Matlab仿真软件包有一些强大的仿真平台•计算表格(如Excel)通常是静态的常用于财务、金融风险分析等方面的仿真运作系统仿真简介17计算机仿真语言•专用仿真语言GPSS,SIMSCRIPT,SLAM,SIMAN用仿真专用语法写成，象C语言那样一行行编写较难掌握，通用性较差•“高级”仿真软件电子游戏、虚拟现实等用户友好的界面，便于使用但用户自行定义和扩展的能力非常有限较受应用领域的限制运作系统仿真简介18计算机仿真语言•现代商用仿真软件Arena,Extend,Simul8,Promodel等通常具有良好的用户界面和直观的建模方式有良好的与其他软件交换数据功能具有“低层”编程能力,以适应各种特殊的仿真要求有系统参数优化功能具有相当广的应用领域和较强的通用性（但也不是万能的）本课程只简单介绍多智能体仿真平台NetLogo运作系统仿真简介191.仿真的概念为什么用仿真?仿真在运作系统中的应用仿真软件介绍2.多智能体和基于多智能体的仿真NetLogo仿真实例运作系统仿真简介201.智能体的概念[1]•Russelletal.’sDefinitionofIntelligentAgentsInartificialintelligence,anintelligentagent(IA)isanautonomousentitywhichobservesthroughsensorsandactsuponanenvironmentusingactuators(i.e.itisanagent)anddirectsitsactivitytowardsachievinggoals(i.e.itisrational)Agent主体*，也译作智能体、代理体，也有不翻译的artificialintelligence人工智能；autonomous自治的；sensor传感器；actuator效应器；rational理性的；i.e.也就是说*注：《计算机科学技术名词（第二版）》,科学出版社,2002运作系统仿真简介211.智能体的概念•智能体的另一经典定义[2]概念:“Agent是处在某个环境中的计算机系统，该系统有能力在这个环境中自主行动以实现其设计目标。”性质–反应性：感知环境并对其进行响应以实现它们的设计目标–预动性：可以由目标引导主动的行为–社会行为能力：可以与其他Agent进行交互，以满足它们的设计目标分类（按人类思维层次[3]）–纯反应式agent（如空调）–形象思维agent–抽象思维agent–混合agent相关概念：对象、过程、函数、专家系统运作系统仿真简介221.Whatareagents?•Propertiesofagents（我的看法）基本性质–Canobserveenvironmentwithsensors–Canactonenvironmentwithactuators–Normallyhaveagoalorgoals目的性中级性质–Autonomy自治性–Interactionwithotheragents交互性–Learningoradaptiveness学习能力或适应性高级性质–Selfconsciousness,emotion,will(意志),abstractthinking,etc.运作系统仿真简介231.Whatareagents?•Examplesofagents初等主体–Anairconditioner–Anautomaticwashingmachine中等主体–Asoftwareagent(likewebcrawlers)–Ananimal(evenifitisonlyaflyoranant)高等主体–Aperson–Acompany–Anorganization运作系统仿真简介241.Whatareagents?•StructureofagentsAsimplereflexagent运作系统仿真简介251.Whatareagents?•StructureofagentsAmodel-basedreflexagent运作系统仿真简介261.Whatareagents?•StructureofagentsAmodel-basedgoal-basedagent运作系统仿真简介271.Whatareagents?•StructureofagentsAmodel-basedutility-basedagent运作系统仿真简介281.Whatareagents?•StructureofagentsAgenerallearningagent运作系统仿真简介292.多智能体系统•多智能体系统(multi-agentsystem,MAS)概念[2]：由多个智能体组成，可以用于解决单个智能体无法或很难解决的问题。（不好的定义）体系结构分类–层级式(hierarchical)（有人不把这类系统纳入MAS）–分布式(distributed)–复杂适应系统(complexadaptivesystem,CAS)–现实中的系统往往是上述体系结构的混合形式–例如，一个公司往往是层级式结构，但由公司组成的–关于体系结构分类，学术界还没有统一的意见。分布式系统是最被认可的多智能体系统运作系统仿真简介30多智能体系统的三种体系结构比较层级式系统分布式系统CAS例子军队联合国自由竞争市场是否具有整体设定的目标有有无智能体个体的目标是整体目标的分解以个体目标为重，兼顾整体只有个体目标智能体之间的关系上下级关系为主，控制关系平级(p2p)为主，合作关系兼有合作,对抗,竞争等关系系统功能的实现自顶向下高效地实现自下而上稳健地实现自下而上涌现运作系统仿真简介31CAS的7个基本元素[4]Holland教授在其名著《隐秩序》一书中概括了cas的7个基本要素(4个性质，3个机制)四个性质1.聚集(aggregation):cas涌现出来的整体特征如蚂蚁通过集体合作找到食物2.非线性(nonlinearity)：复杂性(突变、混沌、分叉等)的根源