一种定性定量相结合的建模与仿真方法

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随着科学技术的迅速发展,各类知识相互交融,复杂系统已广泛应用于各个方面,如航空航天、军事仿真等领域。复杂系统日益呈现出不确定性、非线性等特征,现有的建模方法或是难以充分描述定性模型,或是针对某一特定领域建模,不具有统一规范;定性定量模型验证方法比较匮乏;仿真方法的精度和效率也较低。因此研究一种标准化的、可详细描述定性模型的定性定量建模方法及相应的仿真算法,还有定性定量模型验证方法显得十分必要。本文对统一建模语言、定性定量建模与仿真、模型验证等相关理论和算法进行了研究,具体工作如下:
　　首先,提出一种定性定量统一建模方法Q2UML。该方法基于统一建模语言UML,结合定性仿真理论QSIM,定义了扩展的组件图、时序图和状态图,能够描述定性定量相结合的系统。其中扩展组件图描述定性模型的参数、参数间的约束关系,通过端口连接定性组件和定量组件;扩展时序图描述定性组件和定量组件之间交互的时序性;扩展状态图描述定性定量组件的状态变化过程。以导弹气压机为建模对象,实现进气阀等定性模块和发动机定量模块之间的定性定量统一建模。
　　其次,为了验证定性定量模型的一致性,根据 Q2UML中的扩展要素,提出一种静态和动态一致性验证方法。静态一致性检测算法将组件图作为参照,对时序图和状态图的静态元素进行检测。为了验证模型的动态一致性,设计了扩展后的 Q2UML时序图、状态图和组件图中参数约束关系到Promela语言的转换规则,利用LTL公式描述系统的性质,并使用SPIN验证模型的动态一致性。以气压机模型为例,验证了其静态和动态一致性。动态一致性验证实验结果表明方法还可以减少检测过程中的冗余状态,提高验证效率。
　　然后,针对现有定性定量仿真算法精度和效率较低的问题,在 Q2UML基础之上提出一种局部放大定性定量仿真算法PEQ2S。该算法定义了一种基于斜率值的定性定量状态,根据斜率方向传播定量信息,同时针对重要时间点进行局部放大,精简仿真过程。实验结果表明PEQ2S算法比Q3提高了仿真精度,比RK4节省了仿真时间。
　　最后,基于Q2UML和PEQ2S对导弹攻击系统进行建模和仿真。使用Q2UML对导弹导引等定性模块和仿真控制等定量模块进行统一建模,基于PEQ2S设计了定性定量仿真调度方法,对导弹攻击系统的重要时间点进行局部放大。仿真结果表明,基于PEQ2S的定性定量仿真方法比基于时间调度的仿真方法节省时间,比基于事件调度的仿真方法精度更高。

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作者
张洁;
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作者单位

南京航空航天大学;

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授予单位南京航空航天大学;
学科计算机科学与技术
授予学位硕士
导师姓名周勇;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类系统模型、系统建模;大系统理论;
关键词
复杂系统; 定性建模; 定量建模; 仿真方法;

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