系统建模方法

系统建模方法（共12篇）

系统建模方法 篇1

摘要：在信息系统不断发展的背景下, 其模型开发是核心阶段。而信息系统可以被看成是在不同开发阶段和不同开发层次上而建立的模型。文章主要阐述信息系统建模的方法及其实际应用。

关键词：信息系统,建模,研究

1 信息系统建模的概念

信息系统具有规模庞大、维数高、关系复杂等特点, 但是值得注意的是信息系统具有开发周期长、质量不高、费用昂贵等缺点, 因此对信息系统建模进行研究而形成一种综合性的建模活动具有重要意义。信息系统的模型建立, 需要多种方式与技术将复杂的问题通过模型的方式展现出来, 形成较为完善的系统模型, 以达到提升系统质量, 加速开发效率等目标。

2 信息系统建模方法

信息系统的建模方法有很多, 当前比较主流的方法有面向过程的建模、面向信息的建模、面向数据的建模、面向对象的建模以及面向决策的建模等五个方面。

2.1 面向过程的建模

该部分是信息系统建模的基础也是核心, 也就是说系统中的数据是在面向过程的建模而产生的, 当前较有影响力的方式是Yourdon设计法。

2.2 面向数据的建模

该部分主要负责整个模型的输入与输出, 其具有代表性的面向数据的设计方法为Jackson设计法。具体来说, 首先需要对数据结构进行定义, 并且在定义之前需要从数据结构中将数据导出。

2.3 面向信息的建模

该类别与面向数据建模存在着一些相同之处, 两个最大的不同就是信息与数据。由于信息与数据都是信息系统建模的主要元素, 从数据的角度来说, 主要是指对事实的记载, 同时也是具有属性的数值。而从信息的角度来分析, 它主要是由多组数据而构成。作为整个系统逻辑数据模型的开始, 面向信息建模的方法通过一个简单的视图对需求展示, 并对数据之间的关系来说明。并在对需求与关系分析后对模型进行构建。此外, 在信息系统模型记录的过程中需要对实体的信息调查, 例如人物, 时间, 地点等因素。总之, 构建数据模型的最终目的是对信息系统的需求进行设计, 以达到满足数据库需求的目标。

2.4 面向决策的建模

该部分主要有数据库, 模型库以及管理系统等分支。决策系统的主要作用是对系统的决策制定原理与规则展现给人员或者组织机构。并且通过决策系统模型的建立过程, 对于组织机构也是很好的考验, 对其中所存在的问题可以进行仔细剖析。当前较为成熟的面向决策系统模型建立的方法有Petri网和GRAI法。

2.5 面向对象的建模

在面向对象的设计过程中, 对象作为初始元素其主要任务是将对象划分为不同类别, 并根据相关要求构建相关类库, 在应用阶段, 在类库中选择相应的类。作为信息系统模型建立的最后阶段, 面向对象的分析方式主要是通过对模型信息的建立, 并且通过对对象的封装, 继承等策略来对系统模型构造。传统的模型设计方式主要是以基本点为核心, 而现阶段面向对象的方式主要是根据构造模型的观念对系统进行开发。在开发的过程中每个部门的核心理念都是构造完善的模型。

3 信息系统建模的实际应用

本文的信息系统建模应用主要是以大学生选修课选课系统为研究案例, 具体对每个步骤进行了详细的分析。

3.1 需求分析

要想快速地建立模型, 首先应该对系统的需求进行分析。本案例主要以学生、教室以及课程三者为研究对象, 对三者之间的关系进行分析。其中, 在此选修课系统当中, 学生, 教室以及系统管理员是本系统的执行者。从学生的角度来分析, 他们具有对选修课的预约和取消, 对选修课成绩的查询等权限。而从教师的角度来分析, 他们具有授课, 审阅并公布选修课成绩, 安排选修课班级所在教室等权限。而系统管理员的权限包括对选修课内容, 选修课班级的管理, 以及日常系统与数据库的维护。以上是本案例的需求分析。

3.2 模型设计

本次案例所选用的模型设计是uml类型的静态模型。首先, 需要通过搜索的方式对系统中所包含的类进行标识, 具体来说, 是对所需求的名词或者名词短语进行总结与归类, 当作系统的候选类, 然后对这些类进行仔细剖析与筛选, 最终确定系统的类。值得注意的是, 所在标识类的过程是非常关键的, 虽然大多数情况下都是开发人员根据日常经验来设计, 但是还需要根据相关的规定严格执行。现阶段对类的筛选主要包含以下几个方面的准则:

(1) 首先需要将包含复数的名词进行筛选并删除, 尽可能地保持模型中的类都是单数; (2) 在对信息系统的模型的边界设定后, 一旦存在超出规定的情况就需要彻底删除, 较为明显的案例是“学院”等名词作为系统的外界环境不应该出现在系统中, “选修课系统”是对该系统的解释, 也不应该出现在信息系统的模型类中; (3) 需要对模型中的名词根据语义来划分, 也就是在每组相同含义的词中选择具有代表性的词语; (4) 针对于一些例如“先修课程“等名词与选修课项目存在直接关系的名词删除; (5) 在系统模型中存在一些逻辑包含关系的名词也应该删除; (6) 在每组具体的应用当中需要建立集合名词, 并需要反复的斟酌。例如在对安排表为核心来制定词语时, 可以通过选修课安排表包含为教室所设立的所有项目, 而通过班级安排表可以表示为每个选修课的所有班级信息的集合。正因如此, 学生在对选修课预约时, 可以通过这两个词语反复地查询来最终确定选哪个时间段的哪个课程; (7) 此外, 对信息系统的需求进行全面的描述, 那么就需要对其他类型的类当作候选类作为标识。但是值得考虑的是例如“课程名称”, “课程时间”, “课程内容”等描述类基本信息的词语, 虽然不能将其划分为类, 但是可以将这些词语划分在课程班级类的属性范围内。根据以上相关规定后而筛选的类, 可以得出其类共包含以下几个方面:学生、教师、选修课程、课程班级、课程项目、课程项目安排表、课程班级安排表、成绩单和等待队列等。

3.3 确立模型中的关系

模型设计完成后, 就需要对信息系统模型中的动词进行分析, 进而达到对系统类之间的静态结构关系进行确立的目标。由于每个课程都可以具有多个先修课程, 并且先修课程也可以是其他类别的先修课程, 因此可以得出课程项目都存在着一种一对多的关系。此外, 就学生与课程班级的关系来说, 两者存在着一种多对多的关系, 也就是一个学生可以选择不同课程班级, 而一个课程班级还可以有多个学生。那么在预约课程成功后, 学生与课程所对应的课程班级就形成了一种预约关系, 在预约的课程班级中包含的学生人数达到了一定的要求, 就会将该课程与课程班级加入导队列中。而在课程班级中学生的数量存在变化时, 就需要自动将学生和课程班级之间的预约关系进行改变。课程成绩是在学生与课程班级建立关系后, 并顺利完成课程后教师有权限给学生进行打分。也就是说学生与课程班级存在关系的同时, 在与课程成绩存在一对一的关系, 也可以认为成绩作为整个课程预约系统是重要属性。除此之外, 学生的成绩单中包含学生预约的所有课程项目的成绩, 那么成绩类和关联类单项课程成绩之间还可以建立起聚合关系, 最终形成完善的信息系统模型。

参考文献

[1]张烨, 李亮, 杨阳.信息系统需求建模方法研究[J].指挥控制与仿真, 2010 (3)

[2]唐晓波, 韦贞, 徐蕾.基于本体的信息系统建模方法[J].情报科学, 2008 (3)

系统建模方法 篇2

非线性系统的神经-模糊建模方法的研究

提出了一种基于自适应神经-模糊推理系统(ANFIS)的非线性系统辨识方法,介绍了神经一模糊建模的.设计原理,并且对ANFIS在不同的输入下进行仿真,实验仿真结果表明,ANFIS进行非线性系统辨识是可行的,其辨识精度很高.

作 者：郝昕玉 姬长英 HAO Xin-yu JI Chang-ying  作者单位：南京农业大学,工学院,江苏,南京,210031 刊 名：江西农业学报  ISTIC英文刊名：ACTA AGRICULTURAE JIANGXI 年，卷(期)：2008 20(9) 分类号：O231.2 关键词：自适应神经模糊推理系统   非线性系统   辨识   建模方法  

系统建模方法 篇3

关键词：UML；SystemC；建模；描述

中图分类号：TP311.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-02

The Method Using UML and SystemC for System-level Modeling of Embedded System

Chen Ke,Deng Fuyu

(Sichuan Vocational and Technical College,Suining629000,China)

Abstract:This paper designs an UML model of an embedded system fruitcleaner with UML modeling tool Rational Rose,then makes a system-level description targeting this system with executable SystemC language on the basis of UML model prototype.This paper also obtains the final description result of the fruitcleaner system,and emulation result by running.

Keywords:UML;SystemC;Modeling;Description

一、引言

SystemC语言是一种理想的软/硬件协同设计语言，其描述得到的模型具有可执行性。目前为了实现对UML所描述的嵌入式系统进行模拟验证，采用合适的方法将UML模型转换成相应的SystemC描述是比较有效的途径，也是当前嵌入式系统软硬件协同设计领域研究的热点。

二、果蔬清洗机的系统级UML模型设计

从整体上看，一个果蔬清洗机（fruitcleaner）的系统结构主要包含有一个洗涤桶（tub）、一个引擎（engine）和一个臭氧发生器（generator）。

（一）清洗周期的定义

对于果蔬清洗机而言，从关闭清洗机的门进行系统初始化开始到清洗完毕排空洗涤桶的水并打开清洗机的门为止，整个过程被定义为一个完整的清洗周期。因此，该系统一个清洗周期由六个阶段构成。实际上，在对该系统进行初始化动作（Start）阶段时，就由清洗模式cleaning mode指定Fill，Generate，Feed Clean和Discharge这五个阶段持续的时间。

（二）系统级UML模型图

该系统主要包含两个Use Case：清洗果蔬和设置清洗的模式。系统重点针对清洗果蔬

这个用例，分别画出其类图、顺序图、状态图和活动图。该系统包含有四个类：Tub、Engine、Generator和Fruitcleaner，每个类包含有相应的方法和属性。顺序图中有四个对应类的对象参与六个交互进程。图1显示的是fruitcleaner的类图。

图1.fruitcleaner的类图

三、用SystemC描述果蔬清洗机的系统级模型

UML是一种图形化的统一建模语言，用UML描述的嵌入式系统模型虽然有很强的可读性，但是却不可执行，即无法在系统级描述的基础上进行仿真，验证系统功能描述的准确性。在实际的嵌入式系统设计流程中，为了能对UML所描述的嵌入式系统进行功能模拟验证并得出有效结论，因此有必要再用SystemC进行嵌入式系统的系统级描述。鉴于在Rational Rose软件中设计的UML用例图、类图、顺序图、状态图和活动图都能很直观地反映系统的执行功能，因此利用UML图形描述来作为后续SystemC描述所需的模型书面文档是行之有效的途径。这部分采用合适的方法把UML图中的元素与SystemC中的相关模块和进程对应起来，对直观的图形描述进行抽象，得到能执行的程序代码。此外，在系统功能模拟验证完成后，系统的软硬件划分、软硬件综合等设计流程都将通过SystemC完成。这样就把UML和应用于整个后期设计的SystemC紧密地联系起来了，在当前的嵌入式系统软硬件协同设计领域有其独到的作用。

四、描述结果

以Generator对象为例，给出SystemC下的部分描述代码结果：

SC_MODULE（Generator）

{sc_infcGenetratorOn_in；

sc_infcGenetratorOff_in；

void on（）；

void off（）；

SC_CTOR（Generator）

{SC_METHOD（on）；

………………

………………

}

}；

void Generator：：on（）

{printf（“Switch on the generator.n”）；

printf（“Waiting……n”）；

}

void Generator：：off（）

{printf（“Switch off the generator.n”）；

}

五、模拟仿真运行结果

代码编写完成后，最后在SystemC 2.2平台环境下试运行，通过调试、修改，得出模拟验证的仿真结果如图2所示：

图2.SystemC 2.2平台仿真结果

通过以上运行结果可以看出，从系统准备就绪（ready），启动清洗周期（Start a cleaning cycle）开始，到最后清洗周期结束，描述方法对系统模型运行连续性的影响得到了较好的体现。其中，几个Waiting语句的时间延迟也成功地反映了系统运行阶段的时间约束特性，嵌入式系统的实时响应特性与预期效果保持了大体一致，说明以UML图形化模型为蓝本写出的SystemC代码具有简洁、高效的特点。总的来说，该模拟仿真结果基本达到了预期效果，说明了以上的工作取得了初步成效。

参考文献：

[1]吴迪.嵌入式系统原理,设计与应用[M].北京;机械工业出版社,2005:45-66

[2]高焕堂.UML嵌入式设计[M].北京:清华大学出版社,2008:124-140

[3]陈咏恩.SystemC,一种软/硬件协同设计语言[J].电路与系统学报,2001,1

[4]陈燕,杜玄,彭澄廉.基于SystemC描述的嵌入式系统的自动化验证[J].同济大学学报(自然科学版),2004,8

[作者简介]陈科，男，四川职业技术学院电子电气工程系，助教，硕士，研究方向：电气自动化技术；邓馥郁，女，四川职业技术学院电子电气工程系，助教，硕士，研究方向：电气自动化技术。

系统建模方法 篇4

近几年来,许多学者对基于广域通信的广域保护系统、站控集中式保护与测控系统进行研究,通过广域或全站信息进行区域性或站级的智能决策与控制[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。文献[2-3]研究了基于专家系统的广域后备保护算法;文献[4]提出了集合保护的概念;文献[5]研究了集成式保护,利用相邻线路或设备的故障信息,提供快速可靠的主保护和后备保护;文献[6]提出了一种区域集中广域后备保护系统;文献[7]提出了一种容错性高的广域后备保护算法;文献[8]研究了基于故障电压序分量分布的广域后备保护算法。但这些文献主要侧重于广域保护算法本身的研究。

国家电网公司以IEC 61850为依据制定的智能变电站技术导则[10]对智能变电站框架、技术规范作了较系统的描述,涉及站域控制、站间控制、区域集控新型系统的概念,但未给出具体的建模方法。从信息建模的角度出发,借鉴IEC 61850构造变电站级新型广域保护系统的研究尚不够深入和不成体系。

本文首先分析了变电站级广域保护系统的建模需求,提出了系统体系结构、功能需求描述、通信报文的规范化与扩展、Agent技术的适当运用等建模要素,构建了一种广域后备保护多Agent系统原型,进行了系统设计和多组仿真实验,以探索变电站级广域保护系统的建模方法。

1 变电站级广域保护系统的建模需求

智能电网的发展促使调度中心的部分决策与监控功能下放到智能变电站中。站控集中式保护、广域后备保护系统需要构造变电站层广域保护与监控设备,提出了新型变电站级系统建模需求。

这些新型系统的关键核心是广域(或站域)保护与监控算法,它决定了系统的优劣。站级广域保护系统要借助广域通信网络进行远程通信。目前,国内区域性环形同步数字体系(SDH)数据通信网逐步成熟,可承担广域通信任务,站内工业以太网也逐步得到运用。

从建模的角度讲,在掌握新型系统算法的基础上,了解系统在可靠性、快速性、通信延迟等性能的需求,需要对系统的体系结构与组成、工作流程、各设备的功能与模块、各设备之间的交互报文、通信协议及其扩展等进行分析与设计。

2 新型变电站级广域保护系统的建模方法

2.1 体系结构的选择

目前,广域保护系统的体系结构分为区域集中[6]、站域集中[2,5]、区域分散[3,7,11]3种结构。

区域集中结构由区域控制中心收集本区域内各子站的保护与开关动作信息,进行集中广域决策,再下发控制命令给子站执行,子站之间不需要直接通信。子站起到采集信号、上传保护与开关信息、接收控制信号等次级配合作用。

在站域集中结构中,站层主控设备集中站内的各模拟信号和保护元件以一定的策略加强各保护之间的配合,提高了全站保护性能,加速后备保护动作时限,站控设备起主导作用,但其仅限于在变电站内部。

在区域分散结构中,站层广域保护设备利用通信网络收集本站和相邻站的保护元件与开关信息进行广域决策,与相邻站广域保护设备对等协商与联合决策,无需一个集中式控制中心,容错性较强。

在构造广域保护系统时,应根据其性能要求和具体算法,选择一种合适的体系结构。

2.2 系统功能的需求描述

首先需要对系统的核心算法进行分析,然后剖析和分解各子功能及其任务,了解系统的工作流程、各功能模块的任务、各模块之间的通信报文及其触发时机等。对系统功能的描述可包括:(1)功能描述;(2)功能分解到各设备的各模块及其任务;(3)功能的启动条件;(4)各模块内部的处理流程、状态转移、彼此之间的交互过程(通信报文、交互时机等);(5)功能的输入与输出;(6)性能要求,包括运行时间、通信约束(传输延迟约束、丢包率等)。

2.3 站内及站间通信报文的规范化与扩展

广域保护系统除站内通信外,还需要调度中心与子站之间、各子站之间的通信。遵循变电站自动化通信协议IEC 61850,可实现站内各设备间的相互通信。新版的IEC 61850允许站间通信。广域保护通信可采用将请求/应答(客户/服务器)与通用面向对象的变电站事件(GOOSE)(发布/订阅)相结合的传输方式,保证保护与开关动作、元件故障等报文能被快速地传递到目的地,同时可满足索要相关保护元件、相关故障情况等通信需求。

对广域保护中IEC 61850未定义的对象、数据及其属性可进行扩展。例如:为线路广域后备保护定义一个扩展逻辑节点;设置状态信息数据,如Str(线路广域后备保护已启动)、Op(发跳令跳开本地断路器)、Fault(本线路故障,需扩展)等。广域决策模块做出决策改变它们。当本地保护启动、诊断本线路故障时,向协作者推送保护元件、线路故障等GOOSE报文(如本线路故障Sub1/LD1/PWAL1.Fault.general),或采用调用协作者服务接口GetDataValues向其索要保护元件、元件故障状态等广域信息。

2.4 适当运用Agent技术构造系统的方法

Agent技术具有自治性、主动性、协作性等,各子系统并行工作、自我感知与判断,通过协商与竞争完成系统功能,适于构造分布式系统[10,11,12]。

对于变电站级新型广域保护系统,在运用Agent技术时要区别对待。区域集中结构的系统不太适合采用Agent技术,而需要多个区域决策设备协同的区域分散后备保护系统可考虑采用Agent技术,因为各站级广域保护设备并行工作,都有一定的决策能力,同时强调各站级广域保护设备之间广域协作、广域保护设备与保护智能电子设备(IED)之间的站内协作。

本文认为广域保护Agent较通用的结构如图1所示。

图1中,广域保护Agent内部分层,主要有广域决策、协作域维护和通信三大部分。协作域维护部分负责构造本Agent的协作者(或协作小组)成员静态信息,根据对自身、通信链路的检测,根据协作者退出、故障、恢复等运行状态,动态调整协作域信息。通信部分根据广域保护语义,提供专门的接收与发送消息接口,为遵循IEC 61850协议通信,需要构造相应的逻辑节点和逻辑设备对象,帮助封装和发送请求服务与GOOSE等报文。广域保护系统中不同类型的Agent可根据算法调整其结构和功能模块。

对于新型变电站级广域保护系统,可采取传统建模手段(如流程图等)进行描述。如果运用Agent技术,采用在面向对象发展起来的面向智能主体(agent-oriented,AO)技术建模[12]。Agent被看做主动型复合对象或个体。以Agent为单位,采用用例图捕捉系统的业务功能、交互情景,采用包图、类图刻画Agent及其所含对象之间包含、继承、依赖、关联等静态关系,采用状态图、时序图、活动图、协作图等描述各Agent之间交互、内部状态转换及处理流程。包图表示Agent包含的对象、边界及对外接口;类图表示各Agent及其内部对象之间的关联关系;状态图表达Agent内部状态转移过程;时序图表达Agent之间时间轴上的交互过程;活动图与协作图描述Agent内部处理流程及其与其他Agent之间的消息传递过程。

3 原型系统设计

3.1 广域后备保护算法概述

本文采用文献[9]提出的广域后备保护算法,其主要思路是利用线路两侧距离Ⅰ段和Ⅱ段保护元件、方向保护元件、相邻线路的方向元件及其故障状态等广域信息判断线路是否故障。利用线路两侧保护元件,计算各动作因子之和,得到综合判断值,将线路判为正常、故障、疑似和特殊4种状态。对于特殊状态,收集该线路两侧各相邻线路两端的方向元件,计算相邻线路方向元件对本线路故障的综合确认值CF1和CF2,如果CF1>0.5且CF2>0.5,则本线路被判为疑似状态。对于疑似状态的线路,收集所有相邻线路故障状态信息,用3条判据确定其为故障或正常。

3.2 系统的体系结构与组成设计

在每个变电站中,广域保护系统包括站控层的站级区域保护决策设备(RDD)和间隔层的各保护IED两层。RDD包含一个区域保护决策Agent(RDA)、为检测本站所连各线路故障的线路广域后备保护决策Agent(LDA)、母线决策Agent(BDA)等。根据3.1节算法,针对IEEE 14节点系统(见附录A图A1),设计一种区域对等分散协商变电站级广域后备保护系统,其体系结构如图2所示。其中,LDA15_9为一个小组协商的启动者和决策者,图中阴影部分为其协作小组成员。

各变电站RDA之间进行对等协商,它负责转发本站保护IED发送的保护与方向元件、其他变电站RDA发送的保护元件、线路故障状态等广域信息给相关LDA,采用一定策略启动因保护拒动尚未启动的LDA,定时检查变电站对外通信状态。每个LDA专注于相应线路故障的广域决策。为每个LDA构造一个Agent小组,协作者包括本站该线路对应保护IED、本站与相邻变电站RDA、对侧变电站中该线路LDA及其保护IED、相邻站中相邻线路LDA及其保护IED。同一线路两侧LDA可交换对该线路的判断结果。LDA是本小组广域后备保护的发起者和决策者。保护IED不被当做Agent。

一旦有故障发生,有保护启动的保护IED会主动上传其保护动作给RDA。RDA接收本站或对侧保护IED的距离保护与方向元件,转发给相应的LDA,启动后者。LDA按照算法及其策略处理各广域信息、检测故障。

3.3 各Agent的设计

采用AO技术设计RDA,LDA和保护IED。区域对等广域后备保护多Agent系统的包图与类图设计如图3所示,它表明各Agent之间的关联关系。

RDA的结构遵循图1,包括接收、发送消息(发送给本站IED或相邻站的RDA,与LDA有区别),转发消息给相关Agent或IED,启动未启动的Agent,跳闸失灵处理,对与其他RDA、与本站IED通信链路的状态检测(以发现通信中断与延迟情况)等模块。在RDA接收消息模块中解析消息后,通过构造的RDA小组成员矩阵、小组成员可响应消息矩阵来检查是否是其小组成员发送的合理消息。

LDA具有休眠、启动、获得检测结果、正常、故障、疑似、特殊等工作状态,根据广域保护算法可确定它们之间的转换条件。根据电网结构与保护原理,构造协作域模块以确定Agent的协作域成员。

LDA的内部结构及其与RDA的协作关系如图4所示。

为了减轻LDA的通信压力,LDA不直接对外通信,而是通过调用RDA的发送消息接口,由后者组织符合通信协议的报文,完成与站内外通信传输。RDA中的本地与广域保护元件、决策结果与启动LDA、通信检测结果等消息都通过LDA的接收消息接口传给LDA。这样LDA能专注于线路的广域保护决策。

保护IED主要负责将其保护元件信息上传给本站RDA及对应的LDA,并接收后者的跳闸命令。

3.4 线路故障判别中的协作策略

对于保护拒动、保护设备与通信失效等异常情况,广域后备保护算法仍予以容错性考虑。

1)有关通信中断的处理。通信中断或失效是指RDA未收集到(或未按时间约束收集到)某相邻站的广域信息。依据本文算法,当本站中某线路处于特殊状态时,如果通信故障收集不到该相邻站的方向元件,可将其置为0,则相邻线路的CF<0.5,本线路转为正常线路;当某线路被判为疑似故障时,如果收集不到某相邻线路的故障信息,也将其置为0,认为相邻线路无故障,仍能继续判断故障。

2)启动未启动的Agent策略。当某条线路两侧保护同时失效,两侧的保护信息全为0,此时线路两端的LDA均不能够启动决策。这里采用一种启动策略:当某母线上所连接的线路中有2/3以上的LDA已启动,则将启动剩余未启动的LDA。这样,当线路两侧保护单元同时失效时可通过相邻已启动的LDA来启动该线路两侧的LDA。

3)对协作域成员及其运行数据的动态维护。LDA在运行中根据RDA对通信链路的通信状态定时检测结果,将发生通信中断或故障的协作者的参与状态定为暂时故障,设其相关广域信息为默认值,广域决策暂不需等待其信息。对处于检修与已跳闸断路器对应的保护Agent,从协作域中暂时去除。3种典型情景下各Agent之间的交互过程分析见附录B。

4 广域保护多Agent系统仿真与案例测试

本文在电力和通信同步仿真(EPOCHS)平台[13]上搭建了IEEE 14节点系统模型,构造了沿电网铺设的SDH网及站内局域网的通信模型,完成了该广域后备保护多Agent系统中RDA,LDA和保护IED的仿真设计。以下案例均设故障发生在线路L15靠近母线Bus9一侧K1处。

案例1:假设线路L15两侧保护单元IED29和IED30距离保护均未动作,方向元件均正常动作。

根据本文算法,LDA15_9首先判断L15为特殊状态,然后通过RDA109进一步收集L15两侧各线路两端的方向元件,将L15判为疑似状态,再收集与比较各相邻线路的故障状态(均为正常),最后正确地判断L15为故障线路。

案例2:正常线路的保护发生误动。如IED28与IED16的距离Ⅱ段保护误动,IED28的方向元件反向(由母线指向线路),发生误动。

LDA9_10首先判断L9为特殊状态,再收集L9两侧各线路的方向元件,得到CF1=0.5,CF2=0.75,将L9转为疑似状态。同理,L14被LDA14_9判为疑似状态。LDA15_9将L15判为故障线路。当LDA9_10收集到L15为故障线路的消息后,将L9由疑似转为正常状态。同理,L14也由疑似转为正常状态。这样,正常线路的保护误动不会影响对故障线路的判断。

案例3:故障线路和正常线路均有保护拒动,如IED22和IED30的方向元件均拒动。

首先L12和L15分别被判为特殊和疑似状态。LDA12_9收集L12各相邻线路上的方向元件,计算得到CF1=0.5(Bus9侧)、CF2=0.6(Bus5侧),判断L12为疑似状态。由于L12和L15均为疑似,LDA15_9对其综合判断值进行比较,发现L15的综合判断值大于L12。因此,判断L15为故障线路,L12为正常线路。

案例4:故障线路和正常线路有多个保护误动,如IED22和IED30的方向元件均反向(由母线指向线路),IED29的方向元件也反向。

L12,L14,L15分别并行被判断,都由特殊状态变成疑似状态,并具有相同的综合判断值,但由于L15中启动的距离保护元件最多,因此L15被判断为故障线路并先予以切除,其他线路被判断为正常。待L15切除故障后,再根据保护启动情况重新进行广域决策。这样,及时判断出了故障元件,并缩小了停电范围。

5 结语

本文较系统地研究了变电站级新型广域保护系统的信息建模方法,并以一种区域分散对等协商的变电站级广域后备保护为例,设计了多Agent系统原型。多组案例测试结果验证了该系统设计的合理性,能够正确地检测与切除故障元件,具有较高的容错性。多Agent技术的运用提高了系统的分布处理与容错能力。这些工作为今后智能变电站相关系统的研究提供一定的参考。

摘要：在阐述变电站级广域保护系统建模需求的基础上,较系统地研究了新型广域保护系统的信息建模方法,分析了系统体系结构、功能设计、Agent技术的适当运用、通信报文的规范化与扩展等要素。以一种区域对等协商变电站级广域后备保护系统为例,对体系结构、各Agent技术、交互情景进行了原型设计与分析。通过多组仿真实验验证了其合理性。

系统建模方法 篇5

目 学

生 指导教师年

级 专

业 二级学院（系、部）

全国大学生数学建模竞赛常用建模方法探讨柴云飞 闫 峰

教授 2009级本科 数学与应用数学 数学系

2013年6月

邯郸学院数学系

郑重声明

本人的毕业论文是在指导教师闫峰的指导下独立撰写完成的．如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督．特此郑重声明．

论文经“中国知网”论文检测系统检测，总相似比为5.80%．

毕业论文作者（签名）：

****年**月**日

全国大学生数学建模竞赛常用建模方法探讨

摘 要

全国大学生数学建模竞赛作为全国高校规模最大的基础性学科竞赛，越来越受到人们的重视，所以建模竞赛的方法也就变得尤为重要．随着竞赛的不断发展，赛题的开放性逐步增大，一道赛题可用多种解法，各种求解的算法有时会相互融合，同时也在向大规模数据处理方向发展，这就对选手的能力提出了更高的要求．由于建模方法种类众多，无法一一介绍，所以本文主要介绍了四种比较常用的数学建模竞赛方法，包括微分与差分方程建模方法、数学规划建模方法、统计学建模方法、图论方法，并结合历年赛题加以说明．

关键词：数学建模竞赛 统计学方法 数学规划 图论

I

Commonly Used Modeling Method of

China Undergraduate Mathematical Contest in Modeling Chai yunfei

Directed by Professor Yan feng

ABSTRACT

more people as a basic subject of the largest national college competition.The method of modeling competition has become more and more important.Open questions gradually increased with the development of competition.Most of the games can be solved by lots of solutions.Sometimes these methods can be used together.And there is also a lot of data which puts forward higher requirement on the ability of players.The modeling methods is too numerous to mention, so this article mainly four kinds Commonly used modeling method are introduced that differential and difference equations modeling method, Mathematical programming modeling method, Statistics modeling method, graph theory and interprets with calendar year’s test questions.KEY WORDS：Mathematical contest in modeling Statistics method Mathematical programming Graph theory

II

目 录

摘 要..............................................................................................................................................I 英文摘要........................................................................................................................................II

前 言.............................................................................................................................................1 1 微分方程与差分方程建模.........................................................................................................2

1.1 微分方程建模..................................................................................................................2

1.1.1 微分方程建模的原理和方法...............................................................................2 1.1.2 微分方程建模应用实例.......................................................................................3 1.2 差分方程建模..................................................................................................................4

1.2.1 差分方程建模的原理和方法...............................................................................4 1.2.2 差分方程建模应用实例.......................................................................................5 数学规划建模.............................................................................................................................5

2.1 线性规划建模的一般理论..............................................................................................6 2.2 线性规划建模应用实例..................................................................................................7 3 统计学建模方法.........................................................................................................................8

3.1 聚类分析..........................................................................................................................8

3.1.1 聚类分析的原理和方法.......................................................................................8 3.1.2 聚类分析应用实例...............................................................................................9 3.2 回归分析..........................................................................................................................9

3.2.1 回归分析的原理与方法.......................................................................................9 3.2.2 回归分析应用实例.............................................................................................10 图论建模方法...........................................................................................................................10

4.1 两种常见图论方法介绍................................................................................................11

4.1.1 模拟退火法的基本原理.....................................................................................11 4.1.2 最短路问题.........................................................................................................11 4.2 图论建模应用实例........................................................................................................12 5 小结...........................................................................................................................................13 参考文献.......................................................................................................................................14 致 谢...........................................................................................................................................15

前 言

全国大学生数学建模竞赛创办于1992年，每年一届，目前已成为全国高校规模最大的基础性学科竞赛，也是世界上规模最大的数学建模竞赛．参赛者需要根据题目要求，在三天时间内完成一篇包括模型假设、模型建立和求解、计算方法的设计和实现、模型结果的分析和检验、模型的改进等方面的论文．通过参加竞赛的训练和比赛，可以提高学生用数学方法解决实际问题的意识和能力，而且在培养团队精神和撰写科技论文等方面都会得到十分有益的锻炼．

竞赛题目的涉及面比较宽，有工业、农业、工程设计、交通运输、经济管理、生物医学和社会事业等．竞赛选手不一定预先掌握深入的专业知识，而只需要学过高等数学的相关课程即可，并且题目具有较大的灵活性，便于参赛者发挥其创造能力．近年来，竞赛题目包含的数据较多，手工计算一般不能实现，所以就对参赛者的计算机能力提出了更高的要求，如2003年B题，某些问题的解决需要使用计算机软件；2001年A题，问题的数据读取需要计算机技术，并且对于给出的图像，需要用图像处理的方法获得；再如2004年A题则需要利用数据库数据，数据库方法，统计软件包等等．

竞赛题目的总体特点可大致归纳如下：（1）实用性不断加强，问题和数据来自于实际，解决方法需要切合实际，模型和结果可以应用于实际；（2）综合性不断加强，解法多样，方法融合，学科交叉；（3）数据结构越来越复杂，包括数据的真实性，数据的海量性，数据的不完备性，数据的冗余性等；（4）开放性也越来越突出，题意的开放性，思路的开放性，方法多样，结果不唯一等．总体来说，赛题向大规模数据处理方向发展，求解算法和各类现代算法相互融合．

纵观历年的赛题，主要用到的建模方法有：初等数学模型、微分与差分方程建模、组合概率、数据处理、统计学建模、计算方法建模、数学规划、图论方法、层次分析、插值与拟合、排队论、模糊数学、随机决策、多目标决策、随机模拟、计算机模拟法、灰色系统理论、时间序列等．

本文不一一列举竞赛题目中涉及的所有方法，只是重点讨论其中一些比较常用的方法，包括微分与差分方程建模方法、数学规划建模方法、统计学建模方法、图论建模方法，并结合案例说明建模方法的原理及应用． 微分方程与差分方程建模

在很多竞赛题目中，常常会涉及很多变量之间的关系，找出它们之间的函数关系式具有重要意义．可在许多实际问题中，我们常常不能直接给出所需要的函数关系，但可以得到含有所求函数的导数（或微分）或差分（即增量）的方程，这样的方程称为微分方程或差分方程.建立微分方程或差分方程的数学模型是一种重要的建模方法.如1996年A题“最优捕鱼策略”，1997年A题“零件参数设计”，2003年A题“SARS的传播”，2007年A题“中国人口增长预测”，2009年A题“最优捕鱼策略”等赛题中，都用到了这种方法．

1.1 微分方程建模

1.1.1 微分方程建模的原理和方法

一般来说，任何时变问题中随时间变化而发生变化的量与其它一些量之间的关系经常以微分方程的形式来表现．

例1.1 有一容器装有某种浓度的溶液，以流量v1注入该容器浓度为c1的同样溶液，假定溶液立即被搅拌均匀，并以v2的流量流出混合后的溶液，试建立反映容器内浓度变化的数学模型．

解

注意到溶液浓度=变化而发生变化．

不妨设t时刻容器中溶质质量为st，初始值为s0,t时刻容器中溶液体积为vt，初始值为v0，则这段时间t,tt内有

溶液质量，因此，容器中溶液浓度会随溶质质量和溶液体积

溶液体积sc1v1tc2v2t，（1）Vv1tv2t其中c1表示单位时间内注入溶液的浓度，c2表示单位时间内流出溶液的浓度，当t很小时，在t,tt内有

c2s(t)s(t).（2）V(t)V0(v1v2)t对式（1）两端同除以t，令t0，则有

dsdtc1v1c2v2dV.（3）v1v2dts(0)s0,V(0)V0即所求问题的微分方程模型．虽然它是针对液体溶液变化建立的，但对气体和固体浓度变化同样适用．

实际应用中，许多时变问题都可取微小的时间段t去考察某些量之间的变化规律，从而建立问题的数学模型，这是数学建模中微分方程建模常用手段之一．

常用微分方程建模的方法主要有：

（1）按实验定律或规律建立微分方程模型．

此种建模方法充分依赖于各个学科领域中有关实验定律或规律以及某些重要的已知定理，这种方法要求建模者有宽广的知识视野,这样才能对具体问题采用某些熟知的实验定律．

（2）分析微元变化规律建立微分方程模型．

求解某些实际问题时，寻求一些微元之间的关系可以建立问题的数学模型．如例1.1中考察时间微元t，从而建立起反应溶液浓度随时间变化的模型．此建模方法的出发点是考察某一变量的微小变化，即微元分析，找出其他一些变量与该微元间的关系式，从微分定义出发建立问题的数学模型．

（3）近似模拟法．

在许多实际问题中，有些现象的规律性并非一目了然，或有所了解亦是复杂的，这类问题常用近似模拟方法来建立问题的数学模型．一般通过一定的模型假设近似模拟实际现象，将问题做某些规范化处理后建立微分方程模型，然后分析、求解，并与实际问题作比较，观察模型能否近似刻画实际现象．近似模拟法的建模思路就是建立能够近似刻画或反映实际现象的数学模型，因此在建模过程中经常做一些较合理的模型假设使问题简化，然后通过简化建立近似反映实际问题的数学模型．

1.1.2 微分方程建模应用实例

例1.2（2003年高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题）SARS传播的预测． 2003年爆发的“SARS”疾病得到了许多重要的经验和教训，使人们认识到研究传染

病的传播规律的重要性．题目给出了感病情况的三个附件，要求对SARS的传播建立数学模型：（1）对SARS的传播建立一个自己的模型，并说明模型的优缺点；（2）收集SARS对经济某个方面影响的数据，建立相应的数学模型并进行预测．

问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[1]中的求解思路分析.传染病的传播模式可近似分为自由传播阶段和控后阶段，然后将人群分为易感者S，感病者I，移出者R三类．由三者之间的关系可得到下列微分方程：

dSdtkISdIkIShI，dtdRhIdtSIRN利用附件中给出的数据，可以将上述方程变形为

dIkNIhII，dt其中kNh，其解为

I(t)I0et.其中I0为初始值．

但此模型只适用于病例数与总人口数具有可比性的情况，当病例数远小于总人口数时，感病人数将随时间以指数增长.这是按实验定律或规律建立的微分方程模型.为进一步改进模型，用计算机跟踪病毒的个体传播情况，又建立计算机模拟模型．然后用计算机模拟北京5月10日之前SARS的传播情况，并对5月10日以后的传播情况进行预测．但是得到的有效接触率与实际统计数据有所偏差，所以统计数据，为参数的确定寻求医学上的支持，并以随机模拟取代完全确定性的模拟，对原模型进行改进，建立随机模拟模型．通过计算机编程，产生正态分布的随机数，并对传染情况进行500次模拟，即可进行预测，并可得出对SARS疫情控制提出的相应建议．

1.2 差分方程建模

1.2.1 差分方程建模的原理和方法

差分方程在数学建模竞赛中应用的频率极高，所以要对这种方法引起足够的重视．它针对要解决的目标，引入系统或过程中的离散变量．具体方法是：根据实际的规律性质、平衡关系等，建立离散变量所满足的关系式，从而建立差分方程模型．

差分方程可以分为不同的类型，如一阶和高阶差分方程，常系数和变系数差分方程，线性和非线性差分方程等等．

建立差分方程模型一般要注意以下问题：

（1）注意题中的离散变化量，对过程进行分析，尤其要注意形成变化运动过程的时间或距离的分化而得到离散变量；

（2）通过对具体变化过程的分析，列出满足题意的差分方程，其中入手点是找出变量所能满足的平衡关系、增量或减量关系及规律，从而得到差分方程．

1.2.2 差分方程建模应用实例

例1.3（2007年高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题）中国人口增长预测.题目要求从中国的实际情况和人口增长的特点出发，参考附录中的相关数据（也可以搜索相关文献和补充新的数据），建立中国人口增长的数学模型，并由此对中国人口增长的中短期和长期趋势做出预测，特别要指出模型中的优点与不足之处.问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[2]中的求解思路分析.通过分析题中相关的数据，考虑到我国近年来人口发展的总趋势，因为涉及到人口的增长和变换，所以可以先用微分方程来建立模型，并对我国人口增长的中短期和长期趋势做出预测．

首先，根据灰色系统理论，使用灰色关联分析模型法对人口系统结构进行关联分析，找出影响人口增长的主要因素；其次使用年龄推算法进行短期预测.在建立和求解长期预测模型时，根据人口阻滞增长模型（Logistic模型），可以考虑对中国人口老龄化进程加速、出生人口性别比例持续升高以及乡村人口城镇化等因素建立新的人口增长的差分方程模型.但是它仅给出了人口总数的变化规律，反映不出各类人口的详细信息，所以我们需要建立离散化的模型，并进一步可以得到全面系统地反应一个时期内人口数量状况的差分方程，可以用微分和差分方程理论来表现和模拟人口数量的变化规律．从而对人口分布的状况、变化趋势、总体特征等有更加详细和科学的了解．

在模型的求解过程中，用到了MATLAB软件，并做参数估计，利用所得结果和题目给出的近五年来的人口数据，对我国人口发展趋势进行了预测，得到了在老龄化进程加速、出生人口性别比例持续升高以及乡村人口城镇化等因素影响下，未来我国人口发展预测情况.数学规划建模

数学规划是指在一系列条件限制下，寻求最优方案，使得目标达到最优的数学模型，它是运筹学的一个重要分支．数学规划的内容十分丰富，包括许多研究分支，如：线性规划、非线性规划、整数规划、二次规划、0-1规划、多目标规划、动态规划、参数规划、组合优化、随机规划、模糊规划、多层规划问题等．

在1993年A题“非线性交调的频率设计”，1993年B题“足球队排名”，1995年A题“飞行管理问题”，1996年B题“节水洗衣机”，1997年A题“零件的参数设计”，1998年A题“一类投资组合问题”，1999年B题“钻井布局”，2001年B题“公交车调度问题”，2002年A题“车灯线光源的优化”，2006年A题“出版社书号问题”，2007年B题“城市公交线路选择问题”等赛题中，都用到了规划的方法．在此以线性规划为例，对规划的方法进行探讨．

2.1 线性规划建模的一般理论

线性规划建模方法主要用于解决生产实际中的资源利用、人力调配、生产安排等问题，它是一种重要的数学模型．线性规划是运筹学中研究较早、发展较快、应用广泛、方法较成熟的一个重要分支，它是研究线性约束条件下线性目标函数的极值问题的数学理论和方法．

一般的优化问题是指用“最好”的方式，使用或分配有限的资源即劳动力、原材料、机器、资金等，使得费用最小或利润最大．

优化模型的一般形式为:

min或max zfx(4)s.t.gx0.i1,2,,m(5)

xx1,x2,，xn.T由（4）、（5）组成的模型属于约束优化．若只有（4）式就是无约束优化．fx称为目标函数，gx0称为约束条件．

在优化模型中，如果目标函数fx和约束条件中的gx都是线性函数，则该模型称为线性规划．

建立实际问题线性规划模型的步骤如下：

（1）设置要求解的决策变量．决策变量选取得当，不仅能顺利地建立模型而且能方便地求解，否则很可能事倍功半．

（2）找出所有的限制，即约束条件，并用决策变量的线性方程或线性不等式来表示．当限制条件多，背景比较复杂时，可以采用图示或表格形式列出所有的已知数据和

信息，从而避免“遗漏”或“重复”所造成的错误．

（3）明确目标要求，并用决策变量的线性函数来表示，标出对函数是取极大还是取极小的要求．

需要特别说明的是，要使用线性规划方法来处理一个实际问题，必须具备下面的条件：

（1）优化条件：问题的目标有极大化或极小化的要求,而且能用决策变量的线性函数来表示．

（2）选择条件：有多种可供选择的可行方案，以便从中选取最优方案．

（3）限制条件：达到目标的条件是有一定限制的（比如，资源的供应量有限度等），而且这些限制可以用决策变量的线性等式或线性不等式表示出来．

此外，描述问题的决策变量相互之间应有一定的联系，才有可能建立数学关系，这一点自然是不言而喻的．

线性规划模型的求解可用图解法或单纯形法．随着计算机的普及和大量数学软件的出现，可以利用现成的软件MATLAB或LINGO等求解，在此不再叙述．

2.2 线性规划建模应用实例

例2.1（2006年高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题）艾滋病疗法的评价及疗效的预测.题目给出了美国某艾滋病医疗试验机构公布的两组数据，数据涉及到了病人CD4和HIV的浓度含量的测试结果.根据所给的资料需要参赛者完成以下问题：（1）利用附件1的数据，预测继续治疗的效果，或者确定最佳治疗终止时间；（2）利用附件2的数据，评价4种疗法的优劣（仅以CD4为标准），并对较优的疗法预测继续治疗的效果，或者确定最佳治疗终止时间；（3）如果病人需要考虑4种疗法的费用，对评价和预测有什么影响.问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[3]中的求解思路进行分析.首先对题目所给数据进行分析,考虑到治疗的效果与患者的年龄有关，将患者按年龄分组，如14~25岁,25~35岁,35~45岁及45岁以上4组．每组中按照4种疗法和4个治疗阶段（如0~10周，10~20周，20~30周，30~40周），构造16个决策单元．取4种药品量为输入，治疗各个阶段末患者的CD4值与开始治疗时CD4值的比值为输出.然后建立相应的数学模型,利用相对有效性评价方法，建立分式规划模型并经过变换，转化为线性规划模型求解，对各年龄组患者在各阶段的治疗效率进行评价．计算结果：对第1年龄组疗法2和4在整个治疗中效率较高，在第4阶段仍然有效；对第2年龄组疗法1在第1，2阶段有效；对第3年龄组疗法1，2，3在第1阶段有效；对第4年龄组疗法1，2在第1，2阶段有效．表明只有14~25岁的年4种轻患者，才能在治疗的最

后阶段仍然有有效的疗法．

随后，由线性规划模型的对偶形式建立预测模型，对各年龄组各种疗法下一阶段的疗效进行预测．若由某决策单元得到的实际输出大于预测输出，则该决策单元相对有效；反之，说明该种疗法对该组患者在治疗的未来阶段不再有效，应该转换疗法． 统计学建模方法

在数学建模竞赛中，常常会涉及到大量的数据，因此，我们就需要用统计学建模方法对这些数据进行处理．此类方法主要包括统计分析、计算机模拟、回归分析、聚类分析、数据分类、判别分析、主成分分析、因子分析、残差分析、典型相关分析、时间序列等．

如2004年A题“奥运会临时超市网点设计问题”，2004年B题“电力市场的输电阻塞管理问题”，2007年A题“人口增长预测问题”，2008年B题“大学学费问题”，2012年A题“葡萄酒的评价”等都用到了这种建模方法．在此选取其中两类方法进行阐述．

3.1 聚类分析

3.1.1 聚类分析的原理和方法

该方法说的通俗一点就是，将n个样本，通过适当的方法选取m聚类中心，通过研究各样本和各个聚类中心的距离，选择适当的聚类标准，通常利用最小距离法来聚类，从而可以得到聚类．结果利用sas 软件或者spss 软件来做聚类分析，就可以得到相应的动态聚类图．这种模型的的特点是直观，容易理解．

聚类分析的类型可分为：Q型聚类（即对样本聚类）和R型聚类（即对变量聚类）． 通常聚类中有相似系数法和距离法两种衡量标准.聚类方法种类多样，有可变类平均法、中间距离法、最长距离法、利差平均和法等.在应用时要注意,在样本量比较大时，要得到聚类结果就显得不是很容易,这时需要根据背景知识和相关的其他方法辅助处理．主要的方法步骤大致如下：

（1）首先把每个样本自成一类；

（2）选取适当的衡量标准，得到衡量矩阵；（3）重新计算类间距离，得到衡量矩阵；（4）重复第2步，直到只剩下一个类.3.1.2聚类分析应用实例

例3.1（2012年高教社杯全国大学生数学建模竞赛A题）葡萄酒的评价.题目的附件中给出了某一年份一些葡萄酒的评价结果，和该年份这些葡萄酒的和酿酒葡萄的成分数据.要求参赛者建立数学模型解决以下问题：（1）分析附件1中两组评酒员的评价结果有无显著性差异，哪一组结果更可信；（2）根据酿酒葡萄的理化指标和葡萄酒的质量对这些酿酒葡萄进行分级；（3）分析酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系；（4）分析酿酒葡萄和葡萄酒的理化指标对葡萄酒质量的影响，并论证能否用葡萄和葡萄酒的理化指标来评价葡萄酒的质量.问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[4]中的求解思路分析.由于给定了酿酒葡萄的理化指标，首先可将附录2和附录3中的一些数据进行处理.并可以据此对各种酿酒葡萄进行聚类分析，但是，由于题目中所给的数据庞大，所以可通过主成分分析法，简化并提取大部分有效信息，再用聚类分析对酿酒葡萄进行分级．最后根据酿酒葡萄对应葡萄酒质量的平均值大小进行比较，排序分级．接下来针对问题中分析酿酒葡萄与葡萄酒理化指标之间的联系，及上面整理好的数据，采用回归分析原理，在SPSS中得到酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系．再通过相关分析，得出相应的相关系数，从而得到相应的判断结论．在分析酿酒葡萄与葡萄酒的理化指标之间的联系时，还用到了多元线性回归分析．

该模型用于生活实践中，也可以解决很多实际问题．

3.2 回归分析

回归分析是利用数据统计原理，对大量数据进行数学处理，并确定因变量与某些自变量的相关关系，建立一个相关性较好的回归方程，并加以外推，用于预测今后的因变量的变化的分析方法．

3.2.1回归分析的原理与方法

回归分析是在一组数据的基础上研究这样几个问题：建立因变量与自变量之间的回归模型；对回归模型的可信度进行检验；判断每个自变量对因变量的影响是否显著；判断回归模型是否适合这组数据；利用回归模型对进行预报或控制．回归分析主要包括一元线性回归、多元线性回归、非线性回归．

回归分析的主要步骤为：

（1）根据自变量和因变量的关系，建立回归方程．

（2）解出回归系数．

（3）对其进行相关性检验，确定相关系数．

（4）当符合相关性要求后，便可与具体条件结合，确定预测值的置信区间.需要注意的是，要尽可能定性判断自变量的可能种类和个数，并定性判断回归方程的可能类型．另外，最好应用高质量的统计数据，再运用数学工具和相关软件定量定性判断．

3.2.2 回归分析应用实例

例3.2（2006年高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题）艾滋病疗法的评价及疗效的预测.题目同例2.1．

问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[3]中的求解思路进行分析.问题2的解决就用到回归模型.首先分析数据知，应建立时间的一次与二次函数模型，并经过统计分析比较，确定哪种较好．所以可建立一个统一的回归模型，也可对每种疗法分别建立一个模型．

以总体回归模型为例，分别用一次与二次时间函数模型进行比较，可知疗法1~3用一次模型较优，且一次项系数为负，即CD4在减少，从数值看疗法3优于疗法2和1；疗法4用二次模型较优，即CD4先增后减，在t20左右达到最大．可以通过4条回归曲线进行比较，显示疗法4在30周之前明显优于其它．最后再用检验法作比较，结果是疗法1与2无显著性差异，而疗法1与3，2与3，3与4均有显著性差异． 图论建模方法

图论建模方法在建模竞赛中也经常涉及，应用十分广泛，并且解法巧妙，方法灵活多变．如1990年B题“扫雪问题”，1991年B题“寻找最优Steiner树”，1992年B题“紧急修复系统的研制”，1993年B题“足球队排名”，1994年A题“逢山开路问题”，1994年B题“锁具装箱问题”，1995年B题“天车与冶炼炉的作业调度”，1997年B题“截断切割的最优排列”，1998年B题“灾情巡视最佳路线”，1999年B题“钻井布局”，2007年B题“城市公交线路选择问题”等都应用到了图论的方法．

图论近几年来发展十分迅速，在物理、化学、生物学、地理学、计算机科学、信息论、控制论、社会科学、军事科学以及计算机管理等方面都有着广泛的应用．因此图论越来越受到了全世界数学界和工程技术界乃至经营决策管理者的重视．同时也成为了数学建模中一种十分重要的方法．图论问题算法很多，包括最短路、最大流、最小生成树、二分匹配、floyd、frim等．

4.1 两种常见图论方法介绍

图论中的图是由平面上的一些点及这些点之间的连线（称为边）构成的．图中的点表示要研究的离散对象，边表示对象之间的关系．用这些点和边建立的离散对象来建立模型，通过这种办法许多难题都可以被巧妙地解决．所以图论方法成为研究离散问题的一种重要手段．由于图论方法所包含的概念和定义较多，无法全部列举．在这里只就其中的两种方法作介绍．

4.1.1模拟退火法的基本原理

模拟退火法是模拟热力学中系统的降温过程，当孤立粒子系统的温度以足够慢的速度下降时，系统近似处于热力学平衡状态，最后系统将达到本身的最低能量状态，即基态，这相当于能量函数的全局极小点．其步骤如下(也称为Metropolis过程)：

（1）给定初始温度T0，及初始点，计算该点的函数值fx；

（2）随机产生扰动x，得到新点xxx计算新点函数值fx,及函数值差

ffxfx；

（3）若f0，则接受新点，作为下一次模拟的初始点；（4）若f0，则计算新点接受概率：

fpfexp，KT产生0,1区间上均匀分布的伪随机数r,r0,1，如果pfr，则接受新点作为下一次模拟的初始点；否则放弃新点，仍取原来的点作为下一次模拟的初始点．

4.1.2最短路问题

最短路问题是一个有着广泛应用价值的问题，例如各种管道的铺设，线路的安排，输送网络费用等问题，都可以用到最短路求法．

在解决实际问题时，我们问题中的“边权”可以有着各种不同的解释．例如在运输网络中，从v运送一批货物到u，若“边权”视为通常意义下的路程，则最短路问题就是

使运输总路程最短的路线，若“边权”表示运输时间，则最短路就是运输总时间最短的路线，“边权”也可以代表费用，这时相应的就是总费用最省的的路线．

4.2 图论建模应用实例

例4.2（2007年高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题）城市公交线路选择问题.在2007年B题中，涉及到了北京公交车的换乘问题，为了使乘客利益最大化，需要设计一个“公交线路选择自主查询系统”，其核心是线路选择的模型，该模型必须考虑实际情况，满足查询者的各种不同需求．要求解决如下问题：(1)仅考虑公汽线路，给出任意两公汽站点之间线路选择问题的一般数学模型与算法．(2)同时考虑公汽与地铁线路，解决以上问题．(3)假设又知道所有站点之间的步行时间，请你给出任意两站点之间线路选择问题的数学模型．

问题求解过程分析 由于题目具有开放性，故选择文献[5]中的求解思路进行分析.由于在现实情况下，乘客一般不能乘坐一辆公交车就到达终点，可能会换乘，但要是频繁倒车，会给乘客造成不便，也会增加车费．所以可针对城市公交线路选择问题建立模型．为了使问题简单化，我们分别以乘车时间、乘车费用以及换乘次数为目标函数，得到各自的较优线路，再通过对比，有效地处理这些线路，最终得出查询系统给出的结果．

首先固定换乘次数n，通过集合论的相关知识把确定换乘点的具体位置, 转化成确定一些集合间的交集，从而建立集合寻线算法，再根据集合相关公式，得到所有可行线路；进一步考虑时间和费用等因素，对可行线路进行处理比较，得出最佳线路．

图论模型中，通过图论的知识将整个北京市交通线路构建出一个有向图，每个站点与有向图的顶点一一对应，同一线路上的相邻站点对应为有向边，通过不同目标（时间、费用）给有向图进行不同的赋权，分别将不同目标转化为赋权有向图寻找最短有向路，根据最短路径算法，得到最佳线路．最后综合评价了两个模型的优缺点．

以每个站点为顶点，若站点A到站点B有公交线路并且A与B为相邻站点，则连一条A到B有向边，根据所给的站点与线路我们建立一个得到一个有重边的有向图DV,E一条公交线路就是DV,E的一条有向路．则任意两公汽站点之间线路最少时间选择问题就转化为求DV,E,W的对应两顶点的最短有向路问题．

由图论模型所得的查询系统，是以图论知识中的最短路有向图为基础，对不同线路经过同一站点时，假设多个假想点，并将各不同站点之间所需时间作为权，对各线路站点赋权，分别确定以时间、费用、换乘为目标转化为寻找有向的完全图，并根据实际情况，建立出动态赋权有向图，得出最佳线路.小结

建模竞赛的方法种类众多，本文主要对其中四中常用的方法进行了阐述、总结和探讨．在每一章的开头，都列出了近几年来应用到此方法的赛题．在四种方法中，微分与差分方程是比较基础的一种方法，在解决变量问题时经常会用到．第二种规划方法则是一种应用广泛的方法，很多赛题都会涉及到．第三种是统计学方法，从近些年的赛题变化趋势来看，赛题题目中所给的数据越来越多，越来越复杂化，这就需要用统计学方法对这些数据进行分类处理，并最终得到相关结论．最后一种是图论方法，这种方法灵活多变，应用巧妙，可以使很多复杂问题简单化．当然还有很多常用方法，本文不再一一列举，希望本文能够对读者有所帮助．

参考文献

[1] 李小华，刘纽.SARS传播的数学模型及对经济的影响[J].http://wenku.baidu.com/view/98d4726b1eb91a37f1115c98.html,2013.5 [2] 李译，李志坤，殷婷.中国人口增长预测[J].http://wenku.baidu.com/view/ ff3ea8a40029bd64783e2cf6.html，2013.5 [3] 周利庭，张洪雷，杨丽娜.艾滋病疗法的评价及疗法的预测[J].http://wenku.baidu.com/view/24c67b7302768e9951e738ce.html，2013.5 [4] 未知作者．葡萄酒的评价[J].http://wenku.baidu.com/view/6fccfd6f7e21af 45b307a896.html,2013.5 [5] 未知作者．城市公交路线选择优化模型[J].http://wenku.baidu.com/view/76206e 297375a417866f8f1e.html,2013.5 [6] 华罗庚，王元编著．数学模型选谈[M］．湖南：湖南教育出版社，1991.7 [7] Saaty TL.The Analytic Hierarchy Process [M].Mcgraw 2 Hill,1980.4 [8] 杨学桢.数学建模方法[M].保定：河北大学出版社，2000.8 [9] 王高雄，周之铭，朱思铭，王寿松.常微分方程[M].北京：高等教育出版社，1983.8 [10] 王兴宇，樊恺.数学模型方法[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.8

致 谢

四年的大学生活转眼就要说再见了，当大学的最后一项任务即将完成的时候，终于长长地吁出一口气时，这时也突然意识到，原来四年马上就要过去了，到了该告别的时候了．仔细想想，竟有些恍惚，四年的时光就这样过去了，猛然有了那么多的不舍．

可是终归真的要毕业了．大学四年，读的是一所普普通通的二流大学，而且处在一个大学生泛滥的时代，面对着父母的期待，有时候真的会很茫然，甚至不知所措．但是我依然踏踏实实的过完了这四年．从开始的新奇，到后来的迷茫，再到后来的坚定和努力．我无愧于这四年的大学生活，在即将给它画上句号的时候，我还是会带着微笑去回忆，这四年我成长了许多，从那么的稚嫩、懵懂变得成熟稳重．我会始终带着感恩去铭记这里，去铭记我的恩师们，你们辛苦了．

特别感谢闫峰老师，在她细心的指导下，我才得以完成这篇论文，从开题、资料查找、修改到最后定稿，承载了她太多的心血，她的涓涓教诲，我会永远铭记心田．我很自豪有这样一位老师，她值得我感激和尊敬．

自动巡航系统建模与仿真 篇6

关键词：巡航控制系统 PID控制 SIMULINK仿真

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0235-01

自动巡航控制系统是为提高车辆纵向运动主动安全性而设计的自动辅助驾驶系统，是实现车辆自动化和智能化的一个重要组成部分。汽车电子自动巡航控制系统主要由巡航控制开关、车速传感器、电子控制单元（ECU）、汽车制动开关、执行器等组成。其工作原理是控制目标车辆的纵向运动状态，从而保持期望的车辆速度和与前方引导车之间的安全距离。在保持安全车间距离的要求下跟踪前车行驶，实现较少驾驶员的操作，减轻其疲劳程度。该文中仅以整车为研究对象，建立速度与车辆纵向力学之间的关系，从而直接获得期望的速度，系统包含控制器和理想速度与汽车纵向力学模型。

1 系统数学模型的建立

动力性是汽车各种性能中最基本，最重要的性能。为此，我们将从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式。在对于驱动动力学研究中，首先要知道汽车在行驶过程中所受阻力主要是由车轮滚动阻力、空气阻力和坡度阻力组成的。这里谈论的行驶阻力代表了车辆对发动机输出动力和功率的需求，而提供这一需求的供应链则由汽车的动力传动系统完成，此外，路面附着系数也会影响到这种供求关系的平衡，直接影响到汽车的动力性能。[2]

为了更好地描述车辆在行驶过程中的复杂受力情况，可以采用化整为零的方法，把整车分割成驱动力、摩擦阻力、空气阻力和坡度阻力四大部分，分别对其研究，最后综合这三部分建立起汽车纵向动力学数学模型。汽车行驶方程式为

（1）

式中 Ft为汽车的驱动力；

Fw为空气阻力；

Ff为汽车质量；

Fi为汽车的坡度阻力；

Fj为加速阻力。

（2）

此公式表明了汽车行驶时驱动力和外界阻力之间的相互关系的普遍状况。当发动机的转速特性，变速器的传动比，主减速比，传动效率，车轮半径，空气阻力系数，汽车迎风面积以及汽车质量等初步确定后，便可利用此式分析在附着性能良好的典型路面（混凝土，沥青路面）上的行驶能力，即确定汽车在节气门全开始可能达到的最高车速，加速能力和爬坡能力。由此被控对象输入量为汽车驱动力Ft和输出量为汽车行驶速度v之间的关系。[3]

（3）

2 系统仿真模型的建立

总体力学仿真中包含：摩擦阻力模型、空气阻力模型、坡度阻力模型等。将以上模型进行封装得到最后的力学仿真模型如图1所示。

3 控制策略的制定

该文采用PID控制策略进行车速的控制，PID控制为比例积分微分控制，它是根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估未来等各种状况，实现系统参数不变的汽车巡航控制。 PID控制算法的表达式为：

（4）

式中为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

对PID和纵向力学模型进行整体建模，得到闭环传递系统，将PID、纵向力学仿真模块进行封装。在MATLAB/Simulink中建立模型如图2所示

4 结论

在Simulink中搭建完成了汽车巡航控制系统仿真模型，对巡航控制选用的PID控制策略进行了仿真分析。通过在不同车速下的仿真分析我们可以看出PID的控制结果在很短的时间内我们得到了最佳的控制速度，得到了较好的控制策略。

参考文献

[1]赵秀春，徐国凯，张涛，等.基于模糊控制的车辆自适应巡航系统设计[J].大连民族学院学报，2013（5）：30-35.

[2]于志生.汽車理论[M].机械工业出版社2012.

系统建模方法 篇7

随着计算机技术的普及与发展,办公自动化已经走进了人们工作的每个领域,对于高校教师的评估工作当然也不例外。

以我校的教师评估工作为例,在教师评估系统投入使用之前,每个学期期末开始教师评估工作时,都要由专门负责评估的老师到每个行政班级分发纸质的评估表,由学生填好对教师的意见和各项主观分数后进行回收。然后评估处的老师再对纸质的评估结果按系别进行归类、统计各项分数,根据计算公式算出每个老师的最终评估分数和对应的等级结果,最后再将这些数据手工输入到每个老师的教学评估表中,打印输出,至此工作才算告一段落。

可以看出,没有使用评估系统的评估工作,工作流程纷繁冗杂、工作人员的工作量极大,难以避免错误的出现,工作效率大打折扣。

二、对现状的分析和研究

对此现状我们进行分析可以看出人工的评估工作主要弊端和原因如下:

1、评估工作开始阶段:

我校现在在职教师大概四五百人,负责评估工作的老师两三个人,这两三位老师要负责联系制作纸质的教学评估表,找对时间下到每个行政班级分发并回收学生填好的表格。学校共设四个年级,每个年级平均23个班,每个班平均45个人,那么评估处的老师需要下到92个班级下发评估表,并回收4140份填写好的表格。由于大学生上课没有固定教室,工作的老师只能找到每个班级的必修课所在教室,利用课间时间指导学生完成评估表格的填写。由此可见,评估工作的开始阶段人工方式的主要弊端如下:

(1)在评估工作的开始阶段就已经出现了工作人员工作量极大的情况;

(2)学生有缺勤和高年级没有必修课情况,不能百分百的保证每个学生都填写了评估表,造成评估数据的缺失,导致评估结果难免有误差;

(3)学生只能利用课间5分钟的休息时间来填写本学期教过自己的每个老师的评估成绩,学生难以在充分思考之后对每个老师给出公正客观的评价,很多同学连老师的名字都不看就统一给出了一个分数。这种情况下出来的评估结果难以保证评估结果的准确性和公正性。

2、评估工作中间阶段

在工作人员辛苦回收了大概4000多份纸质表格之后,接下来首先要对这些纸质表格按系别归类,然后把每个老师对应的其每个学生给出的小分输入电脑,然后按公式进行计算,给出综合评分和对应等级,然后对每个老师的评估结果进行分析,并附上学生填表时写的评价、建议和意见。可以看出该阶段工作人员的工作量是最大的:

(1)工作人员首先要对4000多份纸质表格按系归类,输入每个老师其教学的每个学生给出的评价小分。我校大概400多一线教师,按400算,每个老师一学期平均教授2个班级,每个班级平均45名学生,每个学生需要在评价表上填写11项评价小分和1一个总评分,可以算出,工作人员需要往电脑里输入400*2*45*12=432000条评估数据,如此庞大的工作量,仅仅依靠几个工作人员来完成,这简直是难以想象的;

(2)输入记录后要按公式分别算出每位老师的评估分数,并将学生的评价、意见和建议输入到电脑里。按平均每个老师对应200个字的学生客观评价,工作人员还需要进行文字录入400*200=80000个字。

由于必然存在的庞大的数据和文字输入量,工作人员又严重缺少,使得数据输入难免出现错误,教师的评估结果容易出现偏差;同时容易造成工作时间的延长,极大的降低了工作效率。

3、评估工作结尾阶段

在完成了每个老师的教学评估之后,工作人员需要逐一打印每个教师的评估表并下发到每个系。这又不可避免的增加了工作人员的工作量,同时耗费了大量的纸张和硒鼓等办公耗材。

综上所述,人工方式完成的评估工作存在着工作量大,资源极大浪费,评估结果不准确,效率低下等弊端。一套行之有效的教师评估系统的研发工作势在必行。

三、UML建模及设计实现

在对现状进行分析之后可以看出,工作量主要集中在评估工作的开始和中间阶段,我们采用分两步走的方式加以解决。

对于评估工作的开始阶段我们采取使用《网络评估分数填写系统》取代纸质表格和人工操作。该系统集成在了《学生网上选课系统》当中。每个学生在本学期行将结束时需要在网上进行下学期的选课工作,我们的设计是在学生进行选课之前必须先对其本学期所学课程的所有老师进行评价,评价完成之后才可进行下学期的选课。也就是学生利用网络登录到《学生网上选课系统》之后,运行的首先是《网络评估分数填写系统》,然后才能进行选课。这样一来,不仅减少了工作人员在开始阶段的工作量、极大的提高了工作效率、降低了财力物力的浪费,而且保证了每个学生都填写了评估表格,提高了评估结果的准确性。这个系统我们在这里不做过多介绍,我下面主要介绍在评估工作中间阶段使用的系统《评估结果生成系统》。

1、建立系统需求模型

(1)系统功能框架

我们使用UML建模方法建立系统需求模型。分析用户需求可以知道此系统主要分为准备工作模块和生成成绩模块,两部分的参与者均是评估工作人员也就是管理员。进入准备工作之前,需要进行管理员的身份验证,因此在两个模块之前需要先进入到登录模块。

(1)管理员登录模块:实现管理员的身份验证及显示注意事项等功能。

(2)准备工作模块:实现验证所需文件是否存在及相应文件夹是否清空等功能。

a.验证所需文件:检查教师原始评估文件是否存在,不存在则显示提示信息。该原始评估文件为执行了网络评估分数填写系统之后,生成的每位教师的原始评估分数表;

b.验证存放结果文件夹是否清空:该文件夹用来存放生成的评估最终结果文件,如果该文件夹不存在,则系统弹出提示信息并自动建立此文件夹。

(3)自动生成评估成绩模块

a.建立用来存放最终结果的新工作薄;

b.按样本文件生成最终评估表;

c.将原始评估文件中的评估原始分数和所有评语复制到刚建好的最终评估表中;

d.按一定算法计算每位教师的最终分数,根据分数给出最终成绩。

(2)系统事件流

根据UML建模原则分析系统的事件流,以下是系统的主要事件流分析。

[1]管理员登录模块事件流

<1>管理员登录模块事件流

(1)管理员登录事件流如下:

a.管理员进入登录界面,用例开始;

b.管理员输入用户名、密码;

c.系统对输入的信息进行验证

A1:验证失败

d.进入主界面;

e.用例结束。

(2)其他事件流如下:

A1:验证失败

a.系统提示密码或者用户错误,要求用户重新输入;

b.成功,转向管理员登录事件流第4步。

<2>管理员登录模块事件流如图3.1所示。

[2]准备工作模块事件流

<1>准备工作模块事件流

(1)准备工作事件流如下:

a.管理员进入准备工作界面,用例开始;

b.管理员检查所需原始评估文件是否存在;

A1:文件不存在

c.管理员检查存放最终结果的文件夹是否清空;

A2:文件夹没有清空

d.用例结束。

(2)其他事件流如下:

A1:文件不存在

a.系统提示所需文件不存在;

b.复制原始文件到指定文件夹,转向准备工作事件流第2步。

A2:文件夹没有清空

a.系统提示结果文件夹没有清空;

b.清空存放结果文件夹,转向准备工作事件流第3步。

<2>准备工作模块事件流如图3.2所示。

[3]生成评估成绩模块事件流

<1>生成评估成绩模块事件流

(1)生成评估成绩事件流如下:

a.进入生成评估成绩工作界面,用例开始;

b.系统建立新工作薄;

c.按样本生成最终评估表;

d.复制原始文件中的评估原始数据和评语;

e.按一定算法计算每位教师的最终评估分数,根据分数给出最终评估成绩

f.用例结束。

<2>准备工作模块事件流如图3.3所示。

(3)系统顺序图

为了反应系统的动态特征,进一步使用UML的顺序图描述参与者与系统的交互。系统顺序图如图3.4所示。

2、系统设计与实现

(1)系统设计

系统总体模块结构图如图3.5所示。

(2)系统实现

系统主要功能界面和自动生成评估结果如图3.6所示。

四、结束语

评估系统自投入运行以来获得了很显著的效果。由于教师的最终评估分数、等级以及学生评语均为系统自动生成,从而大大减轻了工作人员的工作量,不仅大幅度地提高了工作效率、缩短了工作周期,同时也有效地保证了评估结果的准确性,避免了人为因素造成的结果偏差。学校教师和评估工作人员对本系统均给予了很高的评价。

摘要：本文分析了当前高校教师评估工作的现状,描述了建立教师评估系统的重要性和必要性,详细阐述了使用UML建模方法对评估系统进行需求建模的全过程,并给出了系统设计和实现结果。

关键词：教师评估,UML建模,顺序图

参考文献

[1]刘济良.试析21世纪高校教改的发展趋势[J].河南大学教育科学学院学报,2005,(2)10:9-10.

[2]周小菊.对目前高校实验教材改革的几点思考[J].高校实验室工作研究,2007,08:12,14.

[3]王发曾.实验教学在素质教育中的地位、作用及其载体建设[J].实验室研究与探索,2000,19(4):1-4.

[4]田能瑾.面向21世纪对实验教学改革的思考[J].实验室研究与探索,2000,8(4):5-7.

[5]徐云,崔爱芳.高校素质教育改革与实验室建设[J].实验技术与管理.

系统建模方法 篇8

以我校的教师评估工作为例,在教师评估系统投入使用之前,每个学期期末开始教师评估工作时,都要由专门负责评估的老师到每个行政班级分发纸质的评估表,由学生填好对教师的意见和各项主观分数后进行回收。然后评估处的老师再对纸质的评估结果按系别进行归类、统计各项分数,根据计算公式算出每个老师的最终评估分数和对应的等级结果,最后再将这些数据手工输入到每个老师的教学评估表中,打印输出,至此工作才算告一段落。

可以看出,没有使用评估系统的评估工作,工作流程纷繁冗杂、工作人员的工作量极大,难以避免错误的出现,工作效率大打折扣[2]。

1 对现状的分析和研究

对此现状我们进行分析可以看出人工的评估工作主要弊端和原因如下。

1.1 评估工作开始阶段

我校现在在职教师大概四五百人,负责评估工作的老师两三个人,这两三位老师要负责联系制作纸质的教学评估表,找对时间下到每个行政班级分发并回收学生填好的表格。学校共设四个年级,每个年级平均23个班,每个班平均45个人,那么评估处的老师需要下到92个班级下发评估表,并回收4140份填写好的表格。由于大学生上课没有固定教室,工作的老师只能找到每个班级的必修课所在教室,利用课间时间指导学生完成评估表格的填写。由此可见,评估工作的开始阶段人工方式的主要弊端如下:

1)在评估工作的开始阶段就已经出现了工作人员工作量极大的情况[3];

2)学生有缺勤和高年级没有必修课情况,不能百分百的保证每个学生都填写了评估表,造成评估数据的缺失,导致评估结果难免有误差;

3)学生只能利用课间5分钟的休息时间来填写本学期教过自己的每个老师的评估成绩,学生难以在充分思考之后对每个老师给出公正客观的评价,很多同学连老师的名字都不看就统一给出了一个分数。这种情况下出来的评估结果难以保证评估结果的准确性和公正性。

1.2 评估工作中间阶段

在工作人员辛苦回收了大概4000多份纸质表格之后,接下来首先要对这些纸质表格按系别归类,然后把每个老师对应的其每个学生给出的小分输入电脑,然后按公式进行计算,给出综合评分和对应等级,然后对每个老师的评估结果进行分析,并附上学生填表时写的评价、建议和意见。可以看出该阶段工作人员的工作量是最大的:

1)工作人员首先要对4000多份纸质表格按系归类,输入每个老师其教学的每个学生给出的评价小分。我校大概400多一线教师,按400算,每个老师一学期平均教授2个班级,每个班级平均45名学生,每个学生需要在评价表上填写11项评价小分和1一个总评分,可以算出,工作人员需要往电脑里输入400*2*45*12=432000条评估数据,如此庞大的工作量,仅仅依靠几个工作人员来完成,这简直是难以想象的;

2)输入记录后要按公式分别算出每位老师的评估分数,并将学生的评价、意见和建议输入到电脑里。按平均每个老师对应200个字的学生客观评价,工作人员还需要进行文字录入400*200=80000个字。

由于必然存在的庞大的数据和文字输入量,工作人员又严重缺少,使得数据输入难免出现错误,教师的评估结果容易出现偏差;同时容易造成工作时间的延长,极大的降低了工作效率。

1.3 评估工作结尾阶段

在完成了每个老师的教学评估之后,工作人员需要逐一打印每个教师的评估表并下发到每个系。这又不可避免的增加了工作人员的工作量,同时耗费了大量的纸张和硒鼓等办公耗材。

综上所述,人工方式完成的评估工作存在着工作量大,资源极大浪费,评估结果不准确,效率低下等弊端。一套行之有效的教师评估系统的研发工作势在必行[4]。

2 UML建模及设计实现

在对现状进行分析之后可以看出,工作量主要集中在评估工作的开始和中间阶段,我们采用分两步走的方式加以解决。

对于评估工作的开始阶段我们采取使用《网络评估分数填写系统》取代纸质表格和人工操作。该系统集成在了《学生网上选课系统》当中。每个学生在本学期行将结束时需要在网上进行下学期的选课工作,我们的设计是在学生进行选课之前必须先对其本学期所学课程的所有老师进行评价,评价完成之后才可进行下学期的选课。也就是学生利用网络登录到《学生网上选课系统》之后,运行的首先是《网络评估分数填写系统》,然后才能进行选课。这样一来,不仅减少了工作人员在开始阶段的工作量、极大的提高了工作效率、降低了财力物力的浪费,而且保证了每个学生都填写了评估表格,提高了评估结果的准确性。这个系统我们在这里不做过多介绍,我下面主要介绍在评估工作中间阶段使用的系统《评估结果生成系统》。

2.1 建立系统需求模型

2.1.1 系统功能框架

我们使用UML建模方法建立系统需求模型[5]。分析用户需求可以知道此系统主要分为准备工作模块和生成成绩模块,两部分的参与者均是评估工作人员也就是管理员[6]。进入准备工作之前,需要进行管理员的身份验证,因此在两个模块之前需要先进入到登录模块。

1)管理员登录模块:实现管理员的身份验证及显示注意事项等功能。

2)准备工作模块:实现验证所需文件是否存在及相应文件夹是否清空等功能。

(1)验证所需文件:检查教师原始评估文件是否存在,不存在则显示提示信息。该原始评估文件为执行了网络评估分数填写系统之后,生成的每位教师的原始评估分数表;

(2)验证存放结果文件夹是否清空:该文件夹用来存放生成的评估最终结果文件,如果该文件夹不存在,则系统弹出提示信息并自动建立此文件夹。

3)自动生成评估成绩模块

(1)建立用来存放最终结果的新工作薄;

(2)按样本文件生成最终评估表;

(3)将原始评估文件中的评估原始分数和所有评语复制到刚建好的最终评估表中;

(4)按一定算法计算每位教师的最终分数,根据分数给出最终成绩[7]。

2.1.2 系统事件流

我们根据UML建模原则分析系统的事件流,以下是系统的主要事件流分析[8]。

2.1.2. 1 管理员登录模块事件流

1)管理员登录模块事件流[9]

(1)管理员登录事件流如下:

a)管理员进入登录界面,用例开始;

b)管理员输入用户名、密码;

c)系统对输入的信息进行验证;

A1:验证失败

d)进入主界面;

e)用例结束。

(2)其他事件流如下:

A1:验证失败

a)系统提示密码或者用户错误,要求用户重新输入;

b)成功,转向管理员登录事件流第4步。

2)管理员登录模块事件流如图1所示。

2.1.2. 2 准备工作模块事件流

1)准备工作模块事件流[10]

(1)准备工作事件流如下:

a)管理员进入准备工作界面,用例开始;

b)管理员检查所需原始评估文件是否存在;

A1:文件不存在

c)管理员检查存放最终结果的文件夹是否清空;

A2:文件夹没有清空d)用例结束。

(2)其他事件流如下:A1:文件不存在

a)系统提示所需文件不存在;

b)复制原始文件到指定文件夹,转向准备工作事件流第2步。A2:文件夹没有清空

a)系统提示结果文件夹没有清空;

b)清空存放结果文件夹,转向准备工作事件流第3步。2)准备工作模块事件流如图2所示。

2.1.2.3

生成评估成绩模块事件流1)生成评估成绩模块事件流

(1)生成评估成绩事件流如下[11]:

a)进入生成评估成绩工作界面,用例开始;

b)系统建立新工作薄;

c)按样本生成最终评估表;

d)复制原始文件中的评估原始数据和评语;

e)按一定算法计算每位教师的最终评估分数,根据分数给出最终评估成绩

f)用例结束。

2)准备工作模块事件流如图3所示。

2.1.3 系统顺序图

为了反应系统的动态特征,进一步使用UML的顺序图描述参与者与系统的交互[12]。系统顺序图如图4所示。

2.2 系统设计与实现

2.2.1 系统设计

系统总体模块结构图如图5所示。

2.2.2 系统实现

系统主要功能界面(图6)和自动生成评估结果(图7)所示。

3 结束语

复杂系统的可用度建模方法研究 篇9

1 建模方法分类

可用度的数学模型可以大致分为概率模型和统计模型两类:概率模型和统计模型。概率模型是指, 从系统结构出发及部件的寿命分布、修理时间分布等等有关的信息出发, 来推断出与系统寿命有关的可靠性数量指标, 进一步可讨论系统的最优设计、使用维修策略等。其中概率模型根据系统相关时间的概率分布的不同又分为微积分模型、马尔科夫模型和更新过程模型。统计模型是指, 从观察数据出发, 对部件或系统的寿命、可靠性指标等进行估计和检验。

随着相关领域的发展, 可用度的数学模型出现一类综合类模型, 包括:基于离散事件的模型、基于神经网络的模型和基于遗传算法的模型等。可用度建模方法分类如图1所示。

2 模型研究

2.1 概率模型

1) 微积分模型

主要根据基本的数学机理和单元可用度的内涵, 依靠微积分的运算方法解算系统的可用度。设单元的故障概率密度函数为f (t) , 修复概率密度函数g (t) , 则其故障频率w (t) , 修复频率v (t) 以及不可用度Q (t) 的计算公式如下:

式中:f1 (t) 表示单元在t=0时刻是正常条件下故障概率密度函数;f2 (t) 表示单元在t=0时刻是被修复条件下故障概率密度函数。

此方法适用于服从任意分布的部件, 针对可修复部件的可用度计算模型, 采用逐次逼近方法, 求解可用性指标的第二类Volterra积分方程, 如式 (5) 所示。

这种积分模型适用于n中取m系统的平均稳态可用性, 如核电厂的散热系统等。

2) 马尔科夫模型

当系统的各组成部件的寿命、维修时间等相关时间均遵从指数分布, 且部件失效和修复相互独立, 只要适当定义系统的状态, 总可以用马尔科夫过程来描述, 这样的可修系统称为马尔科夫可修系统。

以n个不同单元组成的串联系统为例, 马尔科夫模型如下, 第i个单元的故障率为λi, 维修率为ui。只要一个单元故障, 系统就故障, 进行维修, 系统地状态集合为S={0, 1, 2, …, n}, 其中系统正常工作状态集合为W={0}, 系统故障状态集合为F={1, 2, …, n}, 系统状态概率向量表示为X={x0, x1, …, xn}, 系统状态转移图如图2所示。

系统状态转移矩阵为

令X (P-I) =0得

舍去成线性相关的一个方程, 补充方程x0+x1+…+xn=1, 解得系统的稳态可用度A (∞) 为

马尔科夫模型适用于系统稳态可用度的研究中, 被广泛应用于对互联计算机通信网络, 雷达等复杂电子系统的建模。

3) 更新过程模型

即:

其中, Ai (t) 表示系统可用度。gi (t) 是定义在[0, ∞]上的非负、在任何有限区间上的有界函数, 在计算可用度时, 通常这个函数是不同装备服从任意分布的维修, 寿命, 保障延误的时间。

马尔科夫更新模型的建模流程:

(1) 模型假设, 构建服从一般分布的各统计量;

(2) 系统状态转移关系确定;

(3) 半马尔科夫表达式确立, 并对相应的概率进行Laplace-Stieltjes变换;

(4) 构建马尔科夫更新方程组, 根据极限定理及洛比达法则求解系统稳态可用度, 系统的瞬时可用度可根据更新方程组直接拉氏反变换求得。

马尔科夫更新模型适用于估算通用性的系统效能, 武器系统的可用性及备件更换方面等。其优点在于能适应各种分布类型的问题求解, 不足之处是计算过于繁琐。

2.2 统计模型

现场数据统计方面的研究主要是按照可用度的定义, 对历史数据或仿真数据进行研究, 运用数理统计的基本理论与方法得到的相应结论, 即统计规律意义上的装备可用度的估计值或置信区间。

这里我们重点介绍蒙特卡洛仿真方法。对于复杂可修系统或者寿命或维修时间不遵从指数分布的系统的可用度分析, 经常还需要借助仿真技术来实现, 蒙特卡洛 (Monte Carlo) 仿真是常用的仿真技术。

蒙特卡洛仿真的步骤:

(1) 构造或描述概率过程;

(2) 实现从已知概率分布抽样;

(3) 建立各种估计量。

蒙特卡洛仿真方法一般不单独使用, 它一般有模型条件的限制和输入数据的要求。根据一般可用性仿真的要求, 建立了仿真方法的一般流程示意图, 如图4所示。

统计方法通过历史数据或仿真数据, 只能获得系统可用度的估计值或置信区间, 无法获得系统准确的瞬时可用度。并且这种统计意义下的系统瞬时可用度根本无法反映系统瞬时可用度波动的内在机理, 不利于研究的展开。但是, 统计方法却可以作为模型有效性验证的重要工具。

2.3 综合类模型

随着相关领域的发展, 离散事件、神经网络和遗传算法等模型被广泛的应用于可用度的s建模领域。文献[4]建立了对预防性维修的单部件离散可修系统的瞬时可用度模型, 利用概率分析的方法详细讨论了系统正常、修复性维修和预防性维修3个状态之间的转移关系。文献[5]利用神经网络学习能力强, 分布式, 并行性和非线性的特点, 结合装备可用度的计算要求, 建立预测模型, 通过训练及预测结果, 确定网络模型结构。文献[6]针对部件寿命服从非指数分布, 维修属于非马尔科夫过程的复杂设备为对象, 以系统可用度为优化目标, 以预防性维修周期为优化变量, 基于蒙特卡洛和遗传算法研究预防性维修策略的优化问题, 建立了设备可用度的优化模型, 并将遗传算法中的个体进化搜索用于维修策略优化。同时, 粒子群算法也被应用于可用度的建模中。

2.4 模型的适应性

表1是对各种模型适应性的分析, 经过研究得出每一种建模方法适用于可用度建模的类型、考虑因素和应用领域。

3 总结

在可用度建模过程中, 由于各种原因, 往往遇到很多困难, 本文的研究提出了一套较为完整的可用度建模方法, 全面的分析了各种方法的适用条件和考虑因素, 为复杂系统的可用度建模提供了依据, 为设计和保障具有高可用性的装备提供了技术支持。

摘要：综合保障的实践表明, 保障任务的核心问题就是如何维护复杂装备的系统可靠度和运行可用度。可用度建模是解决这些问题的前提, 随着新理论的不断涌现, 对建模关键技术的研究越来越深入。分析了可用度模型的分类和建模过程中遇到的关键技术, 论述了系统结构、寿命分布、使用维修等条件对可用度建模过程中的影响, 并对建模方法的适应性进行了初步的探讨。

关键词：可用度,建模方法,马尔科夫,更新过程

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系统建模方法 篇10

一、“面向对象”的知识表示方法与知识系统建模

“面向对象”方法源自计算机软件系统开发的建模方法体系。由于其独特的建模思想, 使得它广泛应用于各类系统开发, 如“面向对象”知识系统 (专家系统) 设计, “面向对象”决策支持系统设计, “面向对象”系统管理等等。由于课程 (结构与内容) 体系开发在本质上是对知识系统的开发和应用, 本研究将“面向对象”知识表示的方法应用于职业技术教育课程体系 (课程) 开发, 并论证了其理论优势和方法优势。首先, “面向对象”方法学具有以下基本特征:

一是从人的认识特征看, “面向对象”的设计更接近于人的思维活动, 即按照人的一般思维方式建立问题领域的模型, 对客观实际问题实行自然分割, 设计尽可能接近自然的表现问题求解模型。“面向对象”方法中的对象是用来描述客观事物的实体的, “面向对象”知识表示方法的主题是对象, 由于知识系统设计是围绕组成问题领域的事物进行, 因此我们最关心的是对象本身以及对象之间的关系。这里的对象包括对象 (问题) 的框架性描述、相应的知识处理能力, 即:对象=知识+知识的处理方法+问题描述框架。

二是“面向对象”方法在方法上追求的是实际问题空间与建模的方法空间在结构上尽可能做到近似模拟或直接模拟, 使知识系统建模的分析、设计和实现的方法学原理与人们认识客观事物的过程尽可能保持一致。该方法将系统建模分为问题的两个方面:一是应用域, 二是解决域。方法首先在进行需求分析时在应用域寻找具体的客观事物 (实体) , 这些实体最终被抽象为类型;其次在解决域内对应于应用域的实体建立对象 (实例) , 将具有相同属性的对象抽象得到的类与应用域中的类型对应。该方法具有明确的建模三步骤:需求分析、设计、实现。

二、“面向对象”的知识系统建模方法特征

1.抽象和具像。

在被模拟系统 (产品过程和工作过程) [1] 中的抽象过程中, 为理解被模拟系统中的诸多复杂状态 (技术活动、技术环境、技术角色等) , 亦即客观世界中的实在对象, 就必须进行科学抽象, 创建概念。经过抽象思维和具体思维两个阶段, 产生了思维具体。即从职业技术活动的客观现象, 可以抽象得到生产、管理、服务等技术 (职业) 岗位类或技术领域 (岗位群) 类, 并在此基础上, 进一步给出生产、管理、服务岗位的知识、能力、态度的具体描述 (具像) 。在课程知识系统建模中, 课程体系和课程的形成是通过职业技术岗位类型 (技术领域或职业岗位群) 设计专业课程结构体系, 并进一步解构课程体系, 形成课程类 (生产、管理、服务) 的模块、层次结构。

2.模拟和映射。

应用域 (产品过程域或工作过程域) 和解决域 (课程系统域) 有两个映射关系。一是被模拟系统中的过程对象可以映射至课程模型系统中具体的课程对象;二是产品生产、管理、服务的职业技术岗位可以映射至专业课程体系。即专业课程体系和实体课程对象是产品生产、管理、服务具体过程的相应映像。

上述映射关系对于课程建模是至关重要的, 它是学习环境理论应用的基础, 特别是“在学习目标与非学校世界中的学习相一致的情景脉络中”[2] 的时候尤其重要。需要指出的是:映射并不是复制, 也不需要, 也不可能复制;除了工作体系课程, 不是所有的课程需要从职业技术活动 (包括环境、角色) 得到唯一映射。因此, 映射并不是必要条件, 但却是工作体系课程的充分条件。也就是为什么说, 我们宁可认为职业与技术情境创设是课程策略, 特别是当映射关系存在时。

3.课程 (结构与内容) 体系建模。

“面向对象”知识表示方法的引入, 使我们很容易从产品生产、管理、服务过程的工作 (技术) 实际向课程系统建模空间作近似或直接的模拟, 以达到课程系统构建的目的, 这种思路也符合人们认识客观事物的本然性。事实上, 无论是计算机还是课程, 都是一种知识的表达方式, 对于高职课程开发而言, “面向对象”的知识表示方法就是实现了职业技术教育课程开发的工作领域向学习领域的知识建模“求解”。

4.“面向对象”的课程学习系统三要素——活动、环境、角色。

“面向对象”的知识系统建模最为核心的思想是:我们必须将课程体系 (课程) 构建的目光从学科体系的知识形成过程转向知识应用的技术 (职业) 现象 (实体) , 将传统培养计划的视点从课程移向课程的要素。也就是说, 要彻底突破原有课程体系的束缚, 从原有的学科体系课程转向实践导向课程的特征和行为, 即课程学习系统的核心要素 (也是课程知识系统建模的要素) :活动、环境、角色等, 并最终指向生产、管理、服务过程的工作要素对象:技术 (职业) 的活动、环境、角色等等。 这样的课程知识系统建模既保持了课程问题的自然性, 又保持了技术与职业活动的知识实践性。

课程开发的任务是要将具体工作过程中的要素对象 (活动、环境、角色) 转变为课程要素对象 (活动、环境、角色) 。而具体工作过程中的活动、环境和角色, 构成了具有诸多复杂状态的现实模拟系统, 要将它映射到课程, 必须进行科学的抽象。要从具体职业技术活动中, 抽象出工作过程中所需的各技术职业岗位类, 根据具体工作过程的工作性质, 职业技术岗位类总的可归纳为生产、管理、服务三大类。进而对这些岗位类进行分析, 描述出各岗位类对知识、能力、态度等的具体要求。

有了对具体工作过程各岗位的知识、能力、态度的具体描述, 就能映射到课程知识系统中专业课程结构体系。因为通过对各岗位类所需的技术实践与理论知识描述、相对应的能力描述和这些知识、能力在达成学习目标的地位描述, 就可按其性质、功能以及内容和它们相互间的内在联系进行归类整合, 生成各个层次化的模块课程。各个层次化的模块课程是与职业技术岗位类相对应的。

对专业课程结构体系进一步解构, 就形成课程类模块和层次结构, 进而生成具体的课程, 在课程实施的教学模式中, 角色、活动、环境是必不可少的三个要素对象, 而由于产品域与课程域的映射关系, 在课程学习目标与生产过程学习领域目标相一致的情景脉络中, 课程过程的核心要素最终是指向生产、管理、服务过程的工作要素对象的。

5.基于二元过程的课程体系结构设计与系统集成。

课程知识系统建模的具体任务是使用系统方法对课程结构体系和内容结构体系进行总体结构设计, 这样的结构设计必须基于“产品过程”和“工作过程”的“二元过程”。其中“产品过程”是指“产品”生产、管理、服务的全过程, 这里产品是广义的产品概念, 可以是硬件、软件、服务等产品。“工作过程”是指完成具体工作任务的过程, 这里的工作任务概念, 可以是具体生产、管理、服务岗位或技术环节的具体职业活动或技术活动, 这样的活动有着明确的任务目标。

在二元过程的框架上, “产品过程”所对应的是课程模式, 而“工作过程”更多的是对应教学模式。从课程模式角度看, 基于过程的系统化开发, 使得职业技术教育课程表现出鲜明的模块化、层次化和链式化。模块化是在课程类型分类基础上进行的课程模块化设置。其中课程分类是基础性和框架性的结构设计, 所对应的是类模块, 即工作体系课程、文化课程、实践导向的技术基础学科课程、拓展课程和国家课程等五大类模块。每一个类模块下还可以分成若干子模块。层次化是在工作任务和知识的难度分析基础上, 按照学生学习规律与能力形成规律, 对工作体系课程和实践导向的技术基础学科课程进行逻辑排序, 形成层次化的课程体系, 其中工作体系课程是以典型化任务驱动和主导的。链式化是基于工作任务链的综合项目式课程, 工作任务可以是针对产品或过程产品的生成过程而设计, 也可以是针对具体管理目标或服务目标的任务过程而设计。这样的综合项目课程是由多个子项目课程组成, 子项目课程在时间跨度上是由项目本身所需要具备的知识和能力所决定的。

课程系统集成的重点是工作体系课程和技术基础理论课程的结构和内容设计, 难点是课程实施方案的设计。其中工作体系课程的结构设计是基于“工作过程”, 内容设计的知识集成 (技术理论与技术实践知识) 是基于实践导向。课程实施方案在某种意义上说是课程建模 (课程模式构建) 的策略问题, 即课程策略。课程策略是基于学习策略和课程管理策略的考量, 其中学习策略是依据与能力形成规律相适应的学习规律来设计课程链路和课程序列;由于课程过程与职业技术活动的“产品过程”和“工作过程”有所不同, 从课程管理角度出发, 课程计划设计应该是能够符合学生的学习规律, 同时也是能够让课程实施成为有效率的和有效能的。

6.课程建模的二元系统问题。

上述知识系统建模能否实现或有效的前提是:职业与技术“活动系统的特性映射到一个学习活动系统中去”[3] 是可以实现的。但是正如巴拉布 (Barab.S) 所质疑的:“特点是不能外部嵌入的, 而是从系统内部自然出现的, 是系统主要矛盾和次要矛盾的结果, 这些矛盾是系统的特征。”[4] 毫无疑问, “产品”生产、管理和服务的工作系统与高职教育的课程学习系统, 属于完全不同的二元系统。因为我们不能否认职业与技术工作系统和学校教育系统 (课程系统) 在目标、目的、功能和文化上是完全不一样的。在一定意义上, 如果我们不能证明职业与技术工作系统和课程学习系统的矛盾特征不具有相似或部分相似的话, 那么我们高职教育基于二元过程 (产品、工作) 的课程体系构建就失去了哲学基础。现在的问题是:本文所论证的知识系统建模在上述二元系统内是否存在特点“嵌入”或部分“嵌入”?或者两个系统自身就存在系统关联性, 因此特点“嵌入”是必然的。

高职课程知识系统建模的基础是建立在职业技术工作系统和课程学习系统的模拟和映射基础之上的, 即前提是此元系统存在或必须确立某种意义上的同构或同态。一般系统论的理论告诉我们:结构决定功能 (课程论具有相同的结论) , 但是功能不同的两个系统可能具有同样的结构, 不同的结构可以具有同样功能。即使对于结构和性态都不同的系统﹐通过集结使系统简化而得到的简化模型——同态模型, 也可能在行为特征上让不同系统具有某些形式上的相似性。因此, 高职课程体系的知识系统建模的二元系统困惑, 在系统论的基础上让我们回到了问题的逻辑起点:知识的表示、知识的组织与管理, 由于是两个系统地映射而不是复制, 因此, 对于“产品系统”和“工作系统”的特征, 是无须完整“嵌入”课程学习系统的, 特别的, 我们引入的特征并不是职业与技术活动系统的结构特征, 而是活动性态特征, 即高职课程体系建模在二元系统中是同态模型, 或者说两个系统的必要同态是应然性的。

最重要的事实是:高职教育与其他基础教育、学术教育的差异, 决定了高职教育课程的知识系统必然的要与“产品”的生产、管理、服务的工作系统建立必然的关联。因此, 在学习系统和工作系统寻找同态模型也是高职教育课程的重要社会学基础。同样必须指出的是, 高职教育和职业与技术的培训教育有着重要差别, 高职教育的生涯目标决定了其课程体系构建时, 课程知识系统与“产品”的生产、管理、服务的工作系统不可能“同构”, 因为两个系统之间的元素不可能具有完全相同的一一对应关系。这一点是至关重要的, 这使得我们能够避免职业教育因狭隘的“工作过程”理解, 从而引起对职业技术教育“物化或工具性”争议。

二元系统问题的另一个需要澄清的重要问题是两个系统的过程问题。由系统论知道, 系统的结构是由系统运行的过程来描述, 如果我们的高职课程体系构建是基于“产品过程”和“工作过程”, 是否会因为这样的“基于”, 导致两个系统的过程嵌入, 造成系统同构, 从而使高职教育课程系统失去自身的独有特征。这样的担心是不必要的, 一是因为我们始终认为基于“产品过程”和“工作过程”, 就是课程实施方案设计的课程策略问题, 任何将基于“工作过程”看作课程体系构建的唯一途径, 都将导致高职教育课程论发展的僵化;二是我们之所以有上面的担心, 是由于我们对高职教育课程知识系统的理解, 还是囿于我们对传统学科知识体系的“因果律”的惯性理解所导致, 但是很显然, 职业技术教育的课程学习过程并不存在对知识体系“因果律”的必然依赖。因此职业技术教育课程知识系统构建从知识结构看, 无需“产品过程”和“工作过程”完整。因而我们在课程体系开发时, 完全不需要被具体的“产品过程”或“工作过程”中一些对课程学习并不是必须的环节所困扰, 更不能将产品的产出程序或工作程序作为课程序列设计和学习程序。

参考文献

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物流系统建模与仿真研究综述 篇11

关键词：物流系统；建模；仿真；研究综述

中图分类号：TP315 文献标识码：A

文章编号：1002-3100(2007)11-0037-03

Abstract: Based on the study of extensive logistics literature, the research subjects, areas, techniques and methodology on the field of modeling and simulation of macroscopical logistics system and microcosmic logistics system are presented, besides, the similarities and differences of the research between macroscopical logistics system and microcosmic logistics system in this realm are pointed out.

Key words: logistics system; modeling; simulation; research overview

随着物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强，建模与仿真已经成为检验物流系统及决策是否高效的主要技术之一。在设计一个新的物流系统或对原有系统添加新设备或重新优化时，建模仿真是非常必要的，同时仿真还可以提供直觉的和经验的决策支持。因此，20世纪80年代特别是近十年，越来越多的建模与仿真成功地被应用于对各种类型的物流系统的规划设计和营运管理提供决策信息。

物流模型按照物流系统涉及的领域可分为宏观物流系统模型和微观物流系统模型。在研究过程中，要根据不同的研究对象以及不同的侧重点来选择合适的建模仿真方法来对其进行研究。

1宏观物流系统建模与仿真

1.1宏观物流系统建模与仿真的研究内容

基于建模与仿真的方法对宏观物流系统进行研究主要集中在供应链物流和区域物流这两大方面。

供应链管理是一种为适应市场全球化和客户需求多样化而产生的一种管理技术，它能够有效地协调和控制供应链上物料流、信息流、价值流，保持灵活和稳定的供需关系，使整个供应链上企业效益最大化。为了更好地实施供应链管理技术，研究供应链建模技术，建立相应的供应链运作参考模型以实现供应链的优化是十分必要的。

在有关供应链的研究中，供应链的选择与优化已成为研究重点之一，文献[2]仿真的供应链强调上游及下游企业间的信息共享与相互协作，并根据供应链中不同的信息做出相应的决策。它将整个供应链分为三层结构，即供应商、制造商和销售商，此外还有运输商负责不同层面之间的联系，并通过建模仿真对系统进行优化，提高系统的整体适应能力。

随着电子商务的逐步普及，面向制造企业的传统供应链的结构发生了变化，文献[3]运用优化方法理论从供应链的系统性和整体性视角出发，对此种供应链的结构进行详细的建模和仿真研究，寻找具体的决策优化方法，并探讨了其中的目标函数、约束条件等关键性问题。

文献[4]在分析供应链管理的基础上，提出“一流二网三关系”的供应链建模思想：“一流”指订单信息流；“二网”指物流网和资源网：“三关系”指客户关系、动态关系和集成关系。同时对供应链建模的混合整数规划和统一优化方法论作了阐述，为供应链的建模提供了较为实用的方法。

在二级供应链研究方面，文献[5]研究了服务销售系统的二级供应链模型，是关于设施选址和市场顾客配置的混合整数规划问题。在实例应用中，对奶制品零售分销的供应链问题进行了计算机仿真计算。

区域物流系统是一个复杂的社会子系统，是属于宏观物流系统的，它所涉及的问题是相互联系的，相互融合的。文献[6]分析了区域经济与区域物流的关系，将区域物流系统划分为5个模块：经济增长子构造、人口子构造、消费水平子构造、物流需求子构造、物流能力子构造，并在分析区域物流系统基本因果关系的基础上，建立了区域物流系统动力学模型。

1.2宏观物流系统建模与仿真的技术方法

对宏观物流系统的建模仿真，根据分析系统的侧重点不同研究者所使用的方法主要有Agent法、Petri网法等。

基于Agent的建模方法是一种先进的、有效的力法。用基于Agent的建模方法及其相关技术来研究复杂的供应链系统，可以为研究供应链系统的协调、集成和仿真等难点问题提供一些解决方案。

文献[7]重点讨论了基于Agent的建模理论、技术及其在供应链研究中的应用，并采用该研究成果对某大型水利工程的物资供应链系统进行了建模与仿真的实例研究。

除此之外，文献[2]将Agent技术与仿真技术相结合，提出了用多代理模型仿真供应链的方法，采用多代理系统开发工具JADE设计并实现了一个基于Agent的仿真模型，并成功地对一个供应链进行了仿真。同时，该文还提出了一种以限制控制量变化为目标，用神经网络在线优化控制矩阵R的DMC控制算法。该算法可有效地增大控制系统的鲁棒性，从而提高系统的适应能力。

Petri网模型方法作为一种数学和图形的描述分析工具，能够较好地描述复杂系统中常见的同步、并发、分布、冲突、资源共享等现象，已被广泛用于分布式系统、离散事件系统、柔性制造系统等领域，是进行离散事件动态系统建模、规范分析和设计的有效途径。在供应链物流系统中其应用也非常广泛。

文献[8]应用一般Petri网对供应链系统进行建模；文献[9]应用广义随机Petri网对整个供应链系统进行了建模分析，此Petri网模型可以描述各个供应商、运输商、核心企业、销售商之间的物质、资金、信息的流动关系，并利用Danamics软件对系统进行仿真，根据仿真结果对系统的整体性能进行了分析评估。

文献[10]考察了基于广义随机Petri网的供应链建模与分析技术，将广义随机Petri网（GSPN）的基本理论应用于供应链系统的建模和性能分析，利用GSPN与马尔可夫链的同构关系，采用Petri网与马尔可夫链理论相结合的供应链性能分析方法为供应链性能的有效评估提供了理论依据。

虚拟供应链仿真的基本思想和设计原则在文献[11]中被提出，这种基于有色广义随机Petri网的虚拟供应链仿真方法，可以定义库所、托肯、颜色相应的含义，规定Petri网的初始值设定方法和引发条件。

此外，有学者采用混合整数规划法对服务销售系统的二级供应链模型进行了研究[5]，并设计了适用于这种混合整数规划供应链管理决策的遗传算法。

2微观物流系统建模与仿真

2.1微观物流系统建模与仿真的研究内容

微观物流与宏观物流相对而言，侧重于对局部性的描述。例如，企业物流或者企业的生产物流、供应物流、销售物流、回收物流、废弃物物流等。采用建模与仿真的方法对微观物流系统的研究主要集中在企业物流、配送中心物流、港口物流等几大方面。

对企业物流的研究可以反映企业的整体生产状况，发现和预测生产中的瓶颈和关键路径，优化企业生产运行方案，以达到充分挖掘设备潜力、提高通过能力、降低库存水平、降低能耗、加快资金周转的目的。目前，对企业物流的研究主要集中在对企业生产线物流系统的研究。

文献[12]对某微型汽车厂总装车间的生产物流系统进行分析研究，在此基础上对其建模和仿真，在仿真过程中可以看到主要部件在装配线中所处的位置，能够判断装配各种零件所需要的时间，方便车间管理人员根据生产需求对生产线进行及时的调整。

文献[13]则以某炼钢厂全连铸改造后的生产调度问题为应用背景，研究了此炼钢生产物流系统的仿真建模与仿真运行问题。在此系统现有流程生产物流的输入条件下，分别对设备在正常生产以及正常检修两种不同条件下进行了仿真试验，得出系统正常运行所需的临界条件。

在现代物流系统中，配送中心是集物流、信息流和资金流为一体的流通型节点，是现代物流系统中的重要组成部分。对物流配送中心，特别是配送中心各个子系统的研究也越来越多。

在配送中心的多个子系统中，分拣系统是较为复杂的，同时又是其核心部分。文献[14]对物流分拣系统进行建模，主要对系统中的设备的选择进行研究讨论，着重描述了分拣设备的动态运行过程，以及速度的选择对分拣效率的影响。

文献[15]则是以配送中心的仓储系统为研究对象，建立了其数学模型并研制了计算机仿真软件。在软件平台上，只要给出库存初始参数和出库随机分布就可以清楚地看到库存量的动态变化过程，并预测达到库满或库空所需的时间。

在输送系统研究方面，文献[16]对物流输送系统进行三维动画仿真，在仿真程序中通过对设备参数设定，可以模拟出在这组参数下整个运输系统的繁忙状况及各设备的工作效率，从而对系统的输送能力做出评估。

在物流活动中，科学合理的货物配送路径选择是物流中心在最佳时间选择最佳路径为客户提供最佳服务的有效保证。文献[17]对货物配送最佳路径进行研究，为其建立了一个基于遗传算法的数学模型，并对该模型进行了较为深入的数学处理，给出了智能化配送的路径量化方法。

文献[18]对配送中心的自动化立体仓库可视化问题进行了探讨，采用基于虚拟现实的仿真辅助设计方法，建立了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的模型，重点论述了辅助自动化立体仓库设计的可视化仿真的设计过程，并以某公司自动化立体仓库设计方案为例，使用该仿真辅助设计软件对方案进行优化调整。

港口作为全球综合运输网络的节点在发展现代物流中扮演着越来越重要的角色，港口逐渐以复合优势实现其现代物流中心的功能。对港口物流系统的研究，特别是集装箱物流港口已经成为物流领域的重要研究内容之一。

集装箱码头的物流系统仿真模型主要是用来评价规划建设中的或正在使用中的集装箱码头在一定设备资源条件下的生产能力、交通状况，同时可以识别系统瓶颈，提出改进策略。文献[19]基于离散事件动态系统理论，建立了集装箱码头物流系统的装卸流程模型和道路交通模型。

文献[20]对集装箱港口生产过程的三维可视化仿真建模及软件实现方法进行了研究，探讨了仿真软件中各个模块的实现方法等问题。通过这种方法可以反映出系统运行的状态，为码头工艺规划、生产过程设备配置等决策性问题提供依据。

文献[21]则对港口铁路运输系统进行研究，根据集装箱码头的生产作业特点，结合排队网络方法对国内某集装箱码头的港口铁路运输系统进行了仿真建模。在仿真模型的基础上，设计了几种不同工况下的模拟方案，通过对各个方案的模拟结果进行分析，得出各种不同的设备配置对港口铁路运输能力的影响情况。

2.2微观物流系统建模与仿真的技术方法

针对微观物流系统的研究对象的特性，学者普遍采用的建模仿真方法有Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法等。

在Petri网的应用方面，文献[22]针对较为复杂的企业内部物流系统，采用分层有色Petri网进行建模，此方法使得系统的模型清晰并且易于实现模块化，解决了复杂系统的综合和模型可重用性差的问题。有学者[14]则是基于着色Petri网和面向对象相结合的方法对系统进行研究，运用此种方法可以直观地找到系统中的缺陷，通过对系统的修改、调整达到优化的目的。

有学者应用Agent法，提出了一种基于多Agent的制造企业物流系统建模方法[23]，为制造企业实现物流管理提供了一种控制模式。用这种方法对制造企业物流进行建模，较好地解决模拟人对多样性、复杂性问题智能活动的适应能力，此种建模方法适用于对制造企业物流系统等的复杂系统进行研究。

文献[15]将马尔可夫链用于仓储系统的建模，根据系统的马尔可夫性质建立了系统的数学模型，并对其进行仿真，在仿真界面下，根据需求输入不同的参数，运行模型可以直观地得到每个时段的库存状态，经过分析可得到整个仿真期间内库存量的变化规律。

文献[17]则是在对传统算法讨论的基础上提出了一种基于遗传算法的物流路径选择的建模方法，由于遗传算法实行全局并行搜索，搜索空间大，从而易于找到最优解。在实例应用中可以看出，遗传算法应用于物流的建模仿真较好地满足了不同类型的约束要求，能较早地找到满足条件的群体。

在港口物流系统建模仿真方面，文献[19]根据集装箱码头的作业流程，采用Petri网建立了集装箱码头物流系统的动态流程模型，并在离散事件动态系统仿真软件WITNESS的平台上建立了仿真模型。该模型以彩色动画显示，既可观察整个码头的生产动态，又可分析局部位置的作业流程。

文献[24]在港口物流系统仿真领域中，引入了自动建模技术，运用C语言进行软件研制，实现了交互式系统描述与自动建模的基本构造及功能。

针对港口物流系统离散性、随机性的特点以及系统仿真模型场景复杂的问题，文献[20]对基于虚拟环境的集装箱码头三维仿真建模及软件开发进行了研究。在虚拟现实软件基础上进行了二次开发，所研制出的仿真软件CTDSS实现了港口生产过程中实时动画生成及参数控制的功能。

3宏观物流系统与微观物流系统的研究比较

由上文的综述可知，在建模仿真的研究内容层面上来看，宏观物流与微观物流有着各自不同的侧重点，宏观物流以整体性、全局性为着重点，微观物流则侧重考虑系统内部的元素，以局部性的，个别性的物流为研究对象。在建模仿真的研究方法层面上来看，不论是对宏观物流系统还是对微观物流系统，学者们大多数使用的还是普遍的系统建模仿真的研究方法，如排队网络法、Petri网法、Agent法、马尔可夫链法、遗传算法、混合整数规划法等。

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[23] 陈勇，林飞龙. 制造企业物流多智能体建模及其应用[J]. 浙江工业大学学报，2006,34(3):310-313.

系统建模方法 篇12

本实例实现一个简化了的银行储蓄账户管理系统,该系统是在银行的柜台上对客户办理活期储蓄业务。系统的需求陈述如下:

一个客户可以在多个银行中开设账户,一个客户也可在同一银行中开设多个不同的账户。客户可以通过银行职员进行开户、存款、取款、转账、注销账户等活动。其中转账指客户将自己的某个账户上的钱款转入同一银行的不同账户(称为银行内转账)或转入不同银行的账户(称为银行间转账)。系统管理员负责系统的账户管理及业务报表的生成。

1、结构化方法(传统建模方法)

结构化开发方法是现有的软件开发方法中最成熟,应用最广泛的方法,主要特点是快速、自然和方便。它强调开发方法的结构合理性以及所开发软件的结构合理性的软件开发方法。结构化开发方法提出了一组提高软件结构合理性的准则,如分解与抽象、模块独立性、信息隐蔽等。针对软件生存周期各个不同的阶段,它有结构化分析(SA)、结构化设计(SD)和结构化程序设计(SP)等方法。结构化设计方法是结构化开发方法的核心,与S A法,S D法密切联系,主要完成软件系统的总体结构设计。

结构化分析方法[2]给出一组帮助系统分析人员产生功能规约的原理与技术。它一般利用图形表达用户需求,使用的手段主要有数据流图、数据字典、结构化语言、判定表以及判定树等。结构化分析的步骤如下:(1)分析当前的情况,做出反映当前物理模型的DFD;(2)推导出等价的逻辑模型的DFD;(3)设计新的逻辑系统,生成数据字典和基元描述;(4)建立人机接口,提出可供选择的目标系统物理模型的DFD;(5)确定各种方案的成本和风险等级,据此对各种方案进行分析;(6)选择一种方案;(7)建立完整的需求规约。

结构化设计方法给出一组帮助设计人员在模块层次上区分设计质量的原理与技术。它通常与结构化分析方法衔接起来使用,以数据流图为基础得到软件的模块结构。S D方法尤其适用于变换型结构和事务型结构的目标系统。在设计过程中,它从整个程序的结构出发,利用模块结构图表述程序模块之间的关系。结构化设计的步骤如下:(1)评审和细化数据流图;(2)确定数据流图的类型;(3)把数据流图映射到软件模块结构,设计出模块结构的上层;(4)基于数据流图逐步分解高层模块,设计中下层模块;(5)对模块结构进行优化,得到更为合理的软件结构;(6)描述模块接口。

以下为银行储蓄账户管理系统的分层D F D图及系统S C图,见图1~4。

图5为银行储蓄账户管理系统SC图,图6为转账系统SC图。

2、面向对象方法(U M L建模方法)

面向对象的建模技术就是采用面向对象的概念对系统进行分析与建模,其设计的核心是对象的分析与设计。面向对象技术从组织结构上模拟客观世界,通过对构成客观世界的对象的抽象,给不同的对象赋予不同的属性和操作,把对象在系统中的活动特点描述出来,并将其映射到计算机系统中,通过抽象出来的对象之间的消息传递描述对象之间的相互作用,使模拟系统与被模拟系统具有相同或相似的运动规律,以完成对客观世界的模拟。

面向对象的建模技术将系统的属性映射为一组数据结构,将系统与外界的交互映射为一组操作,系统外部对系统的访问只能通过操作进行,这种描述更接近客观实际,有利于系统的集成。面向对象中的继承、聚集等机制可方便地对系统进行简化、分解和解耦,继承用于对系统进行纵向功能的划分,聚集则用于同层或横向功能的分解。因此,面向对象建模技术非常适用于大规模复杂系统的描述。

统一建模语言(UML)是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。U M L为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化和编制文档的一种标准语言。U M L[3]是在开发阶段,说明,可视化,构建和书写一个面向对象软件密集系统的制品的开放方法。UML展现了一系列最佳工程实践,这些最佳实践在对大规模,复杂系统进行建模方面,特别是在软件架构层次已经被验证有效。

UML可以贯穿软件开发周期中的每一个阶段。U M L最适于数据建模,业务建模,对象建模,组件建模。U M L作为一种模型语言,它使开发人员专注于建立产品的模型和结构,而不是选用什么程序语言和算法实现。

图7~图8为银行储蓄账户管理系统的用况分析、用况图及活动图。

2.1识别执行者

客户:到银行办理储蓄业务的人,负责输入密码

银行职员(客户代理):银行工作人员,代表客户进行储蓄业务的操作

银行职员(管理人员):银行工作人员,根据客户的储蓄业务更新账户

管理员:银行计算机的管理人员,负责账户的管理和业务报表的生成

2.2识别用况

从系统的需求陈述可知,银行职员(客户代理)需要系统提供开户、存款、取款、转账、注销账户等功能,这些功能都包含了校验密码的功能。系统管理员需要系统提供账户管理和报表生成功能。银行职员(管理人员)则参与了账户管理中的更新账户的功能。此外,转账功能可分为银行内转账和银行间转账,我们可将它们设计成三个用况,其中银行内转账用况和银行间转账用况都继承了基本转账用况。据此分析,得到该系统的用况图如图7所示。

2.3取款用况描述

用况名称:取款

参与的执行者:银行职员(客户代理)

前置条件:一个合法的银行职员(客户代理)已登录到该系统

事件流:基本路径:

1).当选择取款功能时用况开始;

2).当输入客户信息(姓名、账号等)后

a)如果客户信息与账户不一致,显示错误信息,可以重新输入或结束用况;

b)如果该账户被冻结(如因挂失而冻结),显示冻结信息并结束用况。

3).输入并校验密码

4).输入取款金额,如果该账户的余款小于取款金额,显示错误信息,要求重新输入;

5).打印取款单,交客户签字;

6).建立取款事件记录,更新账户信息;

7).打印存折,用况结束。

可选路径:

1).在第5步客户签字之前的任何时刻,客户可以取消本次取款,用况结束;

2).第3步校验密码时,如发现密码不一致,则重新输入密码,或用况结束。

后置条件:如果取款成功,客户账户中的余额被更新(减少),否则余额不变。

3、Petri网建模方法研究

Petri网[4]是一种系统的数学和图形的描述与分析工具。对于具有并发、异步、分布、不确定性和/或随机性的信息处理系统都可以利用这种工具构造出要开发的Petri网模型,然后对其进行分析,即可得到有关系统结构和动态行为方面的信息。

作为图形工具:可使用标记来模拟系统的状态行为和并发活动。

作为数学工具:可建立状态方程、代数方程以及系统行为的其他数学模型。

Petri网是由节点和有向弧组成的一种有向图。它有两类节点,一类称为库所(Place),另一类称为变迁(Transition),两类元素之间的连接用有向弧表示。Petri网中另一重要元素是令牌(token),代表系统的条件、资源、状态等。令牌在库所中的分布称为标识,用来描述网系统的状态,其中网的初始标识记为M0。

图9给出了客户开户业务处理过程Petri网模型,其中

P 1 1:表示客户准备填写资料;

P 1 2:表示填写好的资料;

P 1 3:表示资料提交后等待系统响应;

P 1 4:表示等待客户输入密码;

P 1 5:表示等待客户再次输入密码;

P16:表示准备判断两次输入密码的一致性;

P17:表示准备向账户库添加新账户;P18:表示准备打印存折;

P 1 9:表示完成存折打印,业务完成;

M P 1 1:表示账户管理系统生成的账图7系统的用况图号信息;

M P 1 2:表示向账户库发送的新账户信息;

T 1 1:表示客户填写资料;

T 1 2:表示客户提交资料;

T13:表示从账户管理系统获取新的账号;

T 1 4:表示客户输入密码;

T 1 5:表示客户再次输入密码;

T 1 6:表示判断密码为一致;

T 1 7:表示判断密码为不一致;

T 1 8:表示向账户库发送新账号;

T 1 9:表示打印存折;

初始标识M0(P11)=1,M0(MP11)=1;

仿真软件Petri Lab[5]:以Petri网基本理论为基础,用面向对象的思想,将库所、变迁和连接弧对象的“对象模型”和软件系统模型有机结合在一起,使用软件工程的方法,在W i n d o w s平台上实现了一个有着MDI图形操作界面的软件原型。该原型系统整合了模型输入和动态演示功能,使用它,用户可以很方便的输入一个P N模型,并可以对它进行编辑、修改、存盘;借助它的动态演示(仿真)功能,用户可以很容易地、直观地分析一个P N模型。本软件原型能够将一个P N模型的实际运行情况正确并且高效的演示出来,效果非常好。

借助于Petri Lab工具可以对Petri网模型进行很好的分析,还可以对模型进行仿真,在研究模型的过程中仿真是有效的检测方式,可以看到数据的流动过程(图10~图11)。

通过以上仿真试验,不管是单步运行还是整体运行,都可得出如下结论:

(1)从初始标志M0开始,总能达到终止标志Mn,模型具有可达性;

(2)可达图的任何节点中都没有大于1的数出现,从而得出该模型是有界的和安全的;

(3)可达图中不存在死锁,所以该模型具有活性。

4、三种方法的总结与比较

4.1结构化方法:

基本思想:在系统建立之前信息就能被充分理解。它要求严格划分开发阶段,用规范的方法与图表工具有步骤地来完成各阶段的工作,每个阶段都以规范的文档资料作为其成果,最终得到满足用户需要的系统。

优点:(1)逻辑设计与物理设计分开。(2)开发过程中形成一套规范化的文档,便于后期的修改和维护。

缺点:(1)开发周期长。(2)系统难以适应环境的变化。(3)开发过程复杂繁琐。

适用范围:该方法适用于一些组织相对稳定、业务处理过程规范、需求明确且在一定时期内不会发生大的变化的大型复杂系统的开发。当软件项目较小、系统分析员能力足够高的时候,结构化方法能快速的找到最简洁、高效率的逻辑模型。结构化方法对复杂问题的帮助有限。但结构化方法有助于使用面向分析方法的系统分析员确认系统最初的高阶模型。

4.2面向对象方法:

面向对象围绕现实世界的概念来组织模块,采用对象描述问题空间的实体。面向对象把一个复杂的问题分解成多个能够完成独立功能的对象(类),然后把这些对象组合起来去完成这个复杂的问题。采用面向对象模式就像在流水线上工作,我们最终只需将多个零部件(已设计好的对象)按照一定关系组合成一个完整的系统。这样使得软件开发更有效率。它提供了一种方便的、可持续观测和扩展系统的机制。面向对象抽象出的对象是健壮的、可控制和容易维护的。

面向对象建模技术也有其不足之处,主要表现在如下两个方面:

(1)对建模后的系统缺乏有效的分析和验证手段。由于面向对象模型是一种非形式化的建模方法,其模型是基于图形表示的,因此对模型的分析和正确性验证缺乏有力的数学工具。

(2)许多基本概念的定义不精确。面向对象模型中的许多概念贴近自然、易于理解,因此其抽象性和准确性不够。

4.3Petri网方法:

Petri网是一种可用图形表示的组合模型,具有直观、易懂和易用的优点,对描述和分析并发现象有独到的优越之处。同时,Petri网又是严格定义的数学对象,借助于数学开发的Petri网分析方法和技术即可用于静态的结构分析,又可用于动态的行为分析。基于Petri网的建模技术可用于模拟带有并发性、异步性、分布式、非确定性、并行性等特性的系统,已成为目前最有前途的建模工具。

Petri网建模技术同样有其不足之处[6],主要表现在如下几个方面:

(1)无输入与输出的封闭系统。Petri网对外没有明确的输入与输出,它的动态行为是由其内部状态各种可能的变化以及这些变化间的关系刻画的。实际上,一个实际问题的各个系统都是相互联系的,不会是一个没有输入和输出的封闭系统。

(2)状态空间的“爆炸”问题。一个含有m个状态元素的Petri网模型的状态空间有2 m个状态,即状态空间随着状态元素的增加呈指数增长。实际中有20个状态元素的系统也许不算太复杂,但对于220这样庞大的状态空间来说,试图通过分析其可达树来研究其性质几乎是不可能的。

结论:三种方法不是对立的,没有谁先进谁过时之说,很难进行优劣比较,可在项目中结合使用。恰当的运用方法解决问题才是关键。在运用时应关注运用方法的成本和价值。

5、结束语

本文完成了一些工作,证明了同一系统建模方法的多样性,但由于学识水平有限、经验不足,论文仍存在很多问题需要进一步改进。主要有以下几点:

(1)分析方法的多样化。本文主要应用了三种主流的建模方法,如何将更多的分析方法应用到系统建模中是我们进一步要做的工作。

(2)建模方法的局限性。每种建模方法都有其自身的优势及局限性,如何针对具体情形选择适合的建模方法以及各种不同的建模方法如何互补,扬长避短等方面未作更深的研究。

(3)Petri网模型缺陷。Petri网[7]具有严格而准确的数学描述,可以借助数学工具得到Petri网的分析方法和技术,可以对Petri网进行静态的结构分析和动态的行为分析。本文只是针对银行储蓄账户管理系统的开户子系统进行建模并仿真,在建模的过程中未引入时间的因素,使得模型不够精确,以至未进行模型的性能分析,这都是今后需要改进的地方。

参考文献

[1]江裕钊,辛培清.数学模型与计算机模拟[M].成都:电子科技大学出版社.1989.

[2]钱乐秋,赵文耘.软件工程[M].北京:清华大学出版社.2008.

[3]邵维忠,杨芙清.面向对象的系统分析[M].北京:清华大学出版社.2006.

[4]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京:电子工业出版社.2005.

[5]蔡志林.Petri网建模工具软件的研究与实现.硕士论文.2005年4月.

[6]乐晓波,汪琳.面向对象的Petri网建模技术的研究[J].计算机工程.2002年5月.