建模与仿真理论――集成离散事件与连续复杂动态系统

仿真科学与技术是以建模与仿真理论为基础，以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具，根据研究目标，建立并运行模型，对研究对象进行认识与改造的一门综合性、交叉性学科。本书为建模与计算机仿真奠定了严格的数学基础，提出了建模与仿真的框架和方法论，为复杂系统建模与仿真提供了模块化和层次化机制。

本书为建模和计算机仿真提供了严谨的数学基础。本书提供了建模与仿真的综合性框架，且集成了多种仿真方法。本书内容涵盖建模公式表达、仿真建模执行和模型建立过程以及其核心工作，即模型提取、模型简化以及模型库组织。本书重点内容包括离散事件集成、连续性模型逼近以及一种用于连续过程的离散事件仿真的新逼近方法。本书还讨论了在并行与分布式系计算机上如何执行仿真，以及基于美国国防部HLA标准的仿真模型的实现的相关概念。

Bernard P. Zeigler（伯纳德?P?齐格勒），亚利桑那大学的电气和计算机工程教授、人工智能仿真研究小组负责人。他发表了许多研究论文和书籍，是国际计算机模拟学会学报的主编。
李革，就职于中国人民解放军国防科技大学机电工程与自动化学院，研究领域为自动化与计算机技术，多次参与国家自然科学基金等项目科研。

第一部分 基 础
第1章 系统建模概念介绍
1．1 系统规范的形式体系
1．2 系统知识的层次
1．3 系统规范的层次结构介绍
1．4 非形式化表示的规范层次
1．5 系统规范态射：基本概念
1．6 总结
1．7 参考文献
第2章 建模与仿真框架
2．1 框架中的实体
2．2 实体间的主要关系
2．3 其他重要关系
2．4 时间
2．5 总结
2．6 参考文献
第3章 建模形式体系及其仿真器
3．1 绪论
3．2 离散时间模型及其仿真器
3．3 微分方程模型及其仿真器
3．4 离散事件模型及其仿真器
3．5 总结
3．6 参考文献
第4章 离散事件系统规范介绍
4．1 简介
4．2 经典DEVS系统规范
4．3 并行DEVS系统规范
4．4 层次化模型
4．5 DEVS的面向对象实现：入门
4．6 总结
4．7 参考文献
第5章 系统规范的层次结构
5．1 时基
5．2 段和轨道
5．3 I/O观测构架
5．4 I/O关系观测
5．5 I/O功能观测
5．6 I/O系统
5．7 迭代式系统规范
5．8 多变量集合和结构化系统
5．9 多组件系统规范
5．10 系统规范网络（耦合系统）
5．11 总结
5．12 参考文献
第二部分 建模形式体系与仿真算法
第6章 基本形式体系：DEVS、DTSS、DESS
6．1 基本系统规范形式体系
6．2 离散事件系统规范（DEVS）
6．3 并行DEVS
6．4 离散时间系统规范（DTSS）
6．5 微分方程系统规范（DESS）
6．6 小结
第7章 基本形式体系：耦合多组件系统
7．1 离散事件说明的网络形式体系
7．2 多组件离散事件系统形式体系
7．3 离散时间说明的网络形式体系
7．4 多组件离散时间系统形式体系
7．5 微分方程描述的网络形式体系
7．6 多组件微分方程描述的系统形式体系
7．7 总结
7．8 参考文献
第8章 基本形式体系仿真器
8．1 DEVS仿真器
8．2 DEVS总线
8．3 DTSS仿真器
8．4 DESS仿真器
8．5 总结
8．6 参考文献
第9章 多形式体系建模与仿真
9．1 特殊形式体系简介
9．2 多形式体系建模
9．3 DEV＆DESS：组合离散事件和微分方程说明的系统
9．4 基于DEV＆DESS的多元建模
9．5 耦合DEV＆DESS：多形式体系模型的网络
9．6 DEV＆DESS仿真器
9．7 参考文献
10章 基于离散事件系统规范（DEVS）的扩展形式体系
10．1 随机系统：处理不确定性的传统方法
10．2 DSDEVS（动态结构DEVS）
10．3 符号DEVS
10．4 模糊DEVS
10．5 实时DEVS（RT-DEVS）
10．6 总结
10．7 参考文献
第11章 并行和分布式离散事件仿真
11．1 并行离散事件仿真的问题特征
11．2 保守并行离散事件仿真
11．3 乐观并行离散事件仿真
11．4 并行DEVS仿真器
11．5 总结
11．6 参考文献
第三部分 系统态射：抽象，表示，逼近 第12章 系统多态的层次
12．5 迭代说明的系统的系统态射
12．6 结构化系统的态射
12．7 多组件系统态射
12．8 系统网络态射
12．9 同态和级联复合
12．10 可实现的I/O关系和功能的描述
12．11 总结
12．12 参考文献
第13章 抽象：构建模型族
13．1 范围/分辨率/交互乘积
13．2 模型的集成族
13．3 聚合：齐性/耦合无差别原则
13．4 基于事件控制的抽象
13．5 参数态射
13．6 总结
13．7 参考文献
第14章 校核、验证、近似态射：与误差共存
14．1 校核
14．2 行为层次的验证
14．3 性能/有效性权衡（如速度/准确度）
14．4 近似态射与误差行为
14．5 耦合系统层的近似态射
14．6 结构层次的验证
第15章 DEVS和类DEVS系统：普遍性和唯一性
15．1 经典DEVS与并行DEVS之间的关系：有一种还是两种DEVS
15．2 DEVS的普遍性和唯一性
15．3 DTSS的DEVS表示
15．4 DTSS网络的高效DEVS模拟
15．5 总结
15．6 参考文献
第16章 DEVS对系统的表示
16．1 DEVS总线回访
16．2 使用传统方法的DEVS表示
16．3 量化：另一种表示DEVS的方法
16．4 量化的模拟研究
16．5 进一步研究的猜想
16．6 总结
16．7 参考文献
16．8 问题
第四部分 系统设计、建模与仿真环境
第17章 基于DEVS的设计方法
17．1 方法概述
17．2 DEVS定义语言
17．3 DEVS定义的执行
17．4 逻辑分析：模型校核
17．5 使用语言验收检查的模型校核
17．6 性能评估
17．7 实现：DEVS模型执行
17．8 总结
17．9 参考文献
第18章 系统实体结构/模型库框架
18．1 基于系统实体结构的模型库管理
18．2 系统实体结构
18．3 系统实体结构/模型库（SES/MB）框架
18．4 实例：一个事务处理系统的设计
18．5 SES的自动剪枝
18．6 总结
18．7 参考文献
第19章 协作及未来
19．1 建模与仿真体系结构
19．2 协作是如何支持建模与仿真的
19．3 总结
19．4 参考文献


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第二版前言

这是 Theory of Modeling and Simulation 继1976年由Wiley Interscience首次出版，并由Krieger Publisher 于1984年重新发行之后的第二版。第一版指出这一事实，即需要一种理论给无处不在的建模与仿真领域提供一定的一致性和统一性。尽管经过近四分之一个世纪，该领域已取得了很多进展，我们相信，今天比以往更需要一种广为接受的框架和理论基础。建模与仿真知识在不同学科之间仍然被分割，这给共享进展、重用其他学科的理念以及在多学科小组内协同工作带来困难。作为知识专门化的一种后果，领域内的条块分割比以往更严重，大家逐渐认识到，需要有能将学科知识片断综合为一体的“知识工作者”。建模与仿真——作为一种普遍的、与学科无关的活动——可以为这种知识工作提供关于概念和工具的框架。 自第一版以来，建模与仿真技术已取得重大进展，但进展在不同领域间没有得到统一。一般意义上，得益于软件（如面向对象编程）和硬件（更快的处理器）技术的进步，模型构建和仿真执行已变得更容易和更快捷。然而，对困难的、基础性的问题，比如模型可信性（例如，校核、验证和模型族的一致性等）和互操作性（例如，资源库、组件重用和分辨率匹配等）等的重视程度仍然不够。不过，由于美国国防部在其承包商和部门范围内推行HLA标准，这些问题已走向前台，并成为中心问题。

在这一版本中，两名建模与仿真理论的主要贡献者与原书作者一起，对原版完全重新进行了修订。正如副标题所示，本书致力于连续和离散建模与仿真范例的集成。另一个主题是分布式仿真及其对多模型组件中多形式体系共存的潜在支持能力。 尽管大部分素材是新的，但表述形式仍与第一版相同。全书主要包含三部分。第一部分介绍建模与仿真框架和主要的连续与离散建模和计算机仿真方法。这部分以非正式的方式，提供了一种统一的观点，这是其他许多书所缺乏的，可以作为本科生和研究生课程的教学资料。 第二部分以严格的、多层次的系统理论为基础，对介绍性素材进行了回顾，接着深入研究了作为系统规范的模型，主要的系统规范形式体系及其集成，以及这些形式体系的仿真器，包括串行、并行和分布等形式。 第三部分讨论系统态射的基本功能，任何关于系统、模型和仿真器关联关系的声明，最终都须表述成它们同类的等价体或态射。对理想态射和近似态射问题均进行了讨论，并用于模型抽象和系统表述。对于后者，我们特别讨论了用DEVS（Discrete Event System Specification）形式体系来表述任意系统的问题，包括用其他离散事件和连续形式体系描述的系统。这一讨论的重要性源于两个方面——离散事件方法在高科技设计（例如，制造中的控制系统、通信、计算机）中的蓬勃应用和由HLA所催生的分布式仿真的发展，其中，离散事件与离散的消息交换相匹配。 第四部分继续讨论基于DEVS的建模与仿真理论，它是高科技系统设计方法学的基础。其中包含与分析用的其他形式体系的集成，以及系统实体结构/模型基本概念，这些概念用于研究多种设计方案并重用好的设计。书的结尾考虑了支持协同建模与仿真问题。 尽管本书的主要目的是作为参考书使用，其结构安排使其也适于作为建模与仿真课程的研究生教材。作为教材，本书的一个优势是提供了开放的系统观点，从而减轻了与领域相关的商业仿真软件闭箱式和基于信心的方式所带来的局限性。否则学生将对闭箱中模型的可靠性和仿真器的正确性持更加怀疑的态度。根据经验，本书需辅以教学用建模与仿真软件，如DEVSJAVA（可以从arizona.edu网站获得）。其他关于仿真中的统计问题及仿真在特定领域的应用的书应作为背景资料。

我们建议可以从第四部分开始阅读或讲授，因为书的前面部分介绍的概念在最后的章节中得以应用，这样，学生可以很快认识到成功的设计需要这些新概念，并且有动力回头去学习那些提供了必备知识的章节。更可取的是，好的教师应引导学生在前后章节之间来回进行学习。 限于篇幅，我们没有将第一版中的所有素材包含进来。取舍的原则是根据当前理论的相关性是否在某领域内取得了重大进展，以及是否是一本书的必备部分。因此，主要省略的是原版第14和15章关于结构推理的讨论。我们希望下一次修订可以包含更多关于这些重要方向上的进展情况。