文档介绍：维普资讯
年第期计算机仿真总第期
\ ~ 弋
模糊仿真定性模型的建立与辨识
贾利民吴连伟/ 张锡弟
铁道部科学研究院北京凯维系统集成有限公司铁道郝科学研究院
摘要本文的目的是在对定性仿真理论进行回顾的基础上,说明模糊方法在
对复杂系统进行定性仿真中的合理性本文首先给出在仿真建模中应用模糊桌
理论的基本方法,然后讨论模糊仿真的两个应用方向,即采用语言变量的模糊仿
真和通过模糊仿真来辨识定性模型。
关键调模糊桌模糊仿真定性仿真耋堡型系统辨识
引言; 孵
讫算机仿真和系统建模中“品质”的概念与建模中的不变性和“不确定性”紧密相
关,定性仿真方法的研究已成为人工智能领域和计算机领域中共同的研究焦点。要想
建立高度自治系统的有效设计方法,我们就必须回答以下问题:如何建立满足实时约束的仿
真模型什么是有效的工程方法“本文的目的就是介绍一种将模糊集合作为整个自动化
过程的一部分的计算机仿真方法。
技术和社会的发展对所谓“智能系统的要求越来越高,需要应付的对象的复杂程度越
来越高。智能系统的智能化程度取决于它在多大的程度上能理解人类的自然语言,并且实现
人在问题求解过程中所体现的近似的和定性的推理。如何使本质上不精确的、定性的人类思
维和行为形式化,并使之能通过计算机来在“智能系统”上实现,这是人工智能及控制界多年
匕上来所追求,并且始终没有完全达到的目标。模糊集合为描述人类定性思维和行为提供
了新的、更有效的数学手段,从而使之得以迅速地渗透至几乎所有的学科和技术领域,对自
动化技术领域更是如此。对于许多物理对象,由于其复杂性,使得我们很难找到对其行为进
行精确描述的模型,但这种对象特性的不确定性可以用模糊方法来进行有效的表征。近年来
蓬勃兴起的模糊控制及模糊系统理论研究及技术实现都已充分证明了模糊方法在处理不确
定性方面的优越性和潜力。
作为自动化学科的重要分支之一的系统仿真,就是基于对象特性的数学描述即模型
来对对象的行为进行复现和预测的理论及方法的集成。在对复杂系统进行仿真时,我们必须
在系统模型中加入不确定性”的成分,以便真正理解系统行为对于特定的初始状态的时变
本文的工作为国家自然科学基金项目资助
维普资讯
的敏感性。这里“不确定性”具有很广的含义,它包括人对系统行为描述上的不精确性,时变
数据的扰动及物理测量上的误差等。尽管计算机仿真中经常使用的方法可
以用来对不确定性进行研究,但是它所能处理的仅仅是概率不确定性,而无法处理由于复杂
性所引起的不确定性,并且在某些情况下为了描述任意的置信区间或区域&
而不得不违反概率论上的规一化要求,从而使得方法失去
了其赖以成立的基础。研究表明,同时我们也认为,模糊理论是仿真建模中处理不确定性和
定性描述的有力的数学基础。
从年代研究语言模型的模糊仿真来,模糊仿真作为检
验模糊控制及模糊系统理论和方法的手段已得到了广泛的应用,从一般的工业过程控
制系统的仿真,智能机器人的仿真一直到温室内微型气候的研究都广泛使用了模糊仿真的
方法。最近几年,模糊方法也开始在离散事件系统的仿真中得到应用。同样地,模糊集理
论也能为定性仿真建模及分析研究提供必要的严格的数学工具。定性仿真是通常的
计算机仿真,其重点在于是对于状态/参数空间及模型结构的不变性的建模及分析。
本文所介绍的定性仿真的方法将建立在系统及仿真理论之上,并采用能最好地定义系
统的抽象水平的模型例如,对于状态变量间的关系已知的连续模型,我们采用基于微分方
程的模型来生成定量的状态变量信息,但是采用包含模糊数映射的语汇来描述定性的输入
输出。然后这些输出可以用来辨识具有粒度结构的和抽象的有限自动机模型。
提及模糊仿真,一个自然而然的问题是“仿真模型中的哪些部分可披模糊化”事实
上,绝大多数非模糊的数学结构都可以通过简单地扩展经典集合到模糊集合而被模糊
化。模糊集理论中的扩展原理】使得我们可以将现有的数学方法转
化成能够处理模糊语义的形式。就仿真而言,我们可以使如下所述模糊化:
状态变量值。这包括初始条件和任一时刻的值
参数值。时变系统可以用模糊数来作为参数
输入和输出。
模型结构
算法结构
值得注意的是,一个仿真模型实际上只不过是处于最低语义水平上的一个算法,因此模
糊算法方法可以用来建立仿真的算法结构和模型结构。
在本文的以下部分,我们将首先介绍将模糊桌理论应用于仿真建模的基本原理,然后讨
沦模糊仿真的两个应用方向,即采用语言变量的模糊仿真及通过模糊仿真辨识定性模型。
模糊数的基本概念
由于模糊仿真是以模糊数的计算为基