计算机系统建模与仿真探究

摘要：本文以“计算机系统建模与仿真”为题，对其发展现状、技术特征、存在问题以及应对措施等进行了深入的研究和探讨。

关键词：计算机系统；建模；仿真

中图分类号： G434文献标识码： A

引言

众所周知，计算机仿真是基于系统模型而进行的一系列操作活动。因此，首先要针对目标对象的实际系统建立其数据模型；其次是建构仿真建模；第三是相关程序的设计和完善；第四是进行程序的检验和校正；第五是对计算机系统仿真模型进行预期的实验操作和资料收集；最后是对模型输出或者是前期收集到的资料进行分析和研究。

目前，计算机系统仿真建模的基本研究方法是模型分析法，也即是通过一系列的模型分析和模型实验对现实世界中的实际系统进行认识、控制和优化。在当前社会环境下，面向系统的计算机仿真技术既包含了连续变量动态系统仿真模型，同时也包含了离散事件动态系统仿真模型。

一、计算机仿真与建模概述

计算机仿真也可以称之为计算机实验或者是计算机模拟，从某种程度上来说，它也就是建立实际系统模型的仿真模型，进而在计算机系统中对该仿真模型进行一系列的仿真实验或者是模拟实验的过程。当前，它几乎成了人们研究现实生活中各种复杂系统不可或缺的重要手段之一，其突出的应用效果将推动计算机仿真技术的不断更新与广泛普及。从宏观的角度来说，现代建模与仿真技术体系（Thetechnology system of m odernm odelingand sim ulation），它主要是由建模技术、建模与仿真支撑系统技术、仿真应用技术三个部分构成的。计算机环境下任何系统的仿真都是以系统的数学建模为基础的，在特定的预设条件下进行信息的处理，从而在系统仿真的基础上进行一系列的实验研究。

二、计算机仿真过程分析

建模于形式化的任务是确定模型的边界，而它主要是依据系统分析和研究目标来确定的，毕竟计算机系统所建立的任何一个模型都只能反映现实目标对象系统中的某一个方面或者是其中的一个部分，也即是说，所有的计算机系统模型都是对实际系统的有限映像。除此之外，为了使计算机模拟系统具有较高的可信度和精确性，计算机系统建模工作者在进行具体的建模工作之前，对现实的目标系统必须提前具备一定的先验知识以及必要的试验数据等资料，尤其是要对系统模型进行形式化过程的处理，从而得到完整的计算机系统仿真所需要的相关数学描述。另外，对已经完成的系统模型的可信度检验也是整个建模过程必不可少的一个阶段或者是环节。其次，计算机系统仿真过程的第二步是仿真建模，主要目的就是为了依据目标系统的特点以及系统仿真的具体要求来选择恰当的算法。计算机系统仿真的第三步是相关程序的设计和完善，也即是采用计算机系统能够识别和执行的程序对系统仿真模型进行描述，该程序还包括一系列的、复杂的仿真实验要求。第四步是进行程序的检验和校正。第五步是对计算机系统仿真模型进行预期的实验操作和资料收集。事实上，这一环节已经进入了实实在在的计算机系统仿真活动，计算机操作者根据预期的系统仿真的目的对已经建立起来的系统模型，按照预制的程序进行一系列的实验，从而得到有效的模型输出，完成资料的收集和整理活动。最后，计算机系统仿真过程的最后一个环节是对模型输出或者是前期收集到的资料进行分析和研究，也即是对模型数据进行系统深入的处理，同时也要对该模型的可信度进行验证，保证最终研究结果具有较高的可信性和实际指导价值，使现实活动在此信息导下能够顺利进行。

三、动态系统的仿真与建模研究

抽象和映射是计算机系统模型与现实对象之间最重要的关系之一，在计算机数字技术环境下建立抽象模型是实现仿真技术的关键。目前，计算机系统仿真建模的基本研究方法是模型分析法。针对复杂的应用系统，以系统设计为主要目标的仿真模型的建模过程大致可以划分为提出系统抽象模型、建立结构关系模型、性能分析、评估与综合等几个阶段。一般来说，根据计算机系统相应的状态描述及其变化方式，仿真建模模型大致可以划分为连续变量动态系统和离散事件动态系统两种形式。在当前社会环境下，面向系统的计算机仿真技术既包含了连续变量动态系统仿真模型，同时也包含了离散事件动态系统仿真模型。由于离散事件动态系统模型系统状态形成的是离散空间式的变化域，它的状态变化主要是发生在一系列不可预知的离散式的时间点上面，因此，很难像连续变量动态系统那样建立定量变化关系的方程式，由此形成了以网络图为基础的各类流图模型结构。

1、连续变量动态系统（CVDS）的仿真建模分析

该系统主要是指在时间驱动的作用下，促使整个系统状态处于不断变化之中的一种特殊的物理系统。一般来说，根据特定系统中取值方式以及时间取值域的不同，连续变量动态系统大致可以分为离散时间动态系统、连续时间动态系统以及连续―离散时间混合的动态系统等几种不同的类型，目前应用广泛的工程采样系统大多是使用离散时间动态系统。目前，诸多仿真与建模工程师主要是采用差分方程模型、常/偏微分方程模型、系统动力学模型、（广义）回归模型、线性/非线性状态空间模型、自回归模型（AR）、受控自回归滑动平均（CARM A）模型、滑动平均模型等诸多数学模型样式来描述连续变量动态系统。另外，连续变量动态系统的仿真模型样式很多，目前主要用于将模型转换成计算机系统可以识别并执行的模型的方式包括离散相似法、变换操作域的方法、模型转化法、高阶系统的简化处理方法等。

假设计算机系统输入设置为{x（t）}、输出设置为{y（t）}，那么连续时间动态变量系统中讨论最多的是以下常系数高阶微分方程模型：

在此情况下，如果系统中包含着随机性的输入信息{ε（t）}，那么连续时间随机CVDS系统之中的输入与输出之间关系描述常用的随机微分方程式为：

在大部分情况下都是将随机过程{ε（t）}假定为某一特定形式的独立增量过程，目前，如下所示的一阶随机微分方程在系统工程和随机自动控制领域中发挥着十分广泛的应用功能。

针对第一、第二种模型来说，计算机系统仿真主要是研究其相关系统的系统响应、系统稳定性、系统速度、系统精确性以及其他过程行为的重要方式之一，这也是目前计算机系统仿真与建模领域重点研究的内容之一，对现实社会实践活动的发展具有极大的促进作用。

2、离散事件动态系统（DEDS）的仿真与建模研究

离散事件动态系统（DEDS）主要是指受到一系列的事件驱动，系统状态呈现出不断的跳跃式的变化，导致计算机系统内部状态的迁移出现在各种离散时间点之上的一种动态的系统。自八十年代以来，便有不少西方学者对离散事件动态系统的模型设计方法进行了深入研究，并形成了诸多研究成果。目前DEDS模型的种类非常多，然而这些模型之间间隔性非常明显，缺乏必要的转换关系，尤其是它们大都适用于某一类或者是几类问题，尚没有一个通用的适合于不同研究对象或者是系统特征的模型表示方法。

结束语

从当前的发展现状来看，离散事件动态系统建模常常采用网络图或者是实践图法、排队论法、随机过程描述法、形式语言与自动机法、抽象代数法等等诸多方法。如图3所示，离散事件动态系统仿真主要是通过仿真模型的运行来实现一系列的系统行为以及完成对系统的分析和评估的。因此，仿真模型的建立必须与现实生活中真实系统行为具有一定的同态或者是同构关系，这是DEDS系统仿真能够顺利进行的核心问题。

参考文献

[1]李福顺.计算机系统建模与仿真[J].陕西教育(高教版),2014,Z1:122-123.

[2]王海燕,彭文利.生产系统建模与仿真课程实验教学探讨[A].Information Engineering Research Institute,USA.Proceedings of 2013 International Conference on Education and Teaching(ICET 2013)Volume 23[C].Information Engineering Research Institute,USA:,2013:5.

[3]马书红.计算机系统建模与仿真探究[J].陕西教育(高教版),2014,04:65.