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复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用

廖守亿  
【摘要】:复杂系统与复杂性科学是21世纪的科学,其研究方法是近代以来科学方法论的又一场革命,将为人们提供全新的了解自然界奥秘的手段。当前,对于自然现象、社会、经济、政治、军事、管理、生物以及工程(特别是航天工程)等领域复杂系统与复杂性的研究,呼唤新的建模与仿真方法的出现,基于Agent的建模与仿真(Agent-Based Modeling and Simulation, ABMS)方法应运而生。ABMS是当前建模与仿真领域的研究热点。论文以复杂系统与复杂性理论为立论基础与研究背景,以空间作战和卫星系统的建模与仿真为立题背景,开展ABMS方法学的相关问题研究,并将其应用到卫星系统的建模与仿真中,以期使ABMS方法学成为一套完善的建模与仿真理论,并能够指导具体复杂系统的建模与仿真研究。 系统地阐述了复杂系统与复杂性理论的起源,结合前人的研究成果,分析和总结了复杂系统与复杂性有关的理论与方法,从本体论、认识论和方法论角度对复杂性进行了深刻的认识与理解,强调了建模与仿真在复杂系统研究中的重要地位。从复杂性理论出发,对空间信息系统的复杂性进行了分析和探讨,并提出了空间信息系统的研究思路。 ABMS方法学是研究复杂系统的科学方法论。论文详细阐述了ABMS方法学的基本思想、特点和应用领域,提出了基于Agent的建模与仿真概念化框架,并因此界定了ABMS方法的研究内容。在此框架下,给出了ABMS方法学意义下包括Agent、消息、复杂系统以及基于Agent的仿真的形式化描述。讨论了基于Agent的模型校核与确认相关问题,探讨了基于Agent的模型有效性确认方法。建立了规范的ABMS的研究步骤,用来指导和规范复杂系统的建模与仿真,以减少建模与仿真的复杂度,提高模型的重用性与可用性。 采用多种形式化方法对基于Agent的建模方法与模型描述进行了深入的研究,包括基于Agent的模型框架及基于Agent的行为建模两个方面。提出了一个包括实体、对象和Agent在内的三层抽象模型框架,并对相关的概念进行了形式化定义与描述,阐述了Agent模型实现相关的细节。对虚拟环境中Agent的行为建模问题进行了研究,对Agent的动作、行为以及约束等概念进行了定义与描述,提出并形式化描述了一种包含Agent的自主行为和交互行为的行为模型;为了实现复杂的智能行为以及行为的复用与集成,提出了一种包含行为聚合与分解、行为特化与泛化的行为抽象机制,并对该机制进行了形式化描述。在行为建模方法的基础上,对预警卫星的预警行为进行了分析,并对预警卫星的凝视相机的数据获取行为进行了建模。 在ABMS概念化框架的支持下,提出了一种包含仿真基础服务模型和Agent仿真模型在内的基于Agent的建模与分布仿真软件框架,阐述了其中的关键功能组件及相关的时间算法。这种框架具有平台独立、开放性强,重用性强以及支持层次仿真、建模环境与仿真环境分离开来等特点。基于此框架,利用面向对象的思想,采用Java语言实现了一个基于Agent的分布仿真环境原型系——ADSimE,可保证领域专家以最简单、灵活的方式来进行复杂系统分布仿真。


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