复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用

雩风三日

复杂系统基于Agent的建模与仿真方法研究及应用

' [7 Z7 b# |- W2 Y8 Y    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 SimulationARMS)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。
. p+ j+ \+ _2 M# H    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。
& |$ Q7 P( N: k) k    在ARMS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统-—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。
       提出了一种基于Agent的分布仿真中的通信服务系统实现框架，建立了通信系统完整的系统结构，并规范了通信协议，提出了基于XML和KQML的Agent通信框架，这可增强不同种类Agent之间的通信、有利于Agent间的协调与合作并增强仿真系统的灵活性与可扩充性。
    将ABMS方法应用到卫星系统的建模与仿真研究中，研究对象分为多卫星系统和单卫星系统的。描述了基于Agent的多卫星系统建模与仿真过程，研究了其建模方法及仿真框架，并实现了多卫星系统仿真的卫星Agent类库以及相关的能力/算法库。在基于Agent的分布仿真环境ADSimE上，实现了一个基于Agent的反卫星仿真演示原型系统ASSAO，从轨道动力学仿真演示、碰撞避免仿真演示和反卫星仿真演示三方面验证了ABMS在多卫星系统建模与仿真方面的有效性;对于单卫星系统，研制开发了卫星GN&C分系统设计仿真软件GN&CV1.0和卫星通信有效载荷&分系统性能分析与评价软件SatComm V 1.0，介绍了这两个软件实现相关细节以及相关的模型算法，验证了ABMS方法在单卫星系统的建模与仿真方面的有效性。
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关键词:复杂系统;复杂性;建模与仿真(M&S); Agent;行为建模;基于Agent的建模与仿真(ABMS);分布仿真;卫星系统

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