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1、第八章第八章仿真模型的检验和验证仿真模型的检验和验证工程学院工程学院 沙沙 金金 仿真模型的输出结果会作为管理者仿真模型的输出结果会作为管理者制定决策的重要依据。因此，管理者很制定决策的重要依据。因此，管理者很自然地对模型的正确性抱有几分怀疑。自然地对模型的正确性抱有几分怀疑。为减少怀疑和增加模型的可信度，为减少怀疑和增加模型的可信度，建模者在模型的建立和验证的整个周期建模者在模型的建立和验证的整个周期内都应与模型的最终使用者紧密合作。内都应与模型的最终使用者紧密合作。模型验证的目的：模型验证的目的：建立能够足够精确表达真实系统建立能够足够精确表达真实系统的行为的模型，该模型能够代替真实系的行
2、为的模型，该模型能够代替真实系统进行试验、分析系统行为和预测系统统进行试验、分析系统行为和预测系统性能。性能。把模型的可信度提高到可接受的把模型的可信度提高到可接受的水平，使得该模型可被管理者和其他决水平，使得该模型可被管理者和其他决策者使用。策者使用。模型的验证不是模型建立后的一系模型的验证不是模型建立后的一系列孤立的步骤，而是建模的主要部分。列孤立的步骤，而是建模的主要部分。模型的检验是正确地建立模型。模型的检验是正确地建立模型。它它把概念模型与实现概念模型的计算机表把概念模型与实现概念模型的计算机表达进行比较。达进行比较。模型的验证是建立正确的模型。模型的验证是建立正确的模型。它它试图确
3、定精确表达实际系统的模型。试图确定精确表达实际系统的模型。建模的第一步是观察实际系统及其各建模的第一步是观察实际系统及其各个组成部分的相互作用，并收集关于其性个组成部分的相互作用，并收集关于其性能方面的数据。能方面的数据。建模的第二步是构造一个概念模型。建模的第二步是构造一个概念模型。建模的第三步是运行模型的实现。建模的第三步是运行模型的实现。8.18.1 模型的建立、检验和验证模型的建立、检验和验证实际系统实际系统概念模型：概念模型：1.关于系统成分的假设关于系统成分的假设2.结构假设：定义系统成分之结构假设：定义系统成分之 间的相互作用间的相互作用3.输入参数和数据假设输入参数和数据假设运
4、行模型运行模型（计算机表示）（计算机表示）概念验证概念验证模型检验模型检验校验和验证校验和验证 模型的检验就是要解决运行模型是模型的检验就是要解决运行模型是否能够准确地表达概念模型的问题，一否能够准确地表达概念模型的问题，一些常识建议如下：些常识建议如下：运行模型是否已由建模者以外的人运行模型是否已由建模者以外的人员校验过。员校验过。画出画出流程图流程图。在模型输入参数设置不同值的情况在模型输入参数设置不同值的情况下，要认真地检查模型输出的合理性。下，要认真地检查模型输出的合理性。8.28.2 仿真模型的检验仿真模型的检验 仿真结束后，运行模型是否打印了输仿真结束后，运行模型是否打印了输入参数
5、，确信这些参数没有被修改过。入参数，确信这些参数没有被修改过。尽可能使运行模型成为一个独立文档。尽可能使运行模型成为一个独立文档。如果运行模型包括动画，应该检验在如果运行模型包括动画，应该检验在动画中观察到的是否能够模拟真实系统。动画中观察到的是否能够模拟真实系统。交互式运行控制器或试调器。交互式运行控制器或试调器。建议使用图形化界面。建议使用图形化界面。能够快速显示出模型的合理性的两能够快速显示出模型的合理性的两组统计量是组统计量是当前容量当前容量和和总数总数。对于特定的模型，不仅可以考虑特对于特定的模型，不仅可以考虑特定统计量是否合理，还可以计算某些定统计量是否合理，还可以计算某些长长时间
6、运行系统的性能度量时间运行系统的性能度量。另一个对模型检验有帮助的重要方另一个对模型检验有帮助的重要方法是法是文档说明文档说明。更为复杂的有助于模型检验的方法更为复杂的有助于模型检验的方法是是跟踪跟踪。校验和验证尽管在概念上有区别，校验和验证尽管在概念上有区别，但建模者通常同时进行两方面的工作。但建模者通常同时进行两方面的工作。验证验证是模型及其特性与现实系统及是模型及其特性与现实系统及其特性进行比较的全过程。其特性进行比较的全过程。校验校验是一个迭代过程，即把模型和是一个迭代过程，即把模型和现实系统进行比较、调整，再比较、再现实系统进行比较、调整，再比较、再调整调整8.38.3 模型的校验和
7、验证模型的校验和验证校验的不足：校验的不足：模型仅对所利用的数据进行了验证，模型仅对所利用的数据进行了验证，仅仅“适合适合”所校验过的数据集。所校验过的数据集。验证的矛盾：验证的矛盾：没有一个模型是所研究的实际系统的没有一个模型是所研究的实际系统的完整无误的表示。但每一次修改都要付出完整无误的表示。但每一次修改都要付出代价。必须衡量为了模型精确度的提高增代价。必须衡量为了模型精确度的提高增加了多少验证的工作量。加了多少验证的工作量。8.3.18.3.1表面效度表面效度 仿真建模者的第一个目标是建立一个仿真建模者的第一个目标是建立一个使模型使用者和其他了解实际系统的人在使模型使用者和其他了解实际
8、系统的人在直观上认为合理的模型。直观上认为合理的模型。灵敏度分析也可以用来检查模型的表灵敏度分析也可以用来检查模型的表面效度。面效度。在进行灵敏度分析时，要注意选择最在进行灵敏度分析时，要注意选择最关键的输入变量进行检验。关键的输入变量进行检验。8.3.28.3.2模型假设的验证模型假设的验证 模型的假设一般分为两类：结构假设模型的假设一般分为两类：结构假设和数据假设。和数据假设。结构假设结构假设包括系统如何运行的问题，包括系统如何运行的问题，通常涉及实际系统的简化和抽象。通常涉及实际系统的简化和抽象。数据假设数据假设应该以可靠数据的采集和对应该以可靠数据的采集和对数据正确的统计分析为基础。数
9、据正确的统计分析为基础。8.3.38.3.3输入输入输出变换的验证输出变换的验证 模型在验证阶段可视为一个输入模型在验证阶段可视为一个输入输输出变换。当输入数据和实际的输入数据一出变换。当输入数据和实际的输入数据一致，并且模型中执行的策略也是系统中某致，并且模型中执行的策略也是系统中某些点执行的策略时，模型的最终检验是模些点执行的策略时，模型的最终检验是模型对实际系统未来行为特性的预测能力。型对实际系统未来行为特性的预测能力。进行输入进行输入输出变换验证的必要条输出变换验证的必要条件是所研究系统的某种版本已经存在。件是所研究系统的某种版本已经存在。模型变化程度的影响从小到大为：模型变化程度的影
10、响从小到大为：单个数值参数的小变化。单个数值参数的小变化。统计分布形式的较小变化。统计分布形式的较小变化。子系统逻辑结构的大变化。子系统逻辑结构的大变化。新系统的不同设计方案的大变化。新系统的不同设计方案的大变化。没有方法可以完整地验证尚不存在没有方法可以完整地验证尚不存在的系统的输入的系统的输入输出变换！输出变换！例：汽车快餐店模型例：汽车快餐店模型顾客到达速率为顾客到达速率为45车车/小时的泊松分布，服务小时的泊松分布，服务时间服从均值为时间服从均值为1.1分钟和标准差为分钟和标准差为0.2分钟的分钟的正态分布。正态分布。泊松到达泊松到达速率速率=45/小时小时服务时间服务时间N(1.1,
11、0.22)一个服务员一个服务员平均服务时间平均服务时间1.1分钟分钟一个队列一个队列随随机机变变量量决决策策变变量量模模型型最大队长最大队长平均延迟平均延迟Y服务员利用率服务员利用率输入变量输入变量模型模型输出变量输出变量观测到的平均延迟观测到的平均延迟 0 0=4.3=4.3分钟分钟运行次数运行次数到达个数到达个数/小时小时平均服务时间平均服务时间平均延迟平均延迟Y1511.072.792401.121.12345.51.062.24450.51.103.455531.093.136491.072.38样本均值样本均值2.51标准差标准差S0.82模型重复运行模型重复运行6次的结果次的结果进
12、行原假设统计检验：进行原假设统计检验：统计术语统计术语建模术语建模术语相关风险相关风险类型类型：当：当H H0 0为真时拒绝为真时拒绝H H0 0拒绝拒绝有效模型有效模型类型类型：当：当H H1 1为真时不拒绝为真时不拒绝H H0 0不拒绝不拒绝无效模型无效模型选择置信水平选择置信水平=0.05=0.05和样本量和样本量n=6n=6计算计算对于双边检验：如果对于双边检验：如果|t|t0 0|t t/2,n-1/2,n-1，就拒绝，就拒绝H H0 0；否则接受；否则接受H H0 0。查表得查表得t t/2,n-1/2,n-1=2.571=2.571，因此拒绝因此拒绝H H0 0。进行原模型被拒绝
13、的原因分析，发进行原模型被拒绝的原因分析，发现有两个假设未做说明：现有两个假设未做说明：1.1.当汽车到达并且发现窗口空时，服务当汽车到达并且发现窗口空时，服务立即开始。立即开始。2.2.当汽车等待时，在一个服务结束和另当汽车等待时，在一个服务结束和另一个服务开始之间没有延迟。一个服务开始之间没有延迟。再次分析确定：平均服务时间再次分析确定：平均服务时间服从均值为服从均值为3 3分钟的指数分布。分钟的指数分布。运行次数运行次数到达个数到达个数/小时小时平均服务时间平均服务时间平均延迟平均延迟Y1511.075.372401.111.98345.51.065.29450.51.093.82553
14、1.086.746491.085.49样本均值样本均值4.78标准差标准差S1.66修改后重复运行修改后重复运行6次的结果次的结果选择置信水平选择置信水平=0.05=0.05和样本量和样本量n=6n=6计算计算查表得查表得t t/2,n-1/2,n-1=2.571=2.571，因此不能拒绝因此不能拒绝H H0 0。不拒绝不拒绝H H0 0必须被认为是弱结论。必须被认为是弱结论。8.3.48.3.4利用历史输入数据利用历史输入数据 使用历史数据进行模型验证时，这些使用历史数据进行模型验证时，这些数据必须是专门为验证目的而保留的。数据必须是专门为验证目的而保留的。所有输入数据和所有的系统响应数据所
15、有输入数据和所有的系统响应数据必须是在同一时间周期内收集的。必须是在同一时间周期内收集的。如果一组数据已经用于模型的建立和如果一组数据已经用于模型的建立和校验，则建议最终的验证要使用一组不同校验，则建议最终的验证要使用一组不同的数据。的数据。8.3.58.3.5利用图灵机检验利用图灵机检验 除了统计检验以外，或当进行统计检除了统计检验以外，或当进行统计检验较为困难时，也可以使用已知的系统性验较为困难时，也可以使用已知的系统性能知识比较模型输出和系统输出。能知识比较模型输出和系统输出。离开事件离开事件服务台空闲服务台空闲时间开始时间开始开始服务顾客开始服务顾客从队列中清除从队列中清除一个等待顾客一个等待顾客有另一个顾有另一个顾客等待吗？客等待吗？是是否否服务刚刚结束的流程图服务刚刚结束的流程图到达事件到达事件顾客进入服务顾客进入服务顾客进入顾客进入等待队列等待队列服务台忙吗？服务台忙吗？是是否否顾客进入系统的流程图顾客进入系统的流程图