人工智能系统的建模与仿真技术初步研究.docx

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1、人工智能系统的建模与仿真技术初步研究关键词：人工智能；建模；仿真摘要：大规模智能、并发、多态组织结构的复杂系统是仿真领域研究的热点。这类系统的定性定量研究需集成计算机仿真、系统理论和人工智能等领域的相关技术。多智能体仿真采用系统理论和多智能体系统建模方法建立系统高层模型，使用针对基于智能体模型的仿真软硬件支撑技术建立的系统计算模型并实现仿真。由于它可以有效处理复杂系统的非线性、交互性和突现性，所以被认为是复杂系统仿真的最具活力、有所突破的方法学。基于此本文主要探讨智能系统工程的概念、理论方法和技术及应用问题，结合实例分析人工智能在建模仿真中的应用。1引言自20世纪来，系统建模与仿真技术在各类应

2、用需求的牵引及有关学科技术的推动下，已经发展形成了综合性的专业技术体系，并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。它与高性能计算一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。从模拟仿真到模拟-数字仿真，这期间属于实时仿真，而从模拟-数字仿真到数字仿真属于非实时仿真.由于当今计算机技术高速发展及普及，仿真技术发展到没有实物介入的非实时性的全数字仿真阶段，这种仿真称为计算机仿真或数字仿真.我们要对一个系统或对象进行计算机仿真，首先必须把握对象的基本特征，抓住主要因素，引入必要能量，提出科学合理的抽象，选择合理的数学工具，这样的基础上建立数学模型。2基础概念概述2.1人工智能系

3、统人工智能(AT)主要是用于效仿、拓展和扩大人类智能方式、技能、理论知识以及应用系统进行专研和开发的一项高新技术。人工智能一开始就形成了二种重要研究范式，即符号主义和联接主义。符号主义认为人的智能主要体现在明确知识表达和获取，基于符号的严格逻辑推理能力以及问题求解等。联接主义则从大脑和神经系统的生理背景出发，通过对大脑和神经系统建立数学模型的办法，模拟它们的工作机理和学习方式。可以说，符号主义试图对智能进行宏观研究，而联接主义则是一种微观意义上的探索。在基于符号主义和联接主义的AI研究的同时，模糊逻辑理论及其应用的研究也取得了重大进展。模糊逻辑突破了传统逻辑的思维模式，对于深刻研究人类的认识能

4、力具有举足轻重的作用。特别是它与专家系统，神经网络以及控制理论的良好综合，证明了它也正在A1研究中扮演重要角色。同时，在自然选择和进化理论上发展起来的进化计算理论在机器学习和优化计算等方面也有着其特定的优势，成为A1的一个主要研究成果之一。因此，模糊逻辑与进化计算的研究历史也是A1发展历史的有机组成部分。模型是仿真的基础，模型分析方法是现代科学的基本研究方法之一。仿真模型所有描述的是客观世界中的客观事物的特性。主要包括自然环境，客体/系统，人以及他们之间的交互作用。通过对实际系统抽象或本质论述，构造出与实际系统之间存在同构或同态关系，简化的数学模型或物理模型，以模型分析与模型实验为基础，达到实

5、际系统的认识、制造及优化。自然环境的建模和虚拟环境的建模是相当复杂的，对于半实物仿真，将建立为各种系统的传感器所需要的测量和探测仿真环境，对于人存在的系统中，将建立人所需要的视觉、听觉、触觉等虚拟仿真。对于一个复杂系统而言，基本的建模过程可以划分为提出系统概念模型，建立结构关系模型和模型的性能分析、评估与综合3个阶段。如图2为图2建模过程图3人工智能与建模仿真的结合以及关键技术分析人工智能技术包含有：专家系统、知识工程、模式识别等。仿真技术包含有：建模、算法、仿真软件等。近年来，由于人工智能技术蓬勃发展及计算机处理能力大大加强，为智能技术在仿真中的应用提供了可能。同时，一些不确定复杂系统的建模

6、也采用人工智能技术优化模型，将数值模型与非数值模型融合起来。智能仿真系统能改变以入场建模所存在的缺陷。这是因为：智能仿真具有智能性，仿真输入信息预处理、仿真模型生成，仿真算法具有灵活性、有效性，仿真结果分析与解释等体现出高智能水平;适用于范围大的广义仿真模型，求解效率高的智能真算法，多库协同的仿真软件支持环境，所以适用性好;具有多媒体智能仿真界面进行人、机交互，界面友好。图3智能仿真系统总体方案1.1 具备繁琐行为和生命特征的对象构模方法为了使场景中的对象更加生动逼真，根据不同的对象采用不同的构模方法。为了保证对象的物理模型更加真实，一般可以采用交互式图片的构模方法来实现，也可以借助计算机中绘

7、图技术对虚拟对象的状态和纹理进行修改。1.2 面向IVE的人体动画为了更好地完成人体动画，一般采用两种解决措施：第一是设立一个面积巨大的人体姿势库，这种方式虽然能够在设计初期有效快速地解决问题，但是缺少灵动性，由于人的姿态动作比较多，而且各个动作之间的组合方式也多种多样，因此，要想人体姿势库存在各种各样的人体姿势是很难实现的；第二种方式是根据人体的运动规律进行专研，从人体的运动学和行为学进行研究。虽然在设计初期的难度比较高，但是由于它能够帮助高层提供相关的数据实现对动画的控制，可以形成较好的行为动画。3. 3实时绘制为了使智能虚拟环境具有更加真实的效果，可以借助多种加速绘图技术来实现，可以利用

8、可见性进行判断，对于不可见的对象最好不进行绘制；对于不太重要的图像对象，可以利用简单模型进行绘制；对于距离较远的对象可以利用纹理进行表示。目前我国大多数的机器都可以用硬件纹理映射进行绘制，但是对面积较大的纹理图像，多次对纹理缓冲区进行倒进倒出操作会对硬件纹理映射的速度造成严重的影响。所以，我们要根据不同性质的纹理图片进行归类，进而提高硬件纹理映射的速度。4人工智能系统建模与仿真技术结合案例3.1 智能农业领域一一植物自主生长智能化仿真基于自主智能技术与现实技术实现植物自主生长智能化仿真。如图4所示。其中对象智能行为建模技术主要实现物体对象的几何仿真、物理仿真和行为仿真，提升对象行为的智能性、社

9、会性、多样性和交互逼真；环境下人与环境融合技术主要实现高分辨率立体显示、方位跟踪、手势跟踪、数据手套、触觉反馈、声音定位等，实现现实、增强显示等技术与人工智能的有机结合和高效互动。图4植物自主生长智能化仿真应用系统4. 2智能工业领域一离心泵与液位系统工艺流程说明离心泵系统由一个贮水槽、一台主离心泵、一台备用离心泵、管线、控制器及阀门等组成。上游水源经管线由控制阀V1控制进入贮水槽。上游水流量通过孔板流量计F1检测。水槽液位由控制器11C控制，1IC的输出信号连接至VI。离心泵的入口管线连接至水槽下部。管线上设有手操阀V2及旁路备用手操阀V2B、离心泵入口压力表PI1。离心泵设有高点排气阀V5

10、、低点排液阀V7及高低点连通管线上的连通阀V6。主离心泵电机开关是PK1,备用离心泵电机开关是PK2。离心泵电机功率N、总扬程II及效率M分别有数字显示。离心泵出口管线设有出口压力表PI2、止逆阀、出口阀V3、出口流量检测仪表、出口流量控制器FIC及控制阀V4。图7离心泵与液位系统仿真流程图5当前对人工智能系统建模与仿真研究热点展望4.1 智能系统建模及智能仿真系统的发展展望基于仿真技术研究人类智能系统（大脑和神经组织）机理，以及各类基于知识的系统是仿真技术的重要应用领域,同时,它又促进了该领域的进一步发展。典型的如基于仿真的嵌入式智能系统（如将仿真技术引人基于知识的系统，以描述与时间有关的知

11、识或表达与时间有关的推理过程）；与此同时,AI使仿真可利用更广泛的建模技术,可将决策制定和规划能力引入仿真。典型的应用如具有智能前端的仿真环境、基于知识的协同建模与仿真环境、具有智能评估分析的仿真环境等。其中，知识模型及其表示标准化的研究（尤其是对面向Agent的模型、面向本体的模型、面向分布式推理的网络模型、面向移动通信的推理模型、能演化的模型、自组织模型、容错模型等的研究），以及基于知识的智能化综合建模仿真评估环境将是智能系统建模和智能仿真系统的进一步研究发展的重点。4.2 复杂系统/开放复杂巨系统的建模/仿真技术的发展展望复杂系统/开放复杂巨系统这一类系统通常具有其系统的组成关系复杂,系

12、统的行为复杂,构成系统的子系统间以及系统与其环境之间存在着复杂的交互关系和能量交换等特点.典型如军事体系对抗系统、复杂制造系统、生态系统、社会一经济系统等。对它们的研究已经成为人类发展至关重要的课题。复杂系统仿真成为研究各类复杂系统的最重要手段。复杂系统仿真方法包括参数优化、定性仿真、基于多Agent的仿真、分布交互仿真、定性与定量结合的综合仿真等方法。而且,基于知识、智能代理、木体论等，定性与定量相结合的综合集成仿真方法研究是未来复杂系统仿真研究的重要趋势。5结论由于新兴学科，交叉学科，边缘学科产生，由此引发新问题层出不穷，证明这些新观点的正确性并验证其可实验性，解决前沿学中的一些关键性难题

13、。在新的世纪，系统建模与仿真技术正向数字化、化、网络化、智能化、集成化、协同化方向发展;仿真技术正向服务于系统的全寿命、全系统和管理的全方位方向迅速发展。系统建模与仿真技术的发展必须与应用紧密结合，其发展途径应该是一种以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与仿真系统又服务于应用的良性循环。面向人工智能系统的建模仿真技术是“新互联网+大数据+人工智能+”时代的一种建模与仿真新模式、新手段和新业态，随着时代需求和技术的发展，要持续地研究建模与仿真的模式、手段和业态的新发展。参考文献黄德生.仿真与人工智能技术的结合与发

14、展J.测试技术学报，2002,16(1):70-72.田园.人工智能与面向对象技术相结合的仿真建模方法D.华中理工大学华中科技大学,1995.亚历山大布尔斯基，A1eksanderByrski,布尔斯基,等.智能建模与仿真技术:仿真工具和应用M.国防工业出版社，2015.金晶.基于多Agent的生产线建模、优化与仿真研究D.合肥工业大学，2017.林兆兵.时间序列数据模型的人工智能算法J.科技、经济、市场，2015(12):124-124.高庆宁.基于SOAR模型的网络舆情演变过程中群体行为分析与仿真D.南京理工大学，2016.杨丽新，黄亮辉.基于机器人实验教学的仿真集成技术探讨J实验室研究与探索，2017(11):103-106.