体系建模（精选九篇）
体系建模 篇1
全国大学生数学建模竞赛是由教育部高等教育司与中国工业与应用数学学会共同举办的, 其目的在于激励学生学习数学的积极性, 提高学生建立数学模型和运用计算机技术解决实际问题的综合能力。我院自2001年组织学生参加数学建模竞赛以来, 多次获得全国一等奖、二等奖以及自治区一等奖等奖项, 受到了同类院校的一致好评, 但赛前培训、竞赛期间学生存在不少问题, 文章以数学建模协会为视角, 探讨数学建模培训体系, 进一步提高学生数学建模兴趣, 促进学生数学建模水平, 使数学建模培训与数学建模竞赛产生良性循环。
二、数学建模竞赛培训现状及存在的问题
全国大学生数学建模竞赛比赛方式是3个队员为一组, 在3天之内对一个实际问题给出一种数学表述, 完成一篇包括问题的阐述分析、模型的假设和建立、计算结果及讨论的科技论文。队员在竞赛期间可以查阅各种图书资料, 使用计算机和软件, 但不得与组外任何人讨论。从历年的赛题来看, 竞赛的内容涉及生活的各个方面, 用到的数学知识有运筹理论、图论、微分方程、概率论及数据处理等。从数学建模竞赛的内容与要求来看, 3个队员要在3天之内求解一个实际问题并完成一篇高质量的科技论文是有困难的, 如果没有扎实的数学知识、不具备将数学知识转化为求解实际问题的能力、没有深厚的计算机功底以及缺乏必要的科技论文写作训练, 要完成数学建模竞赛指定内容要求是不可想象的。因此, 绝大多数院校都在赛前开展培训, 一般安排在每年暑假, 大约1个月的时间内完成培训任务。我院的数学建模培训也安排在暑期进行, 分两个阶段对学生进行培训。由于我院没有数学专业的学生, 故在第一个阶段进行建模的数学知识模块培训, 期间还要开展参加数学建模竞赛的学生选拨工作。第二个阶段进行数学软件应用、科技论文写作以及模拟训练等培训工作。可谓时间紧、任务重、强度大。然而, 从学生培训时的反映与竞赛时的表现来看, 效果不明显, 效率低下, 学生主要存在以下问题。
1. 问题分析与模型建立能力不足。
数学建模最重要、最关键的步骤就是提炼数学模型。所谓提炼数学模型, 就是对要求解的问题进行分析, 将题目所描述的内容进行合理的抽象、假设、提炼、量化, 把一个实际问题转化包含问题假设、已知条件、求解目标的可数量化的应用问题, 建立起揭示研究对象定量的规律性的数学关系式。一般说来, 数学建模包含模型准备、模型假设、模型构成、模型求解、模型分析以及模型检验6个步骤。而参加竞赛的学生数学建模培训的时间只有1个月, 要想在这个1个月内的时间训练成为一个合格的参赛人员, 是比较困难的。因此, 在建模的过程中, 常常碰见学生面对实际问题手足无措、无从下手的情形;或者知道该怎么做, 却不懂得如何表达成数学语言, 建立数学模型;抑或建立了问题的数学模型不知道如何求解等。
2. 计算机软件、编程能力不足。
模型建立后, 需要求解模型。对于有些模型来说, 求解是一个十分令人头痛的问题, 它需要借助计算机软件, 有时还需要学生自己编辑程序来进行求解。这就要求学生能够熟练地使用上述软件, 并且掌握有关软件的编程环境、界面以及它的语法。于是在建模竞赛过程中, 经常发现有些学生知道模型要用计算机软件来求解, 但找不到模型求解的命令与函数;或者找到模型求解的命令与函数后, 不知道如何输入已知条件;求解后, 看不懂结果以及如何进行误差分析和灵敏度分析等。
3. 建模论文写作以及论文排版能力不足。
数学建模论文基本内容包括摘要、问题重述、模型假设、模型建立、模型求解、模型检验、模型评价、参考文献以及附录等方面, 是建模竞赛最终成绩的书面表达形式, 是评定参与者成绩好坏、获奖级别高低的唯一依据。在建模论文的撰写过程中, 力求做到文字简洁、表述准确、层次清晰、重点突出。要具备上述论文写作能力, 需要多读、多写, 反复练习, 显然, 数学建模培训中短短的几天训练达不到上述要求。
三、构建数学建模培训体系
当前数学建模培训及竞赛中出现的这些问题, 其原因在于培训时间不足, 如果培训时间充裕, 以上问题都可以得到很大程度的改善甚至解决。然而, 按照现行的大学数学教学计划, 要到大二才学完所有的大学数学类课程, 因此较理想的情况是让大三的学生参加数学建模竞赛, 大四的同学由于面临毕业、找工作、毕业实习、毕业设计以及写毕业论文等事情, 已经没有心思参加建模竞赛了。这样看来, 数学建模放在暑期培训看似不明智, 实属无奈的选择。当前, 数学建模协会已在全国各大高校开展起来, 这对培养学生数学建模兴趣、提供学生充分独立思考与研讨的时间和机会起到重要而不可替代的作用。因此, 可以通过数学建模协会这个社团组织, 利用协会平时组织活动的时间, 解决数学建模培训时间不足的问题, 进一步优化数学建模培训体系。
1. 发挥建模协会优势, 让更多优秀学生参加数学建模。
数学建模协会作为一个学生社团组织, 与学生有着自然的亲近。大学校园中有许多数学爱好者, 他们对数学建模也有一定的认识, 也有参加数学建模活动的愿望, 可以利用数学建模协会招新的机会, 招纳爱好数学且优秀的学生参加数学建模协会, 其次协会不定期地组织报告会, 邀请经验丰富的指导教师做全校性数学建模报告, 扩大数学建模协会影响, 提高学生数学建模兴趣, 吸引更多的学生参加数学建模协会。或发挥数学建模协会社团作用, 组织全校数学竞赛, 发现数学成绩优秀的学生, 邀请加入数学建模协会, 进一步扩大数学建模协会, 培育数学建模土壤, 夯实数学建模基础。
2. 合理开展建模协会活动, 普及数模知识, 培养建模能力。
数学建模培训一个主要矛盾是培训时间太少与培训内容太多之间的矛盾, 矛盾导致的结果主要表现在学生问题分析与模型建立能力、计算机软件与编程能力、建模论文写作以及论文排版能力等方面的不足。数学建模协会作为一个学生社团组织, 可以利用开展活动的时间, 普及数模知识, 化解矛盾。由于数学建模协会大约在每年九月开学后招新, 进行新老更替, 之后人员相对固定, 协会活动时间较多, 可以进行系统的数模知识培训。为使协会活动规范化、系统化, 可针对数模知识建立培训方案, 有计划、有目的的进行学习。例:在每年的秋季学期专门学习数学建模所涉及的数学知识, 每周一个数学知识点;在每年的春季学期专门学习数学建模所涉及到的软件以及科技论文的写作, 每周一个知识模块。为进一步强化学习, 增强效果, 可以通过开设数学建模选修课的方式配合数模协会的数学建模培训。例如, 将数学建模选修课分成两个学期选修, 每年的秋季学期分专题讲授数学建模所涉及到的数学知识;每年的春季学期讲授数学建模软件的使用、科技论文的排版以及数学建模论文的写作等知识。参加数学建模协会的学生尽量要求他们选修数学建模课程, 这样学生可以先在数学建模选修课上学习数学建模知识, 课后活动时间再对这些知识进行讨论。协会以这种方式开展活动, 有以下好处:首先减少学生共同活动时间。其次提高学习效率, 增强信心。
3. 利用建模协会, 选拨数学建模队员、优化建模组队。
大学生数学建模竞赛作为一个群众性科技活动, 其目的在于培养学生学习数学的积极性, 提高学生建立数学模型和运用计算机技术解决实际问题的综合能力, 因此如何让数学思维能力强、建立数学模型和运用计算机技术解决实际问题的综合能力突出的学生参加数学建模竞赛一直是数学建模指导教师令人费神的一件事。当前大多数院校都是通过校内竞赛的方式来选拨队员的, 之后再通过数学建模培训进行筛选, 确定最终的参赛队员。我院也是通过这种方式选拨的, 一般选拨队员与参赛队员的比例为2:1。这种选拨方式有个明显的弊端就是所有队员都是来自校内竞赛成绩优秀的学生, 而且校内竞赛一般一年举行一次, 那些校内竞赛发挥不理想但建模能力突出或计算机技术水平优秀的学生就没法参加数学建模竞赛。为确保每一位有能力的学生都能够加入到建模竞赛队伍中来, 可以通过校内竞赛与建模协会推荐两者相结合的方式选拨建模竞赛学生。两种方式相互补充、相得益彰, 确保最优秀的学生加入竞赛队伍。
数学建模竞赛不同于其他竞赛, 它是以队为参赛单位, 每队3人。因此, 好的团队可以各取所长、优势互补, 队员之间相互交流、相互鼓励, 充分发挥团队合作精神, 形成一股强大的凝聚力, 这是取得好成绩的重要保证。综合来看, 建模三人团队中一人数学能力强、数学建模知识扎实, 一人计算机能力突出、擅长算法编程, 一人文字功底好、擅长写作, 这样的人员配置是比较科学、合理的。然而, 数学建模培训时间紧、任务重, 建模培训教师无暇顾及培训学生的个人能力, 很容易形成人员配置混乱, 造成人才浪费。数学建模协会正好可以弥补此不足, 由于建模协会广泛吸纳爱好数学且成绩优秀的学生, 选拨队员参加建模培训时又有建模协会推荐的学生, 因此参加竞赛的学生绝大部分都来自建模协会, 加上协会开展了近一年的活动, 彼此之间都非常熟悉, 哪个数学好、哪个计算机好、哪个写作好大家都心中有数。所以, 借助于数学建模协会, 可对参赛队员进行合理的配置, 优化建模组队。
四、结束语
实践表明, 建模竞赛成绩与参赛学生的综合素质、科学的建模培训有很大关系。立足数学建模协会, 可夯实数学建模竞赛参赛学生的群众基础, 使更多、更有才华的学生参与数学建模;立足数学建模协会, 可缓解数学建模培训时间紧与任务重的矛盾, 使建模培训有更多的时间关注建模的重点与热点的内容, 并对其进行深入的讨论, 且使建模培训留有时间让学生进行模拟实战训练, 进一步强化学习效果;立足数学建模协会, 可改进建模培训与竞赛学生的选拨方式, 可改善参赛队员的组队质量, 使建模竞赛的选拨与组队更加公平、合理。综上所述, 立足数学建模协会, 可减轻建模培训与指导教师的压力, 促进建模培训与建模竞赛的良性发展, 还原数学建模竞赛群众性科技活动的本色, 有利于学生综合素质的进一步提高。
摘要：全国大学生数学建模竞赛是全国高校规模最大的群众性科技活动, 赛前建模培训旨在提高学生创新能力、数学应用能力与团队合作精神。如何开展建模培训以及处理赛前培训与建模竞赛两者的关系一直是大家探讨的热点问题。文章简述了构建数学建模竞赛培训体系方案。
关键词：数学建模,建模协会,培训
参考文献
[1]耿秀荣, 王彦辉, 吴果林.数学建模及其常用数学软件[M].桂林:广西师范大学出版社, 2012.
[2]王义康, 王航平.数学建模培训策略研究[J].重庆科技学院学报 (社会科学版) , 2010, (3) .
[3]韩中庚.最佳组队方案及模型[J].数学的实践与认识, 1997, 2 (27) .
体系建模 篇2
关键词: 代理; 建模框架; 制造系统; 软件工程;多代理系统;业务过程建模
制造系统建模内容丰富、覆盖面广,其体系结构是由一组活动、方法和工具组成,从不同角度对制造系统模型进行描述利用面向对象技术,制造系统建模采用抽象、分解和封装的策略把整个系统模型分解为一组对象的集合,各对象之间应用交互机制协作完成各部分功能组件技术作为对象技术高层抽象性对象,被越来越多地应用于大型复杂分布式异构环境的应用系统而代理技术比对象技术具有更强自治性,为分散控制和智能控制提供新的支持,因此,笔者提出了基于多代理的制造系统建模框架,并实现了多代理系统软件方法
1.制造系统建模方法
经国内外研究人员多年努力,已形成许多有影响的制造系统建模方法和建模工具系统,主要有基于功能建模和基于过程建模的两大类建模方法
1.1 基于功能的建模方法
20世纪90年代初,制造系统建模方法主要由基于功能的建模方法所主导,代表方法有CIMOSA和IDEF方法其主要思想是采用功能分解法和递阶层次控制建立制造系统各个不同视图中的模型以CIMOSA建模方法[1]为例,其视图组包括功能视图、信息视图、组织视图和资源视图由于功能分解法采用统一的活动单元来描述整个系统各个递阶层次中的功能模块,因而具有较好的通用性和一致性但使用单一的活动单元模型无法表达丰富的建模语义,难以满足制造系统对复杂模型描述的要求
1.2 基于过程的建模方法
针对功能分解法的不足,许多学者提出了基于过程的制造系统建模方法,代表方法有ARIS方法[2,3]和工作流建模方法[4]其主要思想是以过程模型为核心,建立由多个活动交互形成的系统运行的业务流,有效地集成控制流、物料流和信息流以ARIS建模方法为例,如图1所示,采用面向对象方法建立制造系统多个视图的模型,包括组织视图、数据视图、产品/服务视图和功能视图,并用控制视图来描述这些视图的逻辑关系和约束规则由于核心过程跨越组织和部门,能够更好地描述业务过程,支持制造系统集成,适应系统组织结构变化。
2. 基于多代理的制造系统建模方法
2.1 多代理技术
代理技术是在对象技术和组件技术基础上发展而来的自治性主体面向对象技术为实体描述提供了一种抽象对象被定义为具有状态集和对状态集操作的方法集所组成的封装实体,通过与其他对象进行消息传递的通信机制调用对象的方法,改变对象的状态对象边界能够保护状态数据,使其不受或很少受到对象外部的影响,因而对象具有较高的封装性和独立性,具有很好的模块化特点,实现对象重用和软件重用
组件技术为对象引用提供对象管理服务对象管理服务体系结构[5]提供公共对象服务、通用设施、领域接口和应用接口,为分布计算提供通用平台通过远程过程调用或对象引用机制,实现跨平台资源的透明互操作和协同计算,适用于传统的相对稳定的制造系统环境和企业应用程序组件之间通过接口进行交互,并主动提供服务,具有可重构性,可扩展性和半自治性的特点
代理技术进一步加强了对象的自治性,还具有反应性、能动性、自学习性和社会性等特点[6,7]自治性是代理最基本的特性自治性使代理一旦启动运行,无需用户直接干预能独立执行代理控制着自己的外部行为和内部状态管理者通过授权可以使代理进行决策,完成事务处理反应性使代理能感知和作用所处的环境,如物理实体、用户图形接口或其他的代理集等,并对环境改变及时做出响应,遇到例外情况时可以及时采取措施
能动性使代理以目标为导向,不是被动地接受指令要求,而是采取主动,不断地探测环境,根据目标导向来调整策略,适时地对自身系统行为做出调整,而不是等待环境的变化通过能动性,系统只是接受高层次的要求,决定如何满足目标和协调策略,使系统能动地对环境变化做出快速响应,提高系统的.敏捷性
自学习性使代理能够从过去的执行情况中不断学习,以指导未来的行为代理能从大量历史数据中发现用户的需求或系统状态
社会性使代理与其他代理通信协调,积极参与合作,在目标导向下协作完成一些复杂任务从而形成代理社会这种社会性大大地分散了系统运行的数据和控制逻辑,系统具有更加开放的性能
2.2 基于多代理的制造系统建模框架
在基于过程的建模方法基础上,结合多代理技术,笔者提出基于多代理的制造系统建模框架。该框架采用了3个不同维度来描述基于多代理的制造系统模型,它们分别是对象自治性层次维、软件生命周期维和视图模型组维对象自治性层次维分为被动对象、主动对象和智能代理3种类型软件生命周期维分为需求定义、系统设计和系统实现3个不同阶段视图模型组维采用面向对象的方法建立多个视图模型,例如数据视图、功能视图、资源视图和组织视图等并以目标视图为导向,以过程模型为核心,用过程模型来描述这些视图的逻辑关系和约束规则
该模型还有以下显著特点:
①增加了对象自治性层次维,整个系统是由多个对象、组件和智能代理组成的集合被动对象是指封装状态集和方法集而没有自我控制线程的抽象实体,通常表现为简单对象主动对象是指封装状态集和方法集并具有自我控制线程的对象,通常表现为服务端或Web服务(Web Service),以及基于对象引用的各类组件智能代理是指智能的自治性对象
②视图维中增加了目标视图:目标视图利用目标层次结构树,描述制造系统的目标层次,并通过细化,达到目标策略控制的目的由于多个代理以目标导向来指导自己的行为,并与其他代理协调完成共同目标,所以目标视图在多代理系统中的作用尤为突出
③生命周期维中保证构件的一致性:在建模工具系统中,模型的分析、设计与实现3个生命周期阶段的构件(artifact)必须保证在上一阶段表达的每个构件语义在下一阶段能够找到相应的语义表达,从而维持各个构件在分析、设计和实现阶段中模型的一致性
④系统建模框架独立于软件实现方法和实现语言
2.3 多代理软件实现
基于上述框架,在应用开发中采用了多代理软件实现方法[8~10],其系统分析与设计如图3所示
此方法的主要步骤说明如下:
①根据制造系统实际需求分析确定应用系统的总体目标,进行目标分解,建立目标层次结构树
②由需求分析确定系统边界,建立应用系统的高层用例,并用用例的交互图来描述
③细化应用用例,明确各个用例涉及的角色和对象之间的交互
④采用多层体系结构应用系统,平衡各层功能,分析被动对象、主动对象和智能代理,以此建立类层次结构
⑤对各个类进行精化,建立相应的协议图、过程图和交互图
⑥组装各个对象,建立系统的应用框架
⑦应用特定平台和编程语言实现各个构件
3. 结 语
在基于多代理的制造系统建模框架中,智能代理具有比对象和组件更强的自治性和智能性,能够实现系统应用的分散控制和智能控制目标视图能够协调多个代理共同完成任务而基于代理的软件实现提供为制造系统应用开发提供了新的途径
参考文献:
[ 1 ] ESPRIT Consortium AMICE.CIMOSA: open system architecture for CIM[M]. Berlin: Springer, 1993.13-157.
[ 2 ] Scheer A W.ARIS-business process framework[ M]. Berlin: Springer, .1-131.
[ 3 ] Scheer A W.ARIS-business process modeling[M]. Berlin: Springer, 1999.1-176.
[ 4 ] Workflow Management Coalition. The workflow reference model[EB/OL]. http:∥www.wfmc.org, 1994.
[ 5 ] Object Management Group. Common services specification [EB/OL]. http:∥www.omg.org, 1999.
[ 6 ] FIPA-Foundation for Intelligent Physical Agent. Agent speci
fication[EB/OL]. http:∥www.fipa.org, 1999.
[ 7 ] Wooldridge M,Ciancarini P.Agent-oriented software engineering: the state of art [A]. www.51lunwen.org/doctor_degree.html Proceeding of the First International Workshop[C]. Berlin:Springer, .1-28.
[ 8 ] Odell J, Bauer B. Representing agent interaction protocols in UML[A].Proceeding of the First International Workshop [C]. Berlin: Springer, 2000. 121-140.
[ 9 ] Booch G, Rumbaugh J, Jacoboson I.The unified modeling language user guide[M]. Lakewood: Addison-Wesley, 1999.85-244.
“探究→建模”与“建模→探究” 篇3
关键词：建模；拓展；应用；联想；创新思维
义务教育阶段的初中数学课程强调从学生已有的经验出发，让学生亲身经历探究活动，体验数学发现和创造的历程． 教师就要善于给学生创设思维空间，引导学生在学习的过程中敢于质疑、勤于反思、善于拓展、大胆联想，不拘泥于套用一种模型，学会多角度、多层次地审视问题，在建模解题过程中锻炼学生思维的灵活性，提高学生的分析问题的能力． 本文尝试把鲜活的2011年中考数学试题编拟到课堂教学设计中，挖掘中考试题所蕴涵的创新教育功能，拓展学生的认知水平，激发起学生的创造性思维意识． 尝试先探究后建模与先建模后探究二种教学形式对矩形周长最小值问题的处理策略进行剖析，就此抛砖引玉为同行教学提供参考．
探究→建模
1. 观察计算、引导学生思考
例1?摇（德州市2011年中考数学第22题）
当a=5，b=3时，与的大小关系是__________．
当a=4，b=4时， 与的大小关系是__________．
解析?摇由特殊值引导学生思考、创设辨识问题情境、强化辨异对比、引导学生去认识究竟a，b满足什么条件时才能判断与的大小关系．
2. 探究证明、寻求规律
如图1所示，△ABC为圆O的内接三角形，AB为直径，过C作CD⊥AB于D，设AD=a，BD=b．
（1）分别用a，b表示线段OC，CD；
（2）探求OC与CD表达式之间存在的关系（用含a，b的式子表示）．
解析：由表及里、究根问底，由代数不等式问题迁移至圆的相关问题，摆脱不等式解法的定式，发挥想象，引导学生善于识别具有本质的因素，把不等式的数量关系转化到线段OC与OD长，展开探究．
（1）如图1，OC=，有△ACD∽△CBD，所以=. 即CD2=AD·BD=ab，所以CD=.
（2）当a=b时，OC=CD， =；a≠b时，OC>CD， >．
3. 归纳结论、建立模型
根据上面的观察计算、探究证明，你能得出与的大小关系是：__________．
解析：数学教学的真谛不在于全盘授予，而在于教会学生自主探究.一堂高效的数学课，不是教师个性能力的体现，而是学生感悟和参与的过程，在学生主动探究、证明推理的过程中感悟与的大小关系，即≥．
4. 实践应用
要制作面积为1平方米的长方形镜框，直接利用探究得出的结论，求出镜框周长的最小值．
解析：从知识的掌握到知识的应用不是自然而成的简单运算，数学的应用意识只有在充分、有意识的训练基础上，学会从烦乱的数学问题中抽象出恰当的数学模型．
设长方形一边长为x米，则另一边长为米，设镜框周长为l米，则l=2·x+ ≥4=4． 当x=，即x=1（米）时，镜框周长最小． 此时四边形为正方形时，周长最小为4米.
建模→探究
1. 创设问题情境
例2 （南京市2011年中考数学第28题）
已知矩形的面积为a（a为常数，a＞0），当该矩形的长为多少时，它的周长最小？最小值是多少？
2. 转化问题，给出数学模型
设该矩形的长为x，周长为y，则y与x的函数关系式为y=2x+（x＞0）．
解析：突破传统，上题是通过探究得出不等式模型，再求解，本题大胆猜想打破思维的固有模式，直接给出函数模型求解矩形的最小值问题．
3. 寻根究底、大胆探究
（1）我们可以借鉴以前研究函数的经验，先探索函数y=x+（x＞0）的图象性质．
①填写下表，在图1上作出函数的图象.
②观察图象，写出该函数两条不同类型的性质；
③在求二次函数y=ax＋bx＋c（a≠0）的最大（小）值时，除了通过观察图象，还可以通过配方得到．请你通过配方求函数y=x+（x＞0）的最小值．
解析：引导学生大胆猜想，通过先建模再探究，类比求二次函数最大（小）值的方法，大胆猜想对新的问题能合理地选择有效的手段和策略，灵活运用所学的函数知识和配方法、图象法进行探索研究，既体现了数形结合思想，又体现了转化的数学思想，深刻领会函数解析式与函数图象之间的联系．理清解决问题的思路后搭好探究的大方向，引导学生创造性地解决问题，通过不断的探索、总结、反思从图象的最低点处，发现图象最小值的含义，达到理性升华．
①，，，2，，，．
函数y=x+（x>0）的图象如图3．
②当0
③y=x+=（）2+2＝（）2+2－2·+2··=－2+2． 当－=0时，即x=1时，函数y=x+（x>0）的最小值为2．
4. 解决问题
（2）用上述方法解决“问题情境”中的问题，直接写出答案．
解析：从理性证明推理过渡到正确应用，解决“问题情境”中的问题，即当该矩形的长为时，它的周长最小，最小值为4．
数学建模要教什么
1. 淡化形式、注重实质
数学建模是数学的基本方法之一，在数学建模教学过程中，淡化建模的形式化、套路化，要强调对数学本质的认识，不管建模顺序先后，教学中应用“教者有意，学者无心”的形式，用建模解决问题的形式潜移默化地影响学生，使学生有意识地领会建模思想达到孕育建模的境界． 在建模过程中学生学到解决问题的方法，体验到知识的产生过程，发挥学生学习的自主性、主动性．
2. 教会学生探究与交流
新课程倡导数学学习的过程应该表现为一个探索与交流的过程，在探究的过程中形成自己对数学的理解，引导学生通过建模教学对数学问题要一题多解，追根溯源、横向类比、巧妙转化，强化数学体验，要时刻引导学生通过设计“问题链”、主动构知识，只有通过自身经历和再创造的做，帮助学生逐步形成和发展数学的应用意识. 数学教学已经不是机械化的解题教学，而是通过“随风潜入夜，润物细无声”式的教学模式，引导学生在探究中感悟、理解，启发学生在充分展示思考问题的思维过程中相互探讨、改正错误、完善解题过程，增强师生、生生之间的信息交流，鼓励学生通过建模积极思考，主动进行知识的有效延伸和拓展．
3. 培养创新思维能力
数学教学的核心是培养学生的创新思维能力，学起于思、思起于疑，疑则激发创新． 本案例对于同一问题从不同角度建模，从不等式建模到函数建模，激发学生在质疑、探索和求异中有所发现和创新，体会数学建模是桥梁.在教师合理设计和组织下，抓住教学契机让学生思维飞扬，跨越思维障碍，引向纵深，推向高潮. 经历艰难曲折的思维过程才能提高思维层次，发展思维能力，建模过程就是数学思维的碰撞与整合的过程，是认知策略与学习策略的形成、改变与完善的过程，数学建模是数学思维的活动．
跨境电子商务标准体系建模研究 篇4
跨境电子商务起源于2005年前后发展起来的“小额贸易”[1]。这是一种区别于传统国际贸易形态的进出口交易方式,买方多为个人,交易通过互联网完成,具有交易量小、金额少的特点,并且大多通过快件、邮件小包的形式运输。随着互联网技术和电子商务的发展,跨境电子商务的规模逐渐扩大,模式也逐渐成熟,形式也逐步多样化,目前通常提到的跨境电子商务是指“分属不同关境的交易主体,在电子商务平台达成交易、进行网络支付结算,通过跨境物流送达商品、完成交易的一种国际商业活动”[2]。
近年来,国内传统外贸持续低迷,但跨境电子商务贸易呈现持续稳步增长态势,已成为我国国际贸易的发展趋势和国民经济新的增长点。据CNNIC数据显示,2015年我国跨境网购规模为571.3亿美元,占全国网络零售交易额10%,同比增长90%。2016年这一规模将突破800亿美元,同比增长50.1%,超过全国网络零售规模增速。随着国家“一带一路”战略的不断推进和实施,跨境电子商务在拉动内需、促进全面创业等方面将发挥越来越重要的作用,跨境电子商务已经上升为国家性的战略。国务院办公厅印发的《关于促进进出口稳增长、调结构的若干意见》中明确要求“积极研究以跨境电子商务方式出口货物所遇到的海关监管、退税、检验、外汇收支、统计等问题,完善相关政策,抓紧在有条件的地方先行试点,推动跨境电子商务的发展”。商务部、国家发改委、海关总署等九大部门共同出台了《关于实施支持跨境电子商务零售出口有关政策的意见》,对跨境电子商务在海关、检验、结汇、支付、税收以及信用方面给出了政策支持。为充分发挥跨境电子商务优势,用新模式为外贸发展提供新支撑,助推供给侧结构性改革,国务院相继批复在杭州、上海、深圳等13个城市设立跨境电子商务综合实验区,开展单一窗口等贸易便利化项目建设。为统筹指导我国贸易便利化工作,国务院还专门建立了贸易便利化工作部际联席会议制度。这些政策措施的出台,将有力促进我国跨境电商的快速、健康发展。
但是,由于跨境电子商务是一种新型的交易方式,在通关监管、检验检疫、外汇管理、税收管理、专项统计等环节,均没有针对性的通关模式和标准规范对其进行支撑,无论是管理模式还是服务模式都无法满足跨境电子商务发展的需要。另外,由于跨境电子商务的多边化,参与主体的虚拟化,跨境电子商务交易的信用问题突出,虚假宣传、销售假冒伪劣商品、侵犯知识产权、非法交易及欺诈行为时有发生,而对于跨境电子商务涉及的交易、服务以及消费者权益保障等方面并没有专门的规范和标准,制约了跨境电子商务的健康发展。因此本文试图从跨境电子商务生态的角度,研究建立跨境电子商务的标准体系模型,对跨境电子商务的标准化建设进行宏观设计和顶层规划。
2 跨境电子商务标准化现状
在国际上,国际标准化组织ISO/TC154等在电子商务数据元、数据结构、单证格式、业务过程、核心构件和业务信息实体库的标准化研究方面取得了重大突破,为电子商务信息和业务标准化提供了基础。世界贸易组织WTO、世界海关组织WCO、UN/CEFACT等为制定国际贸易便利化方面的协调机制、国际公约及国际标准做出了贡献。以UN/CEFACT为例,该组织负责贸易便利化技术层面的工作和贸易便利化协调机制的建立,其研究成果已在世界多个国家和地区的“单一窗口”建设中得到推广应用。
我国电子商务标准化在各相关方推动下也已经取得了一定成果。首先,我国已经构建了较为完善的标准化组织体系。2007年,国家标准化管理委员会批准成立了国家电子商务标准化总体组,负责协调我国电子商务标准化工作的总体规划和组织制定电子商务国家标准。2013年,总体组完成改组,并提出了“国家电子商务标准体系”的规划,其中涉及跨境电商标准规划的重要内容[3]。“十二五”期间,在国家科技支撑计划项目和国家电子商务示范城市试点项目的支持下,我国在可信交易环境、产品信息描述、贸易便利化等相关领域的标准制定方面取得了较多成果。特别是在贸易便利化标准研制方面,我国一直紧跟联合国贸易便利化与电子业务中心UN/CEFACT,开展贸易便利化及单一窗口相关标准研究,运用UN/CEFACT理论结合我国的实际,已经发布一系列国家标准。这些成果在一定程度上为我国跨境电子商务的规范健康发展提供了支撑,尤其为我国建设跨境电商“单一窗口”提供了基础标准支撑。
3 跨境电子商务标准体系模型
跨境电子商务具有多边化、直接化、小批量和数字化的特点,这些特点决定了跨境电子商务与传统的国际贸易形势有所不同,这也就造成了传统国际贸易所适用的标准规范、服务和管理模式对跨境电子商务不能完全适用,从而导致了跨境电子商务发展中的一些瓶颈问题:
(1)跨境电子商务交易中存在的多语言、多文化现象,造成了基础信息的不规范、不统一。跨境电子商务的交易已经不再只是通过具有丰富外贸经验的代理公司,普通的商家甚至个人也可以通过电子商务平台进行交易,但是这就出现了由于文化背景差异、语言不统一、分类描述习惯差异、理解歧义而导致的各类消费纠纷,造成了企业营销成本的提高。
(2)跨境电子商务交易环境不成熟,这主要表现在交易主体信用难保证,交易欺诈和纠纷频发;交易产品的质量参差不齐,产品追溯困难;交易方对交易风险防范和控制不足;电子交易凭证缺乏规范,取证求证难。
(3)在业务流程方面,跨境电子商务交易产业链关键环节业务流程不规范、数据格式不统一,造成了信息难以互联互通、交易效率低、企业交易成本高。
(4)在服务和管理方面,一方面国内各地区虽然纷纷开展了单一窗口的建设,但是由于标准不统一、标准与国际不接轨等造成了系统重复建设,不断形成新的信息孤岛;另一方面,出口企业信息多口径填报、产品备案数据缺失导致通关效率低、产品监管追溯难。
跨境电子商务是顺应市场的发展和互联网技术的深入应用发展而来,尚没有成熟的理论研究方法可以借鉴,同时跨境电子商务领域尚无标准体系的整体框架,在国家级层面也缺乏针对性的顶层设计。因此,本文从实际问题出发,分析了跨境电子商务基础信息、支撑环境、业务流程和服务监管等多层次对标准化的需求,设计了跨境电子商务标准体系模型,如图1所示。
本文建立的跨境电子商务标准体系模型共分为基础信息层、支撑环境层、业务流程层和服务管理层。
因此,本文将跨境电子商务标准体系分为以下5部分。
(1)总体标准
主要包括跨境电子商务标准化的基本原则、方法、内容和有关术语等方面的标准,如:国际贸易便利化术语、跨境电子商务标准体系指南。
(2)基础信息
主要包括跨境电子商务多语种产品分类与命名和跨境电子商务多语种产品信息描述两大模块,主要针对我国出口量大、产业优势强的主要产品,选择主要跨境出口贸易国的文化和语言,开展多语言的产品分类命名、信息描述及关键指标的描述,如:陶瓷、茶叶等中国特色出口产品的多语言产品分类命名以及信息描述规范等。
(3)支撑环境
从对跨境电子商务交易环境的支撑角度进行标准规范,主要包括跨境电子商务交易的主体(身份)、客体(质量)、交易凭证和交易纠纷等方面的相关标准。如:跨境电子商务出口经营主体备案规范、跨境电子商务产品质量追溯规范、电子发票基础信息规范、跨境电子商务风险防范与控制规范和跨境电子商务纠纷维权信息单证规范等。
(4)业务流程
包括订单处理、物流、汇付和检验检疫等跨境电子商务关键业务环节的相关标准。如:跨境电子商务订单处理流程规范、跨境电子商务业务汇付通知数据规范、跨境电子商务货运代理数据规范、跨境电子商务检验检疫数据交换电子证书数据规范。
(5)服务管理
主要包括单一窗口建设和跨境电子商务的服务管理与评价两个方面。如:国际贸易单一窗口建设指南、国际贸易程序便利化指南、跨境电子商务服务规范、跨境电子商务平台服务质量评价等。
4 结语
本文从基础信息、支撑环境、业务流程和服务管理4个层面对跨境电子商务标准进行了设计和规划,随着这些标准研究和应用的展开,能够有效支撑我国跨境电子商务高速发展对标准化的需求,尤其是对构建我国与国际接轨的贸易便利化“单一窗口”,推动我国外贸持续、稳定和健康发展,发挥重要作用。
摘要：本文在分析我国跨境电子商务标准化研究现状的基础上,从基础信息、支撑环境、业务流程和服务管理4个层次分析跨境电子商务的标准需求,建立了多层次的跨境电子商务标准体系模型。最后结合我国现状,提出了跨境电子商务标准体系建设的构想。
关键词：跨境电子商务,标准化,标准体系
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体系建模 篇5
1 Petri网
Petri网是一个双重有向图, 有两类节点类型, 称为库所P (place) 和变迁T (transition) , 库所用于描述可能的系统局部状态;变迁用于描述修改系统状态的事件。库所可以包含零个或者多个托肯 (token) , 系统的动态特性使用token标识, token表示为包含在库所节点中的圆点, 它们在库所中的动态变化表示了系统的不同状态。Petri网基本图符和基本结构如图1所示[6]。
定义2对于任一库所pi, pi包含的托肯数目为k (k=0, 1, 2, …) , 记M (pi) =k.所有库所的托肯数的集合称为状态, 也称为标识, 并记为M={M (p0) , M (p1) , …, M (pn) }。
定义3 (点火规则) 设Petri网N= (P, T, F, M0) , 标识M授权t发生, 则变迁t在M上可以启动, 从M发生变迁t得到新的标识M′, 并且
2 预警卫星系统作战体系结构动态行为建模
DoDAF1.0中定义了作战体系结构 (OV) 、系统体系结构 (SV) 和技术体系结构 (TV) , 用这三个不同的侧面来描述系统体系结构[3]。其中作战体系结构设计的任务是确定系统的作战任务、作战行动和作战要素完成军事作战要求的信息流。与之对应的作战视图主要有作战概念图OV-1、作战节点连接描述OV-2、作战节点信息交换矩阵OV-3、组织关系图OV-4、作战活动模型OV-5、作战规则模型OV-6a、作战状态转换描述OV-6b、作战事件跟踪描述OV-6c、逻辑数据描述OV-7等九个方面。其中OV-5和OV-6是描述作战体系结构的动态行为产品。本文主要以弹道导弹早期预警与概略引导场景为例, 构建预警卫星系统OV-6c和OV-6b, 以描述预警卫星系统体系结构的时序关系、信息流关系、接口关系以及状态变化。
2.1 预警卫星系统作战过程描述
预警卫星系统由指挥中心、空间预警卫星、通信系统、固定地面站、移动地面站等组成。指挥中心主要负责整个系统作战的全局规划和指挥;空间预警卫星装载红外探测器和可见光探测器等遥感装置, 根据固定地面站的控制指令对指定区域的弹道导弹发射进行探测监视;通信系统作为整个系统的神经中枢, 负责地面站和空间预警卫星之间的数据传送;固定地面站是整个系统的核心, 主要负责对空间预警卫星的调度和情报数据的处理与分发;移动地面站主要负责接收和处理特定区域卫星的情报数据。
弹道导弹早期预警与概略引导场景作战流程简述如下[7,8]:预警卫星系统指挥中心根据上级命令下达反导预警任务, 空间预警卫星的星载探测器根据任务指令进行扫描探测以捕获导弹尾焰辐射信息, 当发现可疑目标时, 调用卫星凝视相机进行精确跟踪, 并将数据实时传送到地面站, 地面站根据测量参数对目标进行识别判断, 生成多级情报数据和实时战场态势, 指挥中心根据战场态势下达作战计划, 地面站根据作战计划制定相应的情报分发策略, 对远程预警雷达以及拦截系统等进行引导, 从而完成早期预警和概略引导的目的。
本文根据功能将固定地面站分解为信息处理系统、情报综合系统、任务管控系统和情报收发系统等四部分。其作战流程为:在反导预警任务的指引下, 情报收发系统对接收到的卫星下传数据进行解密解码处理, 将所得探测数据送至信息处理系统, 信息处理系统对探测数据进行信息处理, 将所得目标信息传给情报综合系统进行情报综合处理, 得到预警信息。任务管控系统根据预警信息生成战场态势并对预警卫星载荷进行实时调度, 指挥中心收到战场态势后制定相应作战计划, 任务管控系统根据作战计划生成情报分发策略, 情报收发系统根据情报分发策略向相应的基地和部门传送预警信息以及引导信息等, 情报收发系统收到任务结束命令后地面站进入结束状态。
2.2 预警卫星系统作战体系结构关键产品建模
以弹道导弹早期预警与概略引导为例, 根据预警卫星系统作战流程分析, 建立的作战事件跟踪描述OV-6c如图2所示, 图中虚线表示的节点为外部节点。由于作战节点之间的信息交换关系是由节点完成的作战活动引起的, 信息的产生和消耗都是由作战活动完成的[9], 因此笔者在此将OV-5中的作战活动引入OV-6c, 以便更清楚地刻画系统之间信息交换的原因, 从而更好地对其进行建模描述, 所以在生命线上添加了表示活动的建模元素以此描述节点上特定的活动。从图中可以看出, 移动地面站和固定地面站的区别主要在于:移动地面站只负责接收卫星数据, 不具备卫星载荷调度功能。
OV-6b主要以OV-6c为依据, OV-6b与OV-6c的关系如下[1,10]: (1) OV-6b中的作战节点对应于OV-6c描绘的场景中的作战节点; (2) OV-6b中的各状态转变响应的事件对应于OV-6c中相同作战节点接收信息的事件序列; (3) OV-6b中的作战状态转变表示以OV-6c中的事件序列为基础的作战活动序列。依据上述关系, 以作战节点为单位建立的预警卫星系统作战状态转换OV-6b如图3所示。由于上级机关节点、弹道导弹节点和地基预警雷达节点是外部节点, 其状态转换在此不再描述。
3 基于Petri网的作战状态转换模型逻辑一致性验证
由于OV-6b只是对预警卫星系统动态行为的静态描述, 是不可执行的, 还需结合其它评估模型对体系进行评估。本文采用Petri网对预警卫星系统OV-6b进行转换, 以此分析体系结构的时序关系、信息流关系和接口关系的合理性, 验证系统功能是否满足需求, 以及各类模型的正确性和可行性。
作战状态转换描述映射为Petri网模型的规则简述如下:各节点作战状态转换描述中的作战状态对应相应节点Petri网模型中的库所, 节点接收事件对应相应节点Petri网模型中的变迁。
根据转换规则和各作战节点的作战状态转换描述OV-6c模型, 构建的各个作战节点作战状态转换的Petri网模型如图4所示, 各Petri网模型对应的可达图如图5所示, Petri网模型中库所和变迁的含义如表1所示。
从可达图中可以得到各个作战节点状态转换的Petri网模型的特性: (1) 各Petri网模型均是安全的、有界的, 因为可达图中没有出现n, 只有0和1; (2) 各Petri网模型中的每个标识均是可达的; (3) 各Petri网模型均是活的, 不存在死锁。因为各模型可达图中出度为0的叶节点分别是M1-4、M2-5、M3-7和M4-7, 且M1-4 (o) =1, M2-5 (o) =1, M3-7 (o) =1和M4-7 (o) =1, 不符合Petri网的死锁定义, 所以该Petri网不会发生死锁。
从可达图中可以看出各Petri模型中存在着冲突:
(1) 在M1-2标识会同时触发两个转移t1-2和t1-3而到达M1-3标识, 在M1-3标识会同时触发两个转移t1-4和t1-5, 分别到达M1-2和M1-4, 这两类冲突是相关联的, 指挥中心接收到战场态势和引导结果后, 均会进入作战指挥状态, 但是战场态势t1-2引发的作战指挥生成的结果是作战计划t1-4, 而引导结果t1-3引发的作战指挥生成的结果是任务结束命令t1-5。这类冲突可以由指挥中心指挥员的主观判断解决;
(2) 在M2-1标识会同时触发两个转移t2-1和t2-2而到达M2-2标识, 空间预警卫星只有感受到导弹尾焰才能产生扫描数据, 因此转移t2-1在转移t2-2之前发生;在M2-3标识会同时触发两个转移t2-4和t2-5, 分别到达M2-4标识和M2-1标识, 空间预警卫星只有收到载荷调度指令才会转到目标跟踪状态, 否则仍然转到目标搜索状态;在M2-4标识会同时触发两个转移t2-6和t2-7, 分别到达M2-5标识和M2-2标识, 空间预警卫星在收到任务结束命令之前, 会一直进行凝视跟踪, 并不断对跟踪数据进行处理和传送至地面站, 一旦收到任务结束命令, 系统会自动进入常态模式。上述这些冲突由系统的自动优先程序解决;
(3) 在M3-1标识会同时触发四个转移t3-1、t3-2、t3-3和t3-4, 分别到达M3-1标识、M3-2标识、M3-5标识和M3-7标识, 固定地面站只有收到卫星传送的加密数据后才会得到解密的探测数据, 同样只有地面站生成战场态势后, 才会收到作战计划以及任务结束指令, 固定地面站操作员会根据信息的优先级来确定点火的发生顺序;在M3-5标识会同时触发三个转移t3-8、t3-9和t3-10, 分别到达M3-1标识、M3-6标识和M3-1标识, 在收到作战计划之前, 地面站会继续接收卫星下传的加密数据, 收到作战计划后, 地面站将生成情报分发策略进入概略引导状态, 一旦收到任务结束指令后, 系统进入结束状态, 由指挥员根据信息的优先级确定点火的发生顺序。上述两类冲突由固定地面站操作员的主观判断解决。移动地面站中的冲突和固定地面站中的冲突类似。
综上分析可知, 本文构建的各Petri网模型是一个具有可达性、有界性、活性的网, 根据Petri网理论[6,11], 具有这些特性的Petri网是合理的、可行的, 虽然存在着冲突, 但可以通过操作人员的主观判断或系统的自动优先程序进行化解。由此可得, 本文基于DoDAF构建的预警卫星系统作战状态转换描述在逻辑上是合理的、正确的。
4 结束语
预警卫星系统是弹道导弹防御系统的重要组成部分, 建立预警卫星系统作战体系结构对于明确军事需求和预警卫星系统效能评估具有重要的意义。本文在DoDAF的指导下, 从作战事件跟踪描述和作战状态转换描述两个方面对复杂预警卫星系统作战过程的时序、信息流以及状态变换进行了描述分析, 并构建了作战状态转换的Petri网模型及相应的可达图, 验证了本文设计模型的逻辑合理性和正确性。该模型直观易懂、便于理解, 对加强预警卫星系统顶层设计有着重要作用。
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基于认知体系的自适应行为建模方法 篇6
然而,传统自适应行为建模方法将适应性过程限制在有限范围内,并需要进行预先规划。但环境的不确定性、不可预知性和复杂性,迫切要求自适应具有预见性。特别是在在机器人应用领域,国内外学者和研究机构提出了基于模糊算法、模糊神经网络算法、遗传算法、进化神经网络算法等自适应行为建模方法[4,5,6],一些建立在认知体系结构之上[7,8,9]。SOAR(state operator and result)[10,11,12,13]相对于其他方法不仅提供了通用的描述规则和推理引擎,同时还提供了规划、学习等高级功能,能帮助用户高效地实现行为建模。
本文将SOAR认知体系引入到移动机器人[14,15,16]自适应行为建模研究当中,通过SOAR的规则系统、认知决策处理能力建立了自适应行为模型,文中介绍了SOAR的基本架构、推理机制等,然后在此基础上建立自适应行为模型,实现了移动机器人的自适应行为模型,取得了较好的仿真效果。
1 认知体系
1.1 SOAR简介
认知体系是将人的认知思维信息处理过程利用软件实现的系统,是从感知输入到复杂问题求解的过程,是研究人脑和心智工作机制的前沿尖端学科,引起了全世界科学家的广泛关注。
SOAR是由美国密歇根大学人工智能实验室开发的一种用于构造通用智能系统的体系架构,是目前最先进的认知体系,代表了人类认知的最高水平。SOAR的设计思想是基于这样的一个假设:任何一个有确定目标的行为可以分解为针对某一状态(state)下的一系列算子(operator)选择和算子应用的过程。在此,目标可以被描述成一个所求解问题的期望结果,状态(state)则表示所求解问题的状态,算子(operator)则被用来将一个状态转换成另外一个状态,通常可理解为一个动作。解决问题时,SOAR重复如下过程:提出算子、选择算子和应用算子,直到达到所求解的问题目标。
SOAR是不断将操作符应用到当前状态实现状态转移直到达到目标状态的过程。因此,问题空间建模和操作符建模是实现自适应行为建模的最基本部分,SOAR之所以能成为目前与人类问题处理方式最接近的认知体系,是因为在SOAR中除了可以进行问题空间和操作符的设计外,还能够实现冲突消解和进行自学习,是一种能够同时利用反应式和慎思式方式进行问题处理的模型。
1.2 SOAR进行决策推理的步骤
SOAR认知系统是一种基于状态、操作符和规则进行问题处理的系统。规则以产生式的形式存在,其中包含问题解决知识,可以直接被使用者访问,并且使用Rete算法快速有效的进行匹配,采用反向推理的策略,用四个循环阶段控制扫描规则:
Step1:匹配。自顶向下顺序扫描知识库中的规则,搜索满足当前状态条件的规则,确定匹配目标;
Step2:选择。当有多条规则匹配当前状态时,根据之前指定的优先级准则,选择优先级最高的规则;
Step3:触发。激活被选择的规则,调用该规则的所有动作指令;
Step4:动作。通过输出模块将动作指令输出给外部执行机构,完成相应的动作。
SOAR认知架构由各种内存记忆模块、问题处理模块、学习模块和感知输入、动作输出接口组成。其中内存记忆模块包括长期记忆和工作记忆两部分。长期记忆又是由程序性记忆(存放产生式规则)、语义性记忆(事实对象)、情景性记忆(经历的情景)组成,工作记忆既可以以存放当前问题的状态信息,又是认知决策处理中心。决策处理时,输入模块接收外部感知信息,感知输入信息对当前状态进行描述和细分;根据当前状态信息匹配满足条件的规则,提出候选操作;根据操作符的优先级从候选中选出合适的操作符,应用已选操作符触发动作执行规则,输出执行指令,改变环境状态,完成一个决策执行周期。循环进行从感知输入到决策输出的过程,直到达到目标状态。状态信息以标识符^属性-值(identifier^attribute value)三元组的形式表示成工作内存元素存储在工作内存中。认知处理部分与记忆模块进行知识交互,完成状态创建、决策制定、规划和学习等任务。
1.3 SOAR子目标产生机制
当问题处在动态多变的环境时,可能会遇到方案之外的新问题,如果没有足够的知识,系统会一直处于死锁状态,无法完成任务。因此,能否进行冲突消解和是否具有学习能力将是检验一个系统是否具有智能的重要标准。
当系统处于死锁状态时,SOAR会自动产生子目标状态进行冲突消解,子状态将继承父状态的所有信息,并添加有助于问题解决的新属性,比如冲突的类型,和冲突的原因等。认知体系将根据这些信息,通过解决相关子目标来实现最终任务。SOAR中的组块学习机制会将子目标的解决过程进行总结,并以规则的形式存储到产生式内存中,当遇到类似情况时,直接触发规则进行处理。冲突时子目标和组块的使用体现了SOAR从慎思到反应式的问题处理方式的转变,提高了问题处理效率。
2 机器人自适应行为模型的构建
利用SOAR认知体系进行自适应行为建模主要包括问题空间[17]的建模、操作符建模和学习建模等几部分,在基本模块建模的基础上加上强化学习等学习机制不仅能提高问题的求解效率,还能对问题处理过程进行分析以形成较优的行为策略。最后将这种建模方法应用到移动机器人的行为选择中进行验证。要求移动机器人能在障碍物随机分布的空间中,无碰撞的从任意的初始位置到指定的目标位置。
2.1 问题空间的设计
不同任务对应不同的问题空间,问题空间是对问题任务的描述。问题空间的设计包括任务的初始状态以及期望达到的目标状态的描述。问题空间设计的合理性将影响到问题处理的复杂性。
机器人在往目标移动的过程中,由于空间中有随机分布的障碍物,而且机器人主要是对环境中的障碍物信息进行检测,因此会感知到两种不同的环境信息,有或没有障碍物。为协调不同环境状态下的信息以完成目标任务,可以在原始问题空间的基础上,利用不同的环境状态信息将问题空间分解为避障和趋向目标两个子空间,并在各自问题空间中完成各自的子任务,各子任务协调完成总目标任务。当机器人感知到周围存在障碍物并可能会阻碍其移动时,会切换到避障问题空间,执行避障子任务,如果没有检测到危险障碍物,此时机器人将在趋向目标的子问题空间中执行趋向目标任务。机器人将与环境不断交互,执行不同子任务,直到完成目标任务。
2.2 操作符建模
为能成功避开随机分布的障碍物,到达指定位置,机器人需要具有自由移动功能。而转向和移动功能是实现自由移动的必要条件,因此在本文设计的应用中,机器人需要具有转向不同方向并移动的能力。考虑机器人运动的灵活性和设计的方便性,为机器人设计了八个方向的转向运动功能,包括向前(forward)、右前(fright)、向右(right)、右后(bright)、向后(backward)、左后(bleft)、向左(left)、左前(fleft),每两个转向之间相差45°。八个运动方向的设计足以使机器人在运行空间中自由地调整运动方向。
利用2.1节中提出的问题空间分解的思想,并将合适的操作符应用到各子问题空间中,便可以实现任务分解[17]处理能力,减少问题处理的复杂度,提高执行效率。
3 强化学习[18,19]
在SOAR中,操作符的选择和应用是问题决策的关键。SOAR系统具有根据环境状态自适应选择执行动作的能力,不需要事先给定操作符执行序列。当某个状态下有多个操作符被提出时,SOAR能根据操作符的符号偏好或数值偏好从中选出最合适的操作符。
强化学习是将动作执行后从环境中获得的奖赏信号作为动作选择的依据,以取得最大期望奖赏的学习方法。它也是一种基于环境进行动作选择的方法,因此可以考虑将强化学习融入到利用认知体系建立的自适应行为建模,增加学习能力和动作选择的合理性。
值函数和回报函数是强化学习中两个重要的概念。在SOAR中,值函数以强化学习规则的形式存在,函数值(即Q值)将对应于操作符的数值偏好。这种对应关系说明了两者结合的可行性。
考虑到问题处理的实时性,每个动作执行完成后,要根据获得的奖赏更新Q值,本文将使用Sarsa方法更新每个操作符动作的Q值。
式中,s表示当前的状态,s’是下一个状态,o是当前的操作符,o’是作用到s’上的操作符,r是获得的奖赏值,α为学习速率,γ为未来奖赏折扣参数。在移动机器人应用中,取α=0.1,γ=0.9。
回报函数是动作执行后从环境中得到的立即奖赏。机器人往目标位置移动过程中,理想情况是每一次移动将更靠近目标,远离障碍物。基于上述分层任务实现的思想,针对避障和趋向目标两个子任务分别设计不同的回报函数。
在执行趋向目标任务时,如果靠近目标,则给与正奖赏,远离目标,给与负奖赏,到达目标位置时,将获得最大奖赏,回报函数设计如下:
式中,rg表示趋向目标时的奖赏,dg(t)表示t时刻机器人与目标的距离。
避障时,如果远离障碍物,则获得正奖赏;反之,受到惩罚,避障失败后将给与最大的惩罚。为了准确判断机器人与障碍物的位置关系,本文引入dmax和dmin两个参数,当机器人与障碍物的距离大于dmax,表示没有检测到障碍物,机器人处于安全状态,当距离在dmax和dmin之间时,说明检测到障碍物,需要执行避障,而当距离小于dmin,表示将要碰到障碍,避障失败。根据以上假设,在执行避障任务时,回报函数的设计如下:
式中,ro表示避障时的奖赏值,di(t)为t时刻机器人与要躲避的障碍物之间的距离。
机器人的总回报函数为避障与趋向目标任务下的回报函数加权和。定义如下:
式中,k是避障动作回报函数的权值,用来控制两种情况下的回报值在总回报中的权重。当检测到障碍物时,以r0为主,没有障碍物的情况下,只考虑rg。
4 仿真验证
仿真实验在一个有限平坦空间中进行,要求在未知的环境空间中,机器人能从初始位置自主无碰撞的到达指定位置。为有效的模拟机器人工作环境,我们将工作空间进行坐标化处理,根据每个周期机器人移动的距离,实时更新机器人当前所处的坐标位置。通过判断机器人邻近坐标位置是否有障碍物来模拟障碍物检测的过程。实现机器人与环境的不断交互,探索工作空间,进行自主认知决策。图4为机器人在未加入强化学习思想时的执行轨迹。其中红色五角星为目标位置点,黑色方框代表了空间中随机分布的障碍物,蓝色曲线表示机器人的探索轨迹。实验表明,在没有事先给出操作符执行序列的情况下,机器人能根据检测到的环境状态,自适应地选择执行动作。在运行方向上检测到障碍物后,能主动调整到没有障碍的方向上,当目标方向没有障碍物后,又能优先往目标方向移动。
强化学习的使用模拟了人类在多次执行同样问题时的自我总结反馈能力,本文在基本认知决策模型中加入强化学习思想,是任务执行过程中,能同时利用环境状态信息和获得的奖赏信号,作为动作选择的依据,减少了任务执行路线的波动范围。如果在往目标方向移动的过程中遇到障碍,则更倾向于选择左前、右前等小幅度调整运行角度的操作符,从而保证了往目标方向运行的总体趋势,减少了不必要的空间路径搜索,提高了问题的执行效率。图5显示的是在多次强化学习指导下的任务执行轨迹。
实验结果表明,使用SOAR认知体系可以自适应的进行行为选择,使机器人自主完成任务。强化学习的加入,明显提高了问题解决的效率,在一定程度上消除了问题处理过程中动作选择的盲目性。
5 结论
本文借助于认知体系进行行为建模,使系统能根据环境状态实时动态地选择执行动作,打破了传统的自适应行为需要预先规划操作符执行序列的缺点。在基本模型基础上,融入强化学习思想,优化了执行轨迹,使动作选择更具有合理性,得到了预期结果。
体系建模 篇7
关键词：数学建模思想,中职数学,教学,探索,实践
一、数学建模思想
数学模型实质上就是将现实中的实际问题用数字形式通过数学公式来进行描述,用图表、公式等数学符号来解决问题的这个过程,称之为建立数学模型. 具体而言,就是对现实生活中遇到的实际问题提炼成数学公式等,构建模型,然后进行求解并对模型进行合理性验证,最终通过求出的答案有效客观地解决实际问题.
二、目前的中职数学教学现状
传统的数学教育已逐渐被能力教育所取代,能力教育所注重的是学生数学素质的培养. 基于这种变化趋势,专家、学者以及中职院校的教育工作者开始关注以下问题: 如何改变传统的高数教学方式; 如何创新高等院校教学模式,如何使枯燥乏味的数学变得有趣,容易引起学生的兴趣,特别是数学基础差的学生; 如何借助于现代信息技术和计算机等工具,结合数学思想解决现实问题等. 特别是针对目前国内一些学校不重视数学教育、减少数学课时等现象的出现,急需更新数学教学理念,借助于数学建模来提高数学教学水平和增强学生学习积极性.
三、数学建模思想融入中职数学教学的平台建设
1. 更新教学内容
根据不同类专业需要选择不同层次的教学内容; 根据不同生源的情况进行不同模块的教学设计; 根据不同专业有选择性地区别设置必修课和选修课,以形成数学“知识、建模、文化”三位一体的数学教学体系. 体系的构建可以通过以下途径实现: 一是积极与任课教师和教学专家进行沟通,在充分调研分析的基础上选定教学内容. 二是借鉴国内外优秀专业教材,充分掌握数学在实际问题中的应用情况,对教学内容进行模块整合. 三是依托现代数学思想,丰富教学内容,优化教学质量. 如部分高校按照不同的专业实施模块化教学方式,主要是针对电信工程、土木建筑专业、财经类专业等开设基础、专业、拓展等不同模块的教学课程. 还有些学校依托生源不同类型,针对文理科不同生源的学生开设不同层次的教学课程.
2. 创新教学模式
中职数学教学中融入建模思想以及实践教学方法,可以有机融合数学知识、建模思想以及实践方式,形成具有中职院校特点的教学模式,即突出实践性与理论相结合的“教、学、做”一体化模式.
3. 改进教学方法
按照启发式、讨论式的教学原则,根据不同的教学内容,实施“问题驱动”策略. 可以通过讲授与研讨相结合、理论与实践相结合、文与图相结合、数与形相结合等多种形式,提高学生的学习积极性,使学生真正领悟出学习数学的奥秘和方法,将案例教学法和问题导向教学法充分运用到实际教学中去.
4. 优化教学手段
充分发挥课件教学与板书教学的不同优势,既可以通过课件的直观演示,也可以通过灵活的板书演讲,将教学内容生动形象地展示出来,同时也可以让学生通过实践环节感知数学,培养学习兴趣,丰富课堂教学形式.
5. 完善考评体系
改变传统的考试方式,通过强化教学过程,完善多元化的评价考核体系. 如数学理论笔试与数学实验操作相结合等多种形式,全方位地考核学生的知识、能力、素质.
四、数学建模思想融入中职数学教学的实践成效
1. 案例教学,注重创新思维
可以通过选择具有代表性的案例,强化建模思想,改进建模过程. 通过对某一问题的分析,根据主要特征,简化程序内容,将要素抽象为数学语言,构建数学模型,进而求解并给出有效解决方案. 通过案例教学法、讨论教学法等,提高学生的学习积极性,培养学生的创新精神和创新能力.
2. 强化载体,注重思维训练
加强对学生数学思维的训练,着眼于数学思想方法的运用. 通过遵循一定的教学过程,解决专业实际问题,有效提高数学教学水平和教学成效. 同时可以借助于教学网站等载体设置数学建模板块. 还可以重新编制教材,将实践模块加入其中.
3. 队伍建设,注重提升能力
通过鼓励教师积极参与科研立项等方式,加强教师队伍建设水平,提高教师的综合素质,使教师保持较高的学术造诣,掌握先进的教学方法,培养较强的指导能力,提升整体教学水平,为提升课程质量发挥主导作用.
4. 教学成果已在专业人才培养质量上得到显现
随着数学教学方式的改变,学生对课程的满意度明显提高,同时专业教师对学生的学习效果的满意度也在不断提高; 参加过建模竞赛的学生通常可以借助于这种思想优势提高其他方面的竞争力,最终培养较强的工作能力和不同工作岗位的适应能力.
五、总 结
体系建模 篇8
数控机床作为工作母机在机械加工制造业中得到了广泛的应用[1]。随着数控加工技术的迅猛发展,传统的数控加工方法已经无法满足现代产品多样化、个性化的需求,现代数控机床向着高速、高精、高效、复合和环保的方向发展,以满足加工行业对零件加工精度不断提高的要求和对零件加工高速高效的不断追求[2]。复合加工机床(Complex Machine Tools)也称之为完全加工机(Complete Machining Machine Tools),其基本含义就是要在单台复合加工机床上实现零件的大部分或全部工序的加工[3,4,5]。随着机械加工市场不断增加的对复合加工机床的需求,国际上复合加工机床将进入激烈的竞争时代。使复合加工技术[6]成为推动机床结构和制造工艺发展的一个新热点,成为数控加工中心发展的重要方向之一。经过国内外学者多年的努力,多体系统理论得到了充分的发展,其通用性、系统性和方便性都有显著的提高,将其应用于数控机床几何误差建模中会大大简化研究过程[7]。本文以双主轴五轴高速加工中心为研究对象,从影响机床加工精度的几何误差着手,对数控机床几何误差建模理论进行分析和研究。
1 五轴数控机床结构分析与描述
以德国巨浪的DZ08FX双主轴高速五轴加工中心为例,可建立如图所示的机床结构图和拓扑结构图,从图中可以看出该机床总共有13个运动部件,将其分为工件分支和刀具分支两个部分,由四条运动链组成,1-2-3-4-6-7链为床身-刀具分支1,1-2-3-4-5-8链为床身-刀具分支2,1-9-10-11链为床身-工件分支1,1-9-13-12链为床身-工件分支2。
1.床身;2.X导轨;3.Z导轨;4.Y导轨;5.第二主轴;6.第一主轴;7.刀具1;8.刀具2;9.A转台;10.C转台;11.工件1;12.工件2;13.C’转台
2 数控机床运动学模型的建立
根据刀具与工件的不同组合,该机床总共有3种加工模式。分别为刀具与第一主轴组合(B-T2-T3-T4-T6-T7)和(B-W9-W10-W11),称为加工模式一,刀具与第二主轴组合(B-T2-T3-T4-T5-T8)和(B-W9-W13-W12)称为加工模式二。同时加工两个相同零件,同时工作。刀具与工件组合,称为加工模式三。由于加工模式一和加工模式二的建模方法类似,因此本文仅以加工模式一为例进行误差建模分析。
设工件坐标系为Ow-xwywzw,刀具坐标系为Otxtytzt,机床坐标系为O0-x0y0z0,P为刀具成形点,通过以上分析可得,P点在床身坐标系O0-x0y0z0中的位置可表示为:
典型体W(工件)体参考坐标系上被加工点P按“机床—工件”分支在与床身固连的惯性坐标系中的位置Pw的表达式:
式中:{rw}w为P点在典型体W(工件)坐标系Owxwywzw中的位置矩阵表达式;
{Pw}0为P点通过工件分支描述到与床身固连的惯性坐标系O0-x0y0z0中的矩阵表达式。
同理可得典型体T(刀具)上被加工点P分别按“机床—车削”、“机床—铣削”分支在与床身相连的坐标系中位置PTc、PTx的表达式:
式中(rTc)Tc为P点在典型体Tc(车削刀具)坐标系OTc-xTcyTczTc中的位置矩阵表达式;
{PTc}0为P点通过车削分支描述在与床身固连的坐标系O0-x0y0z0中的矩阵表达式。
式中(rTx)Tx为P点在典型体Tx(铣削刀具)坐标系OTx-xTxyTxzTx中的位置矩阵表达式;
{PTc}0为P点通过铣削分支描述在与床身固连的坐标系O0-x0y0z0中的矩阵表达式。
机床作成形运动时由于误差存在使得刀具成形点实际位置和理论位置出现偏差,这种偏差称为空间误差,对空间误差进行建模,是机床误差溯源的基础。刀具成形点空间误差为:
{Epc}、{Epx}分别表示车削、铣削模式下,机床的刀具加工点在惯性系中实际位置与被加工点的理论位置的偏离大小情况。
设与刀轴重合的方向矢量在铣削刀具坐标系中的表达式为:(rTx)Tx=[vTxx,vTxy,vTxz,0]
则其通过铣削分支在与床身固连的惯性坐标系O0-x0y0z0中的矩阵表达式为:
在工件坐标系中被加工点的理论刀具方向矢量为:
则其通过工件分支在与床身固连的惯性坐标系O0-x0y0z0中的矩阵表达式为:
可得铣削模式下刀具姿态误差为:
3 数控机床相对运动约束方程的建立
车削模式下,刀具中心位置相对运动约束方程为:
铣削模式下,刀具中心位置相对运动约束方程为:
铣削模式下,刀具方位相对运动约束方程为:
4 五轴数控机床几何误差分析与建模实例
以德国巨浪的DZ08FX双主轴高速五轴加工中心为例,以多体系统理论为基础,对机床的几何误差进行分析,建立机床各运动体的坐标系。利用各运动体的相对运动坐标变换矩阵分别推导出刀具位置和刀具姿态的理想成形约束方程和实际成形约束方程。
4.1 德国巨浪DZ08FX双主轴五轴数控机床几何误差分析
数控机床的误差源有很多,主要的误差源有几何误差、热误差、载荷误差和伺服系统误差等[8]。其中几何误差,受环境因素影响小,易于测量,且无论哪种误差,其最终表现形式都可以用前面叙述的几何误差分析与运动建模方法来表述。因此几何误差作为基本误差源,是本文研究的重点。五轴数控机床拥有多个运动部件,各个部件的误差可分为与位置点无关误差(静态误差)和与位置点相关误差(运动误差)两个部分[9]。
综上所述,五轴数控机床几何误差参数一共37项,如表1所示。
4.2 机床部件坐标系的建立
为了了解机床的运动,需要利用机床的各个运动部件相对运动坐标变换矩阵来描述其运动,将复杂的运动简化为数学模型。首先需要建立各部件的坐标系,部件坐标系有体坐标系和相对运动参考坐标系。
由前述可知,双主轴五轴数控机床有13个运动部件,首先设定初始条件下各运动体体坐标系和相对运动参考坐标系重合,即初始条件下确定运动体的参考坐标系方位就相当于确定了该运动体体坐标系方位。选取机床坐标系为基准,令床身和X导轨的运动参考坐标系方位和机床坐标系一致。令基准坐标系绕Y轴转过垂直度εx(z)后得到Z导轨运动参考坐标系。令Z导轨分别系绕Y轴、X轴转过垂直度εx(y)、εy(z)后得到Y导轨运动参考坐标系,令基准坐标系分别绕Y轴、Z轴旋转垂直度εAY、εAZ后得到A转台运动参考坐标系。令A转台运动参考坐标系分别绕X轴、Y轴旋转垂直度εCX、εCY后得到C转台的运动参考坐标系。这样就确定了初始条件下各坐标系的方向。各坐标系的位置由如下方法确定:令机床的各个运动部件返回到数控机床的绝对零点,令床身、X导轨、Y导轨、Z导轨和主轴体坐标系及其运动参考坐标系零点和机床坐标系零点重合,令A转台和C转台体坐标系以及运动参考坐标系原点位于A转台旋转中心。由上述方法可以确定双主轴五轴数控机床各运动部件的坐标系位置与方法,为后续的建模工作提供基础。
4.3 特征矩阵
根据上述设定方法便可得到双主轴数控机床各相邻体的理想特征矩阵以及误差特征矩阵。设工件坐标系相对于C轴体参考坐标系的位置阵列为(qwxqwyqwz1),A转台旋转中心在机床坐标系的齐次坐标为(q9xq9yq9z1)T,由此可得各运动部件特征矩阵:
4.4 加工模式一理想条件下机床运动学模型的建立
设刀具成形点在刀具坐标系内的齐次坐标为{rTx}Tx=(0 0–d 1)T,其中d为刀长,可以得到刀具成形点在刀具坐标系的理想成形运动方程:
将变换矩阵带入上述方程,经整理消去高阶无穷小量,可得:
实际刀轴矢量在刀具坐标系中的矢量表达式为{vTx}Tx=(0 0–1 0)T,可以得到刀轴矢量在刀具坐标系的理想运动表达式为:
将变换矩阵带入上述方程,经整理消去高阶无穷小量,可得:
4.5 加工模式一实际条件下机床运动学模型的建立
机床实际加工运动时候由于误差的存在使得实际位置偏移理想位置,因此要将实际的刀具成形点描述到工件坐标系中,和工件坐标系中理想的刀具成形点位置作比较。设工件坐标系下理论刀具成形点的齐次坐标为{rwx}wx=(xwx,ywy,zwz,1)T,实际情况下刀具成形点在工件坐标系运动方程为:
将变换矩阵带入上述方程,经整理消去高阶无穷小量,可得:
设工件坐标系下理论刀轴方向矢量的齐次坐标为{vwx}wx=(xwx,ywy,zwz,0)T,可以得到刀轴矢量在工件坐标系的实际运动表达式为:
将变换矩阵带入上述方程,经整理消去高阶无穷小量,可得:
在生产过程中,实际刀具中心点与理论刀具中心点要重合,即{PTx}0={Pwx}0刀具方向矢量也须满足{VTx}0={Vwx}0,即:
5 结论
1)针对双主轴五轴高速加工中心,对其进行结构分析,利用拓扑结构和低序体阵列对机床结构进行描述,将机床分为多个运动部件,并对每个运动部件建立体坐标系和运动参考坐标系。
2)对双主轴五轴高速加工中心的几何误差进行分析,得出机床37项几何误差。
3)利用多体系统运动学理论推导出机床各运动部件之间的相对运动坐标变换矩阵,进一步推导出机床理想条件下和实际条件下的运动学模型方程,并推出空间误差模型,为今后的误差辨识工作打下基础。
参考文献
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[3]李德,立显凯.五轴车铣复合加工技术的现状与发展趋势[J].航空制造技术,2009,(12):47-50.
[4]吴宝海,严亚南,罗明,等.车铣复合加工的关键技术与应用前景[J].航空制造技术,2010,(19):42-45.
[5]李彦光.复合加工机床的发展现状[J].机械工程师,2011,(3):5-11.
[6]杨建国,潘志宏,薛秉源.数控机床几何和热误差综合的运动学建模[J].机械设计与制造,1998,(5):31-32.
[7]王晓峰.复合数控机床几何误差补偿及误差影响溯源分析[D].北京工业大学,2014.
[8]范晋伟.基于多体系统运动学的数控机床运动建模及软件误差补偿技术的研究[D].天津大学,1996.
体系建模 篇9
“网络中心行动”的术语描述了广泛通过部队联网实现军事行动的方法类。当这些军事行动发生在战争环境中,“网络中心行动与战争”术语应用而生。
网络中心行动支持部队访问新的、以前不能到达的信息领域范围。在此范围操作的性能提供给作战者一种新类型的信息优势,达到所需的指挥与控制优势目的。这种优势是通过网络在信息共享方面做出的戏剧性改进才得以实现。具有这种信息优势,参战部队可以大幅度改进共享的态势感知和知识。
在这个环境中,提升部队包括盟军和合伙人中所有元素之间的共享态势感知和知识状态的性能,日益成为C4I转变的基础。从最近军事行动中出现的迹象和大范围的实验,支持网络中心战概念的共享态势感知和知识与提高战斗力之间的关联。
根据Albert等人的理论[1],网络中心战概念可以通过集中同时发生在物质、信息和认知领域的战争关系来理解。
作战部队指挥网络中心行动必须具备下面的属性和性能:
1)物理领域:部队的所有元素通过物理网络实现安全、无缝连接。
2)信息领域:部队具有收集、共享、存取、协作、分析和保护信息的能力,实现超越敌人的信息优势。
3)认知领域:部队有能力开发对指挥员意图的共享知识、共享高质量的态势感知和自同步其操作。
网络中心战的重要前提就是部队具备这些性能后可以提高战斗力:战场中更好的同步效果;达到更快的指挥速度;增加杀伤力、存活率和响应性。
网络中心行动与战争(NCOW)概念认为现代战争成果是指挥与控制、企业交易行动、分级和不对称联网、高级认知软件应用协同的结果。他们影响着从战术到战略所有级别的军事活动。为了成功地指导战争,指挥员必须同时工作在物质、信息和认知领域,保持三者最佳的态势感知。这是现代指挥与控制普遍面临的挑战,也是支持C4I系统的一个挑战。信息领域必须尽可能地在物理和认知领域架起一座桥梁。
2 模拟与仿真和C4I领域通用体系结构框架
本章描绘了更加广泛的Web服务图像和可用于此文中所有感兴趣领域的开放标准,未来的模拟与仿真和未来的JC2。
2.1 可扩展模拟与仿真框架(XMSF)
XMSF通过满足未来军事行动软件系统支持需求,促使武装部队的转变。论及XMSF组,仅仅是在世界范围内利用互联网和Web技术的软件系统。XMSF网站上现有的报告指出,这是50多位专家参与的几次专题研讨会广泛征求意见的综合。围绕商业Web技术作为一个共享的通信平台和一个普遍存在的传输框架,国防部模拟与仿真可以充分借鉴企业软件开发的主要实践经验。利用开放的基于Web的标准和技术,并不意味着XMSF受限于公共互联网。实际上,XMSF的工作定义是:
“可扩展模拟与仿真框架(XMSF)定义为一组基于Web的技术和服务,应用于可扩展框架内,允许新一代模拟与仿真应用软件出现、开发和互操作。
Web服务的工作看起来似乎是组织和构成模拟与仿真应用软件所需的Web/XML和Internet/networking大量必要性能的基础。”
基于XML的markup语言、互联网技术和Web服务将允许新一代分布式模拟与仿真应用软件出现、开发和互操作。
基于Web技术,应用于可扩展执行框架内,在商业领域,允许新一代模拟与仿真应用软件出现、开发和互操作。在这些新兴的商业技术/标准和防御系统之间需要一座桥梁。基于XML可扩展框架可以在即将到来的模拟与仿真需求和开放的/商业的Web标准之间架起一座桥梁。
2.2 使用Web服务模拟与仿真
为什么在网络中心指挥与控制体系结构模拟与仿真集成环境中使用Web服务?原因就是Web服务的基本思想就是服务应用软件的集成。这个概念表示一组规定的工业标准技术一起运行,促进不同种类系统之间的互操作性,无论是在组织内部,还是跨越互联网。换句话说,有了Web服务,根据Web服务标准,我们就可以用Web应用软件与其他类似的应用软件实现通信。这就意味着可以在以前的“烟囱式”开发系统之间架起桥梁。这个思想本身并不新鲜。Web服务的核心只不过是另一种分布式计算方法。然而,看一下这些概念的商业支持,就可知它是明确可行的。
什么是Web服务?Web服务可以定义为分散的基于Web的应用软件,可以与其它的Web服务动态交互。为了使之实现,一些子功能是必要的,也就是:
1)服务功能的自我描述。
2)服务描述的发行使用标准化描述。
3)用必需的功能查找服务。
4)请求必需的数据开始服务。
5)与其他Web服务建立必要的数据交换,包括传输结果。
由于他们以同样的标准开发自我描述、发行、查找、调用、通信和数据交换性能,Web服务设想他们可以在一起无缝工作。所有这些标准都是开放的标准,如Web服务描述语言(WSDL)、可扩展markup语言(XML)、或简易对象访问协议(SOAP)。此外,Web服务所选的这些技术对存在于程序设计语言和操作平台之间的兼容问题保持固有的中性。结果,使用Web服务的应用软件可以动态查找,显然使用了必要的功能,局部现有的或跨越互联网查找,不考虑程序设计语言或涉及的操作平台。
然而,还需要考虑到,随着Web服务的激增,网络带宽的总体需求、任一种特殊业务、服务出现的需求时的执行效果。出现了大量的新产品支持软件开发者创造或修改现有的应用软件,可以作为Web服务“发行”。
网络中心指挥与控制体系结构模拟与仿真集成隐含了什么?可以知道,网络中心指挥与控制体系结构将建立在全球信息栅格(GIG)上。第一个行政过程,如国防部CIO定义的网络中心数据战略[2]和拱形数据管理已经建立;然而,模拟与仿真集成于这些业务中才仅仅是开始。为了实现设想的通用基础结构,对标准化成果的完全综合是必要的。
第一步就是将模拟与仿真命名空间管理集成于GIG命名空间管理中。下一步就是对各自轮廓的定义;如现在已经在可扩展模拟与仿真框架(XMSF)中开始的SISO轮廓研究组。此外,必须以类似Web服务描述语言的标准化鉴定和收集模拟与仿真应用软件的具体细节。
研究组定义了模拟与仿真应用软件和组件总体上变成Web服务,特别是在GIG中变成Web服务的约束和需求,这点是非常有价值的。
由于所有的共同体都需要大量服务,JC2的Web服务途径和模拟与仿真Web服务途径的合并,如XMSF,对所有的共同体都是非常有价值的。最好的例子就是可视化领域,如在军事标准2525种定义的地形服务器和符号的图标服务器。基于通用本体论的通用数据服务器也是一个例子。这些例子目前正在由XMSF合作者进行原型开发。
2.3 GIG中的模拟与仿真服务
支持文中提出思想的长期目标是将模拟与仿真服务完全集成于GIG中。三个主要的应用领域和相关的利益共同体(COI)目前已经确定:
1)建立核心的模拟与仿真服务,允许在GIG中高级分布式仿真和GIG企业服务(GES)。RTI服务可以看作这些模拟与仿真服务的中枢,必须逐步扩展。
2)建立一个训练利益共同体,例如,与联合国家训练能力(JNTC)的设立相结合,加上已经为指挥与控制、军事应用、军事保护、战场感知和后勤定义的利益共同体(COT)。
3)建立模拟与仿真支持作为交叉领域COI,与实际的通用作战态势图(COP)起始相似,对所有武装部队的COI都非常重要。
这些思想远不够成熟。应该鼓励在仿真开发者、仿真用户和标准开发者之间展开讨论。
最后,在对象管理组(OMG)、开放GIS协会(OGC)、Web 3D协会(W3C)和SISO的支持下,SISO已经开始组织具体的研讨会。在中期,这些联合成果必然导致SISO中标准化的建立和广泛的企业受驱动。
另一个重要方面就是GIG中数据和信息的获取能力。前面已经提到,GIG中将可以供应数据和信息,“瞬时存在”。如果这个数据资源可用于模拟与仿真系统中,将大大简化数据问题,大大降低训练和演习费用。然而,这个需求需要在传统和未来系统的数据输入输出上强制支持开放的标准。应当超过所有者文件结构和数据模拟的时间,一个好的文档界面,使用标准化语言如XML,应当成为每个操作利益系统的准则,隐含模拟与仿真命名空间中关联信息的发行和术语的配合。
2.4 指挥与控制下一步的改进
网络中心行动与战争(NCOW)价值链方法[3]使用了几个分层概念:
1)价值链开始于在基础的指挥与控制系统内描述信息的数据属性。
2)信息属性追求可用数据项和信息语句的完整性、正确性、流通性、一致性、精确性。
3)认识属性处理程序上的认识和嵌入在指挥与控制系统中的信息,如敌军模型、实体假定如武器和射程、假定学说,通常规则编码。在未来的系统中,这个灵活的组件可以出现在模拟与仿真系统中。认识属性是第一个与通用作战模型相关的组件。
4)最后,感知属性是测量利用嵌入在指挥与控制系统中的信息和认识的程度。感知很明显位于认知领域,也就是位于技术互操作之上。
总之,具备共享数据、信息、认识和感知的能力,可以更有效的指导作战。
NCOW价值链伴随着IT价值链,反映了C4ISR系统最近十年的改进。C4ISR系统开始以数据库为中心,受消息驱动。他们只支持数据属性。为了在价值链中支持下一级,引进了通用作战态势图(COP)思想。这就导致了属性上的跳跃,也就是增加了一个数量级(一幅图相当于一千多字)。这是因为COP增加了数据的环境,因此,增加的不仅仅是数据属性,还有信息属性。模拟与仿真引入到C4ISR中,以模拟的方式增加了程序上的认识;因此,可以支持价值链中的下一级,导致了另一个改进(一个仿真相当于一千多幅图)。将模拟与仿真集成于信息技术(IT)基础结构中具有操作的必要性。技术需求与NCOW的相似,为了使这个设想变成现实,架起一座文化之桥甚于架起一座技术之桥。
3 结束语
指挥与控制共同体已经从系统中心论转移到网络中心论。直到最近,这主要受限于部队改革概念上的准备,全球信息栅格(GIG)和GIG企业服务(GES)的出现,使得这种观点技术上可行。Albert等人设想的网络中心行动与战争(NCOW)[3]最终会实现。联合指挥与控制(JC2)很快就会实现。作战模拟与仿真技术上准备集成用来支持现代军事行动。网络中心行动与战争(NCOW)非常需要这种模拟与仿真功能。协调模拟与仿真标准和GIG需求的标准化成果;还有更重要的,作战价值的高级模拟与仿真需求转移到GIG中[4]。这些在SISO中和广泛的军事COI内一定会成为未来的主题。
参考文献
[1]Carl von Clausewitz:"On War",translation by Colonel J.J.Graham published by N.Trübner,London,1873.
[2]Report to Congress:"Network Centric Warfare,"The Pentagon,Washington,D.C.,July2001.
[3]David S.Alberts,John J.Garstka,Richard E.Hayes,David A.Signori:"Understanding Information Age Warfare,"CCRP Publication Service,August2001.