概念
蒙特卡羅法(又稱統計試驗法)是描述裝備運用過程中各種随機現象的基本方法,而且它特别适用于一些解析法難以求解甚至不可能求解的問題,因而在裝備效能評估中具有重要地位。
用蒙特卡羅法來描述裝備運用過程是1950年美國人約翰遜首先提出的。這種方法能充分體現随機因素對裝備運用過程的影響和作用。更确切地反映運用活動的動态過程。在裝備效能評估中,常用蒙特卡羅法來确定含有随機因素的效率指标,如發現概率、命中概率、平均毀傷目标數等;模拟随機服務系統中的随機現象并計算其數字特征;對一些複雜的裝備運用行動,通過合理的分解,将其簡化成一系列前後相連的事件,再對每一事件用随機抽樣方法進行模拟,最後達到模拟裝備運用活動或運用過程的目的。
基本思路
蒙特卡羅法的基本思想是:為了求解問題,首先建立一個概率模型或随機過程,使它的參數或數字特征等于問題的解:然後通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算這些參數或數字特征,最後給出所求解的近似值。解的精确度用估計值的标準誤差來表示。蒙特卡羅法的主要理論基礎是概率統計理論,主要手段是随機抽樣、統計試驗。用蒙特卡羅法求解實際問題的基本步驟為:
(1)根據實際問題的特點.構造簡單而又便于實現的概率統計模型.使所求的解恰好是所求問題的概率分布或數學期望;
(2)給出模型中各種不同分布随機變量的抽樣方法;
(3)統計處理模拟結果,給出問題解的統計估計值和精度估計值。
優缺點
蒙特卡羅法的最大優點是:
1.方法的誤差與問題的維數無關。
2.對于具有統計性質問題可以直接進行解決。
3.對于連續性的問題不必進行離散化處理
蒙特卡羅法的缺點則是:
1.對于确定性問題需要轉化成随機性問題。
2.誤差是概率誤差。
3.通常需要較多的計算步數N.
蒙特卡羅法作為一種計算方法,是由美國數學家烏拉姆(Ulam,S.M.)與美籍匈牙利數學家馮·諾伊曼(vonNeumann,J.)在20世紀40年代中葉,為研制核武器的需要而首先提出來的.實際上,該方法的基本思想早就被統計學家所采用了.例如,早在17世紀,人們就知道了依頻數決定概率的方法。
步驟
蒙特卡羅法是一種用來模拟随機現象的數學方法,這種方法在作戰模拟中能直接反映作戰過程中的随機性。在作戰模拟中能用解析法解決的問題雖然越來越多,但有些情況下卻隻能采用蒙特卡羅法。使用蒙特卡羅法的基本步驟如下:
(1)根據作戰過程的特點構造模拟模型;
(2)确定所需要的各項基礎數據;
(3)使用可提高模拟精度和收斂速度的方法;
(4)估計模拟次數;
(5)編制程序并在計算機上運行;
(6)統計處理數據,給出問題的模拟結果及其精度估計。
在蒙特卡羅法中,對同一個問題或現象可采用多種不同的模拟方法,它們有好有差,精度有高有低,計算量有大有小,收斂速度有快有慢,在方法的選擇上有一定的技巧。
應用舉例
在我方某前沿防守地域,敵人以1個炮兵排(含兩門火炮)為單位對我方進行幹擾和破壞。為躲避我方打擊,敵方對其指揮所進行了僞裝并經常變換射擊地點。經過長期觀察發現,我方指揮所對敵方目标的指示有50%是準确的,而我方火力單位在指示正确時,有1/3的射擊效果能毀傷敵人1門火炮,有1/6的射擊效果能全部消滅敵人。
解:希望能用某種方法把我方将要對敵人實施的20次打擊結果顯示出來,确定有效射擊的比率及毀傷敵方火炮的平均值。這是一個概率問題,可以通過理論計算得到相應的概率和期望值。但這樣隻能給出作戰行動的最終靜态結果,而顯示不出作戰行動的動态過程。
為了顯示我方20次射擊的過程,必須用某種方式模拟出以下兩件事:一是觀察所對目标的指示正确或不正确;二是當指示正确時,我方火力單位的射擊結果。對第一件事進行模拟試驗時有兩種結果,每一種結果出現的概率都是1/2。因此,可用投擲1枚硬币的方式予以确定。當硬币出現正面時為指示正确,反之為不正确。對第二件事進行模拟試驗時有3種結果,毀傷1門火炮的可能為1/3,毀傷2門火炮的可能為1/6,沒能毀傷敵火炮的可能為1/2。這時,可用投擲骰子的辦法來确定,如果出現的是1、2、3三個點則認為沒能擊中敵人,如果出現的是4、5點則認為毀傷敵1門火炮,如果出現6點則認為毀傷敵2門火炮。
通過上面的方式,就可把我方20次射擊的過程動态地顯現出來。