計算機仿真技術發(fā)展方向

計算機仿真作為分析和研究系統(tǒng)運行行為、揭示系統(tǒng)動態(tài)過程和運動規(guī)律的一種重要手段和方法， 隨著系統(tǒng)科學研究的深入、控制理論、計算技術、計算機科學與技術的發(fā)展而形成的一門新興學科。近年來， 隨著信息處理技術的突飛猛進， 使仿真技術得到迅速發(fā)展。本文根據(jù)作者的研究體會， 試圖從仿真的含義入手， 討論現(xiàn)代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等， 為在系統(tǒng)仿真中合理、有效地運行仿真新方法和新技術做一些探索。

仿真技術是利用計算機并通過建立模型進行科學實驗的一門多學科綜合性技術。它是它具有經(jīng)濟、可靠、實用、安全、可多次重用的優(yōu)點。

仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現(xiàn)實世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。

傳統(tǒng)的仿真方法是一個迭代過程，即針對實際系統(tǒng)某一層次的特性（過程），抽象出一個模型，然后假設態(tài)勢（輸入），進行試驗，由試驗者判讀輸出結(jié)果和驗證模型，根據(jù)判斷的情況來修改模型和有關的參數(shù)。如此迭代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統(tǒng)的某一層次的仿真目的為止。

計算機仿真技術原理

“仿真是一種基于模型的活動”， 它涉及多學科、多領域的知識和經(jīng)驗。成功進行仿真研究的關鍵是有機、協(xié)調(diào)地組織實施仿真全生命周期的各類活動。這里的“各類活動”， 就是“系統(tǒng)建?！薄ⅰ胺抡娼！?、“仿真實驗”， 而聯(lián)系這些活動的要素是“系統(tǒng)”、“模型”、“計算機”。其中：系統(tǒng)是研究的對象， 模型是系統(tǒng)的抽象， 仿真是通過對模型的實驗來達到研究的的。要素與活動的關系如圖所示：

數(shù)學模型將研究對象的實質(zhì)抽象出來，計算機再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學模型，并通過輸出這些模型的相關數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的某些特質(zhì)，當然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。通過這個關系還可以看出，數(shù)學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。

從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實驗。

模型的建立

對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學的表達式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。

系統(tǒng)的數(shù)學模型根據(jù)時間關系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型;根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。

模型的轉(zhuǎn)換

所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對上一步抽象出來的數(shù)學表達式通過各種適當?shù)乃惴ê陀嬎銠C語言轉(zhuǎn)換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件。

模型的仿真實驗

將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。

仿真技術發(fā)展歷程

作為一種特別有效的研究手段，20世紀初仿真技術已得到應用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。

40～50年代航空、航天和原子能技術的發(fā)展推動了仿真技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為仿真技術提供了先進的工具，加速了仿真技術的發(fā)展。利用計算機實現(xiàn)對于系統(tǒng)的仿真研究不僅方便、靈活，而且也是經(jīng)濟的。因此計算機仿真在仿真技術中占有重要地位。

50年代初，連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計算機上進行的。50年代中期，人們開始利用數(shù)字計算機實現(xiàn)數(shù)字仿真。計算機仿真技術遂向模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真兩個方向發(fā)展。在模擬計算機仿真中增加邏輯控制和模擬存儲功能之后，又出現(xiàn)了混合模擬計算機仿真，以及把混合模擬計算機和數(shù)字計算機聯(lián)合在一起的混合計算機仿真。在發(fā)展仿真技術的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。

70年代后期，還研制成功專用的全數(shù)字并行仿真計算機。仿真技術來自于軍事領域，但它不僅用于軍事領域，在許多非軍事領域也到了廣泛的應用。例如：在軍事領域中的訓練仿真;商業(yè)領域中的商業(yè)活動預測、決策、規(guī)劃、評估;工業(yè)領域中的工業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估及模擬訓練;農(nóng)業(yè)領域中的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估，災情預報、環(huán)境保護;在交通領域中的駕駛模擬訓練和交通管理中的應用;醫(yī)學領域中的臨床診斷及醫(yī)用圖像識別等。

仿真技術的種類

仿真建模

仿真建模是一門建立仿真模型并進行仿真實驗的技術。建?；顒邮窃诤雎源我蛩丶安豢蓽y量變量的基礎上，用物理或數(shù)學的方法對實際系統(tǒng)進行描述，從而獲得實際系統(tǒng)的簡化或近似反映。

面向?qū)ο蟮姆抡?/p>

面向?qū)ο蠓抡媸钱斍胺抡嫜芯款I域中最引人關注的研究方向之一，面向?qū)ο蠓抡婢褪菍⒚嫦驅(qū)ο蟮姆椒☉玫接嬎銠C仿真領域中，以產(chǎn)生面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)。

智能仿真

智能仿真是把以知識為核心、人類思維行為作背景的智能技術引入整個建模與仿真過程，構造智能仿真平臺。智能仿真技術的開發(fā)途徑是人工智能與仿真技術的集成化。仿真技術與人工智能技術的結(jié)合，即所謂的智能化仿真;仿真模型中知識的表達。

虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術是現(xiàn)代仿真技術的一個重要研究領域，是在綜合仿真技術、計算機圖形技術、傳感技術等多種學科技術的基礎之上發(fā)展起來的，其核心是建模與仿真，通過建立模型，對人、物、環(huán)境及其相互關系進行本質(zhì)的描述，并在計算機上實現(xiàn)。

分布仿真技術

分布仿真技術作為仿真技術的最新發(fā)展成果，它在高層體系結(jié)構上（HLA，high level architecture），建立了一個在廣泛的應用領域內(nèi)分布在不同地域上的各種仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)互操作和重用的框架及規(guī)范。HLA的基本思想就是使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO計，開發(fā)及實現(xiàn)系統(tǒng)不同層次和粒度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真系統(tǒng)高層次上的互操作性與可重用性。

云仿真技術

云仿真的概念是根據(jù)“云計算”的理念提出來的。云計算是指服務的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡以按需、易擴展的方式獲得所需的服務。這種服務可以是與軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關的，也可以是其他任意的服務，包括仿真服務，它具有超大規(guī)模、虛擬化、可靠安全等特性。云仿真指通過網(wǎng)絡以按需、易擴展的方式獲得所需的仿真服務。

云仿真平臺是一種新型的網(wǎng)絡化建模與仿真平臺，是仿真網(wǎng)格的進一步發(fā)展。它以應用領域的需求為背景，基于云計算理念，綜合應用各類技術，包括復雜系統(tǒng)模型技術、高性能計算技術等，實現(xiàn)系統(tǒng)中各類資源安全地按需共享與重用，實現(xiàn)網(wǎng)上資源多用戶按需協(xié)同互操作，進而支持工程與非工程領域內(nèi)的仿真系統(tǒng)工程。

仿真技術新熱點

近年來， 由于問題域的擴展和仿真支持技術的發(fā)展， 系統(tǒng)仿真方法學致力于更自然地抽取事物的屬性特征， 尋求使模型研究者更自然地參與仿真活動的方法， 等等。在這些探索的推動下， 生長了一批新的研究熱點：

1、面向?qū)ο蠓抡妫簭娜祟愓J識世界模式出發(fā)， 使問題空間和求解空間相一致， 提供更自然直觀， 且具可維護性和可重用性的系統(tǒng)仿真框架。

2、定性仿真：用于復雜系統(tǒng)的研究， 由于傳統(tǒng)的定量數(shù)字仿真的局限， 仿真領域引入定性研究方法將拓展其應用。定性仿真力求非數(shù)字化， 以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結(jié)果輸出， 通過定性模型推導系統(tǒng)定性行為描述。

3、智能仿真：是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術， 引入整個建模與仿真過程， 構造各處基本知識的仿真系統(tǒng)（Know ledge Based Simu2lation System KBSS） ， 即智能仿真平臺。智能仿真技術的開發(fā)途徑是人工智能（如專家系統(tǒng)、知識工程、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡等） 與仿真技術（如仿真模型、仿真算法、仿真語言、仿真軟件等） 的集成化。因此， 近年來各種智能算法， 如模糊算法、神經(jīng)算法、遺傳算法的探索也形成了智能建模與仿真中的一些研究熱點。

4、分布交互仿真：是通過計算機網(wǎng)絡將分散在各地的仿真設備互連， 構成時間與空間互相偶合的虛擬仿真環(huán)境。實現(xiàn)分布交互仿真的關鍵技術是： 網(wǎng)絡技術、支撐環(huán)境技術、組織和管理。其中網(wǎng)絡技術是實現(xiàn)分布交互仿真的基礎， 支撐環(huán)境技術是分布交互仿真的核心， 組織和管理是完善分布交互仿真的信號。

5、可視化仿真：用以為數(shù)值仿真過程及結(jié)果增加文本提示、圖形、圖象、動畫表現(xiàn)， 使仿真過程更加直觀， 結(jié)果更容易理解， 并能驗證仿真過程是否正確。近年來還提出了動畫仿真（A nimated Simulation A S） ， 主要用于系統(tǒng)仿真模型建立之后動畫顯示， 所以原則上仍屬于可視化仿真。

6、多媒體仿真：它是在可視化仿真的基礎上再加入聲音， 就可以得到視覺和聽覺媒體組合的多媒體仿真。

7、虛擬現(xiàn)實仿真：是在多媒體仿真的基礎上強調(diào)三維動畫、交互功能， 支持觸、嗅、味知覺， 就得到了VR 仿真系統(tǒng)。

現(xiàn)代仿真技術

現(xiàn)代仿真技術的一個重要進展是將仿真活動擴展到上述三個方面， 并將其統(tǒng)一到同環(huán)境中。Oren將上述思想加以總結(jié)， 提出了現(xiàn)代仿真方法的概念框架。

概念框架圖中的“仿真問題描述”對應于“仿真建?！?“行為產(chǎn)生”對應于“仿真實驗”， 只是將仿真輸出獨立于行為產(chǎn)生;“模型行為及其處理”相應于輸出處理。

現(xiàn)代仿真技術的重要進展主要體現(xiàn)

1、系統(tǒng)建模方面

傳統(tǒng)上， 多通過實驗辯識來建立系統(tǒng)模型。近十幾年來， 系統(tǒng)辯識技術得到飛速發(fā)展。在辯識方法上有時域法、頻域法、相關分析法、最小二乘法等; 在技術手段上有系統(tǒng)辯識設計、系統(tǒng)模型結(jié)構辯識、系統(tǒng)模型參數(shù)辯識、系統(tǒng)模型檢驗等。除此之外， 近年來還提出了用仿真方法確定實際系統(tǒng)模型的方法; 基于模型庫的結(jié)構化建模方法： 面向?qū)ο蠼７椒ǖ?。特別是對象建模，可在類庫基礎上實現(xiàn)模型的拼合與重用。

2、仿真建模方面

除了適應計算機軟、硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究新算法和開發(fā)新軟件外， 現(xiàn)代仿真技術采用模型與實驗分離技術， 即模型數(shù)據(jù)驅(qū)動（data driven）。將模型分為參數(shù)模型和參數(shù)值， 以便提高仿真的靈活性和運行效率。

3、仿真實驗方面

現(xiàn)代仿真技術將實驗框架與仿真運行控制區(qū)分開。其中， 實驗架用來定義條件， 包括模型參數(shù)、輸入變量、觀測變量、初始條件、輸出說明。這樣， 當需要不同形式的輸出時， 不必重新修改仿真模型， 甚至不必重新仿真運行。正是由于現(xiàn)代仿真方法學的建立， 特別是模擬可重用性（Reusability）、面向?qū)ο蠓椒ǎ╫b2ject oriented） 和應用集成（App lication Intesration） 等新技術的應用， 使得仿真、建模與實驗統(tǒng)一到一個集成環(huán)境這中， 構成一個和諧的人機交互界面。

計算機仿真技術發(fā)展方向

隨著計算機應用技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，計算機仿真技術也在不斷的發(fā)展之中。如利用網(wǎng)絡技術實現(xiàn)異地仿真、應用虛擬現(xiàn)實技術進行的虛擬制造等。

網(wǎng)絡化仿真

現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出來的仿真系統(tǒng)，多數(shù)不能相互兼容，可移植性差，實現(xiàn)共享困難。較之于開發(fā)的高成本和長時間，實在物未盡其用。解決這些問題，第一就是采用兼容性好的計算機語言編寫仿真系統(tǒng)，第二就是采用網(wǎng)絡化技術實現(xiàn)仿真系統(tǒng)共享。尤其是后者，在將來的仿真系統(tǒng)開發(fā)中有著重要地位。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡共享，既可以在一定程度上避免重復開發(fā)以節(jié)約社會資源，又可以通過適當收費以補償部分開發(fā)成本。

虛擬制造技術

計算機仿真技術發(fā)展的另一大方向就是在虛擬制造技術領域的深入應用。虛擬制造技術是20世紀90年代發(fā)展起來的一種先進制造技術。它利用計算機仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術，在計算機上實現(xiàn)從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品出廠以及企業(yè)各級過程的管理與控制等制造的本質(zhì)。這使得制造技術不再主要依靠經(jīng)驗，并可以實現(xiàn)對制造的全方位預測，為機械制造領域開辟了一個廣闊的新天地。

計算機仿真技術的應用

計算機仿真的用途非常廣泛已經(jīng)滲透到社會的各個領域，不斷促進了各行各業(yè)的發(fā)展，為各行各業(yè)注入了一股新的活力。

交通領域

交通是由人、車、路和環(huán)境構成的一個復雜人機系統(tǒng)，事故的誘發(fā)因素是多方面因素的綜合。交通安全的評價，應該充分考慮人、車、路和環(huán)境諸方面因素的作用和影響。本交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實技術的方法。該評價體系是通過建立虛擬環(huán)境，并在這個虛擬環(huán)境中設計各種事故誘發(fā)因素，并對某區(qū)域和某路段的交通安全水平進行全過程（設計后，施工中，運營后）的跟蹤和評價。

交通安全仿真及評價系統(tǒng)的核心部分就是計算機的仿真。該仿真過程不同與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真，它是一種可視化的仿真。例如，對某路段的交通安全評價，除了使用傳統(tǒng)的絕對數(shù)法和事故率法來評價外，再將交通參與者的感知和行為也考慮進去。在該虛擬環(huán)境中，可以選擇不同的運載工具，設置不同的交通環(huán)境，以交通參與者或第三者的角度來進行事故的可能性試驗與分析，從而實現(xiàn)了對路段的安全性的評價。同時為交通沒施的建設和改進提供了依據(jù)，為交通事故分析提供了一種新的方法。

制造領域

汽車制造是機械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機仿真技術的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機方面，裝甲兵工程學院機械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機起動過程的計算機仿真模型，其仿真結(jié)果與實際測量值比較吻合，可用于多缸柴油機的起動性能仿真。江蘇理工大學的蔡憶昔實現(xiàn)了對進氣管內(nèi)氣體流動的動態(tài)仿真，直觀描述了瞬態(tài)過程，為多缸發(fā)動機換氣過程的研究提供了有效的方法。汽車流場方面，華東理工大學信息學院的呂明忠博士等成功的模擬出了汽車尾流場的氣流分離和拖曳渦現(xiàn)象，建立了兩種車型的汽車外流場空氣動力學模型，并進行了仿真實驗，取得了滿意結(jié)果。碰撞實驗方面，浙江大學動力機械及車輛工程研究所的詹樟松博士根據(jù)汽車碰撞的事故形態(tài)與乘員傷害之間的規(guī)律，建立了乘員動力學響應的數(shù)學模型，并開發(fā)出了相應的仿真軟件，該系統(tǒng)可部分代替實車碰撞實驗進行汽車被動安全性能的研究。其他方面，例如，汽車工程學院的熊堅對汽車的制動過程進行了仿真研究，一汽大眾汽車有限公司的姚革等通過仿真研究了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性問題等

教育領域

計算機模擬實驗又稱計算機仿真實驗或計算機虛擬實驗，是近幾年在計算機多媒體教學中開辟的新領域。它通過計算機把實驗設備、教學內(nèi)容、教師指導和學生的操作有機地融合為一體，形成了一部活的、可操作的物理實驗教科書和根據(jù)需要在瞬間建立的模擬實驗室。

計算機模擬物理實驗的出現(xiàn)打破了教與學、理論與實驗、課內(nèi)與課外的界限，它更加強調(diào)實驗的設計思想和實驗方法，更強調(diào)實驗者的主動學習;通過計算機模擬實驗，學生對物理思想、方法、儀器的結(jié)構和設計原理的理解，都可以達到訓練實驗技能、學習物理知識的目的，增強了學生對物理實驗的興趣，提高了物理實驗的水平。目前，模擬實驗已成為現(xiàn)代化物理實驗的重要手段。

計算機模擬實驗系統(tǒng)運用了人工智能、控制理論和教師專家系統(tǒng)對物理實驗和物理儀器建立其內(nèi)在模型，用計算機可操作的仿真方式，實現(xiàn)了物理實驗教學的各個環(huán)節(jié)。

計算機仿真的發(fā)展， 經(jīng)歷了簡單原型、物理模型、通用編程語言、仿真專用語言、仿真結(jié)果的動態(tài)顯示及可視化交互式仿真等一系列階段。計算機仿真發(fā)展與應用的歷程， 就是在實際應用需求的牽引下， 在不斷涌現(xiàn)出與發(fā)展的相關新技術的推動下， 融合新的建模與仿真方法學而不斷發(fā)展起來的。

目前，無論在科學研究還是技術開發(fā)抑或工業(yè)設計中，計算機仿真方法都顯示出強大的威力。隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展， 多媒體技術、虛擬現(xiàn)實、人工智能、面向?qū)ο蠓椒ā⒖梢暬c圖形界面等方面皆取得了巨大進展， 對系統(tǒng)建模與仿真技術的發(fā)展亦相應地產(chǎn)生了廣泛與深刻的影響。