仿真技術發(fā)展趨勢

1、. 仿真技術發(fā)展趨勢經過半個多世紀的發(fā)展，仿真技術已經成為對人類社會發(fā)展進步具有重要影響的一門綜合性技術學科。仿真技術應用的領域不再局限于某些尖端學科技術研究領域，而成為一 項被眾多學科領域廣泛采用的通用性技術。半個多世紀以來，仿真技術一方面始終是建模技術、計算技術和其他信息技術最先的應用者，另一方面是對計算技術和網絡技術等的 發(fā)展不斷提出新的挑戰(zhàn)。 在我國建模與仿真方法是隨著應用需求的發(fā)展不斷的進步，近十年來仿真技術發(fā)展是沿著以應用需求牽引建模與仿真系統(tǒng)開發(fā)、以建模與仿真系統(tǒng)帶動建模與仿真技術突破、以建模與仿真技術促進建模與仿真系統(tǒng)發(fā)展、將建模與仿真系統(tǒng)又服務于應用良性循環(huán)的道路向前發(fā)展。

2、仿真技術研究人員一方面不斷地擴展仿真應用領域，另一方面，其他領域研究的豐富成果與不斷促使仿真技術人員 從新的角度、新的高度、新的廣度認識建模與仿真。在近半個世紀的積累和近十年的快速發(fā)展的基礎上， 建模與仿真技 術已經成為以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術、信息技術以及仿真應用領域的有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統(tǒng)、與應用相關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對已有的或設想的系統(tǒng)進行研究、分析、試驗與運行的一門多學科的綜合性技術。 1 仿真建模的發(fā)展 仿真是基于模型的活動，模型建立、實現、驗證、應用是仿真過程不變的主題。隨著時代的發(fā)展，仿真模型包含的內容大大擴展，建模方法日益多樣，模型交互性和重

3、用性變得越來越重要，模型的校核與驗證的成為仿真中必要的步驟。 1 1仿真模型的分類 仿真模型的種類隨著被仿真對象的豐富而日益廣泛。從最簡單運動方程描述的模型到描述復雜大系統(tǒng)發(fā)展變化規(guī)律的仿真模型，仿真模型的種類涵蓋了仿真所涉及的各個領域。如此之多的仿真模型，需要研究科學的分類方法，使各種仿真模型能夠歸屬到一定類別中，對建模和驗模方法的選擇、仿真模型的管理變得非常重要。仿真模型可以按照其模 擬的對象不同而加 以分類，如飛機模型、核反應堆模型，也可以根據仿真模型建立的方法進行分類，又可以依據其仿真中不同階段加以分類，如概念模型、數學模型、計算機實現模型等。隨著仿真研究對象的擴展，對仿真模型的分類研

4、究應成為仿真概念研究的一個重要課題，這是進一步發(fā)展仿真論的需要。 1 2建模方法 面對新世紀科學技術發(fā)展對仿真技術的需求，對建模方法論提出新 的要求，包括但不限于： ( 1 )仿真研究對象越來越復雜，需要研究復雜系統(tǒng)建模的方法； ( 2 )仿真的精度和可信度要求越來越高，需要研究提高所建立模型的精度方法； ( 3 )同樣的仿真研究對象，在不同仿真系統(tǒng)中要反映出不同的屬性，需要在建模時考慮具體的要求，并研究仿真模型簡化、細化、聚合、解聚的方法； ( 4 )仿真模型建立要反映仿真工程性越來越強的變化趨勢，強調仿真建模及其使用工具的標準化： ( 5 )仿真建模人員不僅要考慮建立模型本身的要求，同樣需

5、要考慮驗模的要求；( 6 )建模過程應反映對仿真系統(tǒng)全面的配置、質量管理要求的變化，建立完備的模型檔案，對模型的屬性及其建立過程加以記載和科學管理。 總之，仿真技術的發(fā)展變化對作為基礎的建模方法學提出了更高要求，這種變化既反映在建模方法的技術層面，同樣更高地反映到對建模過程和模型配置管理的要求。 1 3仿真模型互操作性 通過建立相對簡單的仿真模型集，并通過一定的交互性協議，來構建相對復雜的仿真系統(tǒng)實現對復雜的過程或現象進行研究，這是一種比較經濟有效的開發(fā)仿真系統(tǒng)的方法，這種思想已經被眾多分布交互仿真系統(tǒng)的成功應用所證明。仿真模型互操作性已經成為仿真設計和實現時必須考慮因素，美國國防部已經要求其

6、管轄范圍內的仿真項目都要符合高層體系結構(HLA)的要求。仿真模型互操作成為新的仿真系統(tǒng)設計開發(fā)中關鍵性的問題，“互 操作建?！?Imeroperability Modeling)實際成為建模過程中一部分，要反映真實世界實體交互過程和實體之間的相互影響。仿真模型互操作性要考慮兩個主要問題：(1)模型之間互操作性的權威描述 模型之間互操作性的權威描述是真實實體之間相互影響和作用過程在仿真世界中的客觀描述，由于不同設計人員對這種過程的認識存在著一定的區(qū)別， 為了保證模型之間互操作的一致性，必須建立模型之間互操作性的權威描述，如任務空間功能描述(FDMS)、仿真參考聯邦模型都是為實現這一目標而產生研

7、究課題： (2)仿真模型互操作性實現 仿真模型互操作性的實現需要遵循一定標準，HLA標準定義了對象模型模板 (0MT)、聯邦對象模型(FOM)、仿真對象模型(SOM)等建立互操作性仿真模型參考的規(guī)則；在仿真模型互操作性實現的編碼過程中，同樣要遵守分布式對象開發(fā)的標準，如CORBA、DCOM等；由于采用標準性建模規(guī)則和編碼標準，使仿真模型互操作性實現的自動化程度可以大大提高。仿真模型互操作性是近十年逐漸發(fā)展起來研究課題，目前還沒有全球性的統(tǒng)一標準，很難滿足仿真技術飛速發(fā)展的需要。仿真互操作全球性標準將是未來努力的方向。 1 4仿真模型重用性 仿真模型重用性是仿真系統(tǒng)開發(fā)中越來越重要的一個問題。以

8、往的仿真模型開發(fā)很少考慮仿真型未來應用，使仿真模型在使用一段時間后就越來越難以滿足仿真應用的需要，必須根據新的仿真應用需求重新設計和開發(fā)，這對越來越多的仿真應用開發(fā)而言是很不利的。而且隨著復雜系統(tǒng)仿真的發(fā)展，仿真需求變化越來越快，對仿真模型重用性提出了迫切的需求 。 仿真模型實現中采用模塊化和面向對象的設計與實現，使新的仿真應用開發(fā)可以部分地應用前面研究開發(fā)的成果，一定程度上減輕了新的仿真應用開發(fā)的壓力，但這種較低層次上的重用性帶有很大的隨意性和不確定性。為了真正實現仿真模型的可重用性，必須對模型設計、實現、驗證和管理的各個角度建立相應標準，來保證仿真模型重用性的實現。 仿真是針對不同的應用目

9、標的，應用目標的不同直接反映到仿真模型的設計和實現中，因此為一個仿真應用所開發(fā)的仿真模型很難原封不動地放到另一個仿真應用中，必須認真考慮被重用的仿真模型與新的仿真應用目標的一致性程度， 這種比較是仿真模型重用性研究需要解決的關鍵問題。 1 5仿真模型vv&A與可信度評估 近十年來，建模與仿真方法研究的另一個重要特點是仿真模型VV&A與可信度評估的重要性日益為仿真系統(tǒng)的開發(fā)者和使用者所重視。仿真模型VV&A不是要評價模型本身的好與壞，它關注的是仿真模型是否符合設計和是否滿足仿真模型應用目標的要求。仿真模型 VV&A也不等同于對仿真模型軟件實現所進行的功能測試和性能

10、測試， 它是伴隨仿真模型的整個生命周期的活動。仿真模型VV&A過程、方法、指標以及協調管理問題是其發(fā)展應用中必須解決的一些問題。仿真系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，復雜程度越來越大，開發(fā)工程性越來越強。仿真系統(tǒng)的可信度評估越來越需要開展全系統(tǒng)、全生命周期的VV&A，并通過提供盡可能多的自動化工具來提高仿真模型VV&A的效率，降低仿真模型VV&A的耗費。仿真模型 VV&A工具是提高其工作效率和準確性的重要保障。仿真模型VV&A標準是確立其在仿真系統(tǒng)開發(fā)和應用中的重要作用的標志。仿真模型VV&A工作應與仿真系統(tǒng)開發(fā)中各種相關工作建立密切協調的關系， 最終

11、目標是用有限的在模型 VV&A方面的投入換取最嚴格的仿真可信度方面的保障。在仿真模型VV&A概念和方法研究的基礎上，仿真模型VV&A人員正不斷地推動VV&A在實際仿真系統(tǒng)的應用，近年來，仿真模型VV&A已經開始應用于若干仿真系統(tǒng)的開發(fā)中，特別是對復雜仿真系統(tǒng)VV&A與可信度評估研究， 使仿真模型校核與驗證技術研究向一個新的高度發(fā)展。 仿真模型 VV&A 已經成為仿真系統(tǒng)研究和應用重要支柱，仿真模型 VV&A只有在正確宏觀政策指導下，通過制訂有效方案、依靠充分的權威數據和文檔、建立集成化的VV&A 支撐工具、充分發(fā)揮領域專家

12、的支持，才能從理論研究逐步走向應用發(fā)展，美國等發(fā)展仿真系統(tǒng) V V&A的經驗值得我國借鑒。為了使我國仿真系統(tǒng)VV&A不斷走向成熟，建議國家仿真規(guī)劃、管理部門抓緊制定我國仿真系統(tǒng)VV&A宏觀政策，對仿真系統(tǒng)VV&A發(fā)展必須解決的幾個關鍵問題進行攻關，提出有效的解決方案。與此同時，分階段逐步推動 VV&A 在仿真系統(tǒng)研究開發(fā)中的應用，對廣大仿真系統(tǒng)的管理人員、開發(fā)人員、使用人員開展VV&A方的技術培訓，使VV&A成為仿真系統(tǒng)向規(guī)模化、產業(yè)化和標準化發(fā)展過程中的重要推動力。 2 、仿真系統(tǒng)體系結構發(fā)展 分布交互仿真技術的發(fā)展打破了傳統(tǒng)仿真應用開

13、發(fā)的封閉局面，使仿真應用問的互操作成為可能。在新世紀，仿真系統(tǒng)體系結構將進一步向著標準化、層次化、網絡化、協同化和 網格化的方向發(fā)展，這是一個難以逆轉 的潮流。由此帶來的仿真系統(tǒng)重用 ( Re u s e )和可配置管理方面的好處，將大大 降低仿真應用開發(fā)的成本，更加有利于仿真向更廣闊的應用領域的擴展。 2 1仿真系統(tǒng)體系結構標準化 從上個世紀 8 0年代初開始的S I MNE T計劃，標志著分布交互仿真時代的來臨，分布交互仿真技術的快速發(fā)展一方面是得益于分布式計算技術和通信網絡技術快速發(fā)展，另一方面則應歸功于仿真標準化工作的深入開展。從上個世紀9 0年代開始的分布交互仿真標準制定工作，主要完

14、成了I E E E1 2 7 8系列標準，包括了對體系結構、仿真應用交互協議數據單元 ( P DU)和編碼、網絡要求、仿真工程管理、校核驗證與驗收、精度描述等幾個方面定義，該系列標準大大方便了異構的仿真系統(tǒng)互聯構造大規(guī)模分布交互仿真系統(tǒng) 工作。與分布交互仿真標準 ( I E E E1 2 7 8 )同時發(fā)展的聚合級仿真協議 ( AL s P )定義了聚合級仿真應用之間互聯進行大規(guī)模作戰(zhàn)仿真的所應遵循的體系結構、事件調度、交互協議等方面的要求。 在分布交互仿真標準和聚合級仿真協議的基礎上，結合其他分布式仿真的經驗，美國國防部 1 9 9 5年公布了向高層體系結構 ( HL A)轉變的計劃。HL

15、A 標準化工作包括了HL A的基本規(guī)則的定義、對象模型模板的格式和信息接口的規(guī)定，I E E E于 2 0 0 0年 9月通過了關于 HL A的 I E E E1 5 1 6系列標準，使其成為工業(yè)標準。分布交互仿真標準化工作在新世紀 的開始將進一步深入地開展，并將繼續(xù)成為推動仿真向更大規(guī)模、更復雜的方向發(fā)展。仿真標準化工作應覆蓋與仿真應用開發(fā)有關的所有方面，包括仿真工程的管理、模型的校核驗證、仿真資源的管理等等。 仿真標準化工作需要進一步擴大參與的組織的范圍，真正起到推動全球仿真技術共同發(fā)展的作用。 2 2仿真系統(tǒng)層次化 仿真系統(tǒng)的體系結構層次化是隨著仿真應用復雜化而出現并發(fā)展的。這同一般的軟

16、件系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)律是一致的。仿真系統(tǒng)體系結構的層次化有利于仿真設計和開發(fā)工作，同時大大提高了仿真系統(tǒng)開放性、擴展性和可管理性。一般地，仿真系統(tǒng)體系結構包括基本的四個層次： ( 1 )資源層 提供仿真應用所需的各種標準化數據，如地理數據、環(huán)境數據、氣象數據等方面的參數，還應當包括仿真應用管理所需的各類信息；( 2 )支撐環(huán)境層 包括建模支撐環(huán)境和運行支撐環(huán)境 ，作為仿真應用的“操作系統(tǒng)”，可以提供仿真應用過程中所需的各種接口和標準處理流程的調用，運行支撐環(huán)境的典型代表是HLA中的RTI； ( 3 )仿真模型層 包括完成仿真應用所需的各種仿真模型設計及其實現，仿真模型的互操作應在這個層次中加以定義，

17、在 HL A中，仿真模型層中的工作應包括按照OMT的要求聯邦對象模型( F OM)和仿真對象模型 ( S OM) ； ( 4)分析評估層 對仿真的過程和結果加以分析評估已經成為仿真系統(tǒng)內含的重要功能， 因此在仿真系統(tǒng)體系結構中應當包括分析評估層， 提供對仿真過程的監(jiān)控和仿真結果的評估等高層次 任務的支持。 2 3仿真系統(tǒng)網絡化計算機通信網絡成為信息化社會重要的基礎，同樣成為未來仿真系統(tǒng)重要 的底層基礎。 美國國防部上個世紀就已經建立的仿真互聯網 ( De f e n s e S i mu l a t i o n I n t e me t )已經成為聯接美國國內和海外軍事基地重要仿真資源的基礎設

18、施。仿真系統(tǒng)網絡化成為不可逆轉潮流，利用互聯網提供的廣闊的互聯性，可以大大降低仿真應用之間進行互操作的成本， 加快仿真開發(fā)和應用的速度。網絡對仿真系統(tǒng)的影響不僅僅體現在體系結構的變化下，同樣反映在開發(fā)方式的變化上，網絡使異地的開發(fā)團隊共同開發(fā)仿真系統(tǒng)成為可能。 下一代網絡技術的成熟將為仿真系統(tǒng)提供更加安全、可靠、有效的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。 WE B應用技術的成熟也為仿真應用開發(fā)提供了更加經濟有效統(tǒng)一的環(huán)境?；鵚EB仿真已經成為當前分布式仿 真發(fā)展的重要方向。基于公共互聯網的仿真必須解決實時性、可靠性、安全性和管理等多方面的問題。 2 4仿真系統(tǒng)協同化 人一 機協同的問題一直是仿真系統(tǒng)關注的重要

19、問題。分布交互仿真系統(tǒng)的發(fā)展大大擴大了這個問題研究的領域。協同化已經成為新一代仿真系統(tǒng)重要的特征，協同化問題既包括了異地的參與仿真的人員和設備在虛擬的、網絡化的仿真環(huán)境中，通過互相配合完成必要的任務，又包括了仿真系統(tǒng)整個生命周期的開發(fā)工作中所需的各類人員的協同工作。協同化將是使下一代仿真系統(tǒng)能夠有效地開發(fā)和應用的重要保證。 深入研究仿真系統(tǒng)中的協同化問題同樣應當成為仿真體系結構研究中的重要課題。 2 5仿真系統(tǒng)網格化 網格的總體目標是在當前日益發(fā)達的網格傳輸基礎設施的基礎上建立信息處理基礎設施，將分散在網絡上的各種設備和各種信息以合理的方式 “ 粘合”起來，形成高度集成的有機整體，向普通用戶提

20、供強大的計算能力、存貯能力、設備訪問能力及前所未有的信息融合和共享能力。網格是當今的研究熱點，國際上已經涌現出大批網格研究項目，例如，美國有Gl o b u s 、L e g i o n 、C o n d o 、I P G等，歐洲有CE R N Da t a G r i d 、UNI C OR E、MOL等，澳大利亞有 Ni mr o d G、 E c o Gr i d等，日本有 Ni n f ,B r i c k s等。我國也有中科院、清華大學等多個單位在進行網格方面研究。 基于網格的仿真可以充分利用網格提供的計算能力、存儲能力、資源調度能力，大大提高仿真系統(tǒng)可用性。目前仿真網格研究在國際與

21、國內都已取得一定的進展， 國外比較典型的例子是是由美國國防部下屬的國防先進研究計劃署DAR P A( De f e n s e A d v a n c e d R e s e a r c h P r o j e e t s A g e n c y ) 資助 S F E x p r e s s項目，1 9 9 8年 3月，S F E x p r e s s集合 1 3臺并行計算機之力， 使用了 1 ， 3 8 6個處理器， 終于成功模擬了1 0 0 ， 2 9 8個戰(zhàn)斗實體，實現了歷史上最大規(guī)模的戰(zhàn)爭模擬。國內由航天二院、清華大學等單位合作進行仿真網格研究。仿真系統(tǒng)網格化還有一系列的問題有待解決

22、， 如何使網格效能最大發(fā)揮以支持仿真應用將是今后努力的重要方向。 3 仿真技術的應用發(fā)展 在新的世紀里，仿真技術的應用領域將更加寬廣，并向更深入的層次發(fā)展，與人們日常生活將更加緊密地結合。 3 1仿真支撐平臺和工具的飛速發(fā)展 仿真支撐平臺和工具的發(fā)展具有以下的特點： ( 1 )仿真支撐平臺和工具已經從基于通用程序語言開發(fā)階段走進了基于專門的仿真開發(fā)支撐工具和支撐平臺開發(fā)的階段； ( 2 )仿真計算機的速度越來越快； ( 3 ) 為網絡化仿真提供支撐的通用性商用軟件日趨成熟；( 4 )各種輔助設計、開發(fā)和測試工具的越來越多地支持仿真的功能； ( 5 )對通用的仿真工具軟件研究的投資越來越大。仿真支撐平臺和工具的飛速發(fā)展將大大地推動仿真應用開發(fā)速度的提高，有利于降低仿真應用開發(fā)的成本。 3 2仿真應用的新領域層出不窮 仿真應用的傳統(tǒng)領域包括了航空工業(yè)、航天工業(yè)核工業(yè)等；近些年來，仿真應用出現了許多新的領域，如醫(yī)學研究、交通運輸業(yè)、市場研究、農業(yè)作物栽培、戰(zhàn)略管理研究等等；各行各業(yè)的人們應用仿真技術自覺性日益提高，不但技術人員重視仿真的作用， 而且管理者也日漸認同仿真技術在系統(tǒng)研究中的重要作用， 將仿真研究結果作為其進行決策的重要參考 。 3 3復雜系統(tǒng)科學更加依賴仿真技術的進步 現代科學的許多研究對象已經越來越多涉及到一些非常復雜的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)由于各種原因，根本無法用