仿真技術(shù)簡介

何為仿真?1定義仿真技術(shù)是利用計算機并通過建立模型進行科學(xué)實驗的一門多學(xué)科綜合性技術(shù)。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(shè)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(guān)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。模型對系統(tǒng)某一層次特性的抽象描述包括：系統(tǒng)的組成；各組成部分之間的靜態(tài)、動態(tài)、邏輯關(guān)系；在某些輸入條件下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)等。根據(jù)系統(tǒng)模型狀態(tài)變量變化的特征，又可把系統(tǒng)模型分為：連續(xù)系統(tǒng)模型一一狀態(tài)變量是連續(xù)變化的；離散（事件）系統(tǒng)模型一一狀態(tài)變化在離散時間點（一般是不確定的）上發(fā)生變化；混合型一一上述兩種的混合。2發(fā)展歷程仿真是一種特別有效的研究手段。20世紀初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學(xué)方面的研究。40?50年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動了仿真技術(shù)的進步。60年代計算機技術(shù)的突飛猛進，為仿真技術(shù)提供了先進的工具，加速了仿真技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)來自于軍事領(lǐng)域，但它不僅用于軍事領(lǐng)域，在許多非軍事領(lǐng)域也到了廣泛的應(yīng)用。例如：在軍事領(lǐng)域中的訓(xùn)練仿真；商業(yè)領(lǐng)域中的商業(yè)活動預(yù)測、決策、規(guī)劃、評估；工業(yè)領(lǐng)域中的工業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估及模擬訓(xùn)練；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估，災(zāi)情預(yù)報、環(huán)境保護；在交通領(lǐng)域中的駕駛模擬訓(xùn)練和交通管理中的應(yīng)用；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的臨床診斷及醫(yī)用圖像識別等。3主要仿真技術(shù)1＞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(shù)。建?；顒邮窃诤雎源我蛩丶安豢蓽y量變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)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。2＞面向?qū)ο蟮姆抡婷嫦驅(qū)ο蠓抡媸钱?dāng)前仿真研究領(lǐng)域中最引人關(guān)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☉?yīng)用到計算機仿真領(lǐng)域中，以產(chǎn)生面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)。3＞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(shù)引入整個建模與仿真過程，構(gòu)造智能仿真平臺。智能仿真技術(shù)的開發(fā)途徑是人工智能與仿真技術(shù)的集成化。仿真技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，即所謂的智能化仿真；仿真模型中知識的表達。4＞虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)是現(xiàn)代仿真技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域，是在綜合仿真技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、傳感技術(shù)等多種學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)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(guān)系進行本質(zhì)的描述，并在計算機上實現(xiàn)。5＞分布仿真技術(shù)分布仿真技術(shù)作為仿真技術(shù)的最新發(fā)展成果，它在高層體系結(jié)構(gòu)上(HLA，highlevelarchitecture)，建立了一個在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)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。6＞云仿真技術(shù)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(wù)的交付和使用模式，指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的服務(wù)。這種服務(wù)可以是與軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以是其他任意的服務(wù)，包括仿真服務(wù)，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(luò)以按需、易擴展的方式獲得所需的仿真服務(wù)。云仿真平臺是一種新型的網(wǎng)絡(luò)化建模與仿真平臺，是仿真網(wǎng)格的進一步發(fā)展。它以應(yīng)用領(lǐng)域的需求為背景，基于云計算理念，綜合應(yīng)用各類技術(shù)，包括復(fù)雜系統(tǒng)模型技術(shù)、高性能計算技術(shù)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(lǐng)域內(nèi)的仿真系統(tǒng)工程。4經(jīng)濟效益仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因，是它所帶來的巨大社會經(jīng)濟效益。50年代和60年代仿真主要應(yīng)用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領(lǐng)域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術(shù)使大型客機的設(shè)計和研制周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓(xùn)練飛行員，不僅節(jié)省大量燃料和經(jīng)費（其經(jīng)費僅為空中飛行訓(xùn)練的十分之一），而且不受氣象條件和場地的限制。此外，在飛行仿真器上可以設(shè)置一些在空中訓(xùn)練時無法設(shè)置的故障，培養(yǎng)飛行員應(yīng)付故障的能力。訓(xùn)練仿真器所特有的安全性也是仿真技術(shù)的一個重要優(yōu)點。在航天工業(yè)方面，采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數(shù)減少80%。在電力工業(yè)方面采用仿真系統(tǒng)對核電站進行調(diào)試、維護和排除故障，一年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本?，F(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，而且日益廣泛地應(yīng)用于社會、經(jīng)濟、生物等領(lǐng)域，如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產(chǎn)管理、市場預(yù)測、世界經(jīng)濟的分析和預(yù)測、人口控制等。對于社會經(jīng)濟等系統(tǒng)，很難在真實的系統(tǒng)上進行實驗。因此，利用仿真技術(shù)來研究這些系統(tǒng)就具有更為重要的意義。5發(fā)展前景目前中國數(shù)字仿真技術(shù)處于起步階段，僅應(yīng)用于高科技領(lǐng)域，但仿真技術(shù)是迄今為止最有效的綜合集成方法，是推動科技進步的戰(zhàn)略性技術(shù)，在社會、經(jīng)濟、生物等民用領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿?。在仿真硬件方面，?0年代起采用數(shù)字計算機逐漸多于模擬計算機?；旌嫌嬎銠C系統(tǒng)在70年代一度停滯不前，80年代以來又有發(fā)展的趨勢，由于小型機和微處理機的發(fā)展，以及采用流水線原理和并行運算等措施，數(shù)字仿真運算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機VAX11-785和外圍處理器AD-10聯(lián)合工作可對大型復(fù)雜的飛行系統(tǒng)進行實時仿真