系統(tǒng)仿真的過去、現(xiàn)在和未來

仿真的過去、現(xiàn)在和未來20世紀(jì)初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)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(jìn)步。60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展；70年代是航天、核能和經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)；到80年代，最引人注目的仿真領(lǐng)域就逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng)，并且呈現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的局面；到了21世紀(jì)其技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品更是廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試、生產(chǎn)、培訓(xùn)、使用、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真產(chǎn)業(yè)儼然已經(jīng)成為具有相當(dāng)規(guī)模的新型產(chǎn)業(yè)，并廣泛應(yīng)用于國防、能源、電力、交通、物流、教育、航天航空、工業(yè)制造、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療、石油化工、船舶、汽車、電子產(chǎn)品、虛擬儀器、農(nóng)業(yè)、體育、娛樂、社會經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境及安全科學(xué)等等領(lǐng)域。在這里，我們主要討論系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)仿真是20世紀(jì)40年代末以來伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科。仿真(Simulation)就是通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所見模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。最初，仿真技術(shù)主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價(jià)格昂貴、周期長、危險(xiǎn)性大、實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的少數(shù)領(lǐng)域，后來逐步發(fā)展到電力、石油、化工、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門，并進(jìn)一步擴(kuò)大到社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)等一些非工程系統(tǒng)領(lǐng)域?？梢哉f，現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)，特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的分析、研究、設(shè)計(jì)、評價(jià)、決策和訓(xùn)練的重要手段。其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用效益也日益顯著。工程系統(tǒng)的仿真，起源于自動控制技術(shù)領(lǐng)域。從最初的簡單電子、機(jī)械系統(tǒng)，逐步發(fā)展到今天涵蓋機(jī)、電、液、熱、氣、電、磁等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，并且在控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)方向上飛速發(fā)展?？刂破鞯姆抡孳浖?，在研究控制策略、控制算法、控制系統(tǒng)的品質(zhì)方面提供了強(qiáng)大的支持。隨著執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)、電、液、熱、氣、磁等驅(qū)動技術(shù)的進(jìn)步，以高可靠性、高精度、高反應(yīng)速度和穩(wěn)定性為代表的先進(jìn)特征，將工程系統(tǒng)的執(zhí)行品質(zhì)提升到了前所未有的水平。相對控制器本身的發(fā)展，憑借新的加工制造技術(shù)的支持，執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展更加富于創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，而對于設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及構(gòu)建一個(gè)包括控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完整的自動化系統(tǒng)也提出了更高的要求。AMESIM軟件正是能夠提供平臺級仿真技術(shù)的工具。從根據(jù)用戶需求，提供液壓、機(jī)械、氣動等設(shè)計(jì)分析到復(fù)雜系統(tǒng)的全系統(tǒng)分析，到引領(lǐng)協(xié)同仿真技術(shù)的發(fā)展方向，AMESIM的發(fā)展軌跡和方向代表了工程系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。系統(tǒng)仿真及其分類。系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)初等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實(shí)或假設(shè)的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助于專家的經(jīng)驗(yàn)知識、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而做出決策的一門綜合的實(shí)驗(yàn)性學(xué)科。從廣義而言，系統(tǒng)仿真的方法適用于任何的領(lǐng)域，無論是工程系統(tǒng)（機(jī)械、化工、電力、電子等）或是非工程系統(tǒng)（交通、管理、經(jīng)濟(jì)、政治等）。系統(tǒng)仿真根據(jù)模型不同，可以分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和物理一數(shù)學(xué)仿真（半實(shí)物仿真）；根據(jù)計(jì)算機(jī)的類別，可以分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真；根據(jù)系統(tǒng)的特性；可以分為連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散時(shí)間系統(tǒng)（采樣系統(tǒng)）仿真和離散事件系統(tǒng)仿真；根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的關(guān)系，可以分為實(shí)時(shí)仿真、欠實(shí)時(shí)仿真和超實(shí)時(shí)仿真等。一、系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀工程系統(tǒng)仿真作為虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一部分，與控制仿真、視景仿真、結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算仿真、多物理場以及虛擬布置和裝配維修等技術(shù)一起，在貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)改進(jìn)乃至退役的全壽命周期技術(shù)活動中，發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也在滿足越來越高和越來越復(fù)雜的要求。因此，工程系統(tǒng)仿真技術(shù)也就迅速地發(fā)展到了協(xié)同仿真階段。其主要特征表現(xiàn)為：1、控制器和被控對象的聯(lián)合仿真：MATLAB+AMESIM，可以覆蓋整個(gè)自動控制系統(tǒng)的全部要求。2、 被控對象的多學(xué)科、跨專業(yè)的聯(lián)合仿真：AMESIM+機(jī)構(gòu)動力學(xué)+CFD+THERMAL+電磁分析3、 實(shí)時(shí)仿真技術(shù)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是由仿真軟件與仿真機(jī)等半實(shí)物仿真系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，通過物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模型來測試成型或者硬件控制器。4、 集成進(jìn)設(shè)計(jì)平臺現(xiàn)代研發(fā)制造單位，尤其是設(shè)計(jì)研發(fā)和制造一體化的大型單位，引進(jìn)PDM/PLM系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化建設(shè)的潮流。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理流程中，系統(tǒng)仿真作為CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，與上下游工具配合。5、 超越仿真技術(shù)本身工程師不必是精通數(shù)值算法和仿真技術(shù)的專家，而只需要關(guān)注自己的專業(yè)對象，其他大量的模型建立、算法選擇和數(shù)據(jù)前后處理等工作都交給軟件自動完成。這一技術(shù)特點(diǎn)極大地提高了仿真的效率，降低了系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng)用門檻，避免了因?yàn)椴涣私馑惴ㄔ斐傻姆抡媸　?、 構(gòu)建虛擬產(chǎn)品在通過建立虛擬產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化過程中，關(guān)注以各種特征值為代表的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)多方案的快速比較。二、仿真的發(fā)展困境仿真應(yīng)用的困境在于現(xiàn)實(shí)問題的“簡單”，人為認(rèn)定的“簡單”。在處理問題時(shí)，“取其主干去其枝葉，抓住要點(diǎn)忽略細(xì)節(jié)”是正確的思維方式，應(yīng)用起來得心應(yīng)手，解決問題的效果也極為顯然。在日常的生產(chǎn)或是管理問題的解決中，用細(xì)化的數(shù)學(xué)描述去思考問題的情況很少，主觀直覺是最主要的發(fā)現(xiàn)問題的方式，而且由于這本身是一種粗略的思考，不會糾纏于細(xì)節(jié)，一旦發(fā)掘出問題就有極佳的效益。相比之下，仿真則往往會是在發(fā)掘細(xì)的方面，改善難度大，效益也往往并不樂觀。從這點(diǎn)來講，粗的分析反比細(xì)的分析為好。邏輯很簡單，粗的分析能發(fā)掘到大的問題，大的問題也首先應(yīng)經(jīng)粗的分析去發(fā)掘，而細(xì)的分析在這其中并無多大作用。這就是不精確比精確好！因?yàn)榫_代價(jià)大，發(fā)掘出來的卻是小問題。所以往往樂于追逐大問題，怠于費(fèi)力分析小問題，樂于主觀的考察問題，怠于系統(tǒng)地分析問題。獅子獵食馬鹿，豺狗吃獅子的剩肉；草原上的獅子數(shù)里難得一見，草原上的豺狗卻是隨地可見，因?yàn)椴蚬窌压穷^啃的很干凈，哪怕費(fèi)再大的勁都要不剩一點(diǎn)的肉。這種的“豺狗”應(yīng)該是制造企業(yè)的榜樣。制造企業(yè)本是利薄的企業(yè)，其利潤來源于資源的合理使用（利潤豐厚的制造企業(yè)會是災(zāi)難，因?yàn)樗囟〞栌诠芾恚瑳]有發(fā)掘精神，造成很大的資源浪費(fèi)）。一個(gè)理想的制造企業(yè)應(yīng)該是一個(gè)數(shù)字化的企業(yè)，每一份資源都納入系統(tǒng)，每一份資源都有其使用規(guī)劃。如此，系統(tǒng)方顯復(fù)雜，人為認(rèn)定的“簡單”才能消除，企業(yè)優(yōu)化資源利用的行動才能持續(xù)下去。說到底，這是一個(gè)量化意識與系統(tǒng)思考問題的意識。沒有了量化與系統(tǒng)思考，仿真就沒有了用武之地，因?yàn)樗旧碓谟谇蠼鈴?fù)雜問題。仿真還有一個(gè)潛在的弊病，就是追求華而不實(shí)的動畫演示，追求視覺沖擊感的三維實(shí)體場景。可視化有自己的優(yōu)點(diǎn)，但做到即足夠，這不是仿真的重點(diǎn)，恰恰相反，這樣的做法是舍本逐末。 說道底，仿真最重大的任務(wù)還是建立具有足夠問題承載力的現(xiàn)實(shí)問題的模型，并借助計(jì)算機(jī)的特異之處（高速運(yùn)算能力），給出數(shù)學(xué)計(jì)算所無法給出的求解。補(bǔ)充一句，如果簡單的數(shù)學(xué)分析可以解決問題，為什么我們要搞那龐大的仿真（或曰：“動畫”，“形象工程”除外）。仿真，仿真論壇,仿真軟件，物流仿真，供應(yīng)鏈仿真，生產(chǎn)仿真，系統(tǒng)仿真，流程仿真。仿真是對于“精確”的追求，對于“精確量化”的追求，對于“精確的系統(tǒng)的量化”的追求，是對于理想的數(shù)字的工廠的追求。三、系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢2.1、屏棄單專業(yè)的仿真單一專業(yè)仿真將退出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，專注于單一專業(yè)技術(shù)的深入發(fā)展。作為總體優(yōu)化的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)分析工具，必要條件之一是跨專業(yè)多學(xué)科協(xié)同仿真。2.2、跟隨計(jì)算技術(shù)的發(fā)展隨著計(jì)算技術(shù)在軟硬件方面的發(fā)展，大型工程軟件系統(tǒng)開始有減少模型的簡化、減少模型解藕的趨勢，力爭從模型和算法上保證仿真的準(zhǔn)確性。更強(qiáng)更優(yōu)化的算法，配合專業(yè)的庫，將提供大型工程對象的系統(tǒng)整體仿真的可能性。在高性能計(jì)算方面，將支持包括并行處理、網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)和高速計(jì)算系統(tǒng)等技術(shù)。2.3、平臺化要求仿真工具能夠提供建模、運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理（包括二次開發(fā)后的集成和封裝）、數(shù)據(jù)傳遞等全部仿真工作流程要求的功能，并且通過數(shù)據(jù)流集成在更大的PDM/PLM平臺上。同時(shí)，在時(shí)間尺度上支持全開發(fā)流程的仿真要求，在空間尺度上支持不同開發(fā)團(tuán)隊(duì)甚至是交叉型組織架構(gòu)間的協(xié)同工作以及數(shù)據(jù)的管理。2.4、整合和細(xì)分市場整合化：將出現(xiàn)主流的標(biāo)準(zhǔn)工具。其特征是功能涵蓋了現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的主要系統(tǒng)仿真需求，并與其他主流軟件工具通過接口或后臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫級別的數(shù)據(jù)交互，有協(xié)同工作的能力；軟件自身的技術(shù)進(jìn)展迅速，具有強(qiáng)大的發(fā)展后勁。專業(yè)化：隨著市場需求的細(xì)分，走專業(yè)化道路，將出現(xiàn)極專業(yè)的工具。這些工具將在某些具體的專業(yè)領(lǐng)域提供深入研究的特殊支持，如開發(fā)特殊的庫或模型，專注于具有鮮明行業(yè)特征的技術(shù)，滿足特殊的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將出現(xiàn)整合型工具和專業(yè)化工具互補(bǔ)的局面。2.5、智能化將引進(jìn)更加友好的操作界面，智能化的求解器及模型管理。不斷改進(jìn)GUI，讓軟件使用者直接體驗(yàn)到數(shù)值計(jì)算專家開發(fā)的后臺工具提供的強(qiáng)大功能，同時(shí)減少軟件學(xué)習(xí)和使用的困難。提供易學(xué)易用的強(qiáng)大工具。2.6、豐富的二次開發(fā)選項(xiàng)提供源代碼級的二次開發(fā)支持，開放的架構(gòu)滿足不同用戶的專業(yè)開發(fā)要求。在強(qiáng)大的工具平臺上，根據(jù)自身的需要，進(jìn)行二次開發(fā)。這已經(jīng)是目前許多研發(fā)單位開發(fā)專有技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。今后的系統(tǒng)仿真工具必須支持用戶在進(jìn)行二次開發(fā)的時(shí)候，從源代碼級別開始的創(chuàng)新和工程化定制，并能夠通過封裝集成到原有平臺中去。這種技術(shù)將成為用戶在實(shí)現(xiàn)知識和技術(shù)組織內(nèi)共享和傳承的同時(shí)，保護(hù)自身知識產(chǎn)權(quán)的必然選擇。仿真將是支持研究各類復(fù)雜系統(tǒng)生命周期的必要手段。仿真系統(tǒng)是預(yù)估其安全性的有效工具，因此仿真系統(tǒng)自身的可信度就變得非常重要。從理論上建立仿真系統(tǒng)的評估體系及相應(yīng)的方法、工具是推動仿真技術(shù)應(yīng)用的重要研究方向。先進(jìn)的分布式仿真技術(shù)的發(fā)