仿真技術簡介

何為仿真?1定義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。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)、邏輯關系；在某些輸入條件下系統(tǒng)的輸出響應等。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。3主要仿真技術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。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。2＞面向?qū)ο蟮姆抡婷嫦驅(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)。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。4＞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)。5＞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(gòu)上(HLA，highlevelarchitecture)，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。6＞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。4經(jīng)濟效益仿真技術得以發(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領域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術使大型客機的設計和研制周期縮短20%。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員，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置一些在空中訓練時無法設置的故障，培養(yǎng)飛行員應付故障的能力。訓練仿真器所特有的安全性也是仿真技術的一個重要優(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。現(xiàn)代仿真技術不僅應用于傳統(tǒng)的工程領域，而且日益廣泛地應用于社會、經(jīng)濟、生物等領域，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、市場預測、世界經(jīng)濟的分析和預測、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)字仿真技術處于起步階段，僅應用于高科技領域，但仿真技術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，在社會、經(jīng)濟、生物等民用領域具有很大的發(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。混合計算機系統(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)合工作可對大型復雜的飛行系統(tǒng)進行實時仿真