第一章 绪 论 20世纪中期以来，随着计算机技术的发展，仿真试验正在成为继理论研究、实验研究之后的认识世界、改造世界的“第三种手段”本章介绍系统、模型、仿真的基本概念，介绍系统仿真的历史、应用领域及发展趋势，介绍系统仿真的优缺点，以及仿真研究一般步骤 第一节 系统、模型、仿真 一、系统 “系统这个术语已经在各个领域用得如此广泛，以致很难给它下一个定义系统这一词最早见著古希腊原子论创始人德滨克利特(Democritus公元前460～前370年)的著作《世界大系统》，系统定义为：“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的总貌” 韦氏（Webster）大辞典的定义为：“有组织的或被组织化的整体，结合着的整体所形成的各种概念和原理的综合；由有规则的相互作用、相互依存的形式组成的诸要素集合，等等” 日本JIS标准对系统的定义：“许多组成要素保持有机的秩序，向同一目的行动的集合体” L.V.Bertalanffy将系统定义为：“相互作用的诸要素的综合体” 美国学者Ackoff.R.L.认为系统是：“由两个或两个以上相互联系的任何种类的要素所构成的集合”。
综上，系统可定义为：“按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和” 系统可能是自然的或人工的、现在存在的或未来所计划的例如一个理发馆是一个人工系统，构成这一系统的实体是理发员和顾客，理发员根据顾客的要求，按一定的程序为顾客服务，理发完毕顾客即离开由自然界的动植物形成一个十分复杂的自然生态系统，构成生态系统的实体是地球上的动物和植物，它们彼此相关，形成环环相扣的生物链，一旦其中某一环被打破，就会产生无法估计后果 二、模型 模型是实际系统的抽象，是对相应的真实对象和真实关系中的有用的和令人感兴趣的特性的刻划，是对系统某些本质方面的描述，以各种有用的方式提供被研究系统的描述信息 模型可分为两大类：形象模型和抽象模型形象模型（Iconic Model） 又称物理模型是采用一定比例尺按照真实系统的“样子”制作，看起来与实际的东西基本相似沙盘模型就是物理模型的典型例子抽象模型(Abstract Model)是用符号、图表等来描述客观事物所建立起来的模型抽象模型又可分为：数学模型（Mathematics Model）——用字母、数字、数学符号建立起来的公式、图表、图像及框图等来描述客观事物的特征及其内在联系的模型。
实现世界的抽象如描述物体质量、运动加速度与所受力之间关系的牛顿第二定律，F = ma；电学中的电压、电流强度与电阻间关系的（欧姆定律）V = RI；锥体的高、底面积与体积的关系 V=1/3hS等仿真模型（Simulation Model）也称模拟模型（Analog Model）——用便于控制的一组条件代表真实事物的特征，通过模仿性的试验来了解真实事物的规律例如，一个长为l，质量为m单摆的简谐运动的周期是 由电感L及电容C构成的的电路系统的解是一个以为周期的简谐振动因此，建立对应的关系：及，即可用电路系统模拟力学系统lLCiθm 图1－1－1 概念模型（Concept Model）是一类最抽象的模型三、仿真1961年，G．W．Morgenthater首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”另一个典型的对“仿真”进行技术性定义的是Korn，他在1978年的著作《连续系统仿真》中将仿真定义为“用能代表所研究的系统的模型作实验”1982年，Spriet 进一步将仿真的内涵加以扩充，定义为“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动”。
Oren在1984年在给出了仿真的基本概念框架“建模——实验—— 分析”的基础上，提出“仿真是一种基于模型的话动”定义,，被认为是现代仿真技术的一个重要概念随着科学技术的进步，特别是信息技术的迅速发展，“仿真”的技术含义不断地得以发展和完善，从A.A1an和B．Pritsker撰写的“仿真定义汇编”一文我们可以清楚地观察到这种演变过程无论哪种定义，仿真基于模型这一基本观点是共同的 现代仿真技术均在计算机支持下进行，因此系统仿真也称计算机仿真系统仿真有三个基本的活动：系统建模、系统仿真和仿真实验，联系这三个活动的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机系统 模型计算机建模仿真图1－1－2建模与仿真的基本组成部分与相互关系 应该指出，“Simulation”最初译为“模拟”，后译改为“仿真”，但仍有采用模拟称谓的事实上，仿真与模拟是有区别的，根据“国际标准化组织（ISO）标准”， “模拟”（Analog）与“仿真”(Simulation)两词的含义分别为： “模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示他们的过程； “仿真”则是用另一数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分地模仿另一数据系统，以致于模仿地系统像被模仿的系统一样受同样地数据，执行同样地程序，获得同样的结果。
鉴于目前实际上已将上述“模拟”和“仿真”两者所含的内容都统归于“仿真”的范畴，而且都用英文Simulation一词来代表，因此现在所讨论的仿真（或模拟）概念，是广义（即泛指）的含义第二节 系统建模与仿真的发展历史及趋势 20世纪40年代计算机的诞生，使人们能对复杂事物和复杂系统建立模型并利用计算机求解，这些手段与方法形成了计算机仿真技术计算机仿真把复杂系统（问题）的在某一期间的行为，建立数学模型并在计算机运行，通过对所建模型在不同条件下的实验求解、分析比较，得出最佳的方案和行动方针许多问题可用计算机仿真解决由于计算机仿真有节省时间、节约资金、规避风险并能模拟尚不存在的系统等优点，因而得到广泛应用，例如：银行顾客服务系统根据顾客到达的统计规律和服务时间的分布，确定银行服务窗口设置和不同时间开放的数量；航空公司售票系统根据不同类型旅客的历史统计数据，决定给不同等级的座位预留数量，配合不同的机票定价政策，模拟机票销售情况，为优化决策提供依据；交通道路系统模拟区域内各种车辆在道路系统中的运行情况，改变交通信号灯设置，作出最优的选择；存储系统研究不同的订货政策对供货、生产、销售及资金占用的影响；生产系统。
研究生产线的平衡、机器出现故障的频率、生产计划及控制、设施规划及物流的设计；服务系统根据需求波动的的特点，使服务人员供给与顾客需求达到最佳的配合系统建模与仿真已成为当今现代科学技术的研究的主要内容，并渗透到各学科和工程领域 建模与仿真领域的发展可分为两个阶段：计算机出现之前，以物理科学基础上建模为主；计算机的诞生以后出现的计算机仿真技术建模与仿真的历史可用下表表示 建模与仿真的历史发展年 代 发展的主要特点1600～1940在物理科学基础上的建模20世纪40年代电子计算机的出现20世纪50年代中期仿真应用于航空领域20世纪60年代工业控制过程的仿真20世纪70年代包括经济、社会和环境因素的大系统仿真20世纪70年代中期系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统20世纪70年代中期系统仿真与更高级的决策结合，如决策支持系统DSS20世纪80年代中期集成化建模与仿真环境，如美国Pritsker公司的TESS建模仿真系统20世纪90年代可视化建模与仿真，虚拟现实仿真，分布交互仿真 系统仿真的发展，经历20世纪40年代至70年代的传统仿真，以及80年代以来的复杂系统仿真阶段。
传统仿真主要面向工程系统，如航空、航天、电力、化工等，由于这类系统有良好的定义及结构，在理论上已有较深入的研究，有充分可用的理论知识，可采用演绎推理的方法建模而诸如社会、经济、生态、生物等复杂的非工程系统，因其系统的病态定义及结构，又无充分可利用的理论知识和先验知识，不能照搬传统仿真的建模方法与手段，必须根据复杂系统的非工程技术特点，建立系统的非形式化模型，用一种抽象的表示方法以获得对客观世界和自然现象的深刻认识特别是进入90年代后，作为仿真的支撑技术之一的计算机技术取得异乎寻常的进展，使得用微机和工作站进行复杂系统的仿真成为可能在软件设计中广泛采用面向对象的思想合方法，计算机图形技术的进步，仿真过程中人机交换愈来愈方便直观计算机仿真技术正朝着一体化建模与仿真环境的方向稳步发展 如上所述，由于所研究领域的不断拓展，仿真支持技术的日益进步，近年来系统仿真出现以下研究热点： （1）面向对象仿真（Object-oriented Simulation，OOS） （2）定性仿真（Quanlitative Simulation，QS） （3）智能仿真（Intelligence Simulation，IS） （4）分布交互仿真（Distributed Interrative Simulation，DIS） （5）可视化仿真（Visul Simulation，VS） （6）多媒体仿真（Multimedia Simulation，MS） （7）虚拟现实仿真（Virtual Reality Simulation，VRS） （8）Internet网上仿真 仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切联系。
控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机的出现及计算机技术的发展，为仿真技术提供有力的手段和工具第三节 仿真的局限和优缺点 如前所述，仿真在制造业、建筑工程与项目管理、军事、物流和供应链、交通运输、经营管理、医院管理及健康护理的报告领域得到广泛应用必须指出，仿真并非在任何场合、任何时间是适用的Banks和Gibson给出十条不适合仿真的的规则：1． 当问题可用普通方法解决时，不应使用仿真2． 问题可得到解析解时，不应使用仿真3． 如果直接实验更为简单，不应使用仿真4． 如果成本超过仿真节约的费用，不使用仿真5． 如果没有足够的资源，不使用仿真6． 如果没有足够的时间，不使用仿真7． 如果无数据可用，甚至无法估计，则不建议使用仿真8． 如果没有足够的时间或无人可用，则仿真是不适合的9． 如果对仿真有不合理的预期（如要求过多过快，或对仿真德能力被过高估计），则仿真是不适合的10． 如果系统行为太复杂或不可定义，则不适合使用仿真 由于仿真模型在运行时，模仿了实际系统中发生的事情或在设计阶段时系统可以察觉的东西通过对仿真行为的观测产生评估的场景，提出一个较好的解决方案因而对客户具有直觉的吸引力。
作为系统分析、设计的一种有效工具，仿真有许多优点，但也存在一些缺点 仿真的优点主要有：1． 节省时间仿真可在短时间内多次调整参数，进行多次试验，分析系统的变化，为决策提供依据2． 节约资金运用仿真技术，尤其是计算机仿真比实际试验，不但可以节省时间，还可以节约资金例如，用计算机仿真研究汽车、机翼的空气动力学性能，远比用风洞试验所需资金少；对城市交通系统，可通过运行计算机仿真模型，模仿不同方案而无需建设不同的道路；可通过计算机模拟来替代核试验，不但节约资金，且保护环境3． 虚拟现。