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1、Vol. 16 No. 9 系 统 仿 真 学 报 Sept. 2004 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 1901 建模与仿真技术发展趋势分析 杨 明 1, 张 冰2, 王子才1 （1哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；2国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京 100029） 摘 要: 经过半个多世纪的发展， 仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合 性技术学科。本文对建模与仿真技术发展趋势作了较全面分析。仿真建模方法更加丰富，更加需要 仿真模型具有互操作性和可重用性， 仿真建模 VV 2.National Computer Network Eme
2、rgency Response Technical Team/Coordination Center of China, Beijing 100029,China) Abstract: Simulation technology becomes one of the important synthetic technical fields through development of nearly half century which has great impact on the evolution of the people and the whole society. In this p
3、aper, the development direction of the modeling and simulation (M simulation grid will be the next important developing direction. The simulation application fields are more wider, and simulations are more and more frequently applied in the study of complex systems. M Development; Verification, Vali
4、dation and Accreditation; simulation grid 引 言1 经过半个多世纪的发展， 仿真技术已经成为对人类社会 发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科。 仿真技术应 用的领域不再局限于某些尖端学科技术研究领域， 而成为一 项被众多学科领域广泛采用的通用性技术。半个多世纪以 来，仿真技术一方面始终是建模技术、计算技术和其他信息 技术最先的应用者， 另一方面是对计算技术和网络技术等的 发展不断提出新的挑战。 在我国建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的 进步， 近十年来仿真技术发展是沿着以应用需求牵引建模与 仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突
5、破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与 仿真系统又服务于应用良性循环的道路向前发展。 仿真技术研究人员一方面不断地扩展仿真应用领域， 另 一方面， 其他领域研究的丰富成果与不断促使仿真技术人员 从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。在近半 个世纪的积累和近十年的快速发展的基础上， 建模与仿真技 收稿日期：2004-07-27 作者简介：杨 明（1 9 6 3 - ） ，男，吉林跤河人，博导，研究方向为复杂 系统仿真理论与方法、分布交互仿真技术，大型复杂仿真系统 V V 张 冰(1973-),男,哈尔滨人, 博士;王子才， 男，教授，博导，仿真学会副理事长, 研究方向为系统
6、仿真、现代控制 理论应用、飞行器精确制导。 术已经成为以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以 及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与 应用相关的物理效应设备及仿真器为工具， 利用模型对已有 的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科 的综合性技术7。 本文从仿真技术仿真建模、仿真体系结构、仿真应用等 几个方面分析当前建模与仿真技术发展的重要特点， 对未来 发展趋势进行预测。 1 仿真建模的发展 仿真是基于模型的活动，模型建立、实现、验证、应用 是仿真过程不变的主题。随着时代的发展，仿真模型包含的 内容大大扩展，建模方法日益多样，模型交互性和重用性变 得越来越重要，模
7、型的校核与验证的成为仿真中必要的步 骤。 1.1 仿真模型的分类 仿真模型的种类随着被仿真对象的丰富而日益广泛。 从 最简单运动方程描述的模型到描述复杂大系统发展变化规 律的仿真模型， 仿真模型的种类涵盖了仿真所涉及的各个领 域。如此之多的仿真模型，需要研究科学的分类方法，使各 种仿真模型能够归属到一定类别中， 对建模和验模方法的选 择、仿真模型的管理变得非常重要。仿真模型可以按照其模 Vol. 16 No. 9 系 统 仿 真 学 报 Sept. 2004 1902 拟的对象不同而加以分类，如飞机模型、核反应堆模型，也 可以根据仿真模型建立的方法进行分类， 又可以依据其仿真 中不同阶段加以分
8、类，如概念模型、数学模型、计算机实现 模型等。随着仿真研究对象的扩展，对仿真模型的分类研究 应成为仿真概念研究的一个重要课题， 这是进一步发展仿真 理论的需要。 1.2 建模方法 面对新世纪科学技术发展对仿真技术的需求， 对建模方 法论提出新的要求，包括但不限于： （1）仿真研究对象越来越复杂，需要研究复杂系统建 模的方法； （2）仿真的精度和可信度要求越来越高，需要研究提 高所建立模型的精度方法； （3）同样的仿真研究对象，在不同仿真系统中要反映 出不同的属性，需要在建模时考虑具体的要求，并研究仿真 模型简化、细化、聚合、解聚的方法； （4）仿真模型建立要反映仿真工程性越来越强的变化 趋势，
9、强调仿真建模及其使用工具的标准化； （5）仿真建模人员不仅要考虑建立模型本身的要求， 同样需要考虑验模的要求； （6）建模过程应反映对仿真系统全面的配置、质量管 理要求的变化，建立完备的模型档案，对模型的属性及其建 立过程加以记载和科学管理。 总之， 仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提 出了更高要求，这种变化既反映在建模方法的技术层面，同 样更高地反映到对建模过程和模型配置管理的要求。 1.3 仿真模型互操作性 通过建立相对简单的仿真模型集， 并通过一定的交互性 协议， 来构建相对复杂的仿真系统实现对复杂的过程或现象 进行研究，这是一种比较经济有效的开发仿真系统的方法， 这种思想已经被
10、众多分布交互仿真系统的成功应用所证明。 仿真模型互操作性已经成为仿真设计和实现时必须考虑因 素， 美国国防部已经要求其管辖范围内的仿真项目都要符合 高层体系结构（HLA）的要求。仿真模型互操作成为新的仿 真 系 统 设 计 开 发 中 关 键 性 的 问 题 ， “ 互 操 作 建 模 ” （Interoperability Modeling）实际成为建模过程中一部分， 要反映真实世界实体交互过程和实体之间的相互影响。 仿真 模型互操作性要考虑两个主要问题： （1）模型之间互操作性的权威描述 模型之间互操作性的权威描述是真实实体之间相互影 响和作用过程在仿真世界中的客观描述， 由于不同设计人员
11、 对这种过程的认识存在着一定的区别， 为了保证模型之间互 操作的一致性，必须建立模型之间互操作性的权威描述，如 任务空间功能描述（FDMS） 、仿真参考联邦模型都是为实 现这一目标而产生研究课题； （2）仿真模型互操作性实现 仿真模型互操作性的实现需要遵循一定标准，HLA 标 准定义了对象模型模板（OMT） 、联邦对象模型（FOM） 、 仿真对象模型（SOM）等建立互操作性仿真模型参考的规 则；在仿真模型互操作性实现的编码过程中，同样要遵守分 布式对象开发的标准，如 CORBA、DCOM 等；由于采用标 准性建模规则和编码标准， 使仿真模型互操作性实现的自动 化程度可以大大提高。 仿真模型互操
12、作性是近十年逐渐发展起来研究课题， 目 前还没有全球性的统一标准， 很难满足仿真技术飞速发展的 需要。仿真互操作全球性标准将是未来努力的方向。 1.4 仿真模型重用性 仿真模型重用性是仿真系统开发中越来越重要的一个 问题。以往的仿真模型开发很少考虑仿真型未来应用，使仿 真模型在使用一段时间后就越来越难以满足仿真应用的需 要，必须根据新的仿真应用需求重新设计和开发，这对越来 越多的仿真应用开发而言是很不利的。 而且随着复杂系统仿 真的发展，仿真需求变化越来越快，对仿真模型重用性提出 了迫切的需求。 仿真模型实现中采用模块化和面向对象的设计与实现， 使新的仿真应用开发可以部分地应用前面研究开发的成
13、果， 一定程度上减轻了新的仿真应用开发的压力， 但这种较低层 次上的重用性带有很大的随意性和不确定性。 为了真正实现 仿真模型的可重用性，必须对模型设计、实现、验证和管理 的各个角度建立相应标准，来保证仿真模型重用性的实现。 仿真是针对不同的应用目标的， 应用目标的不同直接反映到 仿真模型的设计和实现中， 因此为一个仿真应用所开发的仿 真模型很难原封不动地放到另一个仿真应用中， 必须认真考 虑被重用的仿真模型与新的仿真应用目标的一致性程度， 这 种比较是仿真模型重用性研究需要解决的关键问题。 1.5 仿真模型VV&A与可信度评估 近十年来， 建模与仿真方法研究的另一个重要特点是仿 真模型 VV
14、&A 与可信度评估的重要性日益为仿真系统的开 发者和使用者所重视8。仿真模型 VV&A 不是要评价模型 本身的好与坏， 它关注的是仿真模型是否符合设计和是否满 足仿真模型应用目标的要求。仿真模型 VV&A 也不等同于 对仿真模型软件实现所进行的功能测试和性能测试， 它是伴 随仿真模型的整个生命周期的活动。 仿真模型 VV&A过程、 方法、 指标以及协调管理问题是其发展应用中必须解决的一 些问题4,5。 仿真系统的规模越来越大，复杂程度越来越大，开发工 程性越来越强。 仿真系统的可信度评估越来越需要开展全系 统、全生命周期的 VV&A，并通过提供尽可能多的自动化 工具来提高仿真模型 VV&A 的
15、效率，降低仿真模型 VV&A 的耗费。仿真模型 VV&A 工具是提高其工作效率和准确性 的重要保障。仿真模型 VV&A 标准是确立其在仿真系统开 发和应用中的重要作用的标志。仿真模型 VV&A 工作应与 仿真系统开发中各种相关工作建立密切协调的关系， 最终目 Vol. 16 No. 9 Sept. 2004 杨 明, 等：建模与仿真技术发展趋势分析 1903 标是用有限的在模型 VV&A 方面的投入换取最严格的仿真 可信度方面的保障。在仿真模型 VV&A 概念和方法研究的 基础上， 仿真模型 VV&A人员正不断地推动 VV&A在实际 仿真系统的应用，近年来，仿真模型 VV&A 已经开始应用 于
16、若干仿真系统的开发中，特别是对复杂仿真系统 VV&A 与可信度评估研究， 使仿真模型校核与验证技术研究向一个 新的高度发展。 仿真模型 VV&A 已经成为仿真系统研究和应用重要支 柱，仿真模型 VV&A 只有在正确宏观政策指导下，通过制 订有效方案、依靠充分的权威数据和文档、建立集成化的 VV&A 支撑工具、充分发挥领域专家的支持，才能从理论 研究逐步走向应用发展，美国等发展仿真系统 VV&A 的经 验值得我国借鉴。为了使我国仿真系统 VV&A 不断走向成 熟，建议国家仿真规划、管理部门抓紧制定我国仿真系统 VV&A 宏观政策，对仿真系统 VV&A 发展必须解决的几个 关键问题进行攻关，提出有效的解决方案。与此同时，分阶 段逐步推动 VV&A 在仿真系统研究开发中的应用，对广大 仿真系统的管理人员、开发人员、使用人员开展 VV&A 方 面的技术培训，使 VV&A 成为仿真系统向规模化、产业化 和标准化发展过程中的重要推动力。 2 仿真系统体系结构发
