系统仿真技术简介

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1、何为仿真？1 定义仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的一门多学科综合性技术。它是它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点。仿 真 是 对 现 实 系 统 的 某 一 层 次 抽 象 属 性 的 模 仿 。 人 们 利 用 这 样的 模 型 进 行 试 验 ， 从 中 得 到 所 需 的 信 息 ， 然 后 帮 助 人 们 对 现 实 世 界的 某 一 层 次 的 问 题 做 出 决 策 。 仿 真 是 一 个 相 对 概 念 ， 任 何 逼 真 的 仿真 都 只 能 是 对 真 实 系 统 某 些 属 性 的 逼 近 。 仿 真 是 有 层 次 的 ， 既 要 针对 所 欲

2、处 理 的 客 观 系 统 的 问 题 ， 又 要 针 对 提 出 处 理 者 的 需 求 层 次 ，否 则 很 难 评 价 一 个 仿 真 系 统 的 优 劣 。传 统 的 仿 真 方 法 是 一 个 迭 代 过 程 ， 即 针 对 实 际 系 统 某 一 层 次 的特 性 （ 过 程 ） ， 抽 象 出 一 个 模 型 ， 然 后 假 设 态 势 （ 输 入 ） ， 进 行 试验 ， 由 试 验 者 判 读 输 出 结 果 和 验 证 模 型 ， 根 据 判 断 的 情 况 来 修 改 模型 和 有 关 的 参 数 。 如 此 迭 代 地 进 行 ， 直 到 认 为 这 个 模 型 已 满

3、 足 试 验者 对 客 观 系 统 的 某 一 层 次 的 仿 真 目 的 为 止 。模 型 对 系 统 某 一 层 次 特 性 的 抽 象 描 述 包 括 ： 系 统 的 组 成 ； 各 组成 部 分 之 间 的 静 态 、 动 态 、 逻 辑 关 系 ； 在 某 些 输 入 条 件 下 系 统 的输 出 响 应 等 。 根 据 系 统 模 型 状 态 变 量 变 化 的 特 征 ， 又 可 把 系 统 模型 分 为 ： 连 续 系 统 模 型 状 态 变 量 是 连 续 变 化 的 ； 离 散 （ 事 件 ）系 统 模 型 状 态 变 化 在 离 散 时 间 点 （ 一 般 是 不 确 定

4、 的 ） 上 发 生变 化 ； 混 合 型 上 述 两 种 的 混 合 。2 发 展 历 程仿真是一种特别有效的研究手段。20 世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。40 50 年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60 年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。50 年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50 年代中期，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机

5、仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。70 年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的训练仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估；工业领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练；农业领域中的农业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护；在交通领域中的驾驶模拟训练和交通管理中的应用；医学领域中的

6、临床诊断及医用图像识别等。3 主要仿真技术1仿真建模仿真建模是一门建立仿真模型并进行仿真实验的技术。建模活动是在忽略次要因素及不可测量变量的基础上，用物理或数学的方法对实际系统进行描述，从而获得实际系统的简化或近似反映。2面向对象的仿真面向对象仿真是当前仿真研究领域中最引人关注的研究方向之一，面向对象仿真就是将面向对象的方法应用到计算机仿真领域中，以产生面向对象的仿真系统。3智能仿真智能仿真是把以知识为核心、人类思维行为作背景的智能技术引入整个建模与仿真过程，构造智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能与仿真技术的集成化。仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真；仿真模型中知识的

7、表达。4虚拟现实技术虚拟现实技术是现代仿真技术的一个重要研究领域，是在综合仿真技术、计算机图形技术、传感技术等多种学科技术的基础之上发展起来的，其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现。5分布仿真技术分布仿真技术作为仿真技术的最新发展成果，它在高层体系结构上(HLA， high level architecture)，建立了一个在广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统之间实现互操作和重用的框架及规范。HLA 的基本思想就是使用面向对象的方法设计，开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件和仿真系统高层次上的互操作性与可重用

8、性。6云仿真技术云仿真的概念是根据“云计算”的理念提出来的。云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是与软件、互联网相关的，也可以是其他任意的服务，包括仿真服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等特性。云仿真指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的仿真服务。云仿真平台是一种新型的网络化建模与仿真平台，是仿真网格的进一步发展。它以应用领域的需求为背景，基于云计算理念，综合应用各类技术，包括复杂系统模型技术、高性能计算技术等，实现系统中各类资源安全地按需共享与重用，实现网上资源多用户按需协同互操作，进而支持工程与非工程领域内的仿真系统工程。4 经济

9、效益仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50 年代和 60 年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短 20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一） ，而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少 80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、

10、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。5 发展前景目前中国数字仿真技术处于起步阶段，仅应用于高科技领域，但仿真技术是迄今为止最有效的综合集成方法，是推动科技进步的战略性技术，在社会、经济、生物等民用领域具有很大的发展潜力。在仿真硬件方面，从 60 年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。混合计算机系统在 70 年代一度停滞不前， 80 年代以来又有发展的趋势，由于小型机和微处理机的发展，以及采用流水线原理和并行运算等措施，数字仿真运算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型机 VAX 11-785 和外围处理器 AD-10 联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软件方面，除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外，另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来，产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长，对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。