《计算机仿真论文- 计算机仿真技术及其发展.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机仿真论文- 计算机仿真技术及其发展.doc（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 计算机仿真技术及其发展一、引言:作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了50多年的发展，以广泛应用于国民经济和社会生活中。而作为计算机技术重要组成部分的计算机三维视景仿真技术，因其有效性、经济性、安全性、直观性等特点而受到广泛的应用。它是在计算机图形学基础上发展起来的一种仿真应用技术。计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采
2、用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。本文系统全面地介绍了计算机仿真技术，阐述了计算机仿真技术的概念、原理、优点，简要介绍了计算机仿真技术的发展历程，文章最后重点探讨了现代仿真技术的研究热点，即计算机仿真技术在社会各个领域中的应用：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。二、基本概念:模拟：（Simulation）应用模型和计算机开展地理过程数值和非数值分析。不是去求系统方程的解析解，而是从系统某初始状态出发，去计算短暂时间之后接着发生的状态，再以此为初始状态不断的重复，就能展示系统的行为
3、模式。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。仿真：（Emulation）利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。计算机仿真：（Computer emulation
4、）借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术。计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。计算机仿真技术：（Computer simulation technology ）利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。三、计算机仿真技术概述:计算机仿真(Computer Simulation
5、)又称计算机模拟(Computer Analogy)或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真(Computer Simulation) (或称系统仿真System simulation) 作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展
6、。本文根据作者的研究体会, 试图从仿真的含义入手, 讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等, 为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。计算机仿真的实质是建立系统模型并放到计算机上进行实验，即面向研究对象利用计算机建立实验环境。仿真的三要素和三项基本活动物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。直观形象，逼真度高，但代价高，周期长。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。半物理仿真：即物理数学仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型，一部分以实物方式引入仿真回路。针对存在建立数学模型困难的子系统的情况
7、，必须使用此类仿真，如航空航天、武器系统等研究领域。数字仿真（计算机仿真）：首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。四、计算机仿真技术发展:根据国际标准化组织(ISO)标准中得数据处理词汇部分的名次解释，“模拟”（Simulation）与“仿真”（Emulation）两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。“仿真”即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系
8、统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。目前“模拟”和“仿真”两者所包含的内容都归于“仿真”的范畴，用“Simulation”来代表。 计算机仿真早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟数字混合机曾一度应用于飞行仿
9、真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。五、发展趋势:近年来, 由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展, 系统仿真方法学致力于更自然地抽取事物的属性特征, 寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法, 等等。在这些探索的推动下, 生长了一批新的研究热点:( 1) 面向对象仿真、: 从人类认识世界模式出发, 使问题空间和求解空间相一致, 提供更自然直观, 且具可维护性和可重用性的系统仿真框架。(2) 定性仿真、: 用于复杂系统的研究, 由于传统的定量数字仿真的局限, 仿真领域引入定性研究方法将拓展其应用。定性仿真力求非数字
10、化, 以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出, 通过定性模型推导系统定性行为描述。(3) 智能仿真、: 是以知识为核心和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, 构造各处基本知识的仿真系统、 , 即智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能(如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等) 与仿真技术(如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软_件等) 的集成化。因此, 近年来各种智能算法, 如模糊算法、神经算法、遗传算法的探索也形成了智能建模与仿真中的一些研究热点。(4) 分布交互仿真: 是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连, 构成时间与空间互相偶合的虚拟仿真环
11、境。实现分布交互仿真的关键技术是: 网络技术、支撑环境技术、组织和管理。其中: 网络技术是实现分布交互仿真的基础, 支撑环境技术是分布交互仿真的核心, 组织和管理是完善分布交互仿真的信号。(5) 可视化仿真: 用以为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图像、动画表现, 使仿真过程更加直观, 结果更容易理解, 并能验证仿真过程是否正确。近年来还提出了动画仿真，主要用于系统仿真模型建立之后动画显示, 所以原则上仍属于可视化仿真。( 6) 多媒体仿真: 它是在可视化仿真的基础上再加入声音, 就可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。(7) 虚拟现实仿真: 是在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功
12、能, 支持触、嗅、味知觉, 就得到了VR 仿真系统。（8）网络化仿真：现在已经开发出来的仿真系统，多数不能相互兼容，可移植性差，实现共享困难。较之于开发的高成本和长时间，实在物未尽其用。为解决这些问题，第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统，第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中有着重要地位。实现仿真系统的网络共享，既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源，又可以通过适当收费以补偿部分开发成本。六、结论:与传统数学方法和物理实验方法相比，计算机仿真技术具有自己独特的优越性，面对复杂并且不宜用传统方法解决的问题，人们可以利用计算机对实际系统物理模型或
13、数字模型进行试验,通过这样模型实验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。当在实际系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时, 仿真技术就成为必然选择。因此，计算机仿真技术必定因为它的独特魅力而不断被人们所认识和发展。目前，无论在科学研究还是技术开发抑或工业设计中,计算机仿真方法都显示出强大的威力。随着计算机科学技术的飞速发展, 多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展, 对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。因而, 近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。我们完全有理由相信, 计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用!
