[科普中國]-過程仿真

過程仿真就是通過建立數(shù)學(xué)模型表征對象內(nèi)部過程及外部表現(xiàn)的。也就是通過計(jì)算機(jī)代替具體的實(shí)物，成本很低，可以做各種條件的假設(shè)。然后觀察結(jié)果。一般都是用于研究各種參數(shù)變化時的反應(yīng)，例如經(jīng)濟(jì)變化、物理過程變化、危險(xiǎn)對象的變化過程研究等等。

主要組成部分過程仿真所包含三個部分：

(1)過程系統(tǒng)；

(2)數(shù)學(xué)模型；

(3)仿真機(jī)。

這三個部分由兩個關(guān)系溝通起來：過程系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系 →建模數(shù)學(xué)模型與仿真機(jī)之間的關(guān)系 →仿真數(shù)學(xué)模型是依據(jù)過程系統(tǒng)數(shù)據(jù)源由人工建立的數(shù)學(xué)描述。這種數(shù)學(xué)描述能夠產(chǎn)生與過程系統(tǒng)相似的行為數(shù)據(jù)。仿真機(jī)是以現(xiàn)代高速電子計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備為基礎(chǔ)，由人工建造的模擬實(shí)際操作控制或現(xiàn)場裝置環(huán)境的機(jī)器，同時也是數(shù)學(xué)模型軟件實(shí)時運(yùn)行的硬件環(huán)境。

過程仿真技術(shù)的特殊作用所謂的特殊作用，就是其他技術(shù)很難達(dá)到或者無法取代的作用。主要有以下幾個方面：

(1) 過程系統(tǒng)通常屬于大型工業(yè)系統(tǒng)，其流程復(fù)雜、投資巨大、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)。從經(jīng)濟(jì)利益和安全性出發(fā)，一般不允許在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)研究，即必須借助于仿真手段；

(2) 計(jì)劃中或設(shè)計(jì)中的過程系統(tǒng)，現(xiàn)實(shí)世界中尚不存在，只有通過仿真手段進(jìn)行試驗(yàn)研究；

(3) 高質(zhì)量的仿真模型具有預(yù)測性。(應(yīng)用現(xiàn)代高速大容量仿真計(jì)算機(jī)，人們可以在短時間內(nèi)預(yù)測實(shí)際過程系統(tǒng)數(shù)月甚至數(shù)年時間中所發(fā)生的現(xiàn)象和事件，這是仿真技術(shù)“超時空”的優(yōu)點(diǎn))；

(4) 實(shí)際過程系統(tǒng)根本不允許做的試驗(yàn)。(如超極限運(yùn)行、破壞性試驗(yàn)、事故分析等等)，利用仿真技術(shù)不會造成任何損失，是最安全的試驗(yàn)研究方法；

(5) 仿真試驗(yàn)研究主要在仿真機(jī)上進(jìn)行。與真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)相比，除了安全以外還能大大節(jié)省原材料、能源消耗和人力資源等。1

過程仿真的步驟1.系統(tǒng)定義。確定所研究系統(tǒng)的邊界條件與約束。

2.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。收集和整理各類有關(guān)信息，簡化成適當(dāng)形式，同時對數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行核實(shí)，為建模做準(zhǔn)備。

3.模型表達(dá)。把實(shí)際系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)公式或邏輯流程圖，并進(jìn)行模型驗(yàn)證。

4.模型交換。用計(jì)算機(jī)語言模型變換，即建立仿真模型，并進(jìn)行模型校核。

5.模型認(rèn)可。斷定所建模型是否正確合理，是整個建模與仿真過程中極其困難而又非常重要的一步，與模型校核，模型驗(yàn)證及其它各步都有密切聯(lián)系。

6.戰(zhàn)略設(shè)計(jì)。根據(jù)研究目的和仿真目標(biāo)，設(shè)計(jì)一個試驗(yàn)，使之能提供所需要的信息。

7.戰(zhàn)術(shù)設(shè)計(jì)。確定試驗(yàn)的具體流程，如仿真執(zhí)行控制參數(shù)、模型參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)等。

8.仿真執(zhí)行。運(yùn)行仿真軟件并驅(qū)動仿真系統(tǒng)，得出所需數(shù)據(jù)，并進(jìn)行敏感性分析。

9.結(jié)果整理。由仿真結(jié)果進(jìn)行推斷，得到一些設(shè)計(jì)和改進(jìn)系統(tǒng)的有益結(jié)論。

10.實(shí)現(xiàn)與維護(hù)。使用模型或仿真結(jié)果，形成產(chǎn)品并進(jìn)行維護(hù)。

過程仿真技術(shù)的最新發(fā)展1.仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)的擴(kuò)展

仿真實(shí)驗(yàn)的任務(wù)隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)水平的不斷發(fā)展而不斷擴(kuò)大，當(dāng)前已提出：基于仿真的設(shè)計(jì)、基于仿真的工程，全生命周期的仿真、分布仿真等方面的仿真任務(wù)要求，即對整個設(shè)計(jì)任務(wù)、整個大型工程項(xiàng)目，仿真對象的整個生命周期，以及分布于廣闊時空各類事物，都能進(jìn)行高逼真度的仿真，從而達(dá)到作出正確決策，指導(dǎo)科學(xué)研究、系統(tǒng)開發(fā)與生產(chǎn)實(shí)踐，培訓(xùn)乘務(wù)人員、操縱人員、指揮人員、決策人員的目的。

2.仿真技術(shù)的發(fā)展動向

由于仿真理論、方法的提高，仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)的擴(kuò)大以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，當(dāng)前發(fā)展技術(shù)主要向下列幾個方向發(fā)展：向廣闊時空發(fā)展；向快速、高效與海量信息通道發(fā)展；向規(guī)模化模型校核 驗(yàn)證、確認(rèn)技術(shù)發(fā)展；向虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展；向高水平的一體化、智能化仿真環(huán)境發(fā)展；向廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展與其它有關(guān)學(xué)科融合。2

過程仿真技術(shù)的應(yīng)用采用過程仿真技術(shù)輔助訓(xùn)練，簡而言之就是由人工建造一個與真實(shí)系統(tǒng)相似的操作控制設(shè)備，或直接采用真實(shí)工業(yè)控制設(shè)備，如模擬儀表盤、DCS工作站等，作為學(xué)員的操作控制環(huán)境。用計(jì)算機(jī)及其中運(yùn)行的實(shí)時動態(tài)數(shù)學(xué)模型取代真實(shí)的生產(chǎn)裝置，在這樣的仿真環(huán)境下學(xué)員可以得到非常逼真的操作技能訓(xùn)練。

過程仿真技術(shù)在操作技能訓(xùn)練方面的應(yīng)用近十年來在全世界許多國家得到普及，這是因?yàn)檫^程工業(yè)在世界各國國民經(jīng)濟(jì)中的地位日顯重要。自動控制水平迅速提高。工業(yè)技術(shù)發(fā)展對操作工人、現(xiàn)場技術(shù)人員、管理人員和儀表工人提出了更高的要求。這種新的形勢使得傳統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)方式已無法滿足需要。發(fā)達(dá)國家，例如美國、英國、德國、法國、加拿大以及日本等國的大型石油化工企業(yè)相繼采用計(jì)算機(jī)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)訓(xùn)練操作工人，效果十分突出。大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，仿真培訓(xùn)可以使工人在數(shù)周之內(nèi)取得現(xiàn)場2-5年的經(jīng)驗(yàn)。這種仿真培訓(xùn)裝置能逼真地模擬工廠開車、停車、正常運(yùn)行和各種事故狀態(tài)的現(xiàn)象。無需投料，沒有危險(xiǎn)性，能節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，大大縮短培訓(xùn)時間。美國稱這種仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是提高工人技術(shù)素質(zhì)，確保其在世界取得生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先地位的“秘密武器”和“尖端武器”，并且有許多企業(yè)已將仿真培訓(xùn)列為考核操作工人取得上崗資格的必要手段。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

劉軍 - 副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所