[科普中國]-仿真

簡介

利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)，又稱模擬。這里所指的模型包括物理的和數(shù)學(xué)的，靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)的和離散的各種模型。所指的系統(tǒng)也很廣泛,包括電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等系統(tǒng),也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)。仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真的過程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要步驟。

簡史20世紀(jì)初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。

利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對于系統(tǒng)的仿真研究不僅方便、靈活，而且也是經(jīng)濟(jì)的。因此計(jì)算機(jī)仿真在仿真技術(shù)中占有重要地位。50年代初，連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。50年代中，人們開始利用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)遂向模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真兩個(gè)方向發(fā)展。在模擬計(jì)算機(jī)仿真中增加邏輯控制和模擬存儲(chǔ)功能之后，又出現(xiàn)了混合模擬計(jì)算機(jī)仿真，以及把混合模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)合在一起的混合計(jì)算機(jī)仿真。在發(fā)展仿真技術(shù)的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。70年代后期，還研制成功專用的全數(shù)字并行仿真計(jì)算機(jī)（見全數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)）。

仿真內(nèi)容1. 物性數(shù)據(jù)庫。包括模塊運(yùn)行時(shí)所需的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、物性計(jì)算等。

2. 單元操作模型庫。囊括模擬所需的模塊，每個(gè)模塊用包括物料平衡、能量平衡、相平衡、反應(yīng)速率等方程在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)成。

3. 模型求解算法庫。包括各種數(shù)值求解算法，線性、非線性方程組的求解、參數(shù)擬合、最優(yōu)化算法等等各種算法。

4. 仿真環(huán)境及其輸入輸出。仿真環(huán)境是模型仿真運(yùn)行的管理機(jī)構(gòu)，控制著仿真的進(jìn)行程度1。

分類仿真可以按不同原則分類：

按所用模型的類型（物理模型、數(shù)學(xué)模型、物理－數(shù)學(xué)模型）分為物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真（數(shù)學(xué)仿真）、半實(shí)物仿真；

按所用計(jì)算機(jī)的類型（模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)、混合計(jì)算機(jī)）分為模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真；

按仿真對象中的信號(hào)流（連續(xù)的、離散的）分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散系統(tǒng)仿真；

按仿真時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的比例關(guān)系分為實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺等于自然時(shí)間標(biāo)尺）、超實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺小于自然時(shí)間標(biāo)尺）和亞實(shí)時(shí)仿真（仿真時(shí)間標(biāo)尺大于自然時(shí)間標(biāo)尺）；

按對象的性質(zhì)分為宇宙飛船仿真、化工系統(tǒng)仿真、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)仿真等。

模型仿真模型是被仿真對象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。它可以是物理模型或數(shù)學(xué)模型。但并不是所有對象都能建立物理模型。例如為了研究飛行器的動(dòng)力學(xué)特性，在地面上只能用計(jì)算機(jī)來仿真。為此首先要建立對象的數(shù)學(xué)模型，然后將它轉(zhuǎn)換成適合計(jì)算機(jī)處理的形式，即仿真模型。具體地說，對于模擬計(jì)算機(jī)應(yīng)將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成模擬排題圖；對于數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)換成源程序。

實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全過程。為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，常常要在仿真模型上進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，人們大多利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樾薷?、變換模型比較方便和經(jīng)濟(jì)。在部件研制階段，可用已研制的實(shí)際部件或子系統(tǒng)去代替部分計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，以提高仿真實(shí)驗(yàn)的可信度。在系統(tǒng)研制階段，大多進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，以修改各部件或子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。在個(gè)別情況下，可進(jìn)行全物理的仿真實(shí)驗(yàn)，這時(shí)計(jì)算機(jī)仿真模型全部被物理模型或?qū)嵨锼?。全物理仿真具有更高的可信度，但價(jià)格昂貴。

工具主要指的是仿真硬件和仿真軟件。2仿真硬件中最主要的是計(jì)算機(jī)。用于仿真的計(jì)算機(jī)有三種類型：模擬計(jì)算機(jī)、數(shù)字計(jì)算機(jī)和混合計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)還可分為通用數(shù)字計(jì)算機(jī)和專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)算機(jī)主要用于連續(xù)系統(tǒng)的仿真，稱為模擬仿真。在進(jìn)行模擬仿真時(shí)，依據(jù)仿真模型(在這里是排題圖)將各運(yùn)算放大器按要求連接起來，并調(diào)整有關(guān)的系數(shù)器。改變運(yùn)算放大器的連接形式和各系數(shù)的調(diào)定值，就可修改模型。仿真結(jié)果可連續(xù)輸出。因此，模擬計(jì)算機(jī)的人機(jī)交互性好，適合于實(shí)時(shí)仿真。改變時(shí)間比例尺還可實(shí)現(xiàn)超實(shí)時(shí)的仿真。60年代前的數(shù)字計(jì)算機(jī)由于運(yùn)算速度低和人機(jī)交互性差，在仿真中應(yīng)用受到限制?，F(xiàn)代的數(shù)字計(jì)算機(jī)已具有很高的速度，某些專用的數(shù)字計(jì)算機(jī)的速度更高，已能滿足大部分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真的要求，由于軟件、接口和終端技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互性也已有很大提高。因此數(shù)字計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代仿真的主要工具。混合計(jì)算機(jī)把模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)合在一起工作，充分發(fā)揮模擬計(jì)算機(jī)的高速度和數(shù)字計(jì)算機(jī)的高精度、邏輯運(yùn)算和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但這種系統(tǒng)造價(jià)較高，只宜在一些要求嚴(yán)格的系統(tǒng)仿真中使用。除計(jì)算機(jī)外，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運(yùn)動(dòng)仿真器、目標(biāo)仿真器、負(fù)載仿真器、環(huán)境仿真器等。

仿真軟件包括為仿真服務(wù)的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數(shù)據(jù)庫為核心的仿真軟件系統(tǒng)。仿真軟件的種類很多，在工程領(lǐng)域，用于系統(tǒng)性能評估，如機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、控制力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、熱分析、加工仿真等的仿真軟件系統(tǒng)MSC Software在航空航天等高科技領(lǐng)域已有45年的應(yīng)用歷史。

方法主要是指建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可分為兩大類：連續(xù)系統(tǒng)的仿真方法和離散事件系統(tǒng)的仿真方法（見仿真方法）。人們有時(shí)將建立數(shù)學(xué)模型的方法也列入仿真方法，這是因?yàn)閷τ谶B續(xù)系統(tǒng)雖已有一套理論建模和實(shí)驗(yàn)建模的方法，但在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，常常先用經(jīng)過假設(shè)獲得的近似模型來檢驗(yàn)假設(shè)是否正確,必要時(shí)修改模型,使它更接近于真實(shí)系統(tǒng)。對于離散事件系統(tǒng)建立它的數(shù)學(xué)模型就是仿真的一部分。

應(yīng)用和效益仿真技術(shù)得以發(fā)展的主要原因，是它所帶來的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。50年代和60年代仿真主要應(yīng)用于航空、航天、電力、化工以及其他工業(yè)過程控制等工程技術(shù)領(lǐng)域。在航空工業(yè)方面，采用仿真技術(shù)使大型客機(jī)的設(shè)計(jì)和研制周期縮短20%。利用飛行3仿真器在地面訓(xùn)練飛行員，不僅節(jié)省大量燃料和經(jīng)費(fèi)（其經(jīng)費(fèi)僅為空中飛行訓(xùn)練的十分之一），而且不受氣象條件和場地的限制。此外，在飛行仿真器上可以設(shè)置一些在空中訓(xùn)練時(shí)無法設(shè)置的故障，培養(yǎng)飛行員應(yīng)付故障的能力。訓(xùn)練仿真器所特有的安全性也是仿真技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。在航天工業(yè)方面，采用仿真實(shí)驗(yàn)代替實(shí)彈試驗(yàn)可使實(shí)彈試驗(yàn)的次數(shù)減少80%。在電力工業(yè)方面采用仿真系統(tǒng)對核電站進(jìn)行調(diào)試、維護(hù)和排除故障，一年即可收回建造仿真系統(tǒng)的成本?，F(xiàn)代仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域，而且日益廣泛地應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生物等領(lǐng)域，如交通控制、城市規(guī)劃、資源利用、環(huán)境污染防治、生產(chǎn)管理、市場預(yù)測、世界經(jīng)濟(jì)的分析和預(yù)測、人口控制等。對于社會(huì)經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)，很難在真實(shí)的系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，利用仿真技術(shù)來研究這些系統(tǒng)就具有更為重要的意義。

發(fā)展方向在仿真硬件方面，從60年代起采用數(shù)字計(jì)算機(jī)逐漸多于模擬計(jì)算機(jī)?；旌嫌?jì)算機(jī)系統(tǒng)在70年代一度停滯不前，80年代以來又有發(fā)展的趨勢，由于小型機(jī)和微處理機(jī)的發(fā)展，以及采用流水線原理和并行運(yùn)算等措施，數(shù)字仿真運(yùn)算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機(jī) VAX 11-785和外圍處理器AD-10聯(lián)合工作可對大型復(fù)雜的飛行系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。在仿真軟件方面，除進(jìn)一步發(fā)展交互式仿真語言和功能更強(qiáng)的仿真軟件系統(tǒng)外，另一個(gè)重要的趨勢是將仿真技術(shù)和人工智能結(jié)合起來，產(chǎn)生具有專家系統(tǒng)功能的仿真軟件。仿真模型、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度都在不斷地增長，對它們的有效性和4置信度的研究將變得十分重要。同時(shí)建立適用的基準(zhǔn)對系統(tǒng)進(jìn)行評估的工作也日益受到重視。

意義與作用隨著軍事和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真已成為各種復(fù)雜系統(tǒng)研制工作的一種必不可少的手段，尤其是在航空航天領(lǐng)域，仿真技術(shù)已是飛行器和衛(wèi)星運(yùn)載工具研制必不可少的手段，可以取得很高的經(jīng)濟(jì)效益。

在研制、鑒定和定型全過程都必須全面地應(yīng)用先進(jìn)的仿真技術(shù)。否則，任何新型的、先進(jìn)的飛行器和運(yùn)載工具的研制都將是不可能的。

海灣戰(zhàn)爭期間“愛國者”導(dǎo)彈和“飛毛腿”導(dǎo)彈之間的較量，也反映出了仿真模擬的參與?，F(xiàn)代戰(zhàn)略導(dǎo)彈的進(jìn)攻威力很大，射程很遠(yuǎn)，更要命的是常常裝有多個(gè)真真假假的彈頭，用來迷惑敵方，以便順利突破敵方強(qiáng)大的防空網(wǎng)。一般說來，最先進(jìn)的反導(dǎo)彈系統(tǒng)的雷達(dá)預(yù)警時(shí)間只有短短的幾分鐘。為了不讓敵方的攻擊得逞，己方必須在這短短的幾分鐘里迅速而正確地作出反應(yīng)，識(shí)別真假彈頭，算出飛行軌道，動(dòng)員力量進(jìn)行攔截，以確保敵彈在到達(dá)目標(biāo)之前就被摧毀掉。要做到這一切，不得不發(fā)揮超大規(guī)?？茖W(xué)計(jì)算的能力，否則己方只能處于被動(dòng)挨打的地位。在海灣戰(zhàn)爭期間，“愛國者”導(dǎo)彈智斗“飛毛腿”導(dǎo)彈，形成戰(zhàn)爭史上的奇觀?！帮w毛腿”導(dǎo)彈的水平也不一般，它的飛行速度可達(dá) 2638米/秒。