仿真:研究手段-中文百科頻道

簡史

20世紀初仿真技術已得到應用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。40～50年代航空、航天和原子能技術的發展推動了仿真技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為仿真技術提供了先進的工具，加速了仿真技術的發展。

利用計算機實現對于系統的仿真研究不僅方便、靈活，而且也是經濟的。因此計算機仿真在仿真技術中占有重要地位。50年代初，連續系統的仿真研究絕大多數是在模拟計算機上進行的。50年代中，人們開始利用數字計算機實現數字仿真。計算機仿真技術遂向模拟計算機仿真和數字計算機仿真兩個方向發展。在模拟計算機仿真中增加邏輯控制和模拟存儲功能之後，又出現了混合模拟計算機仿真，以及把混合模拟計算機和數字計算機聯合在一起的混合計算機仿真。在發展仿真技術的過程中已研制出大量仿真程序包和仿真語言。70年代後期，還研制成功專用的全數字并行仿真計算機（見全數字仿真計算機）。

簡介編輯

利用模型複現實際系統中發生的本質過程，并通過對系統模型的實驗來研究存在的或設計中的系統，又稱模拟。這裡所指的模型包括物理的和數學的，靜态的和動态的，連續的和離散的各種模型。所指的系統也很廣泛,包括電氣、機械、化工、水力、熱力等系統,也包括社會、經濟、生态、管理等系統。

當所研究的系統造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統參數變化所引起的後果時，仿真是一種特别有效的研究手段。仿真的重要工具是計算機。

仿真與數值計算、求解方法的區别在于它首先是一種實驗技術。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟。

仿真模型

仿真模型是被仿真對象的相似物或其結構形式。它可以是物理模型或數學模型。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力學特性，在地面上隻能用計算機來仿真。為此首先要建立對象的數學模型，然後将它轉換成适合計算機處理的形式，即仿真模型。具體地說，對于模拟計算機應将數學模型轉換成模拟排題圖；對于數字計算機應轉換成源程序。

仿真實驗

通過實驗可觀察系統模型各變量變化的全過程。為了尋求系統的最優結構和參數，常常要在仿真模型上進行多次實驗。（下圖為某工程系統仿真的流程圖。）

在系統的設計階段，人們大多利用計算機進行數學仿真實驗，因為修改、變換模型比較方便和經濟。在部件研制階段，可用已研制的實際部件或子系統去代替部分計算機仿真模型進行半實物仿真實驗，以提高仿真實驗的可信度。在系統研制階段，大多進行半實物仿真實驗，以修改各部件或子系統的結構和參數。

在個别情況下，可進行全物理的仿真實驗，這時計算機仿真模型全部被物理模型或實物所代替。

全物理仿真具有更高的可信度，但價格昂貴。

仿真工具

主要指的是仿真硬件和仿真軟件。仿真硬件中最主要的是計算機。用于仿真的計算機有三種類型：模拟計算機、數字計算機和混合計算機。數字計算機還可分為通用數字計算機和專用的數字計算機。

模拟計算機主要用于連續系統的仿真，稱為模拟仿真。在進行模拟仿真時，依據仿真模型(在這裡是排題圖)将各運算放大器按要求連接起來，并調整有關的系數器。改變運算放大器的連接形式和各系數的調定值，就可修改模型。仿真結果可連續輸出。因此，模拟計算機的人機交互性好，适合于實時仿真。改變時間比例尺還可實現超實時的仿真。

60年代前的數字計算機由于運算速度低和人機交互性差，在仿真中應用受到限制。現代的數字計算機已具有很高的速度，某些專用的數字計算機的速度更高，已能滿足大部分系統的實時仿真的要求，由于軟件、接口和終端技術的發展，人機交互性也已有很大提高。因此數字計算機已成為現代仿真的主要工具。

混合計算機把模拟計算機和數字計算機聯合在一起工作，充分發揮模拟計算機的高速度和數字計算機的高精度、邏輯運算和存儲能力強的優點。但這種系統造價較高，隻宜在一些要求嚴格的系統仿真中使用。除計算機外，仿真硬件還包括一些專用的物理仿真器，如運動仿真器、目标仿真器、負載仿真器、環境仿真器等。

仿真軟件包括為仿真服務的仿真程序、仿真程序包、仿真語言和以數據庫為核心的仿真軟件系統。仿真軟件的種類很多，在工程領域，用于系統性能評估，如機構動力學分析、控制力學分析、結構分析、熱分析、加工仿真等的仿真軟件系統MSC Software在航空航天等高科技領域已有45年的應用曆史。

仿真方法

主要是指建立仿真模型和進行仿真實驗的方法，可分為兩大類：連續系統的仿真方法和離散事件系統的仿真方法（見仿真方法）。

人們有時将建立數學模型的方法也列入仿真方法，這是因為對于連續系統雖已有一套理論建模和實驗建模的方法，但在進行系統仿真時，常常先用經過假設獲得的近似模型來檢驗假設是否正确,必要時修改模型,使它更接近于真實系統。對于離散事件系統建立它的數學模型就是仿真的一部分。

應用和效益

仿真技術得以發展的主要原因，是它所帶來的巨大社會經濟效益。50年代和60年代仿真主要應用于航空、航天、電力、化工以及其他工業過程控制等工程技術領域。

在航空工業方面，采用仿真技術使大型客機的設計和研制周期縮短20％。利用飛行仿真器在地面訓練飛行員，不僅節省大量燃料和經費（其經費僅為空中飛行訓練的十分之一），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置一些在空中訓練時無法設置的故障，培養飛行員應付故障的能力。訓練仿真器所特有的安全性也是仿真技術的一個重要優點。

在航天工業方面，采用仿真實驗代替實彈試驗可使實彈試驗的次數減少80％。在電力工業方面采用仿真系統對核電站進行調試、維護和排除故障，一年即可收回建造仿真系統的成本。

現代仿真技術不僅應用于傳統的工程領域，而且日益廣泛地應用于社會、經濟、生物等領域，如交通控制、城市規劃、資源利用、環境污染防治、生産管理、市場預測、世界經濟的分析和預測、人口控制等。對于社會經濟等系統，很難在真實的系統上進行實驗。因此，利用仿真技術來研究這些系統就具有更為重要的意義。

發展方向

在仿真硬件方面，從60年代起采用數字計算機逐漸多于模拟計算機。混合計算機系統在70年代一度停滞不前，80年代以來又有發展的趨勢，由于小型機和微處理機的發展，以及采用流水線原理和并行運算等措施，數字仿真運算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型機VAX11-785和外圍處理器AD-10聯合工作可對大型複雜的飛行系統進行實時仿真。

在仿真軟件方面，除進一步發展交互式仿真語言和功能更強的仿真軟件系統外，另一個重要的趨勢是将仿真技術和人工智能結合起來，産生具有專家系統功能的仿真軟件。仿真模型、實驗系統的規模和複雜程度都在不斷地增長，對它們的有效性和置信度的研究将變得十分重要。同時建立适用的基準對系統進行評估的工作也日益受到重視。

意義與作用

随着軍事和科學技術的迅猛發展，仿真已成為各種複雜系統研制工作的一種必不可少的手段，尤其是在航空航天領域，仿真技術已是飛行器和衛星運載工具研制必不可少的手段，可以取得很高的經濟效益。

在研制、鑒定和定型全過程都必須全面地應用先進的仿真技術。否則，任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研制都将是不可能的。

海灣戰争期間“愛國者”導彈和“飛毛腿”導彈之間的較量，也反映出了仿真模拟的參與。現代戰略導彈的進攻威力很大，射程很遠，更要命的是常常裝有多個真真假假的彈頭，用來迷惑敵方，以便順利突破敵方強大的防空網。一般說來，最先進的反導彈系統的雷達預警時間隻有短短的幾分鐘。為了不讓敵方的攻擊得逞，己方必須在這短短的幾分鐘裡迅速而正确地作出反應，識别真假彈頭，算出飛行軌道，動員力量進行攔截，以确保敵彈在到達目标之前就被摧毀掉。要做到這一切，不得不發揮超大規模科學計算的能力，否則己方隻能處于被動挨打的地位。在海灣戰争期間，“愛國者”導彈智鬥“飛毛腿”導彈，形成戰争史上的奇觀。“飛毛腿”導彈的水平也不一般，它的飛行速度可達2638米/秒。