计算机仿真技术的发展概述及认识

计算机仿真技术的发展概述及认识

摘要：随着经济的发展和社会的进步，计算机技术高速发展，使人类社会进入了信息时代，计算机作为后期新秀渗入到人们生活中的每一个领域，给人们的生活带来了前所未有的变化。作为新兴的技术，计算机技术在人类研究的各个领域起到了只管至关重要的作用，帮助人类解决了许多技术难题。在科研领域，计算机技术与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术，作为人们科学研究的一种新型方法，被人们应用到各个领域，用来解决人们用纯数学方法或者现实实验无法解决的问题，对科研领域技术成果的形成有着积极地促进作用。

本文在计算机仿真技术的理论思想基础上，分析了计算机仿真技术产生的基本原因，也就是人们用计算机模拟解决问题的优点所在，讨论了模拟、仿真、实验、计算机仿真之间的联系和区别，介绍了计算机仿真技术的发展历程，并查阅相关资料介绍了计算机仿真技术在不同领域的应用，分析并预测了计算机仿真的未来发展趋势。经过查阅大量数据资料并加以分析对比，这对于初步认识计算机仿真技术具有重要意义。

关键词：计算机仿真；模拟；仿真技术；发展

一、引言

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（模拟）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。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

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）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)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。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，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

计算机仿真方法的产生是与电子计算机技术的发明和应用紧密相联的。1946年2月世界上第一台电子计算机ENIAC在美国诞生，到四十年代末期首台模拟式电子计算机就被用于三自由度飞机系统的仿真。五十年代末期到六十年代,由于宇航科技发展的迫切需要，美国科研人员又创造了混合计算机系统，这使得人们能对较复杂系统的行为进行仿真研究。[计算机仿真，早期称蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题方法，其原理可以追溯到1773年法国自然科学家Buffon为估计值所进行的物理实验。Krallman, H在1980的KYBERNETES著名刊物上认为：“计算机仿真的前景及限制取决于人类思想的概念。我们的目的是要提出在人工智能领域中关于思想的理解，并将它和各种哲学体系的认识论中所形成的关于人类思想的各种概念进行比较。如果这样的体系能对有关课题的大量问题作出回答的话，那么我们会去接受这样的体系及其认识论，并认为这体系是合理、可靠的”。因而，我们之所以接受计算机仿真是因为其对客观规律的正确反映，符合哲学的唯物论。

在1992年度美国提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，被列为第6项。甚至把仿真技术作为今后科技发展战略的关键推动力。我国计算机仿真技术的研究与应用的发展也非常迅速。20世纪50年代开始，自动控制领域首先采用仿真技术；60年代，在开展连续系统仿真的同时，开展对离散事件系统的仿真进行研究。70年代，我国训练仿真器获得迅速发展，我国自行设计的飞行模拟器、机车培训仿真、化工过程培训仿真器等相继研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起到了很大作用。后来随着仿真技术水平的不断提高，又建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统。从90年代我国又开始了对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术的研究，并取得了一定的成果。这时期，计算机仿真研究成果的典型代表是：陈宗海、戴路、沈廉共同研究的一种化工过程计算机仿真培训系统开发平台。他们针对当时石油化工过程计算机仿真培训控制系统开发的特点及存在的问题，借鉴智能工程技术，在一组486微机上建立了一套新型的仿真开发平台，全套系统用C语言编制，通

过多次应用知识库系统已初具规模，在对苯二甲酸，对二甲苯工艺计算机培训系统的开发中全面应用，使仿真培训系统的开发周期缩短了三分之二，人工工作量减少了百分之七十。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，仿真技术已经从传统的工程领域扩展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育训练系统也得到了广泛的应用。西安交大的胡峰认为：“现代的仿真建模模型分析方法是现代科学的基本研究方法之一。通过对实际系统抽象的或本质的描述,构造出与实际系统之间存在同构或同态关系的、简化的数学模型或物理模型,以模型分析与模型实验为基础,达到对实际系统的认识、控制和优化。总之,针对不同研究对象建立合适的仿真模型是顺利进行系统仿真实验的关键一环。无论是定量建模方法、网络图建模方法,还是基于模糊逻辑的定性建模技术,乃至以人工神经网络理论为基础的各种具有自学习功能的建模方法,都已成为计算机仿真理论的重要组成部分。”可见，在仿真之前，用不同的建模方法会直接影响到计算机仿真在控制系统的应用效果，因此必须要结合建模的最佳方案来进行计算机仿真。

五、计算机仿真优点

作为新兴的技术方法，与传统的物理实验相比较，计算机仿真有着很多无可替代的优点：

1. 模拟时间的可伸缩性

由于计算机仿真受人的控制，整个过程可控性比较强，仿真的时间可以进行人为的设定，因此时间上有着很强的伸缩性，也可以节约实验的时间，提高实验的效率。

2. 模拟运行的可控性

由于计算机仿真以计算机为载体，整个实验过程由计算机指令控制进程，所以可以进行认为的设定和修改，这个实验模拟过程有较强的可控性。 3. 模拟试验的优化性

由于计算机仿真技术可以重复进行无限次模拟实验，因此可以得出不同的结果，各种结果相互比较，可以找到一个更理想更优的问题的解决方案，可以作为优化实验，选择相应的方案。

六、计算机仿真技术应用

由于仿真技术的特殊功效（安全性和经济性），系统仿真技术不仅在航空、航天、原子能、电力能领域获得令人瞩目的发展，而且也逐步发展到应用于社会、经济、交通、生态等领域，已经成为高科技产品从论证、设计、生产试验、训练到更新等全生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂系统乃至巨系统问题提供了有效工具。被人们用于系统设计与产品开发、系统分析、理论验证、教育、培训以及娱乐等各个方面。

计算机仿真的最广泛用途为对方案进行分析、评估、论证，为决策提供依据。

七、前景展望

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复性的系统仿真框架。

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化, 以非数字手段处理信息输入、建模、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、图象、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、交互功能, 支持触、嗅、味知觉, 就得到了VR 仿真系统。

八、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。

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