仿真学科与系统仿真综述

仿真学科与系统仿真综述 一．前言 系统仿真以建模与仿真理论为基础，以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具，根据研目标建立并运行模型对研究对象进行认识与 改造，是工业化社会向信息化社会前进中产生的信息类科学技术。它是一门以建模理论、计算方法 、评估理论为基本理论，以计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程 、信息处理 、自动控制及系统工程等相关技术为支撑的综合性交叉科学 。 系统仿真通过构造既能反映系统特征又能符合系统研究要求的模型，并在该模型 上进行所关心的问题研究揭示已有系统和未来系统的内在特性、运行规律、分系统之间的关系并预测未来。仿真极大地扩展了人类认知世界的能力，可以不受时空限制，观察和研究已发生或尚未发生的现象，以及在各种假想条件下这些现象发生和发展的过程。它可以帮助人们深入一般科学及人类生理活动难以到达的宏观或微观世界去进行研究和探索，从而为人类认识世界和改造世界提供了全新 的方法和手段。系统仿真方法、技术及其应用已扩展到人类活动的大部分领域。 近年来，系统仿真技术方法 、技术及其应用研究吸引了越来越多的国内外学者的关注，研究内容也越来越广泛，应用覆盖了工程 、社会 、管理 、军事等领域，逐渐形成了多学科交叉融合的研究趋势。

二．仿真学科概念

1.仿真的定义 在1982年中文版中“仿真”的定义如下：“仿真(Simulation)是指研制和使用计算机模型，用以研究实际或假设的动态系统”。上述定义强调了建模、计算机、动态系统三个重要的组成部份，在定义描述中还强调了计算模型的支配地位。 1978年，中国成立大百科全书“仿真”的定义如下：“仿真：利用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在设计中的系统”。上述定义强调了系统、模型和实验。强调了模型的广义性和实验的复杂性。在定义描述中认为计算机模型是仿真系统中重要的模型之一。 两种定义，在技术内涵上大同小异，但侧重点有区别，前者强调现代建模与仿真技术的特殊性，即认为计算机模型在仿真中占支配地位。后者虽也承认计算机模型在仿真中的重要性，但更强调仿真模型的广议性及仿真实验的复杂性。[10] 从普遍意义来看, 仿真的研究对象是系统, 系统是由相互联系、相互制约、相互依存的若干组成部分( 要素) 结合在一起的具有特定功能和运动规律的有机整体。构成系统的各组成部分可称为子系统或分系统, 而系统本身又可看作它所从属的那个更大的系统的组成部分。 为了研究系统,从理论上讲可以用实际系统来做试验,但往往出于经济、安全及可能性等方面的考虑,或者系统还处于设计中、实际系统尚不存在等原因,需要借助系统模型进行试验,故系统的模型化是进行仿真的核心和必要前提;而对复杂系统的模型处理和模型求解,离不开高性能计算机;于是仿真的3个基本要素是系统、系统模型和计算机,进而联系这 3 个要素的基本活动是模型建立、仿真模型建立和仿真试验, 如图 1.[5]

图1 仿真的3要素及3项基本活动 仿真一方面为多学科耦合的复杂系统提供了理解、认识和设计系统的强有力的工具，另一方面为各应用领域提供了一个可控、可重复的多学科模型的集成实验、实物（或模型与实物混合）动态试验的环境。 仿真通过将多学科的理论研究成果集成为一个虚拟系统，为理论研究提供了一个理解系统、分析系统、评价系统和设计系统的有力工具，作为一种基于模型的实验，为多学科综合系统的设计提供了一种有效的手段它还是强有力的动态试验手段。[8]

三．仿真理论 仿真就是构造反映实际系统运行行为的特性的数学模型和物理模型在仿真载体 （可以是计算机或其他形式的仿真设备）上，复现真实系统运行的复杂活动。这样可将仿真活动归结为三个组成部分：实际系统、模型、仿真载体，和三个关系：建模、仿真、评估。建模主要处理的是实际系统与模型之间的关系；仿真主要考虑计算机和模型之间的关系；评估主要是对仿真结果进行可信性验证；因此我们可将系统仿真的基础理论总结为：仿真的模型论、仿真算法、可信度评估理论。[3]

1.模型论 系统模型的建立是系统仿真的核心问题。系统模型是实际系统或过程在某些方面特性的一种表现形式，它能反映出该系统和过程的行为特性。我们认为模型论作为系统仿真的基础理论，主要包括以下几个问题： （1）系统模型具有什么样的形式 要对一个实际系统建立它的模型 首先应该确定所建模型具有什么样的形式。实际上，这很大程度上取决于仿真任务，根据任务不同模型形式也是多种多样的。 （2）系统模型建立要采用什么样的建模方法 目前系统建模方法主要有两大类，即机理建模方法和辨识建模方法，或采取两者相结合的方法，也有人称其为混合建模方法。对于同一系统，根据仿真要求不同可采用不同的模型形式及相应的建模方法，也有可能同一模型形式而采用不同的建模方法。而对于不同的系统，也要根据各自的特点而采用不同的模型形式及相应的建模方法。 （3）模型的有效性验证 一个实际系统的模型建立完成后是否可信或有效，是否能够真实地反映实际系统的各种动静态特性，还需要进行有效性验证。如果不满足仿真任务要求，还将进行相应地修正。因此，建模和模型验证是一个相互交替的过程，而且贯穿于仿真过程的整个生命周期之中。

2.仿真算法 要对一个实际系统进行仿真研究，仅仅完成了数学模型的建立是不够的，还必须将原始系统数学模型变换成能够在计算机上进行运算或试验的仿真模型，这就涉及到仿真算法问题。因为实际系统的模型形式是多种多样的，状态方程、微分方程、差分方程、传递函数等。在求解时都是通过计算机采用数值计算方法求取数值解，因此仿真算法是系统仿真的又一个重要的基础理论。仿真算法主要有如下几个方面的问题: (1)算法的收敛性和数值稳定性; (2)算法精度 (3)算法速度 (4)实时性 (5)并行算法 (6)刚性问题和微分代数问题

3.仿真可信度评估 仿真系统的性能评估是系统仿真领域研究的一个重要问题。性能评估包括仿真系统的可靠性、可维护性、仿真系统的功能、可使用性、仿真系统的可信度等。但作为一个仿真系统，其仿真可信度是最重要的一个性能指标仿真可信度能否达到要求，直接关系到仿真系统应用的成败。因此，仿真可信度评估是仿真理论中要研究的另一个重要内容。 （1）仿真可信度的概念 定义如下：“仿真系统的可信度是仿真系统的使用者对应用仿真系统在一定环境 、一定条件下仿真试验的结果，解决所定义问题正确性的信心程度。” 几点说明 1）仿真系统的可信度的主体是仿真系统的使用者反映的是仿真系统的使用者应用仿真系统的一种信心程度。 2）仿真系统的可信度受到仿真系统所处的外界环境因素的限制。仿真系统不可能反映整个真实世界（或人脑中构想的世界)，其反映的只能是真实世界的一部分 ，在仿真系统中体现的真实世界（或人脑中构想的世界）就构成了仿真系统所处的环境。仿真系统所处的环境包括政治、经济、自然等等因素。 3）一定条件：仿真系统的输入是有一定条件限制的，仿真结果是在满足一定条件的仿真系统输入下得到的仿真系统的输出结果，在讨论仿真可信度问题时 必须指明仿真系统的仿真结果是在什么样的输入条件获得的，对于同一个仿真系统，不同的输入条件，仿真结果的正确性有可能不同。 4）所定义问题：仿真系统的可信度是针对仿真系统的使用者所定义并要解决的问题而言的，仿真系统所要解决的问题通常是有限问题的集合，仿真系统的可信度与仿真系统的使用者所定义并要解决问题的明确程度有很大关系，问题越明确，仿真系统的可信度就可能越高。仿真系统的可信度是解决所定义问题的正确性在仿真系统的使用者头脑中的反映。 （2）仿真可信度与VV&A 、T&E等的关系 仿真可信度问题不仅仅局限于对仿真模型的校验，仿真系统本身是由代替实际系统的模型，进行模型运算的仿真软件，产生物理效应的硬件设备、人机接口界面和软硬件接口、通信软件以及开发与使用系统的人构成的复杂系统。其可信度评估研究应该从整个仿真系统角度出发，全方位地进行可信度评估。随着对仿真可信度评估研究工作的不断深入，仿真系统的评估和管理人员逐渐认识到，仿真系统开发的各个阶段都对仿真可信度均有重要的影响。因此对仿真系统可信度评估是仿真系统全生命周期中的一项非常重要的工作。[12] 1）仿真系统校核 、验证与验收的概念与原则（VV&A）概念 对仿真系统的VV&A必须建立在正确的概念基础上。仿真系统的可信度可以通过有计划的校核与验证工作来加以测量,并通过验收来正式地加以确认,可以为某一特定的应用服务,这个过程就是建模与仿真的校核、验证与验收（VV&A）。 校核是确定仿真系统准确地代表了开发者的概念描述和设计的过程。 验证是从仿真系统应用目的出发,确定仿真系统代表真实世界的正确程度的过程。 验收是官方地正式地接受仿真系统为专门的应用目的服务的过程 校核(Verification)与验证( Validation)从字面上理解的意义非常接近，但在仿真系统的 VV&A中,它们的含义要有一定的区别。校核关心的是“是否正确地建立了仿真系统”的问题,更详细地说,校核关心的是设计人员是否按照仿真系统应用目标和功能需求的要求正确地设计出仿真系统的模型；仿真软件开发人员是否按照设计人员提供的仿真模型正确地实现了模型。而验证关心的是“是否建立了正确的仿真系统”。 更详细地说,验证关心的是仿真系统在具体的应用中多大程度地反映了真实世界的情况。仿真系统的验收是在校核验证的基础上,由仿真系统的主管部门和用户组成的验收小组,对仿真系统的可接受性和有效性做出正式的确认。 校核、验证与验收之间有着十分密切的联系：核工作为验收系统的各项功能提供了依据,验证工作为系统有效性评估提供了依据,而系统性能的好坏可能是校核与验证都关心的问题。VV&A的核心问题就是仿真系统的可信度评估,即建模与仿真的发起者( Proponent)和用户对应用仿真系统解决具体的问题的信心。 2)原则 讨论VV&A的原则可以深化对仿真系统VV&A的概念的理解,对仿真系统的VV&A 理论研究和实践都有重要的指导作用,仿真系统 VV&A应遵循的主要原则包括: ①相对正确原则②全生命周期原则③有限目标原则④必要不充分原则⑤全局性原则⑥程度性原则⑦创造性原则⑧良好计划和记录原则⑨分析性原则⑩相对独立性原则和数据正确性原则 3）仿真系统的 VV&A 过程模型 仿真系统的VV&A是仿真系统生命周期中的一项重要活动,VV&A工作必须做好