一文读懂计算计仿真技术

2019 年 5 月 11 日 人工智能学家

来源：传感器技术

计算机仿真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。

仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的一门多学科综合性技术。它是它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点。

仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。

传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性(过程)，抽象出一个模型，然后假设态势(输入)，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

计算机仿真技术原理

“仿真是一种基于模型的活动”, 它涉及多学科、多领域的知识和经验。成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动。这里的“各类活动”, 就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”, 而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中:系统是研究的对象, 模型是系统的抽象, 仿真是通过对模型的实验来达到研究的的。要素与活动的关系如图所示：

数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。

从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。

模型的建立

对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。

系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型;根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。

模型的转换

所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件。

模型的仿真实验

将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。

仿真技术发展历程

作为一种特别有效的研究手段，20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。

40～50年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活，而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。

50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中期，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后，又出现了混合模拟计算机仿真，以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。

70年代后期，还研制成功专用的全数字并行仿真计算机。仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的训练仿真;商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估;工业领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练;农业领域中的农业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护;在交通领域中的驾驶模拟训练和交通管理中的应用;医学领域中的临床诊断及医用图像识别等。

仿真技术的种类

仿真建模

仿真建模是一门建立仿真模型并进行仿真实验的技术。建模活动是在忽略次要因素及不可测量变量的基础上，用物理或数学的方法对实际系统进行描述，从而获得实际系统的简化或近似反映。

面向对象的仿真

面向对象仿真是当前仿真研究领域中最引人关注的研究方向之一，面向对象仿真就是将面向对象的方法应用到计算机仿真领域中，以产生面向对象的仿真系统。

智能仿真

智能仿真是把以知识为核心、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，构造智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能与仿真技术的集成化。仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真;仿真模型中知识的表达。

虚拟现实技术

虚拟现实技术是现代仿真技术的一个重要研究领域，是在综合仿真技术、计算机图形技术、传感技术等多种学科技术的基础之上发展起来的，其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现。

分布仿真技术

分布仿真技术作为仿真技术的最新发展成果，它在高层体系结构上(HLA，high level architecture)，建立了一个在广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统之间实现互操作和重用的框架及规范。HLA的基本思想就是使用面向对象的方法设计，开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件和仿真系统高层次上的互操作性与可重用性。

云仿真技术

云仿真的概念是根据“云计算”的理念提出来的。云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是与软件、互联网相关的，也可以是其他任意的服务，包括仿真服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等特性。云仿真指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的仿真服务。

云仿真平台是一种新型的网络化建模与仿真平台，是仿真网格的进一步发展。它以应用领域的需求为背景，基于云计算理念，综合应用各类技术，包括复杂系统模型技术、高性能计算技术等，实现系统中各类资源安全地按需共享与重用，实现网上资源多用户按需协同互操作，进而支持工程与非工程领域内的仿真系统工程。

仿真技术新热点

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用性的系统仿真框架。

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、行为分析和结果输出, 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(Know ledge Based Simu2lation System KBSS) , 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(A nimated Simulation A S) , 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。

现代仿真技术

现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面, 并将其统一到同环境中。Oren将上述思想加以总结, 提出了现代仿真方法的概念框架。

概念框架图中的“仿真问题描述”对应于“仿真建模”;“行为产生”对应于“仿真实验”, 只是将仿真输出独立于行为产生;“模型行为及其处理”相应于输出处理。

现代仿真技术的重要进展主要体现

1、系统建模方面

传统上, 多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等; 在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外, 近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法; 基于模型库的结构化建模方法: 面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。

2、仿真建模方面

除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软件外, 现代仿真技术采用模型与实验分离技术, 即模型数据驱动(data driven)。将模型分为参数模型和参数值, 以便提高仿真的灵活性和运行效率。

3、仿真实验方面

现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开。其中, 实验架用来定义条件, 包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样, 当需要不同形式的输出时, 不必重新修改仿真模型, 甚至不必重新仿真运行。正是由于现代仿真方法学的建立, 特别是模拟可重用性(Reusability)、面向对象方法(ob2ject oriented) 和应用集成(App lication Intesration) 等新技术的应用, 使得仿真、建模与实验统一到一个集成环境这中, 构成一个和谐的人机交互界面。

计算机仿真技术发展方向

随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断的发展之中。如利用网络技术实现异地仿真、应用虚拟现实技术进行的虚拟制造等。

网络化仿真

现在已经开发出来的仿真系统，多数不能相互兼容，可移植性差，实现共享困难。较之于开发的高成本和长时间，实在物未尽其用。解决这些问题，第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统，第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中有着重要地位。实现仿真系统的网络共享，既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源，又可以通过适当收费以补偿部分开发成本。

虚拟制造技术

计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年代发展起来的一种先进制造技术。它利用计算机仿真技术与虚拟现实技术，在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质。这使得制造技术不再主要依靠经验，并可以实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。

计算机仿真技术的应用

计算机仿真的用途非常广泛已经渗透到社会的各个领域，不断促进了各行各业的发展，为各行各业注入了一股新的活力。

交通领域

交通是由人、车、路和环境构成的一个复杂人机系统，事故的诱发因素是多方面因素的综合。交通安全的评价，应该充分考虑人、车、路和环境诸方面因素的作用和影响。本交通安全仿真是基于虚拟现实技术的方法。该评价体系是通过建立虚拟环境，并在这个虚拟环境中设计各种事故诱发因素，并对某区域和某路段的交通安全水平进行全过程(设计后，施工中，运营后)的跟踪和评价。

交通安全仿真及评价系统的核心部分就是计算机的仿真。该仿真过程不同与传统的数值仿真，它是一种可视化的仿真。例如，对某路段的交通安全评价，除了使用传统的绝对数法和事故率法来评价外，再将交通参与者的感知和行为也考虑进去。在该虚拟环境中，可以选择不同的运载工具，设置不同的交通环境，以交通参与者或第三者的角度来进行事故的可能性试验与分析，从而实现了对路段的安全性的评价。同时为交通没施的建设和改进提供了依据，为交通事故分析提供了一种新的方法。

制造领域

汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等

教育领域

计算机模拟实验又称计算机仿真实验或计算机虚拟实验，是近几年在计算机多媒体教学中开辟的新领域。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书和根据需要在瞬间建立的模拟实验室。

计算机模拟物理实验的出现打破了教与学、理论与实验、课内与课外的界限，它更加强调实验的设计思想和实验方法，更强调实验者的主动学习;通过计算机模拟实验，学生对物理思想、方法、仪器的结构和设计原理的理解，都可以达到训练实验技能、学习物理知识的目的，增强了学生对物理实验的兴趣，提高了物理实验的水平。目前，模拟实验已成为现代化物理实验的重要手段。

计算机模拟实验系统运用了人工智能、控制理论和教师专家系统对物理实验和物理仪器建立其内在模型，用计算机可操作的仿真方式，实现了物理实验教学的各个环节。