仿真學(xué)科與系統(tǒng)仿真綜述

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1、仿真學(xué)科與系統(tǒng)仿真綜述一．前言系統(tǒng)仿真以建模與仿真理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，根據(jù)研目標(biāo)建立并運(yùn)行模型對研究對象進(jìn)行認(rèn)識(shí)與改造，是工業(yè)化社會(huì)向信息化社會(huì)前進(jìn)中產(chǎn)生的信息類科學(xué)技術(shù)。它是一門以建模理論、計(jì)算方法、評估理論為基本理論，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制及系統(tǒng)工程等相關(guān)技術(shù)為支撐的綜合性交叉科學(xué)。系統(tǒng)仿真通過構(gòu)造既能反映系統(tǒng)特征又能符合系統(tǒng)研究要求的模型，并在該模型上進(jìn)行所關(guān)心的問題研究揭示已有系統(tǒng)和未來系統(tǒng)的內(nèi)在特性、運(yùn)行規(guī)律、分系統(tǒng)之間的關(guān)系并預(yù)測未來。

2、仿真極大地?cái)U(kuò)展了人類認(rèn)知世界的能力，可以不受時(shí)空限制，觀察和研究已發(fā)生或尚未發(fā)生的現(xiàn)象，以及在各種假想條件下這些現(xiàn)象發(fā)生和發(fā)展的過程。它可以幫助人們深入一般科學(xué)及人類生理活動(dòng)難以到達(dá)的宏觀或微觀世界去進(jìn)行研究和探索，從而為人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界提供了全新的方法和手段。系統(tǒng)仿真方法、技術(shù)及其應(yīng)用已擴(kuò)展到人類活動(dòng)的大部分領(lǐng)域。近年來，系統(tǒng)仿真技術(shù)方法、技術(shù)及其應(yīng)用研究吸引了越來越多的國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，研究內(nèi)容也越來越廣泛，應(yīng)用覆蓋了工程、社會(huì)、管理、軍事等領(lǐng)域，逐漸形成了多學(xué)科交叉融合的研究趨勢。二．仿真學(xué)科概念1.仿真的定義在1982年中

3、文版中“仿真”的定義如下：“仿真(Simulation)是指研制和使用計(jì)算機(jī)模型，用以研究實(shí)際或假設(shè)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)”。上述定義強(qiáng)調(diào)了建模、計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)三個(gè)重要的組成部份，在定義描述中還強(qiáng)調(diào)了計(jì)算模型的支配地位。1978年，中國成立大百科全書“仿真”的定義如下：“仿真：利用復(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)來研究存在的或在設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)”。上述定義強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)、模型和實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)調(diào)了模型的廣義性和實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。在定義描述中認(rèn)為計(jì)算機(jī)模型是仿真系統(tǒng)中重要的模型之一。兩種定義，在技術(shù)內(nèi)涵上大同小異，但側(cè)重點(diǎn)有區(qū)別，前者強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代建模與

4、仿真技術(shù)的特殊性，即認(rèn)為計(jì)算機(jī)模型在仿真中占支配地位。后者雖也承認(rèn)計(jì)算機(jī)模型在仿真中的重要性，但更強(qiáng)調(diào)仿真模型的廣議性及仿真實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性。[10]從普遍意義來看,仿真的研究對象是系統(tǒng),系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互制約、相互依存的若干組成部分(要素)結(jié)合在一起的具有特定功能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有機(jī)整體。構(gòu)成系統(tǒng)的各組成部分可稱為子系統(tǒng)或分系統(tǒng),而系統(tǒng)本身又可看作它所從屬的那個(gè)更大的系統(tǒng)的組成部分。為了研究系統(tǒng),從理論上講可以用實(shí)際系統(tǒng)來做試驗(yàn),但往往出于經(jīng)濟(jì)、安全及可能性等方面的考慮,或者系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)中、實(shí)際系統(tǒng)尚不存在等原因,需要借助系統(tǒng)模型進(jìn)行試

5、驗(yàn),故系統(tǒng)的模型化是進(jìn)行仿真的核心和必要前提;而對復(fù)雜系統(tǒng)的模型處理和模型求解,離不開高性能計(jì)算機(jī);于是仿真的3個(gè)基本要素是系統(tǒng)、系統(tǒng)模型和計(jì)算機(jī),進(jìn)而聯(lián)系這3個(gè)要素的基本活動(dòng)是模型建立、仿真模型建立和仿真試驗(yàn),如圖1.[5]圖1仿真的3要素及3項(xiàng)基本活動(dòng)仿真一方面為多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)提供了理解、認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的強(qiáng)有力的工具，另一方面為各應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)可控、可重復(fù)的多學(xué)科模型的集成實(shí)驗(yàn)、實(shí)物（或模型與實(shí)物混合）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的環(huán)境。仿真通過將多學(xué)科的理論研究成果集成為一個(gè)虛擬系統(tǒng)，為理論研究提供了一個(gè)理解系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、評價(jià)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系

6、統(tǒng)的有力工具，作為一種基于模型的實(shí)驗(yàn)，為多學(xué)科綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種有效的手段它還是強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)手段。[8]三．仿真理論仿真就是構(gòu)造反映實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行行為的特性的數(shù)學(xué)模型和物理模型在仿真載體（可以是計(jì)算機(jī)或其他形式的仿真設(shè)備）上，復(fù)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜活動(dòng)。這樣可將仿真活動(dòng)歸結(jié)為三個(gè)組成部分：實(shí)際系統(tǒng)、模型、仿真載體，和三個(gè)關(guān)系：建模、仿真、評估。建模主要處理的是實(shí)際系統(tǒng)與模型之間的關(guān)系；仿真主要考慮計(jì)算機(jī)和模型之間的關(guān)系；評估主要是對仿真結(jié)果進(jìn)行可信性驗(yàn)證；因此我們可將系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)理論總結(jié)為：仿真的模型論、仿真算法、可信度評估理

7、論。[3]1.模型論系統(tǒng)模型的建立是系統(tǒng)仿真的核心問題。系統(tǒng)模型是實(shí)際系統(tǒng)或過程在某些方面特性的一種表現(xiàn)形式，它能反映出該系統(tǒng)和過程的行為特性。我們認(rèn)為模型論作為系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)理論，主要包括以下幾個(gè)問題：（1）系統(tǒng)模型具有什么樣的形式要對一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)建立它的模型首先應(yīng)該確定所建模型具有什么樣的形式。實(shí)際上，這很大程度上取決于仿真任務(wù)，根據(jù)任務(wù)不同模型形式也是多種多樣的。（2）系統(tǒng)模型建立要采用什么樣的建模方法目前系統(tǒng)建模方法主要有兩大類，即機(jī)理建模方法和辨識(shí)建模方法，或采取兩者相結(jié)合的方法，也有人稱其為混合建模方法。對于同一系統(tǒng)，根據(jù)仿

8、真要求不同可采用不同的模型形式及相應(yīng)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。而對于不同的系統(tǒng)，也要根據(jù)各自的特點(diǎn)而采用不同的模型形式及相應(yīng)的建模方法。（3）模型的有效性驗(yàn)證一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的模型建