现代仿真技术的新发展

现代仿真技术的新发展
摘自：计算机世界
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以 计算机系统、与应用有关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对系统（已有的或设想 的）进行研究的一门多学科的综合性的技术。
仿真本质上是一种知识处理的过程，典型的系统仿真过 程包括系统模型建立、仿真模型建立、仿真程序设计、仿真试验和数据分析处理等，它涉及 多学科多领域的知识与经验。随着现代信息技术的高速发展以及军用和民用领域对仿真技术 的迫切需求，仿真技术也得到了飞速的发展。
仿真技术是模型（物理的、数学的或非数学的）的建立、 验证和试验运行技术。现代仿真技术的特点可归纳为以下几点：
(1) 仿真技术是一门通用的支撑性技术。在决策者们 面对一些重大的、棘手的问题时，能以其他方法无法替代的特殊功能，为其提供关键性的见 解和创新的观点。
(2) 仿真技术学科的发展具有相对的独立性，同时又 与光、机、电、声，特别是信息等众多专业技术领域的发展互为促进。因此，仿真技术具有 学科面广、综合性强、应用领域宽、无破坏性、可多次重复、安全、经济、可控、不受气候 条件和场地空间的限制等独特优点，这是其他技术无法比拟的。
(3) 仿真技术的发展与应用紧密相关。应用需求是推 动仿真技术发展的原动力，仿真技术应用效益不但与其技术水平的高低有关，还与应用领域 的发展密切相关。大量实例表明，仿真技术的有效应用必须依托于先进的仿真系统，只有服 务于应用的仿真系统向前发展了，才能带动仿真技术的发展。因此，必须处理好应用需求牵 引、系统带技术、技术促系统、系统服务于应用的辩证关系。
(4) 仿真技术应用正向“全系统”、“系统全生命周 期”、“系统全方位管理”发展。这些都基于仿真技术的发展。
仿真技术可以有多种分类方法。按模型的类型，可分为 连续系统仿真、离散系统仿真、连续/离散（事件）混合系统仿真和定性系统仿真；按仿真 的实现方法和手段，可分为物理仿真、计算机仿真、硬件在回路中的仿真（半实物仿真）和 人在回路中的仿真；根据人和设备的真实程度，可分为实况仿真、虚拟仿真和构造仿真。
现代仿真技术
1．建模与仿真方法学
模型的建立是要确定模型的结构和参数，一般有三种途 径：
(1) 对内部结构和特性清楚的系统，利用已知的一些基本 定律，经过分析和演绎推导出系统模型；
(2) 对那些内部结构和特性不清楚的系统，可假设模型并 通过试验验证和修正建立模型，也可以用辨识的方法建立模型；
(3) 对于内部结构和特性有部分了解，但又不甚了解的， 则采用以上两种方法相结合的方式。
随着仿真应用范围的不断拓宽，近年来，系统建模理论 与方法的研究范围逐渐从定量系统向定性系统拓宽，其中典型的定性系统建模方法有Kuiper 法以及各类基于模糊理论的方法等。此外，在离散事件系统及各类并发分布系统的建模方法 中，Petri 网及Bond图方法及其应用也有较快的发展。从建模的方法学来看，除了典型的机 理建模及系统辨识方法外，近年来正积极发展模糊优化法、人工智能辅助建模方法学及混合 模式（multi-paradigm）的建模方法学等。
VV&A（verification，validation and accreditation）技术， 即系统模型的校核、仿真模型的验证以及仿真结果的认可技术，已成为复杂系统建模与仿真 技术中的重要课题，尤其受到军事部门的高度重视，并正从局部的、分散的研究向实用化、 自动化、规范化与集成化的VV＆A系统发展。
2．仿真算法
仿真算法是将系统模型转换成仿真模型的一类算法，经 历了从串行算法到并行算法的发展过程。目前，连续系统与离散事件系统的非实时串行算法 已相当完善，其成果包括处理线性、非线性、刚性、间断右函数等连续系统算法，各类分布 参数系统算法，各种随机统计算法及基于系统分割、方法分割和时间分割的部分并行算法。 当前研究的重点是实时连续系统算法、各类系统的并行算法及定性系统算法，其中并行系统 算法的效率将是并行仿真计算机发展中的关键课题。
3．仿真软件
仿真研究的许多活动都是通过仿真软件来实现的，仿真 软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。近40年来，仿真 软件充分吸收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工程、自动控制、 人工智能等技术所取得的新成果，从而得到了很大的发展。自1955年第一个仿真软件问世 以来，按照新技术出现的时间顺序，可将仿真软件的发展分为六个阶段，即通用程序设计语 言、仿真程序包及初级仿真语言、完善的商品化的高级仿真语言、一体化（局部智能化）建 模与仿真环境、智能化建模与仿真环境以及支持分布交互仿真的综合仿真环境。
未来的仿真软件将在以下几个方面得到进一步的发展：
采用新的建模仿真方法学、人工智能等新技术改善建模仿真功能；
增强对建模仿真全生命周期活动的支持功能；
基于标准及基于软总线的开放的体系结构；
注重面向专业领域、面向用户，扩大应用领域；
支持复杂系统虚拟样机的开发；
开发及完善支持分布仿真工程的支撑框架。
4．仿真计算机/仿真器
近10年来，由于RISC技术及并行计算机技术的飞速发 展，装配有面向问题仿真软件的通用高性能微机、工作站及并行机已成为仿真机的主流。目 前，超大规模的并行计算机、工作站以及高性能微机的运算速度已有很大提高。基于高速、 宽带、异步、多媒体网络通信及分布计算技术的发展，使分布计算环境成为仿真计算机平台 的重要发展方向。高性能仿真计算机研究的主要课题包括处理机技术与节点结构、并行程序 设计模型与并行化编译器、支持自动并行化的新的框架与概念等。
5．虚拟现实技术
虚拟现实（virtual reality）技术是现代仿真技术的一个重 要研究领域，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，从根本上改变了人与计算机的关系。飞行器模拟、虚拟战场、 虚拟样机、虚拟制造等都是虚拟现实技术的典型应用。
虚拟现实技术是在综合仿真技术、计算机图形技术、传 感技术、显示技术等多种学科技术的基础之上发展起来的，它以仿真的方式使人置身于一个 虚拟世界中。三个“I”是虚拟现实的基本特征，即沉浸（immersion）、交互（interaction）、 构思（imagination），我们可以沉浸到一个由计算机系统所创造的虚拟环境中，与虚拟环境 发生交互作用，并得到与实际的物理参与联试所能获得的相同或相似的感受。
进一步的研究包括分布式虚拟环境、虚拟环境建模、分 布式可交互环境数据库、虚拟环境显示、虚拟测试、分布式多维人机交互及标准化等。
6．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(HLA)上，建立了在一个广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统实现 互操作和重用的框架及规范。
分布仿真技术经历了SIMNET、DIS2.X和ALSP各个阶 段后，最近又提出了高层体系结构（high level architecture，HLA）。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。
进一步的研究包括仿真部件和仿真系统高层次上的互操 作性与可重用性、系统总体结构和体系结构、标准和规范及协议、虚拟环境、支撑平台与工 具、人的行为描述、实时决策与演练管理、仿真管理、安全管理、网络管理。
7．基于仿真的采办
基于仿真的采办（simulation based acquisition，SBA） 是将建模与仿真技术应用于系统采办全过程的一项创新性建议。它能使武器系统的研制缩短 周期、节省经费、提高质量。美国武器采办管理的全过程分为需求分析、概念设计、项目定 义与风险分析、工程设计、生产制造、装备与运行保障、销毁等阶段。
SBA系指应用于采办各部门、各个采办项目及项目各阶 段的人员、仿真工具和技术的集成。SBA将建模与仿真作为一种资源，用于更有效的管理 采办过程。SBA的体系结构可以从三个层次来分析，它们依次是运行体系结构（operational architecture）、系统体系结构（system architecture）和技术体系结构（technical architecture）。
运行体系结构描述有关采办的组织结构、相关活动、职 能部门、过程、信息源等；系统体系结构描述支持运行体系结构的各种软、硬件，如平台、 数据库、接口和网络等；技术体系结构包括运行体系结构和系统体系结构实现中必须遵循的 标准、规则和约定。
实现SBA的重要途径是建立协同环境（collaborative environment），协同环境包括完成某一特定领域的任务而组成的专业人员以及为他们协同 工作提供的可重用和可操作的模型、工具、数据库等资源，通过协同环境可以实现资源共享， 减少重复投资。
进一步的研究包括体系结构、协同环境、建模/仿真、采 办过程及组织等。
应用及发展
仿真技术的发展来自于军用仿真的推动，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、武器 型号采办全过程和作战仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估，游戏；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、分析系统，环境保护；在交通领域，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，等等。
不难预见，仿真技术将在军用和民用、工程和非工程、 生物和非生物、微观和宏观、思维和实践、主观和客观、个体和群体、系统和环境等领域继 续获得广泛及深入的应用。
自20世纪50年代以来，我国政府和许多企业都非常注 重仿真技术的发展与应用，建模与仿真技术在许多领域的系统规划、分析、设计、实施、维 护、管理、人员训练等方面发挥了重要的作用，主要成就有以下几个方面：
建模与仿真方法学 对系统仿真的相似理论及其体系结 构研究；复杂系统/大系统的建模与VV&A研究；定性系统、定性与定量相结合系统的建模、 VV&A方法学及其自动系统的建立。
仿真算法 线性代数的并行算法、常/偏微分方程的并行 算法以及常微分方程的串行方法的研究；并行算法中的算法复杂性、稳定性与容错性以及异 步并行算法中的收敛性的研究。
仿真软件 O-O建模与仿真方法学；并行仿真软件；分 布仿真环境；大型分布并发仿真工程的框架支撑技术；接口的可视化；多媒体与虚拟现实技 术；定性系统的仿真环境；人工智能在仿真环境中的应用。
仿真计算机 仿真计算机的通用性、分布式、并行化、 开放性、智能化研究；在通用计算机中硬件与软件的集成；面向用户和智能仿真环境的开发； 在新一代仿真计算机中支持虚拟现实技术和分布仿真技术的研究。
仿真器 全数字化训练仿真器；多平台仿真系统等大规 模复杂系统仿真器的开发。
仿真中的人工智能 建模与仿真系统中的专家系统的研 究；CAD系统中的知识库和专家仿真的应用；仿真程序的自动生成；神经网络的应用。
仿真技术应用 石油、化工、航天、航空、电力等行业 的大规模、全过程系统仿真；交通运输运行仿真；工业机器人仿真；制造企业中设计、制造 及管理仿真；嵌入式系统仿真。
仿真教育与学术活动 中国系统仿真学会（CASS）自 1988年建立以来，主办了4次系统仿真和科学计算国际学术会议；与SCSI和JSST签署了 备忘录；学会刊物有《系统仿真学报》。
随着现代信息技术的高速发展，仿真技术也得到了飞速 的发展，在军用和民用领域中的应用更是不断向广度和深度拓展，同时又促进了仿真技术本 身的进步。分布仿真技术作为仿真技术发展的最新成果，在国民经济建设和国防建设中发挥 了更大的作用。目前，国际上许多国家在“仿真是迄今为止最有效的综合集成方法，是推动 科技进步的战略性技术”这一观点上已达成了共识。毋庸置疑，21世纪仿真技术的研究与 应用将取得更大的发展。

仿真与虚拟现实技术
仿真(Simulation)属于一门基础 性学科。仿真就是利用模型进行的一种 试验，它可极为有效而经济地用于科研、 设计、训练以及系统的试验。仿真技术 是以控制理论、相似原理、数模与计算 技术、信息技术、系统技术及其应用领 域相关专业技术为基础，以计算机和多 种专用物理效应设备为工具，借助系统 模型，对实际的或设想的系统进行动态 试验研究的一门新兴综合性技术。其特 点是它属于一种可控制的、无破坏性的、 耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的 生命力和潜在的能力。它是迄今为止最 有效的经济的综合集成方法，是推动技 术进步的战略技术。 虚拟现实(VirtualReality—VR)， 又称灵境技术，实际上是一种采用计算 机技术制作模拟仿真的假想世界的技 术。它采用计算机产生一个被模拟仿真 世界的动态3维视觉环境，使操作者产 生一种身临其境的感觉，对探讨大量需 要借助形象思维的问题频有帮助。采用 此项新技术，参与者使用硬件，如数据 手套、鼠标器、跟踪球、操纵杆、头盔 式显示器、护目镜、耳机及数据服以获 得所需的感知，来体验计算机世界境况。 VR是计算机图形学中的一种功能倍增 技术，它将人类用户同计算机产生的世 界综合为一体。作为未来的新型人机接 口，VR涉及人类多种感觉，如视觉、 听觉和触觉。它将立体观视、3D交互、 声音输入／输出及触觉信息处理的工具 和技术集为一体。应用该项技术进行实 时工作，亦可将 VR技术理解为多媒体 的延伸。 VR环境系统包括建模、控制及媒 体数据源3大部分。建模是指利用物理 的或数字的方法，对需要仿真的实际系 统进行描述获得近似的数字模型。这是 进行数字仿真或半实物仿真必不可少的 步骤。建模是仿真的基础，亦是仿真的 结果，研究新型建模仿真方法是其首要 任务。3维立体显示是其一项必不可缺 少的关键技术，它是系统向用户输出反 馈信息的主要手段。 VR可应用于产品设计、分子建模、 计算机辅助设计(CAD)／计算机辅助 制造(CAM)、模拟器技术、工业自动化、 医药科学及众多强调易于使用、与计算 机交互接口的其他领域。 2 IGD虚拟现实演示中心德国弗琅荷费(Fraunhofer)计算 机图形学院(IGD)在达姆施塔特 (Darmstadt)己建立了一个虚拟现实 演示中心，用于评估虚拟现实对未来硬、 软件系统和人机接口的影响。该演示中 心的使命旨在廉价地为消费者和生产厂 家提供对实验床环境中的先期可视化、 仿真及虚拟现实技术的应用。在这种环 境中，新颖设想和试验可通过逼真的传 送实验加以证实。 2.1 VR设备概况通过采用先进技术，虚拟现实演示 中心在用于研究、样机设计及演示的可 视化、仿真和虚拟现实方面，提供了网 络化、集成化并与售主无关的硬件、软 件环境。该网络包括计算机服务器、数 据服务器、高性能图形工作站及个人工 作站，用10Mb／s和100Mb／s链路互连。 虚拟现实演示中心的硬件结构包 括： ·超级小型机、并行机及高档图形 工作站(Conver C3220、 SGl4D／380 VGX及SGI虚拟现实设备)； ·各种图形工作站(如SGI、 SUN、 DEC及HP)； ·具有混合数据接口(MIDI)的 接口和工作站音频装置的 AKAI语音同 步器； ·联网(以太网和光钎分布式数据 接口——FDDl)； ·视频记录和数字化接口； ·用于先进人机通信的 VR设备 (如立体显示器、虚拟研究用的头盔显 示器、旋眼光阀眼镜一Cystal Eyes Shutter G1asses)、投影显示、交互式装 置、6D空间球、数据手套及6D快速倾 斜装置一FASTRAK； ·若干仿真程序包； ·各种类似于数据交换格式 (DXF)的数据输入接口。 IGD的 VR开发平台共享硬、软件 的标准接口，可控制大范围的现行外部 设备。业已完成满足特殊需求的专用VR 工具或高性能多处理机系统的改进。IGD 开发平台目前包括如下方面： ·用于构造虚拟世界的交互式图形 建模系统； ·交互式成套工具可对各种输入设 备提供一个独立接口； ·实时虚拟世界( real—time radiosity)辐照法是实现预处理的一个 应用步骤； ·为科学可视化开发的显示系统， 则侧重于显示大量高性能的数据； ·用于研究对象更为自然状态的测 撞组件； ·对同步器或现代工作站的声频装 置提供应用的声频服务器。 2.2 VR使用说明虚拟现实演示中心，为 VR应用系 统制造者提供使用途径，并建立了应用 开发和设备评估平台。优质、高性能可 视化和自然现象仿真中的宝贵经验，可 为 VR的潜在用户及 VR系统和设备的 开发者提供咨询。此外，研制和开发工 作在虚拟演示中心按3级完成。 (1)使用学院自身的VR开发平台 或利用其他可用的VR工作台进行应用开 发。其中包括创造性虚拟世界，确定用户 与虚拟环境的交互作用，以及与虚 拟世界的优质观视的交互作用。迄今开 发的应用包括产品设计、办公自动化设 计、 CAD、 CAM、科学可视化及培训 任务等。 (2)借助将大规模并行机用于优 质、实时虚拟世界的生成，并将有效图 形算法用于 VR工作台来改善工具与技 术。 (3)对VR至关重要而计算机图形 又尚未涉及的相关领域进行基础性研 究。如音频信息处理、复杂态势处理、 触觉反馈信息处理等，而且还有对’ VR 的认知方面和对输入／输出(I／O)装 置的新颖设计。 在过去的15年内， IGD在计算机 图形领域内一直居于领先地位。计算机 图形系统的应用研究与开发、动画软件 包及可视化工具，己产生了先进技术， 现正应用于虚拟现实中。 2.3 VR产品简介作为首台产品样机， IGD己开发了 一个称为虚拟设计的系统。该 VR系统 核心允许输入不同源的数据，如 CAD 数据，并使 HMD、投影显示器及数据 手套以沉浸方式显示这些数据。将基本 的直觉交互和态势综合成虚拟设计，允 许用户自始至终引用这些数据并对其进 行处理。可将类似于3D按钮、相撞及 声反馈等 VR相关属性加至该数据上， 并增强其显示效果。还能对确定的光和 声源，或在计算前每一步骤(如通过实 时虚拟世界法)加以评估，或在执行(如 立体效应)过程中进行评估。 虚拟设计已在德国两个不同的商业 展馆展出，展品集中于办公室设计、办 公自动化及建筑方面。室内设计、家具． 及建筑物皆显示在虚拟现实设备上。设 计数据通过 DXF接口和辐照的实时虚 拟世界输入该数据，该数据模型的复杂 性约有17000—30000个多边形。在交 互预演过程中，虚拟设计可产生出5—8 帧／秒的图形。 3 结束语仿真技术作为人类认识客观世界和 改造客观世界的有效手段正日趋发挥着 巨大的作用。 VR技术是计算机技术、 传感技术、人机接口技术和人工智能技 术等多种高新技术的结晶。其逼真性和 实时交互性为系统仿真技术提供有力的 支撑。 仿真与 VR是一对孪生兄弟，只是 其侧重点不同而己。仿真强调其与事物 的相似性，而VR则强调其“沉浸”感。 采用 VR技术进行系统仿真，将会收到 珠联壁合之效。 发展VR技术，必须狠抓如下关键： ①设备方面：大力增强3维传感、 交互设备及显示设备的研制。 ②应用方面：大力增强VR系统开 发平台及分布式VR技术的研究。 ②方法方面：开展VR建模、人机 实时交互、 VR生成与逼真感、虚拟现 实与真实现实的一致性、多传感器信息 融合、系统设计分析及用户心理学方面 的研究等。 虚拟现实是人类智慧的集中体现， 进入虚拟现实环境将会使人类的智慧得 到更高的升华。

仿真技术也是门综合技术，受益非浅

谢谢
你让我全面了解了仿真是个什么东西
再次感谢

好资料，多谢楼主啦！