仿真的發(fā)展與應(yīng)用 第一組

1、仿真的發(fā)展與應(yīng)用系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之 上的，以計(jì)算機(jī)和其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng) 進(jìn)行試驗(yàn)，并借助于專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究， 進(jìn)而做出決策的一門綜合性的和試驗(yàn)性的學(xué)科。系統(tǒng)仿真對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活具有極其重要的作用與意義。首先，在方案設(shè)計(jì)階段通過作戰(zhàn)運(yùn)用研究，評(píng)定戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的合理性；論證戰(zhàn) 術(shù)技術(shù)指標(biāo)的可行性；確定各分系統(tǒng)最佳指標(biāo)并研究這些指標(biāo)的協(xié)調(diào)性、可行性；制 導(dǎo)系統(tǒng)各模塊功能的確定，作戰(zhàn)體制研究，作戰(zhàn)軟件編制等控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；檢驗(yàn)各種 抗干擾措施的有效性；確定指控系統(tǒng)總體指標(biāo)和方案；

2、全系統(tǒng)功能仿真。其次，在武器研制階段進(jìn)行制導(dǎo)系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)的性能仿真，以檢查各分系統(tǒng)實(shí) 際性能是否協(xié)調(diào)，能否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求并確定各分系統(tǒng)允許公差范圍；為各種飛行 試驗(yàn)做事先準(zhǔn)備及結(jié)果分析；查找出現(xiàn)故障的原因，為系統(tǒng)改進(jìn)提供依據(jù)；進(jìn)行作戰(zhàn) 配合仿真、判斷引信啟動(dòng)和殺傷物質(zhì)動(dòng)態(tài)飛散區(qū)的配合效果，計(jì)算武器殺傷效率；進(jìn) 行系統(tǒng)軟件的開發(fā)，解決各分系統(tǒng)硬、軟件的功能協(xié)調(diào)，優(yōu)化系統(tǒng)軟件；利用打靶測(cè) 量結(jié)果進(jìn)行辨識(shí)、校驗(yàn)?zāi)Ｐ?；通過仿真與靶場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合，設(shè)計(jì)最佳靶場(chǎng)試驗(yàn)方案，以 提高經(jīng)濟(jì)效益。再者，在武器定型階段進(jìn)行全系統(tǒng)仿真，結(jié)合打靶確定武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)空域內(nèi)的 精度及殺傷概率；提供作戰(zhàn)軟件；研究定型過程出現(xiàn)

3、的問題并加以解決；與靶場(chǎng)試驗(yàn) 結(jié)合對(duì)武器系統(tǒng)性能做出鑒定。最后，武器裝備部隊(duì)階段對(duì)部隊(duì)使用過程發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析研究并予以解決協(xié) 助部隊(duì)進(jìn)行訓(xùn)練和作戰(zhàn)運(yùn)用，攻防對(duì)策的研究；研究武器系統(tǒng)對(duì)付新的敵情和作戰(zhàn)背景的能力；武器系統(tǒng)的改進(jìn)和研究。并且，系統(tǒng)仿真可以取得很高的經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面 的研究。4050年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。60年 代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展； 70年代是航天、核能和經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)；到80年代，最引人注目的仿真領(lǐng)域就逐步轉(zhuǎn) 向了制造系統(tǒng)，并且呈

4、現(xiàn)出一種生機(jī)勃勃的局面；到了 21世紀(jì)其技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品更 是廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試、生產(chǎn)、培訓(xùn)、使用、維護(hù)等各個(gè) 環(huán)節(jié)。其具體項(xiàng)目包括聲學(xué)、航天、農(nóng)業(yè)、食品和營(yíng)養(yǎng)、空氣質(zhì)量、天文學(xué)和天文物 理學(xué)、自動(dòng)裝置、發(fā)射學(xué)和軍事應(yīng)用、生物學(xué)、布朗運(yùn)動(dòng)、公共汽車系統(tǒng)等等。工程系統(tǒng)仿真作為虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一部分，與控制仿真、視景仿真、結(jié)構(gòu)和流體 計(jì)算仿真、多物理場(chǎng)以及虛擬布置和裝配維修等技術(shù)一起，在貫穿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造 和運(yùn)行維護(hù)改進(jìn)乃至退役的全壽命周期技術(shù)活動(dòng)中，發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)也在滿 足越來(lái)越高和越來(lái)越復(fù)雜的要求。因此，工程系統(tǒng)仿真技術(shù)也就迅速地發(fā)展到了協(xié)同仿真階段。其主要特征表

5、現(xiàn)為：1、控制器和被控對(duì)象的聯(lián)合仿真：MATLAB+AMESIM，可以覆蓋整個(gè)自動(dòng)控制系 統(tǒng)的全部要求。2、被控對(duì)象的多學(xué)科、跨專業(yè)的聯(lián)合仿真：AMESIM+機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)+ CFD+THERMAL +電磁分析3、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。實(shí)時(shí)仿真技術(shù)是由仿真軟件與仿真機(jī)等半實(shí)物仿真系統(tǒng)聯(lián)合 實(shí)現(xiàn)的，通過物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模型來(lái)測(cè)試成型或者硬件控制器。4、集成設(shè)計(jì)平臺(tái)?，F(xiàn)代研發(fā)制造單位，尤其是設(shè)計(jì)研發(fā)和制造一體化的大型單 位，引進(jìn)PDM/PLM系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化建設(shè)的潮流。在復(fù)雜的數(shù)據(jù)管理流程中，系統(tǒng) 仿真作為CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，與上下游工具配合。5、超越仿真技術(shù)本身。工程師不必是精通數(shù)值算法和仿

6、真技術(shù)的專家，而只需 要關(guān)注自己的專業(yè)對(duì)象，其他大量的模型建立、算法選擇和數(shù)據(jù)前后處理等工作都交 給軟件自動(dòng)完成。這一技術(shù)特點(diǎn)極大地提高了仿真的效率，降低了系統(tǒng)仿真技術(shù)的應(yīng) 用門檻，避免了因?yàn)椴涣私馑惴ㄔ斐傻姆抡媸　?、構(gòu)建虛擬產(chǎn)品。在通過建立虛擬產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和優(yōu)化過程中，關(guān)注以各種特 征值為代表的系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)多方案的快速比較。在新世紀(jì)，仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步向著標(biāo)準(zhǔn)化、層次化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化和 網(wǎng)格化的方向發(fā)展，這是一個(gè)難以逆轉(zhuǎn)的潮流。由此帶來(lái)的仿真系統(tǒng)重用（Reuse） 和可配置管理方面的好處，將大大降低仿真應(yīng)用開發(fā)的成本，更加有利于仿真向更廣 闊的應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。其具體發(fā)展方向如下

7、：一、仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化從上個(gè)世紀(jì)80年代初開始的SIMNET計(jì)劃，標(biāo)志著分布交互仿真時(shí)代的來(lái)臨， 分布交互仿真技術(shù)的快速發(fā)展一方面是得益于分布式計(jì)算技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速 發(fā)展，另一方面則應(yīng)歸功于仿真標(biāo)準(zhǔn)化工作的深入開展。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始的 分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)制定工作，主要完成了 IEEE1278系列標(biāo)準(zhǔn)，包括了對(duì)體系結(jié)構(gòu)、 仿真應(yīng)用交互協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）和編碼、網(wǎng)絡(luò)要求、仿真工程管理、校核驗(yàn)證與 驗(yàn)收、精度描述等幾個(gè)方面定義，該系列標(biāo)準(zhǔn)大大方便了異構(gòu)的仿真系統(tǒng)互聯(lián)構(gòu)造大 規(guī)模分布交互仿真系統(tǒng)工作。與分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)（IEEE1278）同時(shí)發(fā)展的聚合級(jí)仿真協(xié)議（ALSP）定義了聚

8、合級(jí)仿真應(yīng)用之間互聯(lián)進(jìn)行大規(guī)模作戰(zhàn)仿真的所應(yīng)遵循的 體系結(jié)構(gòu)、事件調(diào)度、交互協(xié)議等方面的要求。在分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)和聚合級(jí)仿真協(xié) 議的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他分布式仿真的經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)國(guó)防部1995年公布了向高層體系結(jié) 構(gòu)（HLA）轉(zhuǎn)變的計(jì)劃。HLA標(biāo)準(zhǔn)化工作包括了 HLA的基本規(guī)則的定義、對(duì)象模型模 板的格式和信息接口的規(guī)定，IEEE于2000年9月通過了關(guān)于HLA的IEEE1516系列 標(biāo)準(zhǔn)，使其成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1。分布交互仿真標(biāo)準(zhǔn)化工作在新世紀(jì)的開始將進(jìn)一步深 入地開展，并將繼續(xù)成為推動(dòng)仿真向更大規(guī)模、更復(fù)雜的方向發(fā)展。仿真標(biāo)準(zhǔn)化工作 應(yīng)覆蓋與仿真應(yīng)用開發(fā)有關(guān)的所有方面，包括仿真工程的管理、模型的校核驗(yàn)證

9、、仿 真資源的管理等等。仿真標(biāo)準(zhǔn)化工作需要進(jìn)一步擴(kuò)大參與的組織的范圍，真正起到推 動(dòng)全球仿真技術(shù)共同發(fā)展的作用。二、仿真系統(tǒng)層次化仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)層次化是隨著仿真應(yīng)用復(fù)雜化而出現(xiàn)并發(fā)展的。這同一般的 軟件系統(tǒng)發(fā)展的規(guī)律是一致的。仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的層次化有利于仿真設(shè)計(jì)和開發(fā)工 作，同時(shí)大大提高了仿真系統(tǒng)開放性、擴(kuò)展性和可管理性。一般地，仿真系統(tǒng)體系結(jié) 構(gòu)包括基本的四個(gè)層次：（1）資源層提供仿真應(yīng)用所需的各種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，如地理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等方面 的參數(shù)，還應(yīng)當(dāng)包括仿真應(yīng)用管理所需的各類信息；（2）支撐環(huán)境層包括建模支撐環(huán)境和運(yùn)行支撐環(huán)境，作為仿真應(yīng)用的“操作系統(tǒng)”，可以提供仿 真應(yīng)用

10、過程中所需的各種接口和標(biāo)準(zhǔn)處理流程的調(diào)用，運(yùn)行支撐環(huán)境的典型代表是HLA 中的 RTI；（3）仿真模型層包括完成仿真應(yīng)用所需的各種仿真模型設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，仿真模型的互操作應(yīng)在這 個(gè)層次中加以定義，在HLA中，仿真模型層中的工作應(yīng)包括按照OMT的要求聯(lián)邦對(duì) 象模型（FOM）和仿真對(duì)象模型（SOM）；（4）分析評(píng)估層對(duì)仿真的過程和結(jié)果加以分析評(píng)估已經(jīng)成為仿真系統(tǒng)內(nèi)含的重要功能，因此在仿 真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中應(yīng)當(dāng)包括分析評(píng)估層，提供對(duì)仿真過程的監(jiān)控和仿真結(jié)果的評(píng)估等 高層次任務(wù)的支持。三、仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)成為信息化社會(huì)重要的基礎(chǔ)，同樣成為未來(lái)仿真系統(tǒng)重要的底層 基礎(chǔ)。美國(guó)國(guó)防部上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)建

11、立的仿真互聯(lián)網(wǎng)（Defense Simulation Internet） 已經(jīng)成為聯(lián)接美國(guó)國(guó)內(nèi)和海外軍事基地重要仿真資源的基礎(chǔ)設(shè)施2。仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 化成為不可逆轉(zhuǎn)潮流，利用互聯(lián)網(wǎng)提供的廣闊的互聯(lián)性，可以大大降低仿真應(yīng)用之間 進(jìn)行互操作的成本，加快仿真開發(fā)和應(yīng)用的速度。網(wǎng)絡(luò)對(duì)仿真系統(tǒng)的影響不僅僅體現(xiàn) 在體系結(jié)構(gòu)的變化下，同樣反映在開發(fā)方式的變化上，網(wǎng)絡(luò)使異地的開發(fā)團(tuán)隊(duì)共同開 發(fā)仿真系統(tǒng)成為可能。下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟將為仿真系統(tǒng)提供更加安全、可靠、有 效的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。WEB應(yīng)用技術(shù)的成熟也為仿真應(yīng)用開發(fā)提供了更加經(jīng)濟(jì)有 效統(tǒng)一的環(huán)境?；赪EB仿真已經(jīng)成為當(dāng)前分布式仿Vol. 16 No.

12、 9. 1904 .系統(tǒng)仿 真學(xué)報(bào)Sept. 2004真發(fā)展的重要方向。基于公共互聯(lián)網(wǎng)的仿真必須解決實(shí)時(shí)性、可 靠性、安全性和管理等多方面的問題。四、仿真系統(tǒng)協(xié)同化人-機(jī)協(xié)同的問題一直是仿真系統(tǒng)關(guān)注的重要問題。分布交互仿真系統(tǒng)的發(fā)展大 大擴(kuò)大了這個(gè)問題研究的領(lǐng)域。協(xié)同化已經(jīng)成為新一代仿真系統(tǒng)重要的特征，協(xié)同化 問題既包括了異地的參與仿真的人員和設(shè)備在虛擬的、網(wǎng)絡(luò)化的仿真環(huán)境中，通過互 相配合完成必要的任務(wù)，又包括了仿真系統(tǒng)整個(gè)生命周期的開發(fā)工作中所需的各類人 員的協(xié)同工作。協(xié)同化將是使下一代仿真系統(tǒng)能夠有效地開發(fā)和應(yīng)用的重要保證。深 入研究仿真系統(tǒng)中的協(xié)同化問題同樣應(yīng)當(dāng)成為仿真體系結(jié)構(gòu)研究中的

13、重要課題。五、仿真系統(tǒng)網(wǎng)格化網(wǎng)格的總體目標(biāo)是在當(dāng)前日益發(fā)達(dá)的網(wǎng)格傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上建立信息處理 基礎(chǔ)設(shè)施，將分散在網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備和各種信息以合理的方式“粘合”起來(lái)，形成 高度集成的有機(jī)整體，向普通用戶提供強(qiáng)大的計(jì)算能力、存貯能力、設(shè)備訪問能力及 前所未有的信息融合和共享能力。網(wǎng)格是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，國(guó)際上已經(jīng)涌現(xiàn)出一大批 網(wǎng)格研究項(xiàng)目，例如，美國(guó)有Globus、Legion、Condo、IPG等，歐洲有CERN DataGrid、 UNICORE、MOL 等，澳大利亞有 Nimrod/G、EcoGrid 等，日本有 Ninf、Bricks 等。 我國(guó)也有中科院、清華大學(xué)等多個(gè)單位在進(jìn)行網(wǎng)格方面研究?；诰W(wǎng)格的仿真可以充 分利用網(wǎng)格提供的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、資源調(diào)度能力，大大提高仿真系統(tǒng)可用性。目前仿真網(wǎng)格研究在國(guó)際與國(guó)內(nèi)都已取得一定的進(jìn)展，國(guó)外比較典型的例子是是由美 國(guó)國(guó)防部下屬的國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃署DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)資助SF Express項(xiàng)目，1998年3月，SF Express集合13臺(tái)并行計(jì)算機(jī)之 力，使用了 1,386個(gè)處理器，終于成功模擬了 100,298個(gè)戰(zhàn)斗實(shí)體，實(shí)現(xiàn)了歷史上 最大規(guī)模的戰(zhàn)爭(zhēng)模擬。國(guó)內(nèi)由航天二院、清華大學(xué)等單位合作進(jìn)行仿真網(wǎng)格研