一文讀懂計算機模擬技術
本文轉載自感測器技術，謝謝！
計算機模擬作為分析和研究系統運行行為、揭示系統動態過程和運動規律的一種重要手段和方法, 隨著系統科學研究的深入、控制理論、計算技術、計算機科學與技術的發展而形成的一門新興學科。近年來, 隨著信息處理技術的突飛猛進, 使模擬技術得到迅速發展。本文根據作者的研究體會, 試圖從模擬的含義入手, 討論現代模擬方法、建模方法、模擬演算法、可信度研究等, 為在系統模擬中合理、有效地運行模擬新方法和新技術做一些探索。
模擬技術是利用計算機並通過建立模型進行科學實驗的一門多學科綜合性技術。它是它具有經濟、可靠、實用、安全、可多次重用的優點。
模擬是對現實系統的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，然後幫助人們對現實世界的某一層次的問題做出決策。模擬是一個相對概念，任何逼真的模擬都只能是對真實系統某些屬性的逼近。模擬是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個模擬系統的優劣。
傳統的模擬方法是一個迭代過程，即針對實際系統某一層次的特性(過程)，抽象出一個模型，然後假設態勢(輸入)，進行試驗，由試驗者判讀輸出結果和驗證模型，根據判斷的情況來修改模型和有關的參數。如此迭代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統的某一層次的模擬目的為止。
計算機模擬技術原理
「模擬是一種基於模型的活動」, 它涉及多學科、多領域的知識和經驗。成功進行模擬研究的關鍵是有機、協調地組織實施模擬全生命周期的各類活動。這裡的「各類活動」, 就是「系統建模」、「模擬建模」、「模擬實驗」, 而聯繫這些活動的要素是「系統」、「模型」、「計算機」。其中:系統是研究的對象, 模型是系統的抽象, 模擬是通過對模型的實驗來達到研究的的。要素與活動的關係如圖所示：
數學模型將研究對象的實質抽象出來，計算機再來處理這些經過抽象的數學模型，並通過輸出這些模型的相關數據來展現研究對象的某些特質，當然，這種展現可以是三維立體的。由於三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所採用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。通過這個關係還可以看出，數學建模的精準程度是決定計算機模擬精度的最關鍵因素。
從模型這個角度出發，可以將計算機模擬的實現分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉換和模型的模擬實驗。
模型的建立
對於所研究的對象或問題，首先需要根據模擬所要達到的目的抽象出一個確定的系統，並且要給出這個系統的邊界條件和約束條件。在這之後，需要利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統用數學的表達式描述出來，描述的內容，就是所謂的「數學模型」。這個模型是進行計算機模擬的核心。
系統的數學模型根據時間關係可劃分為靜態模型、連續時間動態模型、離散時間動態模型和混合時間動態模型;根據系統的狀態描述和變化方式可劃分為連續變數系統模型和離散事件系統模型。
模型的轉換
所謂模型的轉換，即是對上一步抽象出來的數學表達式通過各種適當的演算法和計算機語言轉換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現的內容，就是所謂的「模擬模型」。這個模型是進行計算機模擬的關鍵。實現這一過程，既可以自行開發一個新的系統，也可以運用現在市場上已有的模擬軟體。
模型的模擬實驗
將上一步得到的模擬模型載入計算機，按照預先設置的實驗方案來運行模擬模型，得到一系列的模擬結果，這就是所謂的「模型的模擬實驗」。
模擬技術發展歷程
作為一種特別有效的研究手段，20世紀初模擬技術已得到應用。例如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。
40～50年代航空、航天和原子能技術的發展推動了模擬技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為模擬技術提供了先進的工具，加速了模擬技術的發展。利用計算機實現對於系統的模擬研究不僅方便、靈活，而且也是經濟的。因此計算機模擬在模擬技術中佔有重要地位。
50年代初，連續系統的模擬研究絕大多數是在模擬計算機上進行的。50年代中期，人們開始利用數字計算機實現數字模擬。計算機模擬技術遂向模擬計算機模擬和數字計算機模擬兩個方向發展。在模擬計算機模擬中增加邏輯控制和模擬存儲功能之後，又出現了混合模擬計算機模擬，以及把混合模擬計算機和數字計算機聯合在一起的混合計算機模擬。在發展模擬技術的過程中已研製出大量模擬程序包和模擬語言。
70年代後期，還研製成功專用的全數字並行模擬計算機。模擬技術來自於軍事領域，但它不僅用于軍事領域，在許多非軍事領域也到了廣泛的應用。例如：在軍事領域中的訓練模擬;商業領域中的商業活動預測、決策、規劃、評估;工業領域中的工業系統規劃、研製、評估及模擬訓練;農業領域中的農業系統規劃、研製、評估，災情預報、環境保護;在交通領域中的駕駛模擬訓練和交通管理中的應用;醫學領域中的臨床診斷及醫用圖像識別等。
模擬技術的種類
模擬建模
模擬建模是一門建立模擬模型並進行模擬實驗的技術。建模活動是在忽略次要因素及不可測量變數的基礎上，用物理或數學的方法對實際系統進行描述，從而獲得實際系統的簡化或近似反映。
面向對象的模擬
面向對象模擬是當前模擬研究領域中最引人關注的研究方向之一，面向對象模擬就是將面向對象的方法應用到計算機模擬領域中，以產生面向對象的模擬系統。
智能模擬
智能模擬是把以知識為核心、人類思維行為作背景的智能技術引入整個建模與模擬過程，構造智能模擬平台。智能模擬技術的開發途徑是人工智慧與模擬技術的集成化。模擬技術與人工智慧技術的結合，即所謂的智能化模擬;模擬模型中知識的表達。
虛擬現實技術
虛擬現實技術是現代模擬技術的一個重要研究領域，是在綜合模擬技術、計算機圖形技術、感測技術等多種學科技術的基礎之上發展起來的，其核心是建模與模擬，通過建立模型，對人、物、環境及其相互關係進行本質的描述，並在計算機上實現。
分布模擬技術
分布模擬技術作為模擬技術的最新發展成果，它在高層體系結構上(HLA，high level architecture)，建立了一個在廣泛的應用領域內分布在不同地域上的各種模擬系統之間實現互操作和重用的框架及規範。HLA的基本思想就是使用面向對象的方法設計，開發及實現系統不同層次和粒度的對象模型，來獲得模擬部件和模擬系統高層次上的互操作性與可重用性。
雲模擬技術
雲模擬的概念是根據「雲計算」的理念提出來的。雲計算是指服務的交付和使用模式，指通過網路以按需、易擴展的方式獲得所需的服務。這種服務可以是與軟體、互聯網相關的，也可以是其他任意的服務，包括模擬服務，它具有超大規模、虛擬化、可靠安全等特性。雲模擬指通過網路以按需、易擴展的方式獲得所需的模擬服務。
雲模擬平台是一種新型的網路化建模與模擬平台，是模擬網格的進一步發展。它以應用領域的需求為背景，基於雲計算理念，綜合應用各類技術，包括複雜系統模型技術、高性能計算技術等，實現系統中各類資源安全地按需共享與重用，實現網上資源多用戶按需協同互操作，進而支持工程與非工程領域內的模擬系統工程。
模擬技術新熱點
近年來, 由於問題域的擴展和模擬支持技術的發展, 系統模擬方法學致力於更自然地抽取事物的屬性特徵, 尋求使模型研究者更自然地參與模擬活動的方法, 等等。在這些探索的推動下, 生長了一批新的研究熱點：
1、面向對象模擬：從人類認識世界模式出發, 使問題空間和求解空間相一致, 提供更自然直觀, 且具可維護性和可重用性的系統模擬框架。
2、定性模擬：用於複雜系統的研究, 由於傳統的定量數字模擬的局限, 模擬領域引入定性研究方法將拓展其應用。定性模擬力求非數字化, 以非數字手段處理信息輸入、建模、行為分析和結果輸出, 通過定性模型推導系統定性行為描述。
3、智能模擬：是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術, 引入整個建模與模擬過程, 構造各處基本知識的模擬系統(Know ledge Based Simu2lation System KBSS) , 即智能模擬平台。智能模擬技術的開發途徑是人工智慧(如專家系統、知識工程、模式識別、神經網路等) 與模擬技術(如模擬模型、模擬演算法、模擬語言、模擬軟體等) 的集成化。因此, 近年來各種智能演算法, 如模糊演算法、神經演算法、遺傳演算法的探索也形成了智能建模與模擬中的一些研究熱點。
4、分布交互模擬：是通過計算機網路將分散在各地的模擬設備互連, 構成時間與空間互相偶合的虛擬模擬環境。實現分布交互模擬的關鍵技術是: 網路技術、支撐環境技術、組織和管理。其中網路技術是實現分布交互模擬的基礎, 支撐環境技術是分布交互模擬的核心, 組織和管理是完善分布交互模擬的信號。
5、可視化模擬：用以為數值模擬過程及結果增加文本提示、圖形、圖象、動畫表現, 使模擬過程更加直觀, 結果更容易理解, 並能驗證模擬過程是否正確。近年來還提出了動畫模擬(A nimated Simulation A S) , 主要用於系統模擬模型建立之後動畫顯示, 所以原則上仍屬於可視化模擬。
6、多媒體模擬：它是在可視化模擬的基礎上再加入聲音, 就可以得到視覺和聽覺媒體組合的多媒體模擬。
7、虛擬現實模擬：是在多媒體模擬的基礎上強調三維動畫、交互功能, 支持觸、嗅、味知覺, 就得到了VR 模擬系統。
現代模擬技術
現代模擬技術的一個重要進展是將模擬活動擴展到上述三個方面, 並將其統一到同環境中。Oren將上述思想加以總結, 提出了現代模擬方法的概念框架。
概念框架圖中的「模擬問題描述」對應於「模擬建模」;「行為產生」對應於「模擬實驗」, 只是將模擬輸出獨立於行為產生;「模型行為及其處理」相應於輸出處理。
現代模擬技術的重要進展主要體現
1、系統建模方面
傳統上, 多通過實驗辯識來建立系統模型。近十幾年來, 系統辯識技術得到飛速發展。在辯識方法上有時域法、頻域法、相關分析法、最小二乘法等; 在技術手段上有系統辯識設計、系統模型結構辯識、系統模型參數辯識、系統模型檢驗等。除此之外, 近年來還提出了用模擬方法確定實際系統模型的方法; 基於模型庫的結構化建模方法: 面向對象建模方法等。特別是對象建模,可在類庫基礎上實現模型的拼合與重用。
2、模擬建模方面
除了適應計算機軟、硬體環境的發展而不斷研究新演算法和開發新軟體外, 現代模擬技術採用模型與實驗分離技術, 即模型數據驅動(data driven)。將模型分為參數模型和參數值, 以便提高模擬的靈活性和運行效率。
3、模擬實驗方面
現代模擬技術將實驗框架與模擬運行控制區分開。其中, 實驗架用來定義條件, 包括模型參數、輸入變數、觀測變數、初始條件、輸出說明。這樣, 當需要不同形式的輸出時, 不必重新修改模擬模型, 甚至不必重新模擬運行。正是由於現代模擬方法學的建立, 特別是模擬可重用性(Reusability)、面向對象方法(ob2ject oriented) 和應用集成(App lication Intesration) 等新技術的應用, 使得模擬、建模與實驗統一到一個集成環境這中, 構成一個和諧的人機交互界面。
計算機模擬技術發展方向
隨著計算機應用技術和網路技術的發展，計算機模擬技術也在不斷的發展之中。如利用網路技術實現異地模擬、應用虛擬現實技術進行的虛擬製造等。
網路化模擬
現在已經開發出來的模擬系統，多數不能相互兼容，可移植性差，實現共享困難。較之於開發的高成本和長時間，實在物未盡其用。解決這些問題，第一就是採用兼容性好的計算機語言編寫模擬系統，第二就是採用網路化技術實現模擬系統共享。尤其是後者，在將來的模擬系統開發中有著重要地位。實現模擬系統的網路共享，既可以在一定程度上避免重複開發以節約社會資源，又可以通過適當收費以補償部分開發成本。
虛擬製造技術
計算機模擬技術發展的另一大方向就是在虛擬製造技術領域的深入應用。虛擬製造技術是20世紀90年代發展起來的一種先進位造技術。它利用計算機模擬技術與虛擬現實技術，在計算機上實現從產品設計到產品出廠以及企業各級過程的管理與控制等製造的本質。這使得製造技術不再主要依靠經驗，並可以實現對製造的全方位預測，為機械製造領域開闢了一個廣闊的新天地。
計算機模擬技術的應用
計算機模擬的用途非常廣泛已經滲透到社會的各個領域，不斷促進了各行各業的發展，為各行各業注入了一股新的活力。
交通領域
交通是由人、車、路和環境構成的一個複雜人機系統，事故的誘發因素是多方面因素的綜合。交通安全的評價，應該充分考慮人、車、路和環境諸方面因素的作用和影響。本交通安全模擬是基於虛擬現實技術的方法。該評價體系是通過建立虛擬環境，並在這個虛擬環境中設計各種事故誘發因素，並對某區域和某路段的交通安全水平進行全過程(設計後，施工中，運營後)的跟蹤和評價。
交通安全模擬及評價系統的核心部分就是計算機的模擬。該模擬過程不同與傳統的數值模擬，它是一種可視化的模擬。例如，對某路段的交通安全評價，除了使用傳統的絕對數法和事故率法來評價外，再將交通參與者的感知和行為也考慮進去。在該虛擬環境中，可以選擇不同的運載工具，設置不同的交通環境，以交通參與者或第三者的角度來進行事故的可能性試驗與分析，從而實現了對路段的安全性的評價。同時為交通沒施的建設和改進提供了依據，為交通事故分析提供了一種新的方法。
製造領域
汽車製造是機械行業的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機模擬技術的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發動機方面，裝甲兵工程學院機械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機起動過程的計算機模擬模型，其模擬結果與實際測量值比較吻合，可用於多缸柴油機的起動性能模擬。江蘇理工大學的蔡憶昔實現了對進氣管內氣體流動的動態模擬，直觀描述了瞬態過程，為多缸發動機換氣過程的研究提供了有效的方法。汽車流場方面，華東理工大學信息學院的呂明忠博士等成功的模擬出了汽車尾流場的氣流分離和拖曳渦現象，建立了兩種車型的汽車外流場空氣動力學模型，並進行了模擬實驗，取得了滿意結果。碰撞實驗方面，浙江大學動力機械及車輛工程研究所的詹樟松博士根據汽車碰撞的事故形態與乘員傷害之間的規律，建立了乘員動力學響應的數學模型，並開發出了相應的模擬軟體，該系統可部分代替實車碰撞實驗進行汽車被動安全性能的研究。其他方面，例如，汽車工程學院的熊堅對汽車的制動過程進行了模擬研究，一汽大眾汽車有限公司的姚革等通過模擬研究了汽車轉向的輕便性問題等
教育領域
計算機模擬實驗又稱計算機模擬實驗或計算機虛擬實驗，是近幾年在計算機多媒體教學中開闢的新領域。它通過計算機把實驗設備、教學內容、教師指導和學生的操作有機地融合為一體，形成了一部活的、可操作的物理實驗教科書和根據需要在瞬間建立的模擬實驗室。
計算機模擬物理實驗的出現打破了教與學、理論與實驗、課內與課外的界限，它更加強調實驗的設計思想和實驗方法，更強調實驗者的主動學習;通過計算機模擬實驗，學生對物理思想、方法、儀器的結構和設計原理的理解，都可以達到訓練實驗技能、學習物理知識的目的，增強了學生對物理實驗的興趣，提高了物理實驗的水平。目前，模擬實驗已成為現代化物理實驗的重要手段。
計算機模擬實驗系統運用了人工智慧、控制理論和教師專家系統對物理實驗和物理儀器建立其內在模型，用計算機可操作的模擬方式，實現了物理實驗教學的各個環節。
計算機模擬的發展, 經歷了簡單原型、物理模型、通用編程語言、模擬專用語言、模擬結果的動態顯示及可視化互動式模擬等一系列階段。計算機模擬發展與應用的歷程, 就是在實際應用需求的牽引下, 在不斷湧現出與發展的相關新技術的推動下, 融合新的建模與模擬方法學而不斷發展起來的。
目前，無論在科學研究還是技術開發抑或工業設計中,計算機模擬方法都顯示出強大的威力。隨著計算機科學技術的飛速發展, 多媒體技術、虛擬現實、人工智慧、面向對象方法、可視化與圖形界面等方面皆取得了巨大進展, 對系統建模與模擬技術的發展亦相應地產生了廣泛與深刻的影響。
END
TAG:TechSugar |