計算機仿真是套用電子計算機對系統的結構、功能和行為以及參與系統控制的人的思維過程和行為進行動態性比較逼真的模仿。
基本介紹
- 中文名：計算機仿真
- 外文名：Computer Simulation
摘要,發展,技術,仿真,連續系統,離散事件系統,系統與模型,雜誌介紹,仿真定義,仿真方法,仿真機,仿真系統,
摘要
它是一種描述性技術，是一種定量分析方法。通過建立某一過程或某一系統的模式，來描述該過程或該系統，然後用一系列有目的、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統的特徵，從而得出數量指標，為決策者提供關於這一過程或系統的定量分析結果，作為決策的理論依據。
發展
仿真技術最初主要套用在軍事領域。20 世紀50、60 年代，仿真技術開始套用於洲際飛彈的研製、阿波羅登月計畫、核電站運行等方面。從80 年代開始，仿真技術藉助計算機技術的發展開始進入了計算機仿真的嶄新時代，計算機仿真技術開始大規模地套用於儀器儀表、虛擬製造、電子產品設計、仿真訓練等人們生產、生活的各個方面。
自90 年代開始，基於計算機仿真技術，國內建設了一批水平較高、規模較大的半實物仿真系統，如射頻制導飛彈半實物仿真系統、紅外製導飛彈半實物仿真系統、殲擊機工程飛行模擬器、殲擊機半實物仿真系統、驅逐艦半實物仿真系統等，這些半實物仿真系統在武器型號研製中發揮了重大作用。
2008 年全球計算機仿真市場的總體規模達883億美元以上，中國計算機仿真市場的總體規模達298億人幣以上，未來計算機仿真行業發展潛力巨大。
技術
是以相似原理、信息技術、系統技術及相應領域的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或構想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。計算機仿真技術具有經濟、安全、可重複和不受氣候、場地、時間限制的優勢，被稱為除理論推導和科學試驗之外的人類認識自然、改造自然的第三種手段。
計算機仿真技術廣泛套用於國防、工業及其他人類生產生活的各個方面，如：航空、航天、兵器、國防電子、船舶、電力、石化等行業，特別是套用於現代高科技裝備的論證、研製、生產、使用和維護過程。如今，計算機仿真行業已經成為代表國家關鍵技術和科研核心競爭能力，具有相當規模的產業。計算機仿真行業按仿真技術的套用特點可以劃分為計算機仿真測試、仿真模擬訓練、虛擬製造等領域，其中計算機仿真測試又可分為機電仿真測試、射頻仿真測試及通用測試等。如今全球計算機仿真市場的總體規模已超千億美元，中國計算機仿真市場的總體規模在700億元人民幣以上，未來計算機仿真行業發展潛力巨大。
計算機仿真行業是一個全球競爭的行業。以美國為首的歐美已開發國家廠商憑藉先發優勢和成熟仿真產品，在全球範圍內的計算機仿真主要市場占據領先地位，其主要企業包括美國國家儀器公司(NI)、德國dSPACE公司、法國ESI公司、美國安捷倫科技有限公司、英國思博倫公司、CAE公司等。國內計算機仿真行業發展較晚，其在國內的套用包括軍用和民用兩個領域，在開放的民用市場，國外企業憑藉產品技術的先進性和發達的市場銷售網路，在相應市場處於優勢地位。在國防軍工、核能源、航空航天以及其他尖端核心技術等軍用領域，受國防安全和國外禁運等多重影響，國外企業和產品受到很大限制，難以直接進入，擁有國防軍工資質的國內廠商特別是具有一定自主創新能力的國內廠商可以憑藉自主產品和貼近終端用戶的個性化服務參與競爭，並具有相當的競爭優勢。
仿真
隨著科學技術的進步，尤其是信息技術和計算機技術的發展，“仿真”的概念不斷得以發展和完善，因此給予仿真一個清晰和明了的定義是非常困難的。但一個通俗的系統仿真的基本含義是指：構建一個實際系統的模型，對它進行實驗，以便理解和評價系統的各種運行策略。而這裡的模型是一個廣義的模型，包含數學模型、物理模型等。顯然，根據模型的不同，有不同方式的仿真。系統可以分為連續時間系統和離散時間系統兩大類，由於這兩類系統的運動規律差異很大，描述其運動規律的模型也有很大的不同，因此，相應的仿真方法也不同，分別對應為連續時間系統仿真和離散時間系統仿真。
連續系統
連續時間系統仿真是指物理系統狀態隨時間連續變化的系統，一般可以用常微分方程或偏微分方程組描述。需要特別指出的是這類系統也包括用差分方程描述的離散時間系統。對於工科院校，因為主要研究的對象是工業自動化和工業過程控制，因此本教材主要介紹連續系統仿真。
離散事件系統
離散事件系統是指物理系統的狀態在某些隨機時間點上發生離散變化的系統。它與連續時間系統的主要區別在於：物理狀態變化發生在隨機時間點上，這種引起狀態變化的行為稱為“事件”，因而這類系統是由事件驅動的。離散時間系統的事件(狀態)往往發生在隨機時間點上，並且事件(狀態)是時間的離散變數。系統的動態特性無法使用微分方程這類數學方程來描述，而只能使用事件的活動圖或流程圖。因此對離散事件系統的仿真的主要目的是對系統事件的行為作統計特性分析，而不像連續系統仿真的目的是對物理系統的狀態軌跡作出分析。
隨著現代工業的發展，科學研究的深入與計算機軟、硬體的發展，仿真技術已成為分析、綜合各類系統，特別是大系統的一種有效研究方法和有力的研究工具。
系統與模型
系統就是一些具有特定功能的、相互間以一定規律聯繫著的物體所組成的一個總體。顯然，系統是一個廣泛的概念，毫無疑問它在現代科學研究和工程實踐中扮演著重要的角色。不同領域的問題均可以用系統的框架來解決。但究竟一個系統是由什麼構成的，這取決於觀測者的觀點。例如，這個系統可以是一個由一些電子部件組成的放大器；或者是一個可能包括該放大器在內的控制迴路；或者是一個有許多這樣迴路的化學處理裝置；或者是一些裝置組成的一個工廠；或者是一些工廠的聯合作業形成的系統，而世界經濟就是這個系統的環境。
一個系統可能非常複雜，也可能很簡單，因此很難給“系統”下一個確切的定義。因為這個定義不但能夠足以概括系統的各種套用，而且又能夠簡明地把這個定義套用於實際。但無論什麼系統一般均具有4個重要的性質，即整體性、相關性、有序性和動態性。
首先，必須明確係統的整體性。也就是說，它作為一個整體，各部分是不可分割的。就好像人體，它由頭、身軀、四肢等多個部分組成，如果把這些部分拆開，就不能構成完整的人體。至於人們熟悉的自動控制系統，其基本組成部分(控制對象、測量元件、控制器等)同樣缺一不可。整體性是系統的第一特性。
其次，要明確係統的相關性。相關性是指系統內部各部分之間相互以一定的規律聯繫著，它們之間的特定關係形成了具有特定性能的系統。有時系統各要素之間的關係並不是簡單的線性關係，而呈現出複雜的非線性關係。也正是由於這種非線性，才構成了我們這個多彩的世界。對於複雜的非線性關係，必須研究其複雜性與整體性。再以人體為例，人的雙眼視敏度是單眼視敏度的6～10倍。此外，雙眼有立體感，而單眼卻無此特點。這就是一種典型的非線性特徵，因此相關性是系統的第二特性，也是如今系統研究的主要問題。
除整體性和相關性外，系統還具有有序性和動態性。比如，生命是一種高度有序的結構，它所具有的複雜功能組織，與現代化大工業生產的“裝配線”非常相似，這是一種結構上的有序性，對任何系統都是適用的。又如圖1.1.1所示，一個非平衡系統如果經過分支點A、B到達C，那么對C態的解釋就必須暗含著對A態和B態的了解。這就是系統的動態性。
建立系統概念的目的在於深入認識並掌握系統的運動規律。因此不僅要定性地了解系統，還要定量地分析、綜合系統，以便能更準確地解決工程、自然界和現代社會中的種種複雜問題。定量地分析、綜合系統最有效的方法是建立系統的模型，並使用高效的數值計算工具和算法對系統的模型進行解算。
採用模型法分析系統的第一步是建立系統的數學模型，所謂數學模型就是把關於系統的本質部分信息，抽象成有用的描述形式，因此抽象是數學建模的基礎。數學在建模中扮演著十分重要的角色，馬克思說過：“一種科學只有在成功地運用數學時，才算達到完善的地步。”例如集合的概念是建立在抽象的基礎上的，共同的基礎使集合論對於建模過程非常有用。這樣，數學模型可以看成是由一個集合構造的。
數學模型的套用無論是在純科學領域還是在實際工程領域中都有著廣泛的套用，但通常認為一個數學模型有兩個主要的用途：首先，數學模型可以幫助人們不斷地加深對實際物理系統的認識，並且啟發人們去進行可以獲得滿意結果的實驗；其次，數學模型有助於提高人們對實際系統的決策和干預能力。
數學模型按建立方法的不同可分為機理模型，統計模型和混合模型。機理模型採用演繹方法，運用已知定律，用推理方法建立數學模型；統計模型採用歸納法，它根據大量實測或觀察的數據，用統計的規律估計系統的模型；混合模型是理論上的邏輯推理和實驗觀測數據的統計分析相結合的模型。按所描述的系統運動特性和運用的數學工具特徵，數學模型可分類為線性、非線性、時變、定常、連續、離散、集中參數、分布參數、確定、隨機等系統模型。
雜誌介紹
計算機仿真是用計算機科學和技術的成果建立被仿真的系統的模型，並在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可改變時間比例尺等優點，已成為分析、設計、運行、評價、培訓系統（尤其是複雜系統）的重要工具。
仿真定義
仿真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。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統某些屬性的逼近。仿真是有層次的，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，否則很難評價一個仿真系統的優劣。
仿真方法
傳統的仿真方法是一個疊代過程，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。如此疊代地進行，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仿真目的為止。
模型對系統某一層次特性的抽象描述包括：系統的組成；各組成部分之間的靜態、動態、邏輯關係 ；在某些輸入條件下系統的輸出回響等。根據系統模型狀態變數變化的特徵 ，又可把系統模型分為：連續系統模型——狀態變數是連續變化的 ；離散（事件）系統模型——狀態變化在離散時間點（一般是不確定的）上發生變化；混合型——上述兩種的混合。
仿真機
用於仿真的計算機。20世紀50年代的仿真機大部分是以電子模擬計算機為主機實現的，在部分特殊套用領域內也有以液壓機、氣壓機或阻抗網路作為主要模擬設備的。由於電子模擬計算機的精度較差等缺點，從70年代初開始 ，數字模擬混合仿真機得到發展。從70年代末起，以數字機為主機的各種各樣專用和通用仿真機得到普及和推廣。由於高性能工作站、巨型機、小巨機、軟體技術和人工智慧技術取得引人矚目的進展，在80年代內人們對智慧型化的仿真機寄予希望，也在綜合集成數字仿真和模擬仿真的優勢的基礎上 ，設計出在更高層次上的數字模擬混合仿真機，在一些特定的仿真領域內，這種智慧型仿真機和高層次的數字模擬仿真機都取得令人鼓舞的結果。
