仿真科学(讲课用).ppt

仿真是信息时代 认识世界的第三种方法,仿真已经成为认识世界的 第三种方法,1.背 景 2.认识论 3.挑战复杂系统 4.第三种方法 5.几点看法,1.背 景,美国前国家科学基金会主任Rita Colwell： “过去认为科学通常包含理论和实验两方面的努力；现在，科学还包含第3个方面的内容，即计算机仿真，并由计算机仿真将理论和实验两方面连接起来。” 美国能源部科学办公室主任Dr. Raymond L. Orbach： “在21世纪的科学中，仿真和高端计算是理论和实验科学的平等伙伴”。“仿真是一种与实验和理论对等的方法论”。 Fumiko Yonezawa (Department of Physics, Keio University) Computer-assisted physics (Numerical simulation) can be considered the third approach besides experimental and theoretical physics.,1、被包含 2、支持但非独立 3、独立、对等,问 题,从科学的角度，认识论的内涵是什么？ 什么是理论及理论研究？ 什么是实验及实验研究？ 什么是仿真及仿真研究？ 在自然、社会、思维三大活动中，从什么意义上讲，仿真可以称为第三种认识世界方法？ 仿真对三大活动规律的认识进展已经取得哪些里程碑性的成果？ 仿真在未来自然、社会、思维三大活动中作用和地位？,2.认识论,认识论研究的对象是事实客体性事实，即关于对象、客体的存在、性质、功能及其发展变化的状态 认识论追求的目标是“正确”反映事物的本质属性和规律，获得客观真理，获得关于自然、社会和思维的普遍知识。 认识的中介是以各种形式的认识工具、手段为要素，包括运用和操作这些工具的程序和方法在内的系统，它是人的认识能力、认识水平发展程度的客观标志，它决定着不同时代人们认识活动的基本方式 。,理论及理论研究,理论是从对事实的推测、演绎、抽象或综合而得出的(对某一个或某几个现象的性质、作用、原因或起源的)评价、看法、提法或程式。 理论研究是抽象推理、思辩（Abstract reasoning; speculation.）而形成“一系列假设，已被接受的定理以及用于分析、预测或解释自然或专门现象行为的程序规则”（a system of assumptions, accepted principles, and rules of procedure devised to analyze, predict, or otherwise explain the nature or behavior of a specified set of phenomena）（美国传统词典双解）。,实验与实验研究,实验是人们对认识的现实条件进行主动控制的认识活动。在实验中，内在性找到了表现其自身的最适合的现象和联系，让人们一看到这一现象和联系便会发现这种内在性。 实验是在受控条件下为演示一项真理、检验假设的正确性或确定以前未试用过的某物的效能而做的试验（A test under controlled conditions that is made to demonstrate a known truth, examine the validity of a hypothesis, or determine the efficacy of something previously untried），（美国传统词典双解）,仿真与仿真研究,牛津英语词典: 用相似的模型、环境，和设备模仿某个环境或系统（经济的、机械的等等）的行为的技术，或者是为更方便地获取信息，或者是为培训人。 “The technique of imitating the behavior of some situation or system (Economic, Mechanical etc.) by means of an analogous model, situation, or apparatus, either to gain information more conveniently or to train personnel.“ 一组广泛的方法，用于研究和分析实际的或理论的系统的行为和性能。 A broad collection of methods，used to study and analyze the behavior and performance of actual or theoretical systems.,Computer simulation 是一门学科，包括设计一个实际的或理论的物理系统的模型、在数字计算机上执行该模型，以及分析其执行输出。 is the discipline of designing a model of an actual or theoretical physical system, executing the model on a digital computer, and analyzing the execution output.,模型论,模型是系统的简化表示（A model is a simplified representation of a system） 在某些特定的时间或空间点，为推进对实际系统的理解（at some particular point in time or space intended to promote understanding of the real system.） 模型是一种替代，用于为某种更好定义的目的以表示某个其它实体 a model is a proxy，one entity used to represent some other entity for some well-defined purpose. 模型论（Model Theory）模型的知识体 that concerns the fundamental nature, function, development, and use of formal models in science and technology.,比 较,3.挑战复杂系统,美国科学杂志创刊125周年 之际，科学家们总结出了125个 未解之谜，重中之重有25个。 1、宇宙是由什么组成的? 2、我们在宇宙中是唯一的吗? 3、地球内部如何运作? 4、地球温室将变得多热? 5、物理学定律可以被统一起来吗? 6、在量子不确定性和非定域性之下，还有更深层次的原理吗? 7、我们能把化学自我装配推进多远? 8、传统计算的极限是什么? 9、意识的生物学基础是什么? 10、什么控制着器官再生?,宇宙篇,数理化篇,11、一个皮肤细胞如何能变成神经细胞? 12、一个体细胞是如何变成整株植物的? 13、生命是如何以及在哪里起源的? 14、什么决定了物种多样性? 15、合作的行为如何进化? 16、如何从大量的生物学数据中得到全景? 17、为什么人类的基因这么少? 18、遗传差异和个体健康在多大程度上是相关联的? 19、人类寿命可以延长多少? 20、什么遗传差异导致我们成为独特的人类? 21、记忆是如何存取的? 22、我们可以选择性地关闭一些免疫应答吗? 23、是否存在行之有效的艾滋病疫苗? 24、什么能替代廉价的石油以及什么时候? 25、马尔萨斯仍然错了吗?,生物篇,人类篇,4.第三种方法,仿真对科学与技术的进步做出了里程碑性贡献。 天气预报短期预报到中长期预报 温室效应二氧化碳排放 如果温室气体排放仍以目前的速度继续下去，北极的冰层将在2040年夏季来临时不复存在（英国） 飓风的力量主要取决于海洋的表面温度升高约2。如果二氧化碳的含量增加一倍的话，季节性的袭击世界各地海岸线的飓风的力量可能增加50%。（美国） 厄尔尼诺现象1986年科学家成功地提前一年预报 气候模拟的成功应用在东赤道太平洋的厄尔尼诺现象的预测、大气对厄尔尼诺现象的响应预测以及海洋中的其他持续温度异常预测上 。 全面禁止地下核实验核爆炸仿真 分布交互仿真SIMUNETHLA虚拟战场 制造波音777研制虚拟样机 ,Gilbert Weigand，US Department of Energy，1999 环境到2004年,美国已经停止核试验12年. 2004年50%的核武器专家离任. 50%核武器年龄已经超过设计寿命. 实验室/工厂对超期服役核武器的经验甚少. 怎么办？恢复核试验吗？,Weapon Experts/Nuclear Weapon,Nuclear weapons whthin design life,2004,100% 50%,100% 50%,通过SSP计划不进行核实验，我们在全面禁止实验下能应对保持美国核威胁的挑战吗？ We can meet the challenge of maintaining our nuclear deterrent under a comprehensive test ban through a Stockpile Stewardship Program without nuclear testing? 要建立领先的计算建模与仿真能力 迅速推进从基于核实验的方法到基于计算的方法的转变 to promptly shift from nuclear test-based methods to computationally based methods, 将储存维护单元集成起来，从而减少核危险 to integrate stockpile stewardship elements and thus reduce the nuclear danger. Simulation - A 21st Century Discipline Gilbert Weigand， US Department of Energy，1999,SSP（The Stockpile Stewardship Program ）必须保证核武器继续安全而可靠,潜在的保存问题,利用AGEX 数据 验证高级计算仿真,利用验证过的仿真数据重复地下核试验,计算弹头目前的安全系数,Shifting promptly from test-based methods to science-based methods,(3) 世界领先级的学术机构与实验室的科学研究与实验,(1) 全规模或全能量密度研究与实验,(2)仿真和理论,Adv. Hydro Capability,评价与 确认,National Ignition Facility,Fission Burn,Burn/Explosion,Effects,Implosion,核输出 安全性 可靠性 性能,中子发生器,Boosted Burn,Radiation Flow,HE Detonation,Implosion,地球温室将变得多热？ 大气的二氧化碳浓度增加肯定会带来全球变暖，但是变暖的程度仍然不太确定。科学家一般认为，这个世纪二氧化碳浓度的加倍会带来1.54.5的升温。但是这不够精确。科学家正在发展新的数学模型，试图让数字更令人信服仿真研究。 宇宙是由什么组成的？ 天文学家认为，组成恒星、行星、星系的物质叫普通物质，只占宇宙总质量的不到5%。另外25%，可能是由尚未发现的粒子组成的暗物质。剩下的70%呢？那可能是暗能量让宇宙加速膨胀的力量。暗物质和暗能量的本质是什么？科学家正在用加速器和望远镜寻找这些问题的答案。实验理论仿真,如何从大量的生物学数据中得到全景？ 生命是如此的复杂，尽管在每一个领域都产生了大量的描述性的数据。系统生物学试图把生物学的各个分支联系起来，利用数学、工程和计算机科学的方法让生物学更加量化仿真研究。 加拿大开发的“穴居人”四维虚拟人体模型，医生可设计复杂手术或展示体内病灶。 不过，现在还没有人知道这些方法是否能够最终让科学家理解生物运作的整体图景。,在量子不确定性和非定域性之下，有更深层次的原理吗？ 量子理论已经诞生了100年有余，量子力学的不确定原理指出：我们无法同时精确地获得一个物体的动量和位置。非定域性让两个处于量子纠缠态的粒子的纠缠态同时崩溃，而不管它们相距多远。 爱因斯坦说过，尽管量子力学给他留下了非常深刻的印象，但是“一个内心的声音告诉我，它还不是真实的东西。”？理论实验仿真,什么控制着器官再生？ 被切断的蚯蚓可以重新长出一半身体，而蝾螈可以重建受损的四肢相比而言，没有人可以重新长出手指。科学家发现，那些可以让器官再生的动物，在必要的时候重新启动了胚胎发育时期的遗传程序，从而长出了新的器官。那么人类是否可以利用类似的手法，在人工控制下自我更换零部件呢？实验研究,5.几点看法,从认识论角度，仿真是信息时代产生新方法 信息科学与技术催生了现代仿真 系统科学、控制科学指导现代仿真 计算机科学（高性能计算、VR）支撑现代仿真 其它科学的需求牵引现代仿真的发展 仿真是基于计算机的理论研究与实验研究的交叉融合 建模以理论研究为支撑 仿真运行以实验研究为检验手段 具有自身的特性：计算机上建模、运行、分析 仿真可以解决其它两种方法难以解决的问题 复杂巨系统 尚未存在的复杂系统 危险性大、代价高昂的系统 不是力图替代其它方法，而是补充和增强,仿真学科知识体系,(1)学科的理论基础 (2)学科的知识基础 (3)学科的方法论,（1）学科的理论基础,仿真建模理论基础理论 仿真建模是以相似原理为基础，根据对系统进行仿真研究的目的，建立能揭示与仿真研究目的相关的客观对象内在运动和动态性能的模型（数学模型或物理模型），并将数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。 仿真建模理论是指以基础科学及各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真应用要求的、通用的或各应用领域专用的各种模型的理论，以及验证所建模型正确与否的仿真建模的可信性理论。,（1）学科的理论基础,仿真系统理论专业理论 仿真系统是仿真学科应用于客观对象研究的主要形式。构建仿真系统所用的软件、工具被称为仿真支撑工具和技术，其目的是实现各类资源、活动的共享与重用、协同与互操作、动态调度与优化运行，从而灵活、快速及有效地开发与集成仿真系统。 仿真系统理论包括模型动态管理与调度、数据与信息管理、分发机制、时间空间一致性理论与方法、仿真系统的规范、标准等。 仿真应用理论应用理论 仿真应用理论是在仿真应用过程