分析仿真是信息时代认识与改造世界的第三种方法.pdf

仿真认识和改造世界的 第三种方法吗 分析仿真是信息时代认识与改造世界的 第三种方法 姚益平 我认为分析仿真是信息时代认识与改造客观世界的第三种方法。为什么 说分析仿真呢? 首先我们来看看美国人的说法：美国国家科学基金会主任r i t a c o l w e l l 说：“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 含第三个方面的内容，即计算机仿真，并由计算机仿真将理论和实验两方面联 系起来。”美国能源部科学办公室主任r a y m o n dl o r b a c h 也说：“在2 l 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”。 在这之前李院士也提出来，“半个多世纪来，建模与仿真技术在各类应用需 求的牵引及有关科学技术的推动下，已经发展形成了较完整的专业技术体系， 并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。它与高性能计算( h i g hp e r f o r m a n c e c o m p u t i n g ) 一起，正成为继理论研究和实验研究之后第三种认识、改造客观世 界的重要手段”。这里要强调的是“研究”，上面讲话中实际上把仿真都看成是 一个研究手段。那么，是不是所有的仿真都可看成是研究问题的重要手段呢? 、 仿真的分类有很多种，从不同的角度有不同的分类，从应用目的来看，可以 分成分析仿真、测试仿真和训练仿真。测试仿真和分析仿真从某种程度上可以 归为一类。现在的问题是这三类仿真之间的关系是什么? 有人提出这三类仿 真技术框架要一致，即系统结构、模型描述标准、数据标准要一致，并且提出这 三类仿真要一体化。我的问题是它们到底能不能一致，能不能一体化? 首先我们来给出分析仿真的定义，分析仿真，美国叫s i m u l a t i o nf o ra n m y s i s ，是以复杂问题分析为目的的一类仿真活动。它通过对研究对象的不确定性 因素进行探索仿真，获取大量的仿真结果数据，在此基础上采用恰当的统计分 仿真认识和改造世界的 。第三种方法吗 析方法对仿真结果进行综合分析，以理解和发现复杂现象背后数据变量之间的 重要关系，找出它们之间所遵循的规律，从而获得问题的满意解。分析仿真大 都为模型闭环推演，主要关注运行的结果。分析仿真在复杂巨系统研究方面发 挥越来越重要的作用，特别在国家高技术研究领域和国家安全方面，如分子、生 物工程、微生物、生命科学、医学、病理研究、现代物理、航空调度、卫星组网、国 家与国防战略研究、危机预测预警与处置决策、武装力量规划、部队战斗力和作 战方案分析评估、武器装备体系规划及需求分析、装备技术性能与作战效能评 估、新概念武器的先期技术演示与作战应用分析等领域。它对于理解复杂问 题，发现复杂现象所蕴含的问题本质，寻找出符合目标的优化结果，启发新的解 题方法，提升相关研究领域的能力和水平，辅助各级指挥人员进行决策等具有 十分重要的作用，从而产生巨大的经济效益和社会效益。 分析仿真的特点归纳起来有几点： 第一，是“多样本”，分析仿真的结论往往需要建立在对多次仿真结果进行 综合分析的基础上，即在参数空问上进行搜索式或大样本仿真计算，通过对大 量输出结果进行统计分析才能得出统计意义上的结论。多样本又有两层含义， 一层是对多种参数组合进行仿真，另一层是对每种参数组合，由于采用随机函 数建模，又要进行多次仿真计算。这两层的乘积往往是仿真要实际运行的次 数。多样本也是仿真区别于一般科学计算问题的主要特征。 第二，是“超实时”，因为要运行很多次，因此就希望速度越快越好。 第三，是“大计算量”，仿真模型的复杂度日益提高，使得其计算量成指数 增长。 第四，是“协同并行”，分析仿真往往是一个非紧耦合的协同应用，不仅计 算量、通信量、存储量大；而且，由于实体间存在大量的交互，为保证交互事件的 因果关系的正确性，仿真实体间必须进行大量的协同。 上述特点使得分析仿真对计算能力有很大的需求，目前国内在做分析仿真 时遇到的突出问题就是效率问题。像有单位仿真运行一次就要十几台p c 机一 起运行十多个小时，如果要运行几百次、几千次，其运行总时间可想而知。 仿真认识和改造世界的 第三种方法吗 这种问题产生的根源是解决方法不对，没有将不同类型的仿真区分对待。 国内目前对分析仿真的解决方法在建模方面大都沿用连续系统的建模方法在做， 采用时间步进的方式建模。在技术路线上，大都基于h l a 实现，尤其在军事仿真 方面，言必称h l a 。这使得分析仿真的效率越来越难以满足应用的需求。 国外是怎么做的呢? 国外是不是都像上面说的那样在所有仿真项目中都 采用h l a 呢? 答案是否定的。h l a 当时提出的目的主要是为了解决仿真的互 操作和可重用，美国国防部曾经对h l a 的发展充满了信心和决心，它曾经有一 个说法，即规定今后所有的仿真都必须遵循h l a 标准，并决定从1 9 9 9 年起不 再资助非h l a 仿真的开发和修改，2 0 0 1 年起终止使用所有非h l a 的仿真。这 些说法实际上是有前因后果的，它这里的仿真实际上指的是训练仿真，我们很 多人都不了解这一点，并且即使是训练仿真，美国人也没有完全做到这一点。 而这种说法在国内实实在在误导了不少人。我在2 0 0 5 年、2 0 0 6 年，参加了美 国、德国的仿真会议，重点针对这个问题与很多人进行了交流，包括兰德公司的 p a u lk d a v i s 、g e o r g i al n s t i t u eo ft e c h n o l o g y 的r i c h a r dm f u j i m o t o 、u n i v e r s i t yo f f l o r i d a 的p a u lf i s h w i c k 等很多专家，他们明确而一致的答案是，分析仿真不能 使用h l a ，主要原因是p e r f o r m a n c e 不行。首先h l a 从体系结构上使得r t i 容 易成为系统的效率瓶颈，因为它规定所有的通讯都必须通过r t i ；其次h l a 支 持的建模方法不全，其时间步进建模比较好，而事件建模及乐观时间推进机制 不全。 美军j m a s s 项目管理小组发表的报告中也提出：h l a 适合于仿真系统之 间的互联与集成，但并不适合于仿真系统内部较低层次的模型之间的互联与 集成。 h l a 主要适用于时间步进的仿真系统，如人在回路的仿真训练( t r a i n i n g ) 和军事演练( e x e r c i s e ) 等，对于对性能要求很高的仿真系统，如分析评估论证类 仿真，则一般不采用h l a 体制。 国外不用h l a 用什么? 应该说目前还没有形成统一的标准，像d e v s 、 p d e v s 、s p e e d e s 、g t w 、m a i s i e 、p a r s e c 、p o s e 、c h a r m + + 、s i m k i t 、r o s s 、 仿真认识和改造世界的 第三种方法吗 i d e s 等等都有用。其趋势是，在建模方面采用多a g e n t 建模，仿真方面采用事 件驱动，即并行离散事件仿真，这种仿真将步进和通信耗时转化成了计算耗时。 归纳起来，我认为，应该说“分析仿真”正逐步成为继理论研究和实验研究 之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。“仿真”的说法太笼统。 ， 分析仿真的发展趋势是并行离散事件仿真。分析仿真与训练仿真在技术 路线上要分开对待，不能“一锅煮”。它们的技术框架不能一致，分析仿真和训 练仿真不能一体化! 王行仁： 这个题目应该倒过来。仿真是大题目，美国的国防部讲到仿真应用几个方 面，有分析，有虚拟，制定条令，还有手段。搞分析仿真、训练仿真，把仿真又降 低了。总的来说，还是仿真，几个方面是应用，因为美国国防部主要是要用。至 于说是不是用h l a ，不一定，要根据你的分析。 姚益平： 实际上从不同的角度仿真有不同的分法。分析、测试、训练，这是其中的一 种分法。我们一直在讲