辨计算机仿真技术是否属于实验.doc

计算机仿真是否属于实验计算机仿真与科学实验关系之探讨论文摘要：随着信息技术的不断发展，计算机仿真以其不可替代的优势在诸多领域起着不可或缺的作用。本文主要探讨计算机仿真与科学实验之间的关系，并认为计算机仿真具备科学实验的要件和性质，但具有一定的要求。即：计算机仿真是一种特殊的实验形式，这种实验是基于一定的研究领域之内的。关键词：计算机,仿真技术,科学实验,应用领域。一、引论计算机仿真是一种非实物的仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示，以评价或预测一个系统的行为效果，为决策提供信息的一种方法。它是解决较复杂的实际问题的一种有效途径。计算机仿真是基于一定理论基础的一项系统科学，它有着完备的科学基础和理论依据。计算机仿真既不同于实验室实验，也不同于思想实验。它具有自己的特殊内容和特殊本质，是一种特殊的实验形式。在现代科学研究和日常生活的实践中，计算机仿真发挥着不可或缺的实验作用。但与此同时，计算机仿真作为实验是有着严格的适用范围的，它能否真正地模拟客观现实要看其应用的领域，因为在计算机仿真实验中的关键的环节是数学模型的建立，数学语言的高度形式化和计算机的普适性带来极大的限制。对于那些不适合建立数学模型以及那些不适合编码，难于量化的领域，计算机仿真是不能代替其他实验的重要作用的。二、计算机仿真与科学实验的关系 1、计算机仿真技术的概念和组成计算机仿真也称计算机模拟，是借助高速、大存贮量计算机及相关技术，对复杂的真实系统和运行过程或状态进行数字模拟，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。 计算机仿真应具备三个基本要素：系统、模型、计算机。所谓系统是指由相互制约的各个部分组成的具有一定的整体。它具有特定的功能和性质。即具有整体性的相关性。模型是用来描述系统的内在联系及系统与外界的关系。当然，对系统的内在联系和外在联系是很难完全准确地描述的，因此只能是对系统进行近似地描述。建立的模型是将系统的内在联系和它与外在联系抽象出来。模型对系统某一层次特性的抽象描述包括：系统的组成；各组成部分之间的静态、动态、逻辑关系 ；在某些输入条件下系统的输出响应等。为了建立一个有效的仿真系统，一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。而计算机则是计算机仿真中最重要的仿真工具，是完成整个计算机仿真的物理设备。2、科学实验的概念及其特点 当代自然辩证法教程，M.清华大学出版社，2005年1月 科学实验是人们根据一定的科学研究目的，运用一定的物质手段（科学仪器和设备），在人为控制或变革客观事物的条件下获得科学事实的基本方法。作为控制或变革客观事物的条件下进行的观察，科学实验应由以下三部分构成：（1） 实验者：这是组织、设计和进行科学实验的人，是科学实验认识过程的主体。实验目的的确定,实验方案的设计，实验步骤的制订，实验过程的操作，实验结果的处理，没有一个环节可以脱离实验者。（2） 实验对象：这是实验者所要认识的对象即认识的客体。它们可以是自然物体也可以是自然现象，还可以是人造物体或者现象。实验者在实验过程中对它们及其相关条件进行控制和变革并以它们为认识对象。（3） 实验手段：由实验的仪器、工具、设备等客观物质条件组成，实验仪器是其中的主要组成部分。其作用主要表现为两个方面：一方面是实验者意图的物化，另一方面又现实对象的特征。科学实验具有如下的特点：（1） 可以纯化和简化观察的对象。（2） 可以强化对象及其条件:人们利用各种实验手段，创造出地球上无法出现或几乎无法出现的特殊条件，如超高温、超高压、超低温、超真空等，从而发现对象在通常条件下没有的性质。（3） 可以模拟研究对象的属性及其变化过程：对那些时过境迁的现象以及无法进行直接实验的对象，运用模拟方法可以间接进行实验研究。（4） 具有可重复性。（5） 是一种经济可靠的认识和变革自然的方法。3、计算机仿真实验属于科学实验所谓计算机实验,是指把要研究问题的数学模型,转换为能让计算机进行数值运算的形式,或直接建立计算机仿真模型,在计算机上通过系统地变换参数作大量数值计算,通过分析比较从而做出某种结论或科学发现.通过计算机实验,人们可以预先把握未来实践的大致过程及其可能结果，从而为制定决策方案提供前瞻性的指导作用。计算机实验又称为计算机仿真实验。由以上分析可知，计算机仿真是人们研究和认识客观世界一种手段和方法，在计算机仿真的应用中:设计计算机仿真模型并实施模拟实验过程的人员就是实验者;计算机仿真的研究对象是对客观世界事物的抽象，是根据客观事物的发展规律所建立起来的数学模型,这个被抽象出来通过计算机仿真进行模拟分析的事物就是实验对象;在计算机仿真系统中,所使用的电子计算机系统及为实现实验目的而设计的专用软件系统作为实验的主要仪器即为实验手段。因此，计算机仿真具备科学实验的三个构成要件，即实验者、实验对象和实验手段。我们再来看看计算机仿真是否具备科学实验的各个特点：第一，计算机仿真能够对其研究对象进行纯化和简化的目的。计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真数学模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。这个技术本身的实验原理就是把客观事物及其运动规律进行抽象，因此，达成了对其研究对象进行简化的目的。第二，计算机仿真可以强化研究对象及其条件。计算机仿真技术能得到如此迅速的发展，并能广泛应用于生产与实践，一个重要的原因就是它能够将许多在客观环境下无法观察、无法量化、无法测量的数值通过模型分析，模拟计算出结果。有些实验，耗资大，实验仪器昂贵，操作复杂，难以实现。人们不仅能利用仿真技术模拟出各种各样实验仪器的三维图形，还能让仿真实验的操作者对仪器的关键部位进行拆除，内部部件进行解剖，在实验过程中实时观察仪器的各种指标和实验现象。通过对应用软件系统进行操作可以改变对研究对象的测试条件，模拟出对极端值的测量结果，这都是在现实中难以实现的。第三，计算机仿真可以模拟研究对象的属性及其变化过程。比如，在核技术研究中，核反应过程是在高温高压下进行的，核爆炸的巨大能量是在微秒量级的时间内释放出来的，要在核试验中测量出核爆炸内部的细微过程是十分困难的，只能提供一些综合效应的数据。通过计算机仿真系统及其软件的运算，通过数值分析，却可以给出核爆炸各个细节的图像、定量的数据以及各个因素与机制的相互作用，可以对核反应的规律进行很好的认识和了解。第四，计算机仿真具有可重复性。计算机由于运算速度快，精度高以及数值计算量大而被广泛应用，由计算机开发出来的仿真系统模拟运算过程，通过仿真系统的软件可以对设计的数学模型的条件进行大量的调整和变化，由于计算机及其软件系统运算的可重复性。可以知道，在特定条件下，特定运算过程下，运算结果是可预期的，所以多次运行结果唯一的是可重复的，因此，计算机仿真是可重复的。比如：飞机风洞试验中，第五，计算机仿真是一种经济可靠的认识和变革自然的方法。通过计算机仿真技术制作出的虚拟仪器和仿真实验能够达到与真实实验类似的效果。有了计算机和好的实验仿真软件，那些耗资大的实验同样可以多次重复进行，从而保证了实验的项目和数量。三、计算机仿真应用于实验的领域及其意义 1、计算机仿真实验的优势（1）便于重复进行实验，便于控制参数，时间短，代价小。（2）可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较中，选择最佳模型。（3）对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。（4）对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。计算机仿真已经在许多领域得到了广泛的应用，发挥着越来越重要的作用。比如：在国防和军队现代化建设中，计算机仿真获得了广泛应用，如导弹鉴定定型的模拟打靶，核武器的模拟爆炸，作战训练的电子沙盘等。2、计算机仿真实验的应用领域及其实用意义计算机仿真被广泛应用在众多的领域，包括声学、航天、航海、农业、营养学、气象学、天文学和天文物理学、自动装置、动力系统、军事应用、生物学、医学、卫生系统、化工、采矿、机械制造业、通信、计算机网络、计量学等。可大体将其概括为三大部分，即系统分析与设计、系统理论研究、专职人员培训三个方面。 （1）在系统分析与设计中的应用计算机仿真在系统分析与设计中的应用主要有以下几个方面：第一，对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础。第二，在系统的设计过程中利用计算机仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型简化及验证，并进行优化设计。第三，在系统建成之后，可以利用计算机仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。例如在工业制造业中，计算机仿真被广泛地应用与机械的设计、加工、故障诊断等方面；医学领域中可以通过计算机仿真技术来模拟手术操作，加强了手术的精确性和安全性；城市规划中用计算机仿真技术来模拟城市交通等；军事方面，在新式武器与装备的研制和应用、武器对抗效能评借方面。军事仿真可以取得很好的效果。而且仿真和建模方法也可以应用到核武器使用以及信息作战中去。 （2）在系统理论研究中的应用计算机仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具，它不仅以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究方向。目前，在最优控制、自适应控制和大系统的分解协调控制等理论问题的研究中都应用了计算机仿真技术。例如在机械制造过程中，为验证数控加工指令序列(数控程序)的正确性，传统的方法是在机床上先用塑模、蜡模或木模等作为毛坯进行试加工，常导致生产成本增加，生产周期延长。采用计算机仿真可避免试加工的不足。计算机仿真采用计算机建立一个虚拟加工环境，在此虚拟的环境中进行虚拟加工。虚拟加工可模拟整个实际的机械加工过程，验证数控程序的可靠性和预测切削运动状态。目前，国内外研究人员开发了许多虚拟数控加工的仿真系统。这些系统能为数控设备的使用和数控程序的编程训练提供一个低风险的培训环境。在很多学校(特别是职业学校)应用后，对提高数控教学质量起到了很大的促进作用。 （3），在专职人员训练与教育方面的应用 计算机仿真在训练和教育领域中，达到了提高效率、节约能源及保证安全等积极的效果。例如军事领域中的虚拟战场、作战训练等；航天领中火箭发射、航天员训练等仿真实验；通过计算机网络仿真和教学实验仿真的仿真教学等。计算机仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具，它不仅可以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应用中存在的问题。通过以上分析可知，当难以在实际环境中进行实验和观察时，计算机仿真是唯一可行的方法，例如太空飞行的研究。需要对系统或过程进行长期运行比较，从大量方案中寻找最优方案。或者虽然可以用解析的方法解决问题，但数学的分析与计算过于复杂，这时通过计算机仿真采取实验的方法可能提供简单可行的求解方法。四、结论计算机仿真是一种特殊的实验形式。 计算机仿真既不同于实验室实验，也不同于思想实验。它具有自己的特殊内容和特殊本质，是一种特殊的实验形式。在一定研究领域中，计算机仿真具备相当的优势，发挥着重大的研究和指导作用，并将在未来更加完善和发挥更大的作用。但是，计算机仿真必须以正确的数理建模和仿真建模为基础，有其严格的领域限制。随着计