现代计算机仿真技术的研究与发展结业论文.docx

现代计算机仿真技术的研究与发展摘要: 讨论了基于模型活动的仿真概念, 现代仿真方法学所涉及的系统建模方法、仿真建模方法和仿真实验, 仿真建模中的常用算法和有关问题, 仿真可信度概念及其研究内容。文章最后探讨了现代仿真技术的研究热点: 面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。关键词: 计算机; 系统; 建模; 仿真计算机仿真(Computr Simulation) (或称系统仿真System simulation) 12 作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。本文根据作者的研究体会, 试图从仿真的含义入手, 讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等, 为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。1仿真方法学研究“仿真是一种基于模型的活动” 3 , 它涉及多学科、多领域的知识和经验。成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动 4 。这里的“各类活动”, 就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”, 而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中:系统是研究的对象, 模型是系统的抽象, 仿真是通过对模型的实验来达到研究的目的。要素与活动的关系如图1 所示。 图1仿真的三要素和三项基本活动传统上,“系统建模”这一活动属于系统辩识技术范畴,仿真技术则侧重“仿真建模”, 即针对不同形式的系统模型研究其求解算法, 使其在计算机上得以实现。至于“仿真实验”这一活动, 通常只注重其“仿真程序”的检验(verification) , 至于如何将仿真实验结果与实际系统的行为进行比较这一根本性问题(validation) 缺乏从方法学的高度进行研究。现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面, 并将其统一到同环境中 5 。O ren 3 将上述思想加以总结, 提出了现代仿真方法的概念框架, 如图2 所示。图2现代仿真的概念示意图比较图1, 概念框架图中的“仿真问题描述”对应于“仿真建模”;“行为产生”对应于“仿真实验”, 只是将仿真输出独立于行为产生;“模型行为及其处理”相应于输出处理。现代仿真技术的重要进展主要体现在:(1) 系统建模方面: 传统上, 多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来, 系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等; 在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外, 近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法; 基于模型库的结构化建模方法: 面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。(2) 仿真建模方面: 除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软件外, 现代仿真技术采用模型与实验分离技术, 即模型数据驱动(data driven)。将模型分为参数模型和参数值, 以便提高仿真的灵活性和运行效率。(3) 仿真实验方面: 现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开。其中, 实验架用来定义条件, 包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样, 当需要不同形式的输出时, 不必重新修改仿真模型, 甚至不必重新仿真运行。正是由于现代仿真方法学的建立, 特别是模拟可重用性(Reusability)、面向对象方法(ob2ject oriented) 和应用集成(App lication Intesration) 等新技术的应用, 使得仿真、建模与实验统一到一个集成环境这中, 构成一个和谐的人机交互界面。2仿真算法研究仿真算法研究是计算机仿真中的重要内容。仿真算法主要研究: 算法的收敛性和数值的稳定性、算法精度、算法速度、实时性等。目前, 这些方面研究较为成熟的常用算法有:(1) 基于微分方程的数值解的数值积分法。如Runge Kutta 法、A dame Bashforth 显示式法、A dame Moutton 隐式公式法、Hamm ing 积分法和A dama 预测校正公式法, 等等。这类算法中影响积分精度的主要因素是积分方法和计算步长。(2) 基于状态方程的(如离散相似法) 求解算法, 可归结于求矩阵指数eAT。求矩阵指数的算法很多, 较多使用的是级数展开法。如泰勒级数 6 展开法、派德(Pade) 逼近法等。不过, 对于线_性病态系统的仿真 7 , 为了确保算法的有效性(即可靠性) , 通常不直接使用这两种算法, 而是先进行一些特殊处理。例如, 目前最常采用的缩方与乘方 8 、蛙跳 9 算法等。(3) 非线性病态系统的仿真算法。在非线性病态仿真中涉及稳定域的稳定、病态性的判别和切换, 目前常用的算法有吉尔(Gear) 10 法、特雷尔(T reanor) 法和多帧速算法 5, 11 等。此外, 还有基于模型转换的有关算法 12, 13 、并进行仿真算法 14 和基于系统辨识的算法 15 。3仿真可信度研究仿真可信度研究是随着建模与仿真(Modeling and Simulation, 简称M & S) 复杂程度的不断增加,M & S 的正确性和可信度问题越来越重要而形成的一个研究项目。因为一个不正确的仿真结果可能将导致重大的决策失误, 所以, 对如何保证M & s 的正确性和可信度的研究,引起了仿真理论界的足够重视。也就是在这种背景下, 导致了计算机仿真试验、验证与确认(V erfication,V alidation and A ccreditation, 简称M & A ) 16 技术的产生、发展和应用。VV & A与M & S 的关系如图3 所示。图3VV &A 与M &S随着可信度研究的深入, 近年来又提出了仿真测试与评估(简称T & E) 17 , 并将它作为可信度的有机整体, 统称为可信度评估。目前关于仿真可信度评估的研究工作主要集中在以下方面 15 :(1) 仿真系统可信度评估的概念框架;(2) 仿真系统可信度评估过程模型;(3) 仿真系统可信度评估指标的量化;(4) 仿真系统可信度评估方法;(5) 仿真系统可信度评估的辅助工具。我国VV & A 研究与国外相比, 虽然起步较晚, 但研究进展较快。特别是近年来, 许多专家纷纷发表文章, 对仿真与建模的VV & A 和T & E 进行研究和探讨。4发展趋势近年来, 由于问题域的扩展和仿真支持技术 18, 19 的发展, 系统仿真方法学致力于更自然地抽取事物的属性特征, 寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法, 等等。在这些探索的推动下, 生长了一批新的研究热点:( 1) 面向对象仿真(Object oriented Simulation OOS) 11 : 从人类认识世界模式出发, 使问题空间和求解空间相一致, 提供更自然直观, 且具可维护性和可重用性的系统仿真框架。(2) 定性仿真(Q ualitatuve Simulation Q S) 20 : 用于复杂系统的研究, 由于传统的定量数字仿真的局限, 仿真领域引入定性研究方法将拓展其应用。定性仿真力求非数字化, 以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出, 通过定性模型推导系统定性行为描述。(3) 智能仿真( Intelligence Simulation IS) 21 : 是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术, 引入整个建模与仿真过程, 构造各处基本知识的仿真系统(Know ledge Based Simu2lation System KBSS) , 即智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能(如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等) 与仿真技术(如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软_件等) 的集成化。因此, 近年来各种智能算法, 如模糊算法、神经算法、遗传算法的探索也形成了智能建模与仿真中的一些研究热点。(4) 分布交互仿真(D istributed Interactive Simulation D IS ( 11 : 是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连, 构成时间与空间互相偶合的虚拟仿真环境。实现分布交互仿真的关键技术是: 网络技术、支撑环境技术、组织和管理。其中: 网络技术是实现分布交互仿真的基础, 支撑环境技术是分布交互仿真的核心, 组织和管理是完善分布交互仿真的信号。(5) 可视化仿真(V isual Simulation V S) 23 : 用以为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图象、动画表现, 使仿真过程更加直观, 结果更容易理解, 并能验证仿真过程是否正确。近年来还提出了动画仿真(A nimated Simulation A S) , 主要用于系统仿真模型建立之后动画显示, 所以原则上仍属于可视化仿真。( 6) 多媒体仿真(M ultimedia Simulation M S) 22 : 它是在可视化仿真的基础上再加入声音, 就可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。(7) 虚拟现实仿真(V irtual Reality Simulation VRS) 23 : 是在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功能, 支持触、嗅、味知觉, 就得到了VR 仿真系统。5结束语计算机仿真的发展, 经历了简单原型、物理模型、通用编程语言、仿真专用语言、仿真结果的动态显示及可视化交互式仿真等一系列阶段。计算机仿真发展与应用的历程, 就是在实际应用需求的牵引下, 在不断涌现出与发展的相关新技术的推动下, 融合新的建模与仿真方法学而不断发展起来的。随着计算机科学技术的飞速发展, 多媒体技术、虚拟现实、人工智能、面向对象方法、可视化与图形界面等方面皆取得了巨大进展, 对系统建模与仿真技术的发展亦相应地产生了广泛与深刻的影响。因而, 近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取得了显著的成就和效益。我们完全有理由相信, 计算机仿真技术在国防建设和国民经济建设中将发挥越来越重要的作用!参考文献: 1 L aw A M , KeltonW D1Simulation modeling and analysisM 1M cGraw H ill, Inc, 1991. 2 D ragoM atko1Simulation andModeling of Continuous System M 1Prentice Hall1992.3 O ren T. 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