仿真技术发展趋势

仿真技术发展趋势经过半个多世纪的发展，仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科。仿真技术应用的领域不再局限于某些尖端学科技术研究领域，而成为一 项被众多学科领域广泛采用的通用性技术。半个多世纪以来，仿真技术一方面始终是建模技术、计算技术和其他信息技术最先的应用者，另一方面是对计算技术和网络技术等的 发展不断提出新的挑战。 在我国建模与仿真方法是随着应用需求的发展不断的进步，近十年来仿真技术发展是沿着以应用需求牵引建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建模与仿真系统又服务于应用良性循环的道路向前发展。 仿真技术研究人员一方面不断地扩展仿真应用领域，另一方面，其他领域研究的丰富成果与不断促使仿真技术人员 从新的角度、新的高度、新的广度认识建模与仿真。在近半个世纪的积累和近十年的快速发展的基础上， 建模与仿真技 术已经成为以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科的综合性技术。 1 仿真建模的发展 仿真是基于模型的活动，模型建立、实现、验证、应用是仿真过程不变的主题。随着时代的发展，仿真模型包含的内容大大扩展，建模方法日益多样，模型交互性和重用性变得越来越重要，模型的校核与验证的成为仿真中必要的步骤。 1 1仿真模型的分类 仿真模型的种类随着被仿真对象的丰富而日益广泛。从最简单运动方程描述的模型到描述复杂大系统发展变化规律的仿真模型，仿真模型的种类涵盖了仿真所涉及的各个领域。如此之多的仿真模型，需要研究科学的分类方法，使各种仿真模型能够归属到一定类别中，对建模和验模方法的选择、仿真模型的管理变得非常重要。仿真模型可以按照其模 拟的对象不同而加 以分类，如飞机模型、核反应堆模型，也可以根据仿真模型建立的方法进行分类，又可以依据其仿真中不同阶段加以分类，如概念模型、数学模型、计算机实现模型等。随着仿真研究对象的扩展，对仿真模型的分类研究应成为仿真概念研究的一个重要课题，这是进一步发展仿真论的需要。 1 2建模方法 面对新世纪科学技术发展对仿真技术的需求，对建模方法论提出新 的要求，包括但不限于： ( 1 )仿真研究对象越来越复杂，需要研究复杂系统建模的方法； ( 2 )仿真的精度和可信度要求越来越高，需要研究提高所建立模型的精度方法； ( 3 )同样的仿真研究对象，在不同仿真系统中要反映出不同的属性，需要在建模时考虑具体的要求，并研究仿真模型简化、细化、聚合、解聚的方法； ( 4 )仿真模型建立要反映仿真工程性越来越强的变化趋势，强调仿真建模及其使用工具的标准化： ( 5 )仿真建模人员不仅要考虑建立模型本身的要求，同样需要考虑验模的要求；( 6 )建模过程应反映对仿真系统全面的配置、质量管理要求的变化，建立完备的模型档案，对模型的属性及其建立过程加以记载和科学管理。 总之，仿真技术的发展变化对作为基础的建模方法学提出了更高要求，这种变化既反映在建模方法的技术层面，同样更高地反映到对建模过程和模型配置管理的要求。 1 3仿真模型互操作性 通过建立相对简单的仿真模型集，并通过一定的交互性协议，来构建相对复杂的仿真系统实现对复杂的过程或现象进行研究，这是一种比较经济有效的开发仿真系统的方法，这种思想已经被众多分布交互仿真系统的成功应用所证明。仿真模型互操作性已经成为仿真设计和实现时必须考虑因素，美国国防部已经要求其管辖范围内的仿真项目都要符合高层体系结构(HLA)的要求。仿真模型互操作成为新的仿真系统设计开发中关键性的问题，“互 操作建模”(Imeroperability Modeling)实际成为建模过程中一部分，要反映真实世界实体交互过程和实体之间的相互影响。仿真模型互操作性要考虑两个主要问题：(1)模型之间互操作性的权威描述 模型之间互操作性的权威描述是真实实体之间相互影响和作用过程在仿真世界中的客观描述，由于不同设计人员对这种过程的认识存在着一定的区别， 为了保证模型之间互操作的一致性，必须建立模型之间互操作性的权威描述，如任务空间功能描述(FDMS)、仿真参考联邦模型都是为实现这一目标而产生研究课题： (2)仿真模型互操作性实现 仿真模型互操作性的实现需要遵循一定标准，HLA标准定义了对象模型模板 (0MT)、联邦对象模型(FOM)、仿真对象模型(SOM)等建立互操作性仿真模型参考的规则；在仿真模型互操作性实现的编码过程中，同样要遵守分布式对象开发的标准，如CORBA、DCOM等；由于采用标准性建模规则和编码标准，使仿真模型互操作性实现的自动化程度可以大大提高。仿真模型互操作性是近十年逐渐发展起来研究课题，目前还没有全球性的统一标准，很难满足仿真技术飞速发展的需要。仿真互操作全球性标准将是未来努力的方向。 1 4仿真模型重用性 仿真模型重用性是仿真系统开发中越来越重要的一个问题。以往的仿真模型开发很少考虑仿真型未来应用，使仿真模型在使用一段时间后就越来越难以满足仿真应用的需要，必须根据新的仿真应用需求重新设计和开发，这对越来越多的仿真应用开发而言是很不利的。而且随着复杂系统仿真的发展，仿真需求变化越来越快，对仿真模型重用性提出了迫切的需求 。 仿真模型实现中采用模块化和面向对象的设计与实现，使新的仿真应用开发可以部分地应用前面研究开发的成果，一定程度上减轻了新的仿真应用开发的压力，但这种较低层次上的重用性带有很大的随意性和不确定性。为了真正实现仿真模型的可重用性，必须对模型设计、实现、验证和管理的各个角度建立相应标准，来保证仿真模型重用性的实现。 仿真是针对不同的应用目标的，应用目标的不同直接反映到仿真模型的设计和实现中，因此为一个仿真应用所开发的仿真模型很难原封不动地放到另一个仿真应用中，必须认真考虑被重用的仿真模型与新的仿真应用目标的一致性程度， 这种比较是仿真模型重用性研究需要解决的关键问题。 1 5仿真模型vv&A与可信度评估 近十年来，建模与仿真方法研究的另一个重要特点是仿真模型VV&A与可信度评估的重要性日益为仿真系统的开发者和使用者所重视。仿真模型VV&A不是要评价模型本身的好与坏，它关注的是仿真模型是否符合设计和是否满足仿真模型应用目标的要求。仿真模型 VV&A也不等同于对仿真模型软件实现所进行的功能测试和性能测试， 它是伴随仿真模型的整个生命周期的活动。仿真模型VV&A过程、方法、指标以及协调管理问题是其发展应用中必须解决的一些问题。仿真系统的规模越来越大，复杂程度越来越大，开发工程性越来越强。仿真系统的可信度评估越来越需要开展全系统、全生命周期的VV&A，并通过提供尽可能多的自动化工具来提高仿真模型VV&A的效率，降低仿真模型VV&A的耗费。仿真模型 VV&A工具是提高其工作效率和准确性的重要保障。仿真模型VV&A标准是确立其在仿真系统开发和应用中的重要作用的标志。仿真模型VV&A工作应与仿真系统开发中各种相关工作建立密切协调的关系， 最终目标是用有限的在模型 VV&A方面的投入换取最严格的仿真可信度方面的保障。在仿真模型VV&A概念和方法研究的基础上，仿真模型VV&A人员正不断地推动VV&A在实际仿真系统的应用，近年来，仿真模型VV&A已经开始应用于若干仿真系统的开发中，特别是对复杂仿真系统VV&A与可信度评估研究， 使仿真模型校核与验证技术研究向一个新的高度发展。 仿真模型 VV&A 已经成为仿真系统研究和应用重要支柱，仿真模型 VV&A只有在正确宏观政策指导下，通过制订有效方案、依靠充分的权威数据和文档、建立集成化的VV&A 支撑工具、充分发挥领域专家的支持，才能从理论研究逐步走向应用发展，美国等发展仿真系统 V V&A的经验值得我国借鉴。为了使我国仿真系统VV&A不断走向成熟，建议国家仿真规划、管理部门抓紧制定我国仿真系统VV&A宏观政策，对仿真系统VV&A发展必须解决的几个关键问题进行攻关，提出有效的解决方案。与此同时，分阶段逐步推动 VV&A 在仿真系统研究开发中的应用，对广大仿真系统的管理人员、开发人员、使用人员开展VV&A方的技术培训，使VV&A成为仿真系统向规模化、产业化和标准化发展过程中的重要推动力。 2 、仿真系统体系结构发展 分布交互仿真技术的发展打破了传统仿真应用开发的封闭局面，使仿真应用问的互操作成为可能。在新世纪，仿真系统体系结构将进一步向着标准化、层次化、网络化、协同化和 网格化的方向发展，这是一个难以逆转 的潮流。由此带来的仿真系统重用 ( Re u s e )和可配置管理方面的好处，将大大 降低仿真应用开发的成本，更加有利于仿真向更广阔的应用领域的扩展。 2 1仿真系统体系结构标准化 从上个世纪 8 0年代初开始的S I MNE T计划，标志着分布交互仿真时代的来临，分布交互仿真技术的快速发展一方面是得益于分布式计算技术和通信网络技术快速发展，另一方面则应归功于仿真标准化工作的深入开展。从上个世纪9 0年代开始的分布交互仿真标准制定工作，主要完成了I E E E1 2 7 8系列标准，包括了对体系结构、仿真应用交互协议数据单元 ( P DU)和编码、网络要求、仿真工程管理、校核验证与验收、精度描述等几个方面定义，该系列标准大大方便了异构的仿真系统互联构造大规模分布交互仿真系统 工作。与分布交互仿真标准 ( I E E E1 2 7 8 )同时发展的聚合级仿真协议 ( AL s P )定义了聚合级仿真应用之间互联进行大规模作战仿真的所应遵循的体系结构、事件调度、交互协议等方面的要求。 在分布交互仿真标准和聚合级仿真协议的基础上，结合其他分布式仿真的经验，美国国防部 1 9 9 5年公布了向高层体系结构 ( HL A)转变的计划。HL A 标准化工作包括了HL A的基本规则的定义、对象模型模板的格式和信息接口的规定，I E E E于 2 0 0 0年 9月通过了关于 HL A的 I E E E1 5 1 6系列标准，使其成为工业标准。分布交互仿真标准化工作在新世纪 的开始将进一步深入地开展，并将继续成为推动仿真向更大规模、更复杂的方向发展。仿真标准化工作应覆盖与仿真应用开发有关的所有方面，包括仿真工程的管理、模型的校核验证、仿真资源的管理等等。 仿真标准化工作需要进一步扩大参与的组织的范围，真正起到推动全球仿真技术共同发展的作用。 2 2仿真系统层次化 仿真系统的体系结构层次化是随着仿真应用复杂化而出现并发展的。这同一般的软件系统发展的规律是一致的。仿真系统体系结构的层次化有利于仿真设计和开发工作，同时大大提高了仿真系统开放性、扩展性和可管理性。一般地，仿真系统体系结构包括基本的四个层次： ( 1 )资源层 提供仿真应用所需的各种标准化数据，如地理数据、环境数据、气象数据等方面的参数，还应当包括仿真应用管理所需的各类信息；( 2 )支撑环境层 包括建模支撑环境和运行支撑环境 ，作为仿真应用的“操作系统”，可以提供仿真应用过程中所需的各种接口和标准处理流程的调用，运行支撑环境的典型代表是HLA中的RTI； ( 3 )仿真模型层 包括完成仿真应用所需的各种仿真模型设计及其实现，仿真模型的互操作应在这个层次中加以定义，在 HL A中，仿真模型层中的工作应包括按照OMT的要求联邦对象模型( F OM)和仿真对象模型 ( S OM) ； ( 4)分析评估层 对仿真的过程和结果加以分析评估已经成为仿真系统内含的重要功能， 因此在仿真系统体系结构中应当包括分析评估层， 提供对仿真过程的监控和仿真结果的评估等高层次 任务的支持。 2 3仿真系统网络化计算机通信网络成为信息化社会重要的基础，同样成为未来仿真系统重要 的底层基础。 美国国防部上个世纪就已经建立的仿真互联网 ( De f e n s e S i mu l a t i o n I n t e me t )已经成为联接美国国内和海外军事基地重要仿真资源的基础设施。仿真系统网络化成为不可逆转潮流，利用互联网提供的广阔的互联性，可以大大降低仿真应用之间进行互操作的成本， 加快仿真开发和应用的速度。网络对仿真系统的影响不仅仅体现在体系结构的变化下，同样反映在开发方式的变化上，网络使异地的开发团队共同开发仿真系统成为可能。 下一代网络技术的成熟将为仿真系统提供更加安全、可靠、有效的开发环境和运行环境。 WE B应用技术的成熟也为仿真应用开发提供了更加经济有效统一的环境。基WEB仿真已经成为当前分布式仿 真发展的重要方向。基于公共互联网的仿真必须解决实时性、可靠性、安全性和管理等多方面的问题。 2 4仿真系统协同化 人一 机协同的问题一直是仿真系统关注的重要问题。分布交互仿真系统的发展大大扩大了这个问题研究的领域。协同化已经成为新一代仿真系统重要的特征，协同化问题既包括了异地的参与仿真的人员和设备在虚拟的、网络化的仿真环境中，通过互相配合完成必要的任务，又包括了仿真系统整个生命周期的开发工作中所需的各类人员的协同工作。协同化将是使下一代仿真系统能够有效地开发和应用的重要保证。 深入研究仿真系统中的协同化问题同样应当成为仿真体系结构研究中的重要课题。 2 5仿真系统网格化 网格的总体目标是在当前日益发达的网格传输基础设施的基础上建立信息处理基础设施，将分散在网络上的各种设备和各种信息以合理的方式 “ 粘合”起来，形成高度集成的有机整体，向普通用户提供强大的计算能力、存贮能力、设备访问能力及前所未有的信息融合和共享能力。网格是当今的研究热点，国际上已经涌现出大批网格研究项目，例如，美国有Gl o b u s 、L e g i o n 、C o n d o 、I P G等，欧洲有CE R N Da t a G r i d 、UNI C OR E、MOL等，澳大利亚有 Ni mr o d G、 E c o Gr i d等，日本有 Ni n f ,B r i c k s等。我国也有中科院、清华大学等多个单位在进行网格方面研究。 基于网格的仿真可以充分利用网格提供的计算能力、存储能力、资源调度能力，大大提高仿真系统可用性。目前仿真网格研究在国际与国内都已取得一定的进展， 国外比较典型的例子是是由美国国防部下属的国防先进研究计划署DAR P A( De f e n s e A d v a n c e d R e s e a r c h P r o j e e t s A g e n c y ) 资助 S F E x p r e s s项目，1 9 9 8年 3月，S F E x p r e s s集合 1 3台并行计算机之力， 使用了 1 ， 3 8 6个处理器， 终于成功模拟了1 0 0 ， 2 9 8个战斗实体，实现了历史上最大规模的战争模拟。国内由航天二院、清华大学等单位合作进行仿真网格研究。仿真系统网格化还有一系列的问题有待解决， 如何使网格效能最大发挥以支持仿真应用将是今后努力的重要方向。 3 仿真技术的应用发展 在新的世纪里，仿真技术的应用领域将更加宽广，并向更深入的层次发展，与人们日常生活将更加紧密地结合。 3 1仿真支撑平台和工具的飞速发展 仿真支撑平台和工具的发展具有以下的特点： ( 1 )仿真支撑平台和工具已经从基于通用程序语言开发阶段走进了基于专门的仿真开发支撑工具和支撑平台开发的阶段； ( 2 )仿真计算机的速度越来越快； ( 3 ) 为网络化仿真提供支撑的通用性商用软件日趋成熟；( 4 )各种辅助设计、开发和测试工具的越来越多地支持仿真的功能； ( 5 )对通用的仿真工具软件研究的投资越来越大。仿真支撑平台和工具的飞速发展将大大地推动仿真应用开发速度的提高，有利于降低仿真应用开发的成本。 3 2仿真应用的新领域层出不穷 仿真应用的传统领域包括了航空工业、航天工业核工业等；近些年来，仿真应用出现了许多新的领域，如医学研究、交通运输业、市场研究、农业作物栽培、战略管理研究等等；各行各业的人们应用仿真技术自觉性日益提高，不但技术人员重视仿真的作用， 而且管理者也日渐认同仿真技术在系统研究中的重要作用， 将仿真研究结果作为其进行决策的重要参考 。 3 3复杂系统科学更加依赖仿真技术的进步 现代科学的许多研究对象已经越来越多涉及到一些非常复杂的系统，这些系统由于各种原因，根本无法用传统的方法对之进