仿真的发展与应用 第一组

1、仿真的发展与应用系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之 上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统 进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究， 进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。系统仿真对于现实生活具有极其重要的作用与意义。首先，在方案设计阶段通过作战运用研究，评定战术技术指标的合理性；论证战 术技术指标的可行性；确定各分系统最佳指标并研究这些指标的协调性、可行性；制 导系统各模块功能的确定，作战体制研究，作战软件编制等控制系统设计；检验各种 抗干扰措施的有效性；确定指控系统总体指标和方案；

2、全系统功能仿真。其次，在武器研制阶段进行制导系统和指挥系统的性能仿真，以检查各分系统实 际性能是否协调，能否满足系统指标要求并确定各分系统允许公差范围；为各种飞行 试验做事先准备及结果分析；查找出现故障的原因，为系统改进提供依据；进行作战 配合仿真、判断引信启动和杀伤物质动态飞散区的配合效果，计算武器杀伤效率；进 行系统软件的开发，解决各分系统硬、软件的功能协调，优化系统软件；利用打靶测 量结果进行辨识、校验模型；通过仿真与靶场试验结合，设计最佳靶场试验方案，以 提高经济效益。再者，在武器定型阶段进行全系统仿真，结合打靶确定武器系统在作战空域内的 精度及杀伤概率；提供作战软件；研究定型过程出现

3、的问题并加以解决；与靶场试验 结合对武器系统性能做出鉴定。最后，武器装备部队阶段对部队使用过程发现的问题进行分析研究并予以解决协 助部队进行训练和作战运用，攻防对策的研究；研究武器系统对付新的敌情和作战背景的能力；武器系统的改进和研究。并且，系统仿真可以取得很高的经济效益。20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面 的研究。4050年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。60年 代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展； 70年代是航天、核能和经济管理系统；到80年代，最引人注目的仿真领域就逐步转 向了制造系统，并且呈

4、现出一种生机勃勃的局面；到了 21世纪其技术及相关产品更 是广泛应用于工业产品的研究、设计、开发、测试、生产、培训、使用、维护等各个 环节。其具体项目包括声学、航天、农业、食品和营养、空气质量、天文学和天文物 理学、自动装置、发射学和军事应用、生物学、布朗运动、公共汽车系统等等。工程系统仿真作为虚拟设计技术的一部分，与控制仿真、视景仿真、结构和流体 计算仿真、多物理场以及虚拟布置和装配维修等技术一起，在贯穿产品的设计、制造 和运行维护改进乃至退役的全寿命周期技术活动中，发挥着重要的作用，同时也在满 足越来越高和越来越复杂的要求。因此，工程系统仿真技术也就迅速地发展到了协同仿真阶段。其主要特征表

5、现为：1、控制器和被控对象的联合仿真：MATLAB+AMESIM，可以覆盖整个自动控制系 统的全部要求。2、被控对象的多学科、跨专业的联合仿真：AMESIM+机构动力学+ CFD+THERMAL +电磁分析3、实时仿真技术。实时仿真技术是由仿真软件与仿真机等半实物仿真系统联合 实现的，通过物理系统的实时模型来测试成型或者硬件控制器。4、集成设计平台。现代研发制造单位，尤其是设计研发和制造一体化的大型单 位，引进PDM/PLM系统已经成为信息化建设的潮流。在复杂的数据管理流程中，系统 仿真作为CAE工作的一部分，被要求嵌入流程，与上下游工具配合。5、超越仿真技术本身。工程师不必是精通数值算法和仿

6、真技术的专家，而只需 要关注自己的专业对象，其他大量的模型建立、算法选择和数据前后处理等工作都交 给软件自动完成。这一技术特点极大地提高了仿真的效率，降低了系统仿真技术的应 用门槛，避免了因为不了解算法造成的仿真失败。6、构建虚拟产品。在通过建立虚拟产品进行开发和优化过程中，关注以各种特 征值为代表的系统性能，实现多方案的快速比较。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（Reuse） 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。其具体发展方向如下

7、：一、仿真系统体系结构标准化从上个世纪80年代初开始的SIMNET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90年代开始的 分布交互仿真标准制定工作，主要完成了 IEEE1278系列标准，包括了对体系结构、 仿真应用交互协议数据单元（PDU）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（IEEE1278）同时发展的聚合级仿真协议（ALSP）定义了聚

8、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1995年公布了向高层体系结 构（HLA）转变的计划。HLA标准化工作包括了 HLA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，IEEE于2000年9月通过了关于HLA的IEEE1516系列 标准，使其成为工业标准1。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

9、、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。二、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

10、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HLA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（FOM）和仿真对象模型（SOM）；（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。三、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

11、立的仿真互联网（Defense Simulation Internet） 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2。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。WEB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。基于WEB仿真已经成为当前分布式仿Vol. 16 No.

12、 9. 1904 .系统仿 真学报Sept. 2004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。四、仿真系统协同化人-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

13、重要课题。五、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，国际上已经涌现出一大批 网格研究项目，例如，美国有Globus、Legion、Condo、IPG等，欧洲有CERN DataGrid、 UNICORE、MOL 等，澳大利亚有 Nimrod/G、EcoGrid 等，日本有 Ninf、Bricks 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DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)资助SF Express项目，1998年3月，SF Express集合13台并行计算机之 力，使用了 1,386个处理器，终于成功模拟了 100,298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