浅谈我对计算机仿真的认识 摘 要: 随着经济的发展和社会的进步, 计算机技术高速发展, 使人类社会进入了信息时代,计算机作为后期新秀渗入到人们生活中的每一个领域, 给人们的生活带来了前所未有的变化。 作为新兴的技术, 计算机技术在人类研究的各个领域起到了只管至关重要的作用, 帮助人类解决了许多技术难题。 在科研领域, 计算机技术与仿真技术相结合, 形成了计算机仿真技术, 作为人们科学研究的一种新型方法, 被人们应用到各个领域, 用来解决人们用纯数学方法或者现实实验无法解决的问题, 对科研领域技术成果的形成有着积极地促进作用。 关键词: 计算机仿真; 模拟; 仿真技术; 发展 0 引言 计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真对象的模型, 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。 它具有高效、 安全、 受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点。 仿真技术已有半个多世纪的发展史了, 在这半个多世纪里, 仿真技术的发展从简单到复杂、 从理论到实践、 从辅助学科到解决重大工程问题的必要手段。 仿真技术在计算机技术、 网络技术、 图形图像技术、 多媒体技术、 软件工程、 信息处理技术、控制论、 系统工程等相关技术和理论的支持、 交叉、 融合下, 逐渐形成了一门交叉科学, 成为认识客观世界的一种重要的方法。 1 计算机仿真技术简介 计算机仿真是建立在控制理论、 相似理论、 信息处理技术和计算机技术等理论基础之上的, 以计算机和其他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,并借助专家经验知识统计数据和信息资料对实验结果进行分析和研究, 进而做出决策的一门综合性的试验性科学。 仿真实习技术是以仿真机为工具, 用实时运行的动态数学模型代替真实工厂进行教学实习的一门新技术。 仿真机是基于电子计算机、 网络或多媒体部件, 由人工建造的, 模拟工厂操作与控制或工业过程的设备, 同时也是动态数学模型实时运行的环境。 动态数学模型是仿真系统的核心, 是依据工业过程的数据源由人工建立的数学描述。这种数学描述能够产生与工业过程相似的行为数据。 动态数学模型一般由微分方程组成。 用于仿真实习的动态数学模型应当满足: 数值求解的实时性、 全量程随机可操作性、 逼真性和高度可靠性。 2 计算机仿真技术发展历程 2.1 国外计算机仿真技术发展历程 1946 年 2 月世界上第一台电子计算机 ENIAC 在美国诞生, 到四十年代末期首台模拟式电子计算机就被用于三自由度飞机系统的仿真。 五十年代末期到六十年代,由于宇航科技发展的迫切需要, 美国科研人员又创造了混合计算机系统, 这使得人们能对较复杂系统的行为进行仿真研究。 20 世纪 50 年代开始, 自动控制领域首先采用仿真技术; 60 年代, 在开展连 续系统仿真的同时, 开展对离散事件系统的仿真进行研究。 近 20 年来, 随着系统工程与科学的迅速发展, 仿真技术已经从传统的工程领域扩展到非工程领域, 在社会经济系统、 环境生态系统、 能源系统、 生物医学系统、 教育训练系统也得到了广泛的应用。 2.2 我国计算机仿真技术发展历程 从 70 年代开始, 我国训练仿真器迅速发展, 我国自行设计的飞行模拟器、 机车培训仿真、化工过程培训仿真器等相继研制成功, 并形成一定市场, 在操作人员培训中起到了很大作用。后来随着仿真技术水平的不断提高, 又建设了 一批水平高、 规模大的半实物仿真系统。 从90 年代我国又开始了对分布交互仿真、 虚拟现实等先进仿真技术的研究, 并取得了一定的成果。 这时期, 计算机仿真研究成果的典型代表是: 陈宗海、 戴路、 沈廉共同研究的一种化工过程计算机仿真培训系统开发平台。他们针对当时石油化工过程计算机仿真培训控制系统开发的特点及存在的问题, 借鉴智能工程技术, 在一组 486 微机上建立了一套新型的仿真开发平台, 全套系统用 C 语言编制, 通过多次应用知识库系统已初具规模, 在对苯二甲酸,对二甲苯工艺计算机培训系统的开发中全面应用, 使仿真培训系统的开发周期缩短了三分之二, 人工工作量减少了百分之七十。 3 计算机仿真的实际应用 计算机仿真技术广泛应用于国防、 工业及其他人类生产生活的各个方面, 如航空、 航天、兵器、 国防电子、 船舶、 电力、 石化等行业, 特别是应用于现代高科技装备的论证、 研制、生产、 使用和维护过程。 3.1 国防领域 计算机仿真技术的应用贯穿于武器装备设计论证、 研制、 生产和使用维护的全过程。 在设计论证阶段, 需要在实物实现之前通过仿真模拟进行预先验证, 降低项目风险; 在研制阶段, 要通过仿真模拟试验进行调试、 测试, 避免弯路, 缩短研制周期, 降低研制成本; 在生产阶段, 要通过仿真模拟测试完成部件测试、 工位测试和出厂测试, 以保障参与组装的设备或部件达标, 生产出合格装备; 在使用维护阶段, 需要通过仿真模拟训练, 建立保障预案、进行使用效能评估等。 计算机仿真技术对保障武器装备的成功研制, 降低研制风险、 缩短研制周期、 节约研制成本、 提高武器装备的使用效能等都发挥着极为重要的作用。 3.2 工业领域 由于工业领域中大量系统、 项目具有复杂性和大型化的特点, 出于安全性和经济性考虑, 计算机仿真技术广泛应用于包括能源、 电力、 化工、 航空、 航天、 船舶、 汽车等多个领域, 在各类大型复杂工程系统和项目建设之前的概念研究与系统的需求分析过程中, 发挥着越来越重要的作用。 在我国, 电力系统、 化工系统、 船舶等领域使用仿真技术比较早, 也形成了一定的市场规模,但目前投运的这类仿真系统大多属于模拟培训系统。 3.3 其他应用领域 计算机仿真技术的应用正不断向医学研究、 交通运输、 供应链与物流、 市场分析、 战略管理、 教育、 通讯、 社会、 经济、 娱乐等多个领域扩展。 4 计算机仿真应用的发展方向 随着计算机应用技术和网络技术的发展, 计算机仿真技术也在不断的发展之中。 如利用网络技术实现异地仿真、 应用虚拟现实技术进行的虚拟制造等。 4.1 网络化仿真 现在已经开发出来的仿真系统, 多数不能相互兼容, 可移植性差, 实现共享困难。 较之于开发的高成本和长时间, 实在物未尽其用。 解决这些问题, 第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统, 第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享。 尤其是后者, 在将来的仿真系统开发中有着重要地位。 实现仿真系统的网络共享, 既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源, 又可以通过适当收费以补偿部分开发成本。 4.2 虚拟制造技术 计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是 20 世纪 90 年代发展起来的一种先进制造技术。 它利用计算机仿真技术与虚拟现实技术,在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质。这使得制造技术不再主要依靠经验, 并可以实现对制造的全方位预测, 为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。 5 结论 与传统数学方法和物理实验方法相比, 计算机仿真技术具有自己独特的优越性, 面对复杂并且不宜用传统方法解决的问题, 人们可以利用计算机对实际系统物理模型或数字模型进行试验,通过这样模型实验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。 当在实际系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时, 仿真技术就成为必然选择。 因此, 计算机仿真技术必定因为它的独特魅力而不断被人们所认识和发展。 参考文献 【1】 赵午云 郭维强, 计算机仿真的发展方向[D]中国工程物理研究院, 2007; 【2】 梁波, 现代计算机仿真技术的研究与发展[J]武汉: 华中科技大学, 2006; 【3】 李云峰, 多媒体技术及其应用与研究[J ]1 湖南广播电视大学学报, 2000. 【4】 王子才, 关于仿真理论的探讨[J ]系统仿真学报, 2000. 【5】 李伯虎, 现代建模与仿真技术发展中的几个焦点[J]系统仿真学报, 2004.