仿真的发展趋势

现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程和计算机技术的发展密切相关的。控制工程是仿真技术较早应用的领域之一,控制工程技术的发展为现代仿真技术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统建模与仿真的理论体系,同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的研究和预测。

计算机仿真技术不论是在理论上还是在实践中都已经取得了丰硕的成果,积累了大量的系统仿真模型和行之有效的仿真算法。但仿真技术目前仍然存在一些缺陷,例如建模方法尚不完善,研究同一个系统的同一个问题可以建立出不相同的模型,而且有些社会经济系统中的问题尚无法建立准确的模型进行求解。同时,决策者必须通过建模者和仿真实验人员才能介入到对系统的仿真分析中。随着建模与仿真的理论和方法的研究不断深入,以及作为其支撑技术之一的计算机技术的不断发展和进步,计算机仿真技术在应用过程中出现的问题将逐步得到解决。进入21世纪后,计算机技术的各个方面都取得了异乎寻常的进展。微处理器性能的增长使得利用微型计算机和工作站进行复杂系统的仿真分析成为可能,当然像中长期天气预报这样模型复杂、数据繁多、实时性要求高的问题的计算仍离不开巨型计算机。在软件设计中广泛采用了面向对象的思想和方法,再加上计算机图形技术的进步,仿真过程中的人机交互越来越方便直观。总之,计算机仿真技术正朝着一体化建模与仿真环境的方向稳步发展。

1.建模方法学(Modeling Methodology)

在早期的仿真技术中,重点是如何利用数学模型求解问题,侧重于研究建模过程中数学模型的结构特征以及操作数学模型所利用的数学工具和手段。如今计算机的功能已经有了很大的提高,仿真技术的研究领域有了拓展。从建模方法学角度讲,除了继续研究如何利用抽象的数学模型描述系统外,还要研究能够充分利用计算机功能的新的建模方法。例如目前研究较多的面向对象的建模方法和图形建模技术都是利用计算机的软件技术设法提供一种直观可视化的建模环境,使复杂的建模过程得到简化。

2.面向对象仿真(Object-Oriented Simulation)

面向对象的思想就是使所分析和研究系统的建模方式与对客观世界的认识过程尽可能一致。在面向对象的仿真中,系统被看成是由对象组成的,对象是一个独立的实体,对象的属性和属性的变化规律即对对象的操作完全封装在对象内部,外部的作用必须通过对象的操作接口来实现。面向对象的仿真系统的运行是通过对象之间互相发送消息来执行的。面向对象的仿真在理论上突破了传统仿真方法观念,使建模过程接近人的自然思维方式,所建立的模型具有内在的可扩充性和可重用性,有利于可视化建模仿真环境的建立,从而为大型复杂系统的仿真分析提供了方便的手段。例如,德国开发的SIMPLE++面向对象仿真系统软件就是一个例子。

3.分布交互仿真(Distributed Interactive Simulation)

分布交互仿真是通过电子手段把分散在不同地点的软硬件设备及有关人员联系起来,在人工合成的电子环境中交互地进行仿真试验的一种综合的仿真环境。分布交互仿真的分布性和交互性特点可使处在不同地理位置的各个部门利用网络连接起来,实现资源共享,达到节省人力、物力、财力的目的。它不仅适用于局域网内不同节点上的分布式仿真,而且适用于异地远程网络上的仿真。分布交互仿真可以综合集体的优势研讨新的武器系统在科学性、可行性、成熟性、经济效益、军事效能等方面的问题,并通过仿真实验来评价其性能,制定作战规程和战术原则,辅助和评价决策等。分布交互仿真环境可用于系统规划、论证、研制、生产、试验、使用训练等诸多过程,是一种经济、安全、可靠的有效工具。分布交互仿真所表现出的优越性及其潜在的效益已引起广泛的重视,并已成为计算机仿真技术的一个重要的发展方向。

4.人工智能(Artificial Intelligence)与计算机仿真

近年来,人工智能在知识获取、知识表示、问题解答、定理证明、程序自动设计、自然语言理解、计算机视觉、机器人学、机器学习和专家系统等方面,取得了令人鼓舞的成果和进展。人工智能技术在仿真中的应用已经引起仿真领域的普遍关注。人工智能与计算机仿真在学科上的交叉主要涉及以下几个方面:

①知识库用于建模与仿真,包括利用知识库和专家系统为仿真模型的建立和综合提供咨询服务,以及专家系统用于仿真结果的检验和可信度分析。

②仿真技术与人工智能技术的结合,包括人工智能技术用于大系统特别是决策系统的计算机仿真,以及利用仿真技术评估一个知识库系统,实现所谓的智能化仿真。

③仿真模型中知识的表达,需要解决的问题包括模型结构表达式的灵活性,程序设计扩展的能力,面向批处理的建模,以及作用在系统上的外部影响关系的表达等。

5.虚拟现实(Virtual Reality)仿真

虚拟现实是在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种学科的基础上发展起来的,是20世纪90年代计算机领域的最新技术之一。虚拟现实技术以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形世界,并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备,提供用户一个观察并与虚拟世界交互的多维用户界面,提供听觉、触觉、嗅觉和味觉等逼真感受,建立人与系统的实时交互与控制,使操作者、管理决策者近似身临其境地观察到和感受到被仿真系统运行中的动态变化,并产生沉浸感。而沉浸感、多维交互、实时三维图像是虚拟现实系统的三个基本特性。

虚拟现实技术采用当前计算机及相关领域发展的最新技术,描述事物内部及其相互之间真实的作用与变化,使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中,从而不仅拉近了用户与计算机之间的距离,改变了人机交流方式,更重要的是使用户可以进入虚拟世界内部直接观察或感受事物内在的变化,并可以直接参与到事物的相互作用之中去,对系统进行控制和作出决策,成为虚拟世界中的一部分。虚拟现实系统与现有的计算机环境相比,有着不可比拟的优越性,在仿真中具有十分广阔的应用前景。

6.Internet网上仿真

1995年以来,由于Internet的迅速崛起,利用面向对象的互联网程序语言Java,已经开发了多种面向WWW(World Wide Web)的仿真系统,如美国海军研究院的Simkit可以在浏览器(WebBrowser)的支持下进行分布式仿真,用Simkit建立的仿真模型可以在世界任何地点的网络用户机上运行,使分布在各网点的用户仿真模型可在其他网点上运行或进行全球范围内总体仿真模型的分布式仿真运行。近年来,利用面向WWW的程序语言开发离散事件仿真系统、基于WWW的仿真建模以及互联网上的仿真运行已成为系统仿真中研究工作的热点。