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计算机仿真技术 The computer simulation technology Abstract:With the development of information processing technology and network technology,simulation technology has not only limited to the performance test product or system integration after production,but also can be applied to the whole process of product models developed,including demonstration program,tactical and technical indicators feasibility studies,design analysis,manufacturing,testing,maintenance,training and so on various stages.System simulation technology is also knowned as system simulation technology,computer simulation of so-called electronic communications system,it is used of computer systems for real electronic communications or digital models of physical model tests.To analyze and study the performance of such a model experiment and working conditions of a real system.When tested in the actual study of electronic communication systems is difficult or impossible to achieve,simulation technology has become an inevitable choice。Keyword：message，network，simulation，communication，research 计算机仿真技术 摘要：随着信息处理技术和网络技术的发展，仿真技术的应用已不仅仅限于产品或系统生产集 成后的性能测试试验，更可应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。系统仿真技术也称为系统模拟技术,所谓 电子通信系统的计算机仿真,就是利用计算机对实际电子通信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.当在实际电子通信 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。关键字：信息，网络，仿真，通信，研究 1、什么是计算机仿真技术：仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的 或 设想的系统进行动态试验，其可以再现系统的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是 否合理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。1 它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点,已经成为对许多复杂系 统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论 为基础,以计算机和各种物理设施为设备工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试 验仿真研究的一门综合技术。在计算机问世以前，基于物理模型的实验一般称为“模拟”，它一 般附属于其他相关学科。自从计算机特别是数字计算机出现以后，其高速计算能力和巨大的存 储能力使得复杂的数值计算成为可能，计算机仿真技术得到了蓬勃的发展，从而使计算机仿真 成为一门重要的学科。随着仿真应用的日益扩展，计算机仿真的外延也在延伸。如现代的各种 仿真训练器：飞行器，船舶、轮机仿真训练器等，尽管在景观、声响、操纵和监控系统等方面 大量地采用物理仿真，但其核心部分仍然是对系统及其各组成元件的实时计算机数学仿真。广 义地这些仿真也纳入了计算机仿真的范围。2、现代仿真技术 现代仿真技术的重要进展主要体现在 2.1 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 辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等 统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用,系统辩识技术得到飞速发展。在;在技术手段上有系统辩识设计、系 2。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 统生产集成后的性能测试试验更可应用于产品型号研制的全过程包括方案论证战术技术指标论证设计分析生产制造试验维护训练等各个阶段系统仿真技术也称为系统模拟技术所谓电子通信系统的计算机仿真就是利用计算机对实际电当在实际电子通信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关键字信息网络仿真通信研究么是计算机仿真技术仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的是一门多学科的综合性技术它以控制论系可以再现系统的状态动态行为及性能特征用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求预测系统可能存在的缺陷为系统设计提供决策支持和科学依据它具有经济可靠实用安全灵活可多次重复使用的优点已经成为对许多复杂系统工程2.2 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。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。2.3 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、面向对象方法和应用集成等新技术的应用,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。3、国外及国内仿真技术的竞争格局及市场化程度 计算机仿真行业是一个全球竞争的行业。目前以美国为首的欧美发达国家厂商凭借先发优 势和成熟仿真产品，在全球范围内的计算机仿真主要市场占据领先地位。3.1 在机电仿真测试领域 由于工业环境便于将经验成果快速复制推广，容易获得本公司的较好的商业利益，相关企 业较多，竞争也比较激烈，有代表性的公司包括美国国家仪器公司 NI、德国dSPACE公司3。其中：NI 公司是计算机化虚拟仪器的主要倡导者和推动者，是目前全球最大的虚拟仪器供应商。德国dSPACE公司传统又是领域集中在汽车/车辆控制仿真领域，全球七大汽车集团有五大集团 是其主要用户，是汽车控制仿真市场的龙头企业 3.2 在射频仿真测试领域 部分成熟领域的产业规模较大，已形成模糊化、标准化的仿真测试产品竞争较为激烈，而 利润较丰厚，技术含量较高的高端仿真模本公司拟和仿真测试产品领域垄断程度较高，大部分 市场份额被少数规模较大的主页制本公司制造商占领，主要有国际仪器业巨头美国安捷伦科技 有限公司(Agilent)，专业领域厂商有阿法克斯(AreoFlex)、英国思博伦公司(Spirent)等。3.3 在仿真模拟训练领域 具有代表性的公司有 CAE公司、Rockwell Colli ns 公司、Cubic公司等三大巨头，他们的 产品和服务包括民用飞行器、机车、军用的海、陆、空战斗系统以及联合作战模拟系统等，作 为系统集成商和核心软硬件综合性本公司制造商，上述三家公司在国际仿真模拟训练市场处于 垄断地位。另外 VTSystem MAK METAVR PRESAGlS乍为软件生成商占据虚拟仿真工具软件主要 份额；视本公司和巴克(Christie、Barco)公司作为硬件生产商占据虚拟现实子系统的主要市 场 国内对计算机仿真技术的研究较有代表性的主要有：著名计算机仿真专家-李伯虎认为：“近年来，以高性能计算为基础的并行仿真技术已经越来越为人们所重视，如何设计一种全新 的建模仿真软件，它可以结合分布式仿真、并行仿真和单机集中式仿真的优点，适应各种类型 的仿真成为我们孜孜以求的目标。”4 王炜认为：“计算机仿真技术在人们不断深化认识自然界 客观规律的历程中一直扮演着非常重要的角色。如今，已在军事与民用领域的装备研制、系统 论证、训练与维护等方面成为不可缺少的关键技术，并成为信息科技发展的强大推动力之一。今天，仿真技术不仅仅局限于单个设备或系统的模拟，体系与体系对抗的仿真已成为仿真技术 研究的热点之一，并由此产生了一批新的仿真技术，应用这些仿真技术可以解决人类在认识自 然界的客观规律过程中遇到的许多难题。”5 国外学者对计算机仿真技术的研究的主要代表有：Javidi 认为：“许多研究表明，计算机仿真程序是实验室可行的替代动手练习，而且其效果远远 超乎我们的想象。”6 Jim Ledin 仿真定义为“仿真就是采用模型来再现真实情况，是加速产 品开发周期并在最终系统中提高产品质量的重要手段。”7Law 认为：“仿真是在不断的人类不 断地推导和计算过程中得出的最符合实际要求的解析解。”8 美国北卡奴利那州立大学计算机 仿真专家 James Wilson 提出他的观点：仿真在稳定运行需要环境，不同的环境对应不同的仿 真系统，所以是一种多层次的前向“神经网络”，和其它类型的网络相比,它具有结构简单,全 局逼近能力强,训练方法快速易行的优点,在系统辨识及函数逼近等领域有相当强的等效优势。统生产集成后的性能测试试验更可应用于产品型号研制的全过程包括方案论证战术技术指标论证设计分析生产制造试验维护训练等各个阶段系统仿真技术也称为系统模拟技术所谓电子通信系统的计算机仿真就是利用计算机对实际电当在实际电子通信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关键字信息网络仿真通信研究么是计算机仿真技术仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的是一门多学科的综合性技术它以控制论系可以再现系统的状态动态行为及性能特征用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求预测系统可能存在的缺陷为系统设计提供决策支持和科学依据它具有经济可靠实用安全灵活可多次重复使用的优点已经成为对许多复杂系统工程4、计算机仿真技术的应用 计算机仿真技术的应用范围涵盖社会的诸多方面，并为不同行业的发展均起到了不同程度 的推动作用，为不同行业的发展注入了新的动力。9 其应用领域主要包括以下几个方面：4.1 计算机仿真在教育领域的应用 计算机模拟实验又称计算机仿真实验或计算机虚拟实验，是近几年在计算机多媒体教学中 开辟的新领域。它通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一 体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书和根据需要在瞬间建立的模拟实验室。近几年 来，学校越来越重视学生的时间操作能力，计算机模拟实验则成为学生学习与考核的重要手段。计算机模拟实验的产生打破了教师与学生、理论与实践的限制，他尤为突出教学过程中的实验 设计思想和实验思路，更突出学生学习的主动性。学生利用计算机模拟实验，可以提升学生对 学习兴趣，对教学内容、试验方法、教学设备的结构和原理进行深入理解，进而锻炼时间操作 技能。4.2 计算机仿真技术在交通运输领域的应用 交通是由人、车、路和环境构成的一个复杂人机系统，事故的诱发因素是多方面因素的综 合。交通安全的评价，应该充分考虑人、车、路和环境诸方面因素的作用和影响。本交通安全 仿真是基于虚拟现实技术的方法。该评价体系是通过建立虚拟环境，并在这个虚拟环境中设计 各种事故诱发因素，并对某区域和某路段的交通安全水平进行全过程（设计后，施工中，运营后）的跟踪和评价。计算机仿真是交通安全仿真系统的中心组成部分。该仿真系统与一般意义的数据仿真有着 很大的不同。对某区域的交通安全评估上，交通安全仿真系统不仅仅使用绝对数法和事故率法 来评估，它还蒋该区域人们的交通一世与行为因素也整合其中。10 在模拟的交通路段中，可 以选择任意交通工具，设计任意的路段环境，以旁观者的视角来进行交通事故实验与分析，进 而对交通路段做出相对准确的安全评估，为交通事故评估提供了一种可靠的方法。4.3 计算机仿真技术在制造领域的应用 计算机仿真技术介入汽车制造业，可以有效缓解许多难度高，投资成本大的相关问题。例 如计算机仿真的多缸柴油机发动机，其仿真数据与发动机实际数据高度重合，应用与多功能发 动机的模拟。在汽车流场方面，计算机仿真技术可以成功的模拟出气流分离的状态，构建了空 气动力学的汽车模型。在汽车碰撞方面，计算机仿真技术可依据实际的汽车碰撞事故状况与人 员损伤之间的数据，构建汽车碰撞的。5、计算机仿真技术发展方向 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。5.1 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。11 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。5.2 虚拟制造技术统生产集成后的性能测试试验更可应用于产品型号研制的全过程包括方案论证战术技术指标论证设计分析生产制造试验维护训练等各个阶段系统仿真技术也称为系统模拟技术所谓电子通信系统的计算机仿真就是利用计算机对实际电当在实际电子通信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关键字信息网络仿真通信研究么是计算机仿真技术仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的是一门多学科的综合性技术它以控制论系可以再现系统的状态动态行为及性能特征用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求预测系统可能存在的缺陷为系统设计提供决策支持和科学依据它具有经济可靠实用安全灵活可多次重复使用的优点已经成为对许多复杂系统工程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。12 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。6、小结 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 应用毎求的牵引下，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。叵顾计算机仿真技术的革新历程，就是在不断涌现出新的实际应用需要的带动下，整合数 据模型与其他相关学科而不断完善的。当前，计算机仿真技术无论在技术创新还是在产品制造 亦或市场分析中，都显示出极大的优势。随着系统数据建模的日新月异，计算机仿真技术近年 来的研究及其应用都取得了显著的成效。在未来的几十年内，计算机仿真技术还会逐步渗透到 军事、经济建设等领域，并将发挥举足轻重的作用！7.参考文献 1 陆运华 电学仿真软件的现状与发展电子测试，2007:4-8 2 杨磊基于支持向量机模型的系统辩识与分类预测方法研究，同济大学，2010 3 戴成建，董世良，蔡迎峰，郑伟，姜楠，一种机电非总线、总线信号的仿 真激励与综合测试方法CN,2013 4 李伯虎，卿杜政，孙磊等.基于组件的一体化建模仿真环境(CISE)研究J 系统仿真学报，200&(04)5 王炜等虚拟仿真系统导论M长沙：国防科技大学出版社，2007:1-17 6 Javidi,Giti;Sheybani,Ehsan Content-based computer simulation of a networking course:An assessment.Journal of Computers.2008.3(3)：64-72 杜,2003：1-40 L。Law A MKelton W D.Simulation modeling and analysis|M|.McGraw Hill,Inc,1991:6-40 9 高云红计算机仿真技术及其应用，软件，2013:111-111 10 马云龙，王坚一种快速路交通流再现的方法CN,2013 11 谭歆机载雷达综合显示系统仿真实现 西北工业大学，2006 7Ledin Jim仿真工程北京:机械工业出版 统生产集成后的性能测试试验更可应用于产品型号研制的全过程包括方案论证战术技术指标论证设计分析生产制造试验维护训练等各个阶段系统仿真技术也称为系统模拟技术所谓电子通信系统的计算机仿真就是利用计算机对实际电当在实际电子通信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关键字信息网络仿真通信研究么是计算机仿真技术仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的是一门多学科的综合性技术它以控制论系可以再现系统的状态动态行为及性能特征用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求预测系统可能存在的缺陷为系统设计提供决策支持和科学依据它具有经济可靠实用安全灵活可多次重复使用的优点已经成为对许多复杂系统工程12 孙宇关于在我国发展虚拟制造技术的若干思考中南大学，2005 统生产集成后的性能测试试验更可应用于产品型号研制的全过程包括方案论证战术技术指标论证设计分析生产制造试验维护训练等各个阶段系统仿真技术也称为系统模拟技术所谓电子通信系统的计算机仿真就是利用计算机对实际电当在实际电子通信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关键字信息网络仿真通信研究么是计算机仿真技术仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的是一门多学科的综合性技术它以控制论系可以再现系统的状态动态行为及性能特征用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求预测系统可能存在的缺陷为系统设计提供决策支持和科学依据它具有经济可靠实用安全灵活可多次重复使用的优点已经成为对许多复杂系统工程