仿真技术

一种信息处理技术

仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的仿真模型技术。仿真技术在20世纪初已有了初步应用。如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。20世纪40—50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。20世纪60年代计算机技术的突飞猛进提供了先进的仿真工具，加速了仿真技术的发展。

简介

信息处理技术和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网络技术相结合，由真实装备和计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联系在一起，让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同研究，及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。美国陆军到 80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。野战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局1983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。仿真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。

仿真工具

主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。

仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。

仿真方法

主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法（见仿真方法）。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法，这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法，但在进行系统仿真时，常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。

应用和效益

仿真技术得以发展的主要原因，是它所带来的巨大社会经济效益。50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。

发展方向

在仿真硬件方面，从60年代起采用数字计算机逐渐多于模拟计算机。混合计算机系统在70年代一度停滞不前，80年代以来又有发展的趋势，由于小型机和微处理机的发展，以及采用流水线原理和并行运算等措施，数字仿真运算速度的提高有了新的突破。例如利用超小型机 VAX 11-785和外围处理器AD-10联合工作可对大型复杂的飞行系统进行实时仿真。在仿真软件方面，除进一步发展交互式仿真语言和功能更强的仿真软件系统外，另一个重要的趋势是将仿真技术和人工智能结合起来，产生具有专家系统功能的仿真软件。仿真模型、实验系统的规模和复杂程度都在不断地增长，对它们的有效性和置信度的研究将变得十分重要。同时建立适用的基准对系统进行评估的工作也日益受到重视。

仿真软件介绍

SimuWorks®是为大型科学计算、复杂系统动态特性建模研究、过程仿真培训、系统优化设计与调试、故障诊断与专家系统等，提供通用的、一体化的、全过程支撑的，基于微机环境的开发与运行支撑平台。软件采用了动态内存机器码生成技术、分布式实时数据库技术和面向对象的图形化建模方法，在仿真领域处于国内领先水平。它主要用于能源、电力、化工、航空航天、国防军事、经济等研究领域，既可用于科研院所的科学研究，也可用于实际工程项目。

一、 SimuWorks® 的组成

SimuWorks平台产品主要包括

1、仿真支撑平台SimuEngine（早期版本为Vcs3、SE2000）

2、图形化建模工具SimuBuilder（早期版本THAms、FigAms）、包括模块资源管理器SimuManager

3、模块资源库SimuLib（包括：控制，电气，热力，流网，电网）

4、嵌入式实时操作系统仿真平台SimuERT

5、仿真实时图形系统SimuMMI

二、SimuWorks®的主要特点

1、使用动态内存机器码生成技术，结合分布式实时数据库，为微机环境下分布式计算和复杂系统实时仿真，提供了高效的底层支撑平台；

2、采用面向对象的图形化建模方法，为不同领域仿真科学研究与工程实践，提供了通用的模型开发环境。

3、 SimuWorks将系统仿真所需要的各种功能进行了整合，形成了从开发、调试、验证、到运行、分析等全过程的整套流水线，创立了“系统仿真流水线开发工厂”的新理念，大大提高了仿真工程项目的开发效率；

4、大型实时仿真系统中，普通的商业数据库达不到实时性要求，SimuWorks中的SimuEngine仿真引擎提供了一个高速的网络实时数据库，可以实现多个模型的分布式计算、动态数据显示与在线数据修改，可以满足大型实时仿真系统的开发和运行的需要。