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1、现代计算机仿真技术的研究与发展摘 要:讨论了基于模型活动的仿真概念,现代仿真方法学所涉及的系统建模方法、仿真建模方法和仿真实验,仿真建模中的常用算法和有关问题,仿真可信度概念及其研究内容。文章最后探讨了现代仿真技术的研究热点:面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。关键词:计算机;系统;建模;仿真计算机仿真(ComputrSimulation)(或称系统仿真—Systemsimulation)[1—2]作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法,随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技
2、术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来,随着信息处理技术的突飞猛进,使仿真技术得到迅速发展。本文根据作者的研究体会,试图从仿真的含义入手,讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等,为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。1 仿真方法学研究“仿真是一种基于模型的活动”[3],它涉及多学科、多领域的知识和经验。成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动[4]。这里的“各类活动”,就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”,而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中:系统是研究的对
3、象,模型是系统的抽象,仿真是通过对模型的实验来达到研究的目的。要素与活动的关系如图1所示。图1 仿真的三要素和三项基本活动传统上,“系统建模”这一活动属于系统辩识技术范畴,仿真技术则侧重“仿真建模”,即针对不同形式的系统模型研究其求解算法,使其在计算机上得以实现。至于“仿真实验”这一活动,通常只注重其“仿真程序”的检验(verification),至于如何将仿真实验结果与实际系统的行为进行比较这一根本性问题(validation)缺乏从方法学的高度进行研究。现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面,并将其统一到同环境中[5]。Oren[3]将上述思
4、想加以总结,提出了现代仿真方法的概念框架,如图2所示。图2 现代仿真的概念示意图比较图1,概念框架图中的“仿真问题描述”对应于“仿真建模”;“行为产生”对应于“仿真实验”,只是将仿真输出独立于行为产生;“模型行为及其处理”相应于输出处理。现代仿真技术的重要进展主要体现在:(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,系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等;在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。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
5、库的结构化建模方法:面向对象建模方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。(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(datadriven)。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。(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
6、可重用性(Reusability)、面向对象方法(ob2jectoriented)和应用集成(ApplicationIntesration)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。2 仿真算法研究仿真算法研究是计算机仿真中的重要内容。仿真算法主要研究:算法的收敛性和数值的稳定性、算法精度、算法速度、实时性等。目前,这些方面研究较为成熟的常用算法有:(1)基于微分方程的数值解的数值积分法。如RungeKutta法、AdameBashforth显示式法、AdameMoutton隐式公式法、Hamming积分法和Adama
7、预测—校正公式法,等等。这类算法中影响积分精度的主要因素是积分方法和计算步长。(2)基于状态方程的(如离散相似法)求解算法,可归结于求矩阵指数eAT。求矩阵指数的算法很多,较多使用的是级数展开法。如泰勒级数[6]展开法、派德(Pade)逼近法等。不过,对于线__性病态系统的仿真[7],为了确保算法的有效性(即可靠性),通常不直接使用这两种算法,而是先进行一些特殊处理。例如,目前最常采用的缩方与乘方[8]、蛙跳[9]算法等。(3)非线性病态系统的仿真算法。在非线性病态仿真中涉及稳定域的稳定、病态性的判别和切换,目前常用的算法有吉尔(Gear)[10]法、特雷尔(Tr
8、eanor
