計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及其應(yīng)用

蘇鵬 袁明

摘要：隨著系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域研究和分析的重要方法和手段。著重介紹計(jì)算機(jī)仿真理論及其發(fā)展和應(yīng)用，并對(duì)其伴隨著信息技術(shù)高速發(fā)展的前景進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和展望。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);系統(tǒng);步驟;仿真應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一門利用計(jì)算機(jī)軟件模擬實(shí)際環(huán)境進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。它具有經(jīng)濟(jì)、可靠、實(shí)用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為對(duì)許多復(fù)雜系統(tǒng)（工程的、非工程的）進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、評(píng)估的必不可少的手段。它是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)仿真研究的一門綜合技術(shù)。

1、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述

（一）計(jì)算機(jī)仿真的基本概念

系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)"統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而做出決策的一門綜合性的試驗(yàn)性科學(xué)。計(jì)算機(jī)仿真就是以計(jì)算機(jī)為工具，用仿真理論來(lái)研究對(duì)象系統(tǒng)的技術(shù)。

（二）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展

從歷史上看，計(jì)算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：1.模型試驗(yàn)。最原始的仿真思想，其模型試驗(yàn)是基于物理模型進(jìn)行的，缺乏柔性和精度。2.數(shù)字化仿真。采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，但是計(jì)算結(jié)果表達(dá)局限于記錄文件和圖表上，缺乏直觀形象。3.圖像化仿真。采用豐富的圖形圖像技術(shù)來(lái)表達(dá)仿真結(jié)果。4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。不光采用三維圖形技術(shù)表達(dá)計(jì)算結(jié)果，而且采用特殊裝置，使人有身臨其境的感覺(jué)。

（三）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可能會(huì)向如下幾個(gè)方面發(fā)展：1.分布式的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。這既是數(shù)據(jù)分布的需要，也是用分布式計(jì)算環(huán)境進(jìn)行并行計(jì)算并達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的手段。2.協(xié)同式的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。隨著高速主干網(wǎng)的使用，可以達(dá)到高速協(xié)同工作的目的，方便地達(dá)到應(yīng)用共享。3.沉浸式的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。使用沉浸式的顯示設(shè)備，更有利于用戶對(duì)數(shù)據(jù)獲得直觀的感受，有助于結(jié)果的分析。4.基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展會(huì)讓計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更快捷和普及。

（四）計(jì)算機(jī)仿真的步驟

一般計(jì)算機(jī)仿真的步驟為：1.建立數(shù)學(xué)模型。 建立數(shù)據(jù)模型主要是通過(guò)各種分析方法建立一個(gè)特定對(duì)象的有限邊界的數(shù)學(xué)模型。這里通常要考慮到特定對(duì)象的預(yù)定目標(biāo)和邊界、觀測(cè)數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)等因素。2.數(shù)據(jù)模型的程序化。它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即設(shè)計(jì)仿真算法及編制仿真程序。目前對(duì)于某些特定領(lǐng)域，已能提供面向?qū)ο?、可交互操作、具有自?dòng)編程能力和算法庫(kù)的軟件如CSSL、CSMP、ACSL、DYNAMO等。3.仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)仿真另一個(gè)十分重要的活動(dòng)，它主要是按照預(yù)先設(shè)置的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)運(yùn)行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果。

（五）計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵技術(shù)

目前，計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：1.面向?qū)ο蟮姆抡?。其主要是通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)歸屬為對(duì)象的操作及對(duì)象信息的彼此綜合利用來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)象間信息的傳送引起了系統(tǒng)的活動(dòng)。2.分布交互仿真。主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在各地的仿真設(shè)備互連，構(gòu)成時(shí)間與空間互相耦合的虛擬仿真環(huán)境。3.智能仿真。主要是以知識(shí)為核心和人類思維行為作背景的智能技術(shù)，引入整個(gè)建模與仿真過(guò)程，構(gòu)造各處基本知識(shí)的開發(fā)途徑。是人工智能與仿真技術(shù)的集成化。

2、仿真技術(shù)在電子應(yīng)用開發(fā)中的作用

（一）有助于虛擬測(cè)試電子產(chǎn)品電路的特性

仿真技術(shù)的發(fā)展可以與計(jì)算機(jī)的應(yīng)用有效結(jié)合，通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)模擬軟件的操作，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種電子產(chǎn)品在不同工作環(huán)境中的電路狀態(tài)，通過(guò)仿真技術(shù)下設(shè)備參數(shù)的修改進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，很容易就能得出相關(guān)電子電路在嚴(yán)苛條件下工作的參數(shù)結(jié)果，比如借助電子產(chǎn)品的仿真技術(shù)，再輔以計(jì)算機(jī)算法就能夠得出大電流、高壓、高溫環(huán)境中的電路運(yùn)行參數(shù)。比如在現(xiàn)實(shí)工作中想要實(shí)現(xiàn)電路的高壓環(huán)境就有非常大的困難，通過(guò)仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的預(yù)先實(shí)驗(yàn)，可以幫助設(shè)計(jì)者提前測(cè)試電子產(chǎn)品的電子電路性能與運(yùn)行，它可以成為電路設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)，同時(shí)最大程度的減少實(shí)驗(yàn)成本，充分提升企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的效益。

（二）可以加強(qiáng)對(duì)電子產(chǎn)品功能進(jìn)行有效驗(yàn)證

電子產(chǎn)品的電路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后，需要針對(duì)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的驗(yàn)證，通過(guò)電子產(chǎn)品的驗(yàn)證能夠很好的保障電子電路滿足技術(shù)要求，使相關(guān)電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)更為標(biāo)準(zhǔn)，合理的利用仿真技術(shù)對(duì)電子產(chǎn)品的功能驗(yàn)證，可以有效檢測(cè)出電子產(chǎn)品系統(tǒng)的誤差問(wèn)題，提升電子產(chǎn)品電路系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，仿真技術(shù)對(duì)于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的功能檢驗(yàn)有非常高效的作用，減少電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的誤差問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于電路的生產(chǎn)制造，仿真技術(shù)可以為電子產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)提供高效率的檢測(cè)手段，為電子產(chǎn)品的質(zhì)量提供很好的控制，為電子產(chǎn)品的后期維護(hù)提供更為便利的維修，縮短電子產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間以及提升企業(yè)的生產(chǎn)效益。

3、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域，包括聲學(xué)、航天、航海、農(nóng)業(yè)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)、氣象學(xué)、天文學(xué)和天文物理學(xué)、自動(dòng)裝置、動(dòng)力系統(tǒng)、軍事應(yīng)用、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生系統(tǒng)、化工、采礦、機(jī)械制造業(yè)、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)量學(xué)等?？梢源篌w將其概括為三大部分，即系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、系統(tǒng)理論研究、專職人員培訓(xùn)三個(gè)方面。

（一）在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真在系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：1.對(duì)尚未建立起來(lái)的系統(tǒng)進(jìn)行方案論證及可行性分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。2.在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化及驗(yàn)證，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.在系統(tǒng)建成之后，可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，尋求改進(jìn)系統(tǒng)的最佳途徑，找出最優(yōu)的控制策略。

（二）在系統(tǒng)理論研究中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為系統(tǒng)理論研究提供了一個(gè)十分有利的工具，它不僅可以驗(yàn)證理論本身的正確與否，而且還可以進(jìn)一步暴露系統(tǒng)理論在實(shí)際應(yīng)用中的矛盾與不足，為理論研究提供新的研究方向。目前，在最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和大系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)控制等理論問(wèn)題的研究中都應(yīng)用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

（三）在專職人員訓(xùn)練與教育方面的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真在訓(xùn)練和教育領(lǐng)域中，達(dá)到了提高效率、節(jié)約能源及保證安全等積極的效果。例如軍事領(lǐng)域中的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)、作戰(zhàn)訓(xùn)練等;航天領(lǐng)域中火箭發(fā)射、航天員訓(xùn)練等仿真實(shí)驗(yàn);通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真和教學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真的仿真教學(xué)等。

4、總結(jié)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是研究分析體統(tǒng)的重要的方法和工具，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它必定會(huì)得到突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，因?yàn)椋?.計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與通信科學(xué)技術(shù)緊密融合、相互滲透，大大加速人類社會(huì)信息化進(jìn)程。在這種大的背景下，作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用一個(gè)重要分支的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必將得到快速的發(fā)展。2.新型元器件的發(fā)展，體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，大大提高了計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的性能價(jià)格比，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展。3.新技術(shù)將大大提高計(jì)算機(jī)仿真軟件的功能與性能，解決計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)開發(fā)中的軟件瓶頸問(wèn)題。4.在全球經(jīng)濟(jì)一體化的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必將達(dá)到產(chǎn)業(yè)化，從而更大地促進(jìn)其發(fā)展。因此，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一塊絢麗奪目的新天地。

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