1.2 仿真的類型

“模型”一詞會(huì)使人聯(lián)想起不同的概念。人們可能會(huì)聯(lián)想起一個(gè)飛機(jī)、汽車或艦船模型，這些模型一般由不同的部件裝配起來，并可能噴涂不同的顏色；有些人可能會(huì)記起電影中軍事演習(xí)或作戰(zhàn)計(jì)劃分析使用的地形沙盤；甚至有人可能聯(lián)想起時(shí)裝表演中的模特。在仿真中存在許多關(guān)于模型的不同描述和定義。美國(guó)國(guó)防部DoD 5000.59指令中在建模與仿真管理部分將模型定義為：一個(gè)模型是一個(gè)系統(tǒng)、現(xiàn)象或過程的物理、數(shù)學(xué)或邏輯的表示。而仿真是：模型隨時(shí)間運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)方法；采用真實(shí)系統(tǒng)或由模型再現(xiàn)的概念系統(tǒng)支持測(cè)試、分析或訓(xùn)練的技術(shù)。仿真的基本特點(diǎn)是：要有一個(gè)對(duì)象系統(tǒng)，要有一個(gè)或一組模型，要在模型上做試驗(yàn)以獲取所需的數(shù)據(jù)結(jié)果。由此可見，系統(tǒng)、模型、試驗(yàn)是仿真研究的基本要素，任何包含系統(tǒng)、模型和試驗(yàn)的科學(xué)活動(dòng)，都可稱之為仿真。系統(tǒng)是仿真的對(duì)象和問題的本源，試驗(yàn)是解決問題、達(dá)到研究目的的手段，而模型則是連接系統(tǒng)和試驗(yàn)（問題和手段）的橋梁。一般仿真類型可以根據(jù)仿真研究的基本要素進(jìn)行分類。任何仿真都必須達(dá)到一定的研究目的，所以可以將仿真的定義補(bǔ)充為：根據(jù)研究目的，建立系統(tǒng)模型，并在模型上進(jìn)行試驗(yàn)，從而更深入地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的過程。

根據(jù)仿真所用模型的性質(zhì)，可以將仿真分為物理仿真（Physical Model）、數(shù)學(xué)仿真（Mathematical Model）和數(shù)學(xué)-物理混合仿真。物理仿真形象、直觀、逼真，但仿真的代價(jià)較大；數(shù)學(xué)仿真的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便、靈活；數(shù)學(xué)-物理混合仿真將數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)的部分實(shí)物混合使用，也稱為半實(shí)物仿真或硬件在回路仿真。類似地，也可以將用于控制、制導(dǎo)、導(dǎo)航等用途的計(jì)算機(jī)軟件接入數(shù)學(xué)仿真回路，以測(cè)試這些軟件在系統(tǒng)環(huán)境中的正確性，這就是軟件在回路仿真。如果將駕駛員、飛行員、航天員或者其他裝置的操作人員接入仿真回路進(jìn)行操縱試驗(yàn)或訓(xùn)練，就形成人在回路仿真。將實(shí)物、軟件或人員接入仿真回路后，一般會(huì)對(duì)仿真提出實(shí)時(shí)性要求。

根據(jù)仿真所用計(jì)算機(jī)的性質(zhì)，可以將仿真分為模擬仿真（Analog Simulation）、數(shù)字仿真（Digital Simulation）和模擬-數(shù)字混合仿真。模擬仿真基于數(shù)學(xué)相似原理，仿真的工具是模擬計(jì)算機(jī)；模擬仿真的特點(diǎn)是直觀、運(yùn)算速度快，但精度較差。數(shù)字仿真基于數(shù)值計(jì)算原理，仿真的工具是數(shù)字計(jì)算機(jī)和軟件；數(shù)字仿真自動(dòng)化程度高，具有復(fù)雜邏輯判斷能力，而且結(jié)果的精度相對(duì)較高。模擬-數(shù)字混合仿真將模擬仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合，仿真的工具是混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種混合仿真兼?zhèn)淠M仿真和數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)，可以快速地進(jìn)行多次仿真研究，因此特別適用于參數(shù)尋優(yōu)、統(tǒng)計(jì)分析等方面的應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真方面體現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。

根據(jù)被仿真系統(tǒng)的性質(zhì)，可以將仿真分為連續(xù)系統(tǒng)仿真（Continuous System）、離散事件系統(tǒng)仿真（Discrete Event System）、連續(xù)與離散事件混合系統(tǒng)仿真。很多工程系統(tǒng)以連續(xù)系統(tǒng)為主要特征，其模型主要用描述物理、化學(xué)、生物等方面變化規(guī)律的數(shù)學(xué)關(guān)系來表達(dá)。反之，很多非工程系統(tǒng)以離散事件系統(tǒng)為主要特征，其模型主要用描述實(shí)體、事件、行為及其邏輯和時(shí)序關(guān)系的流程圖及必要的數(shù)學(xué)公式和形式化描述規(guī)范來表達(dá)。需要指出的是，大量的系統(tǒng)以連續(xù)與離散事件混合的形式存在，其仿真方法是上述兩種方法的有機(jī)結(jié)合，并且可以建立統(tǒng)一的描述規(guī)范。1992年，美國(guó)國(guó)防科學(xué)委員會(huì)根據(jù)仿真試驗(yàn)特點(diǎn)定義了如表1.1所示的模型和仿真的類型。

表1.1 模型和仿真的類型

其中模擬仿真系統(tǒng)包含各類計(jì)算機(jī)仿真模型、與作戰(zhàn)有關(guān)的各種模型及各種仿真分析工具。武器裝備論證、研究和作戰(zhàn)運(yùn)用中需要使用不同層次的、大量的模擬仿真模型，下至描述武器裝備或其部件功能的單元工程模型，上至描述大型戰(zhàn)役的集成模型。低層次的模擬仿真可以用于詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)和費(fèi)用估算，以及系統(tǒng)和子系統(tǒng)的性能計(jì)算。高層次的模擬仿真可用于獲取作戰(zhàn)信息，分析、評(píng)估作戰(zhàn)任務(wù)需求或后勤保障需求。模擬仿真可以在與人交互的情況下運(yùn)行，也可以不與人交互。在前一種情況下，仿真常以作戰(zhàn)模擬的形式出現(xiàn)，可用于軍事人員訓(xùn)練或戰(zhàn)術(shù)、條令研究。在后一種情況下，仿真常以性能/效能仿真的形式出現(xiàn)，可用于計(jì)算具有一定統(tǒng)計(jì)置信度的評(píng)估結(jié)果。

虛擬仿真通常是指在虛擬環(huán)境中進(jìn)行的人在回路仿真。典型的人在回路仿真系統(tǒng)有三維虛擬仿真器、聯(lián)網(wǎng)仿真器系統(tǒng)等。在虛擬仿真中，被仿真系統(tǒng)可以包括硬件，但其運(yùn)行要受計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的驅(qū)動(dòng)。例如，在武器系統(tǒng)訓(xùn)練模擬器中可以包含一個(gè)近乎真實(shí)的操作室，里面放置各種修正裝置、顯示設(shè)備和操作儀表盤。計(jì)算機(jī)生成的合成虛擬環(huán)境顯示在操作人員前面的屏幕上，并反映在顯示設(shè)備和操作儀表盤上。武器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)受動(dòng)力學(xué)仿真模型的驅(qū)動(dòng)，仿真過程中發(fā)出的各種聲響直接錄自實(shí)際聲源。在虛擬仿真環(huán)境中，操作人員看到的、感受到的和所做的與實(shí)際情況一樣，從而產(chǎn)生一種沉浸感。在進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)、試驗(yàn)或演練之前，人在回路中的仿真可以為軍事人員提供一個(gè)訓(xùn)練平臺(tái)。將多種武器系統(tǒng)模擬器互連，可以檢驗(yàn)多武器平臺(tái)之間的互聯(lián)能力，支持戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)條令研究。虛擬仿真也為研制過程中武器系統(tǒng)硬件和軟件的評(píng)估提供了強(qiáng)有力的支持。

實(shí)擬仿真是由實(shí)際的戰(zhàn)斗人員操作使用實(shí)際的武器裝備，在接近實(shí)際的作戰(zhàn)環(huán)境中進(jìn)行的武器裝備試驗(yàn)和作戰(zhàn)演練。實(shí)擬仿真系統(tǒng)與試驗(yàn)靶場(chǎng)配套使用，可以采集武器裝備（系統(tǒng)）及其指揮控制軟件在作戰(zhàn)使用環(huán)境中的實(shí)際性能數(shù)據(jù)。與使用部隊(duì)和現(xiàn)役武器裝備在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演習(xí)相比，實(shí)擬仿真更容易進(jìn)行，并且耗費(fèi)和損失較少；盡管如此，實(shí)擬仿真也要耗費(fèi)大量人力、物理和財(cái)力，并花費(fèi)大量的時(shí)間。從實(shí)擬仿真中采集的數(shù)據(jù)，可以用于評(píng)估未來武器裝備的實(shí)戰(zhàn)性能和作戰(zhàn)使用原則，也有助于對(duì)用于武器裝備虛擬管理的模型和仿真系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)和驗(yàn)證。在進(jìn)行實(shí)擬仿真之前，可以先進(jìn)行模擬仿真或虛擬仿真，對(duì)實(shí)擬仿真的試驗(yàn)或演練計(jì)劃、方案和人員進(jìn)行先期演練，發(fā)現(xiàn)需要研究的關(guān)鍵問題，實(shí)擬仿真可以印證虛擬仿真形成的重要結(jié)論，多武器平臺(tái)實(shí)擬仿真還可以對(duì)武器裝備之間的實(shí)際交互能力和互操作性進(jìn)行更為客觀的評(píng)價(jià)。

另外，依據(jù)不同模型的表示方法或采用的模型設(shè)計(jì)方法，也可以將仿真分為多種類型。由于不同的模型設(shè)計(jì)方法與仿真算法相關(guān)，而且這種基于模型設(shè)計(jì)方法的分類也是本書的重點(diǎn)，相關(guān)介紹請(qǐng)參照1.6節(jié)。仿真讀者也不必執(zhí)著于上述的仿真分類方法，因?yàn)椴煌愋偷哪Ｐ秃头抡鎽?yīng)用之間的界限正變得越來越模糊，人們談到的仿真和模型通常也是跨越多種類型的混合仿真。