1.4 計算機仿真的應用和發展

1.4.1 計算機仿真應用的類型

計算機仿真技術已經被廣泛應用于各種工程和非工程領域。通過仿真研究，可以預測系統的特性及外界干擾對系統的影響，從而可以為制訂控制方案和控制決策提供定量依據。

根據仿真的應用目的，可以將計算機仿真應用分為系統分析、系統設計、理論驗證和人員訓練4大類。

1.系統分析

計算機仿真應用于系統分析，可以了解一個現存系統的性能，并提出對系統的改進意見。

2.系統設計

計算機仿真應用于系統設計，可以預測待建或準備改建系統的性能，檢驗其是否可以達到設計要求。在現代大型系統設計中，往往還需要對多種可能的方案進行比較，以得到最優性能的系統。另外，對建成后的系統，也需要預測參數發生變化時，系統將會發生什么變化，從而決定系統的控制或決策方案。而這些都可以借助仿真完成。

3.理論驗證

計算機仿真應用于理論驗證，可以檢驗一些新提出的理論或假說的正確性，揭示這些理論和假說與實際不符或矛盾之處。例如，當一種新的控制算法提出后，通常不能馬上投入實際應用，而是在計算機上反復進行仿真，以檢驗其控制效果。

4.人員訓練

計算機仿真應用于訓練與教育是其一大特點。現代的交通運載工具（如飛機、火車、汽車、船舶、坦克等）及各種復雜設備和系統（如電站、電網、化工設備等）的操作技術和管理技術越來越復雜，操作失誤所帶來的經濟損失或引起的危險也越來越大。從進行安全訓練、提高工作效率及節省能源等諸方面考慮，可以采用訓練仿真器來培訓操作人員和管理人員。

所謂訓練仿真器，就是一種用于對操作人員培訓的仿真設備。更明確地說，訓練仿真器是采用計算機仿真技術、自動化技術及各種工程技術，將計算機及其他一些設備（如運動系統、光學-視景系統、儀表系統及操作裝置等）構成的一種以培訓操作人員為目的的仿真系統。它可以逼真地再現（模擬）一個真實的系統，以供培訓人員操縱，從而獲得在實際工作中的真實體會和經驗，也可以在訓練仿真器上進行各種試驗研究工作。目前，國內外已廣泛利用訓練仿真器進行人員培訓（如汽車、船舶及飛機駕駛訓練仿真器，核電站、煉鋼廠及化工廠的操作訓練仿真器等）。

1.4.2 計算機仿真的優點

計算機仿真的優點主要體現在以下幾個方面。

① 如果要對尚處于論證或設計階段的系統進行研究，由于實際系統并不存在，因而不可能在上面進行試驗，解決問題的唯一方法就是仿真。

② 利用仿真技術研究系統，具有經濟、安全、效率高等優點。將它應用于系統的分析與設計，可以減少工作中的盲目性，大大提高工作效率，縮短研究周期，節省研制開支。例如，在飛機的設計研制中，單次飛行的成本約為104～108美元，采用仿真方法后僅需成本的1/10～1/5，而且設備還可以重復使用。英法聯合研制的“協和號”飛機，由于采用了仿真技術，使研制周期縮短了1/8～1/6，設計費用降低了15%～25%。在系統安裝階段采用仿真技術對系統進行分系統試驗、調試，可以大大提高一次試車成功率，并且能夠確保安全。利用仿真技術還可以研究系統在各種極端條件或異常情況下的運行狀態，而不會產生任何危險。這一點對于諸如核電站等復雜系統尤為重要。對于這一類系統，通常它們均運行在正常工作狀態，極少出現故障，因而操作人員平時很少有機會排除設備故障，難以積累這一類操作經驗。而一旦系統運行出現異常，如果不能及時處理，就有可能發生危險。采用訓練仿真器對操作人員進行培訓可以在不冒風險的情況下使操作人員熟練地掌握排除各種故障的操作。

③ 利用仿真技術研究系統非常方便靈活。由于是在模型上進行試驗，因而很容易改變系統的結構和參數，還可以避免環境的干擾，很好地控制試驗過程，并具有可以重現試驗條件、放大或縮小自然現象和過程等一系列優點，便于對系統進行觀察和研究。

需要指出的是，計算機仿真盡管具有以上各種優點，但它必須在正確模型的基礎上才能進行。而建立系統模型是一項長期的、復雜的，并耗費極大的過程。由于在建模過程中忽略了某些次要因素或者數學模型中沒有引入某些重要因素（可能是未知的因素，也可能是難以考慮的因素），會造成仿真結果的失真，這種情況有時可能在所難免。但是有一種情況是應當引起重視的，即有的人在仿真研究時，遇到算不出“理想”結果時，不是去認真分析原因，而是任意給定或修改條件及某些系數來獲得一條“漂亮”的曲線。這種情況與做試驗時制造假的試驗數據是同一性質的問題。這不是在仿真，而是在“造假”。此種現象對人對己均無好處，應當力戒。

1.4.3 計算機仿真的發展與現狀

雖然仿真是近幾十年以來，特別是在計算機出現之后才迅速發展起來的一門綜合性技術學科，但應用仿真技術的一些方法已經有了悠久的歷史。我國歷史文獻上就有關于金代張中彥“手制小舟，才數寸許”的記載，描述了在造船時先制作船舶模型的過程。

仿真學科形成于20世紀40年代。二次大戰末期，對火炮和飛行控制動力學的研究，促進了模擬機仿真技術的發展。1946年第一臺通用數字計算機的問世及1948年電子微分分析器的研制成功，開創了計算機仿真的新紀元。20世紀50年代中期開始出現了數字仿真，并在以后的一段時間內得到了迅速發展。20世紀50年代末至60年代初，由于導彈技術和航天技術的需要，出現了仿真專用的混合計算機，混合仿真的發展處于領先地位。20世紀60年代至70年代是數字仿真技術和混合仿真技術互相競爭的時期，幾乎所有先進國家都建立了混合仿真試驗基地。20世紀70年代以后，隨著采用超大規模集成電路的微型計算機的大量投入應用，使得計算機的內存容量、計算速度及其他性能有了顯著的提高，價格大大降低，從而促進了數字仿真技術的飛速發展。近20多年來，大量適合于在微型機上運行的仿真軟件的出現，更為推廣和普及仿真技術帶來了新的力量。與此同時，基于并行處理的全數字仿真計算機系統也已經面世。目前，全數字仿真已逐步取代了混合計算機仿真。

在計算機出現之前，由于只有物理仿真，仿真附屬在其他有關學科中。在計算機問世后，數學仿真中大量共同性技術問題的提出，使得系統仿真逐漸發展成一門獨立的學科。隨著仿真技術的發展，形成了相似理論，奠定了仿真的科學理論基礎。自動控制技術、計算技術、電子技術及系統工程技術的發展為仿真提供了技術支持，促進了系統仿真的發展和應用，并形成了仿真自身獨立的技術內容，包括：仿真計算機及仿真系統、仿真方法、仿真軟件、仿真試驗研究、訓練仿真器和仿真基準問題等。目前，國際上有專門的計算機仿真協會（International Associationfor Mathematicsand Computers in Simulation，IAMCS），我國也于1989年成立了系統仿真學會。國內外高等學校的工科專業普遍開設了計算機仿真類課程。

近年來，計算機仿真技術有了許多突破性的進展。當前，仿真研究的前沿課題主要有：以實時仿真為應用背景的并行仿真技術、仿真集成環境技術、仿真過程的自動化和智能化、人機系統仿真中的圖像技術和虛擬現實技術、交互仿真技術等。仿真的應用領域不斷擴大，已經從航空、航天及國防部門轉向冶金、化工、電力及其他工業部門，從工程領域轉向生物、生態、經濟及管理等非工程領域。計算機仿真技術已經成為一般科技工作者和工程技術人員都可以方便應用的先進試驗手段。