仿真技术的进展及其在石化工程设计中的应用

1、仿真技术的进展及其在石化工程设计中的应用1 仿真技术的进展1.1 系统仿真建模水平不断提高系统仿真能否达到预期效果,在全数字仿真的今天,数学模型起关键作用。换言之,数学模型若不能精确有效地表达系统特性,仿真试验将无法取得成功。仿真建模是系统仿真的基础。仿真建模水平的发展将体现在如下方面。1）系统机理研究深化数学模型不是凭空想像出来的数学表达式,它是建立在大量实验数据基础上的能够反映客观事物规律的数学描述。为了得到精确的数学模型必须对被仿真对象内在机理进行深入研究。随着科学实验水平的提高和投入的增加,科学家在许多领域揭示了系统的内在机理。大到宇宙的形成，小到生物基因DNA的结构以及艾滋病的病毒攻

2、击人体免疫系统的过程都在取得进展。仿真技术协助科学家研究系统的内在机理,这些研究成果又使科学家有可能建立系统更精确的仿真模型。对工业过程机理的充分分析,使得科学家在今后若干年内足以建立稳态和动态模型这些模型能精确地描绘全程操作范围的装置行为。2）在线实时检测与分析技术数学模型所产生的行为数据与实际过程系统数据源的相似程度,称为模型的有效性。任何数学模型不经过实验数据校验,都无法投入应用。因此,在线实时检测与分析技术是仿真建模的重要相关技术。虽然过程分析测试从实验室移至生产线方面已经取得了显著的进展,但许多现实的分析、检测仍是离线进行的。为了高精度建模,检测技术必须解决微量分析、高时间分辨率测试

3、、测试一体化等问题。3）动态建模的发展前沿物质世界,包括反映物质世界运行的信息系统以及商务市场系统处于永恒的运动和变化之中。稳态和静止是相对的短暂的。仿真技术必须发展到动态建模阶段,才能达到实用化水平。有关技术发展的挑战如下:a）动态模型的运行速度是实时运行的50500倍。b）动态建模可以从现存的模型库中做简单的选取。c）一天时间足以用来仿真任何工业化系统。d）动态模型能对启动条件是鲁棒的和不敏感的，并能与过程系统全操作范围相适应。e）模型能跟踪过程系统动态运行。f）标准化的数据交换能使模型来自不同资源。g在何过程系统、工业化装置都应建立各自的动态数学模型。4）大系统建模我国仿真科技人员研制成

4、功了高速银河仿真计算机。开发成功了大型电站、核电站、乙烯装置全流程仿真训练系统。其中包含变量上万个、控制系统数百个。国际上的新成就更加瞩目,美国IBM公司研制成功的12万亿次/秒高超级计算机用于仿真核爆炸、设计飞机和全球气候模拟。天文学家使用计算机仿真了150亿光年范围所观察到的10亿个星系。美国科学杂志认为“这种仿真标志着数值宇宙的一个转折点。”大系统建模的进展主要体现在以下7个方面:a）求解大规模动态数学模型的高效率、高稳定性计算方法取得突破并且实用化。b）大系统模型的调试和自诊断系统。c）神经网络、人工智能和复杂模型识别技术的集成运用，有助于大系统建模。d）仿真机的速度和容量必需继续提高

5、，以便实时处理大系统模型信息。e）大系统建模将有助于大型企业运行、控制、优化和决策管理。f）大系统建模将有助于国家发展规划、生态环境保护。g）除了大系统集中化建模之外，基于网络的分布式大系统建模将取得进展。5）模型数据接口的标准化建模过程中应用共同的数据库结构和标准的信息交换格式,是使资源共享、减少重复劳动和提高建模效率的基础工作。只有模型数据接口达到了标准化才能实现:a）很容易地从一个部门传递到另一个部门；b）在不同的软件包和硬件平台之间方便地转移利用。为了提高模型数据接口的标准化程度,有必要开发模型传递和一个组织机构模型内参数的规范。要开发能够相互应用和交换数据的模型,如过程模拟数据交换计

6、划。政府部门要施加影响,组织和实行规范化的模型数据接口标准。6）仿真建模软件的发展趋势仿真建模软件又称为仿真建模环境或平台。这种软件具备建立、调试和运行动态模型的完整功能,可将建模编程的重复劳动降至最少,可以使不懂建模的工程技术人员轻松地建立大系统模型和解决仿真试验问题。新的仿真建模软件亦应具有如下特点:a）可以在不同的计算机和操作系统上移植。b）具有丰富的基础建模模块。c）以图形组模法建模。图形组模法是将模型的子模块用直观形象的图形或图标表示,用鼠标器控制,在屏幕上以电脑绘画的方式构筑系统动态模型。此方法可能是最快捷、直观、易学、易用的一种建模方法。d）软件集成了所有最新编程技术，例如:开放

7、型结构、模块化组模、面向对象技术、三维图形技术、信息驱动技术、数据库技术、多媒体技术、虚拟现实技术等。e）具有很强的诊断和除错功能。f）具有超实时运行速度和超大容量。g）用户可以方便地向软件中增补新模块。h）可以在网络上运行。仿真建模软件是仿真技术普及应用的重要工具。应当由专业化公司负责版本升级、技术服务、软件维护和技术培训。此外必须得到研究部门的合作,使理论方法、计算方法和技术水平不断提高。能够在微型计算机上运行的仿真建模软件可能是今后最受欢迎的软件。1.2 仿真硬件的进展世界上速度最快的计算机总是用于仿真,称为超高速仿真计算机。据专家预测，近几年将会制造成功由64000个CPU组成的高速并

8、行计算机，其计算速度达到100万亿次/秒。高速大容量的通讯网络将达到1000亿位/秒的传输速率。高分辨率视频显示系统将朝着重量轻、耗电省、平板化的方向发展。显示系统的分辨率、图形刷新速度和彩色数量会进一步提高,为实时显示三维图形创造更加逼真的条件。多媒体系统将成为任何一台计算机的通用化组件。所有视频、音频、界面操作和网络交互功能都将与计算机操作系统融合为一体。任何一台计算机都是功能完善的仿真机。头盔显示器将提高分辨率和对人体视觉功能的适应性,将达到更加真实的三维视觉效果,其价格将会进一步下降,还可能成为微机多媒体组件之一与计算机配套出售。三维位置传感器将达到很高的精确度,除运用超声定位外,还可

9、能用到激光定位。这种系统不仅用于三维视频图形显示定位,而且还可能用于人体或运动物体各部位动作的定位。除此之外,新型高速微型计算机的性能向64位过渡;CPU的速度仍将不断地提高。这些都将会导致个人仿真器的广泛应用。1.3 仿真软件的发展前沿1）高级并行语言目前,使用高速并行计算机求解动态数学模型必须用特殊语言编程。如果编程不当可能难于发挥并行计算机的效率。今后的发展方向是开发出如同一般的高级程序语言一样方便的并行语言。这种语言包括高效并行数学算法、优化运行、程序设计和支持模型应用等功能。用户无需特殊培训就可方便地使用并行语言。2）仿真平台在111节仿真建模部分已经对仿真平台进行了展望。为了推广应

10、用,开发下列3种级别的仿真平台是很重要的。a）适用于高性能台式工作站的仿真平台，可为单个科技人员或工程技术人员解决许多中、小问题提供仿真手段。b）适用于大型计算机的仿真平台，可用于设计院解决大型工程设计问题。c）适用于高超级计算机的仿真平台，可为科学家探索研究复杂的大系统提供手段。3）高效仿真算法计算机速度和容量的提高,使得过去难以实时化的高精度仿真计算方法又有了应用。可见仿真算法和计算机硬件性能有密切关系。今后的主攻方向,可能在大规模复杂偏微分方程的仿真算法以及离散随机事件仿真算法方面。4）新的软件编程技术传统的个人化、顺序驱动的编程技术,不仅已经无法满足今后仿真应用的需要,而且造成了大量的

11、不必要的重复劳动。新型仿真软件将集成模块化、面向对象、信息驱动、图形化、智能化、多媒体化等先进编程技术,使得新的仿真软件具有建模直观方便、运行速度快、计算精度高、人/机界面友好、系统开放和上网运行等一系列特点。1.4 人工智能技术在仿真中的广泛应用随着仿真技术的发展,被仿真的系统越来越复杂化。靠人工进行仿真试验已经难以胜任,人工智能技术将在仿真中发挥重要作用。1）辅助识别对象模型在建模过程中,运用人工智能技术可以协助处理大量的测试数据,以便识别最佳的模型结构和模型参数。2）诊断仿真故障仿真软件中的实时数据库和关系数据库存储着大量数据,对这些数据进行检验核查是十分重要的。数据的个别错误会造成整个仿真的偏差;仿真运行中的故障也时有发生。这些故障靠人工诊断会费时、费力并且对于大系统仿真几乎无能为力,必须借助人工智能技术由软件自动