332仿真模拟即是外形仿真

1、四、仿真模拟技术仿真模拟即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，使用真实的汽车模型或 其他等比例的飞机、飞船等模型作为参与者的操控平台，利用VR技术（虚拟现 实技术），通过实际操作，使参与者有身临其境的切身体会的一项技术，目前主 要用于模拟驾驶、训练、演示、教学、培训；军事模拟、指挥、虚拟战场；建筑 视景与城市规划。1仿真模拟定义所谓仿真模拟，即是外形仿真、操作仿真、视觉感受仿真，使用真实的汽车 模型或其他等比例的飞机、飞船等模型作为参与者的操控平台，利用VR技术（虚 拟现实技术），通过实际操作，使参与者有身临其境的切身体会。以汽车驾驶为 例，在车体内辅以方向盘、档位装置和油门踏板、刹车踏板等输

2、入装置作为参与 者对车辆控制的界面，能够控制虚拟的车辆在视景中形式，并且车辆的运动在一 定程度上符合真实车辆的运动。在车体模型前放置大屏幕，利用单通道或多通道 技术装置在车体模型前形成尽量大的视景，作为车辆控制的视觉回馈。在车内相 应位置安装速度表，转速表等装置作为车辆行驶信息的反馈，参与者看到较为真 实的虚拟道路景象。同时，在车内配以音响装置，作为操作中汽车发动机及路面 噪声、空气噪声的回馈装置，给予参与者操控的声音回馈。2应用领域模拟驾驶、训练、演示、教学、培训；军事模拟、指挥、虚拟战场；建筑视 景与城市规划3行业概况当前，拥有核心知识产权，技术过硬的企业并不多，行业内优秀品牌企业稀 少。

3、呼吁业内企业共同努力，尤其发挥吹毛求疵的研发精神，进一步提高研发能 力，降低成本，真正解决客户的实际困难，严把质量关，提供最可靠的产品和技 术。4仿真模拟技术的三大组成部分对一个工程技术系统进行模拟仿真，包括了建立模型、实验求解和结果分析 三个主要步骤。第一步建立系统数学模型，模拟仿真是一基于模型的活动，是用模型模拟来 代替真实系统进行实验和研究。因此，首先就要对待仿真的问题进行定量描述， 这就是建立系统的数学模型。模型是对真实世界的模仿，真实世界是五彩缤纷的，因此模型也是千姿百态 的；根据模型中是否包含随机因素，可分为随机型和确定型模型。根据模型是否 具有时变性，可分为动态模型和静态模型。根

4、据模型参数是否在空间连续变化， 可分为分布参数模型和集中参数模型。根据模型参数是否随时间连续变化，可分 为连续系统模型和离散系统模型。根据模型的数学描述形式，又可分为常微分方 程、偏微分方程、差分方程、离散事件模型等。对于上述不同类型的模型，这里 不作深入的论述，只讨论建立系统数学模型中的几个共性问题。1）建模的过程是一个信息处理的过程，换而言之，信息是构造模型的原材 料”，根据建模所用的不同类型原材料可将建模方法归为两类：一类是演绎法 建模，即利用先验的技术信息建模。其过程是：从某些前提、假设、原理和规则 出发，通过数学逻辑推导来建立模型。因此，这是一个从一般到特殊的过程，即 根据普遍的技术

5、原理推导出被仿真对象的特殊描述。另一类是归纳法建模，即利 用对真实系统的试验数据信息建模。其过程是:通过对真实系统的测试获得数据， 这些数据中包含着能反映真实系统本质的信息，然后通过数据处理的方法，从中 得出对真实系统规律性的描述，例如大家熟知的最小二乘回归模型等。这是一个 从特殊到一般的过程。但是实际应用中，常常是通过上述两类方法的结合完成模 型的建立，即混合法建模。不管用哪种方法建模，其关键都在于真实系统的了解 程度。如果对真实系统没有充分的和正确的了解，那么所建的模型将不能准确地 模仿出真实系统的本质。2）模型的可信度。既然模型是对真实系统的模仿，那么就有一个模仿得像 不像的问题，这就是

6、模型的相似度、精度的可信度的问题。模型的可信度取决于 建模所用的信息“原材料（先验知识、试验数据）是否正确完备，还取决于所用 建模方法（演绎、归纳）是否合理、严密。此外，对于许多仿真软件来说，还 要将数学模型转化为仿真算法所能处理的仿真模型。因此，这里还有一个模型的 转换精度问题。建模中任何一个环节的失误，都会影响模型的可信度。为此，在 模型建立好以后，对模型进行可信度检验是不可缺少的重要步骤。检验模型呆信 度的方法通常是：首先由熟悉被仿真系统的专家对模型作分析评估，然后对建模 所用数据进行统计分析，最后对模型进行试运行，将初步仿真结果与估计结果相 比较。第二步是仿真计算，仿真计算是对所建立的

7、仿真模型进行数值实验和求解的 过程，不同的模型有不同的求解方法。例如：对于连续系统，通常用常微分方程、 传递函数，甚至偏微分方程对其进行描述。由于要得到这些方程的解析解几乎 是不可能的，所以总是采用数值解法，如：对于常微分方程主要采用各种数值积 分法，对于偏微分方程则采用有限差分法、特征法、蒙特卡罗法或有限元方法 等。又例如：对于离散事件系统，通常采用概率模型，其仿真过程实际上是一个 数值实验的过程，而这些参数又必须符合一定的概率分布规律。对于不同类型的 离散事件系统（如随机服务系统、随机库存系统、随机网络计划等）有不同的仿 真方法。随着被仿真对象复杂程度的提高和对仿真实时性的迫切要求，研究新

8、的 仿真算法一直是一项重要的任务，特别是研究各种并行的仿真算法。第三步是对仿真结果的分析，要想通过模拟仿真得出正确、有效地结论，必 须对仿真结果进行科学的分析。早期的仿真软件都是以大量数据的形式输出仿真 的结果，因此有必要对仿真结果数据进行整理，进行各种统计分析，以得到科 学的结论。现代仿真软件广泛采用了可视化技术，通过图形、图表，甚至动画生 动逼真地显示出被仿真对象的各种状态，使模拟仿真的输出信息更加丰富、更 加详尽、更加有利于对仿真结果的科学分析。5、军事上的模拟仿真技术自从我国东汉名将马援积米为山筹划山地进攻，古希腊数学家阿基米德 在沙盘上作几何图形推演城市防御，人们开始用模拟分析的方法

9、寻找打开战争的 “黑箱”。从20世纪90年代初起，美国率先大量将虚拟现实技 术用于军事领 域。在1995年10月为解决波黑冲突的“代顿谈判”中，美国成功地运用计算 机虚拟现实技术，让参加谈判的穆、克、塞三方领导人在计算机和大屏幕前，通 过计算机虚拟演示，形象地显示了继续角逐的后果，迫使他们都不得不放弃了各 自的方案，结果三方只好按照美国制定的方案达成协议。（1）部队训练仿真模拟训练仿真模拟是一种物理模拟技术的应用，它主要是通过模拟实车、实兵或 实战环境，来培养单兵或小范围作战编组的作战技能，如目前使用较多的驾驶模 拟仿真系统、多用途复合激光作战仿真系统等。这些仿真系统的准确性和逼真性 得到了很

10、大的提高，图像的仿真程度也已经与实物、实景相差无几。特别是训练 仿真系统具有在危险小、消耗低的条件下训练出较强作战技能的部队的特点，因 此受到世界各国军队的极大重视。通过在模拟实验室里进行训练，可使部队不需进行实际操作就能理解现代战 争的概念和流程，士兵在战前就可确切知道他要完成什么样的任务，从而提高了 完成任务的能力和增强了完成任务的信心，而且，分散在各地的部队不需集中就 能通过模拟器材一起训练。从排到营的机械化分队可演练协同作战，攻击机可演 练从不同基地起飞执行同一任务，舰只可演练相互间的配合和策应，特种作战部 队可反复演练预定作战任务中的每个细节。此外，仿真模拟演练可在一定程度上 代替大

11、规模实兵演习，节省大笔经费。在部队训练方面，模拟仿真技术同样大有用武之地。目前，外军的“虚拟 现实”训练技术已发展到相当水平。美国陆军到上世纪80年代末，训练士兵还 是采用野战训练和模拟训练两种方法。野战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大， 场地、安全都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可 能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究 计划局1983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成 网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。美军已研制的虚拟现实模拟系统可以在视觉、听觉和触觉等方面逼真地显 现未来战争可能出现的各种情况

12、，可以使没有打过仗的指挥官身临其境般地体验 战争，可以使驻扎在世界各地的部队通过互联网络同时演练同一想定，可以在同 一模拟系统上演练在不同国家、不同地形、不同气候、不同作战对象的各种战争 行动。如美海军陆战队的模拟网络可将分布在全球执行各种任务的陆战队特遣队 司令部连接起来。一支远征部队陆战营可与4800公里之外的另一支远征部队的 团级司令部进行诸军兵种联合演练。在美国肯塔基州克斯堡的乘车作战实验室里， 坦克驾驶员不必离开房间，就可操纵“艾布拉姆斯”坦克模拟器穿森林，过雪地， 开上一节列车。驾驶员甚至能感受到实战环境中的声音、气味和碰撞。使用这种 模拟器，可使受训者在一小时内获得比6个月实车驾

13、驶还要多的经验。据报道， 美军在海湾战争前的临战作战训练中，美军飞机、坦克、装甲车辆均使用了模拟 器材，只有一名飞行员在训练中打了实弹。以往坦克打一发实弹需要花费1800 美元，而用模拟器材训练即可大大节约武器装备的磨损和弹药消耗，还可保证人 身安全。（2）作战仿真模拟一般而言，作战模拟可分为实地军事演习、现场实验、沙盘作业、图上作业、 战争对策、计算机模拟等几种类型。采用虚拟现实技术不仅为研究战争提供了科 学的方法，使研究的进程更加逼真、更加接近于实战，实现作战过程的仿真模拟， 而且使研究的结果更加可信，从而有利于提高指挥艺术和作战技能。计算机作战 模拟，是把对抗的全过程结构组成和大部分规定

14、事先编入计算机程序。然后用计 算机语言描述战斗过程，并用计算机进行处理的一种新型模拟方法。通过计算机 作战模拟，不仅可以在严谨的科学基础上对新的作战理论原则、作战行动规则进 行多方位的论证，并通过模拟对抗，计算各军、兵种部队的攻防作战能力，经过 比较挑出最佳作战方案，而且可以使指挥员置于陆、海、空、天、电“五维”全 方位的作战空间，从而摆脱二维空间的思维枷锁，使指挥艺术得到更充分的发挥， 事实上，“沙漠盾牌”作战计划的蓝本就是出自“内部观察90”的计算机模拟 演习。采用计算机进行作战仿真模拟，无须调动一兵一车就可以上演出一幕幕威武 雄壮的战争话剧，因此倍受各国军队的青睐。目前，美国国防大学已为

15、军官开设 了军事政治课程以及联合与合成作战模拟课程。美三军主要作战中心每年都要接 待各类高级指挥和参谋人员进行作战模拟训练。为了统一建模方法和统一数据格 式，美陆军部推行了 “作战模型改进计划”，设想在一个统一的管理机构下建立 一个具有层次结构的陆军作战模拟系列，将陆军各兵种的作战模型全部纳入这个 体系中，以培养适应未来战争需要的陆军军官，而俄军条令也规定，团以上作战 计划的制定必须经过计算机模拟鉴定。当前，计算机模拟正在被越来越多国家的 军队视为作战计划制定的必要环节。（3）指挥决策仿真模拟虚拟现实技术运用于指挥决策模拟，主要是辅助指挥员进行决策和指挥作战。 指挥员不仅能够在虚拟的战场上空飞

16、行，视察其传感设备对敌方兵力部署等敌情、 战情的感知情况，而且还能看见位于敌方观察点的部队。通过多方位的观察，可 以进一步了解敌人当前的意图，更清楚地展现我方智能搜索设备的盲区（如雷达 盲区），电台配置的具体细节，通信节点部署的实际地理环境特点等。此外，运 用建立在网络基础上的分布式虚拟现实系统，还可以建立诸军兵种合成指挥系统。 在战争决策模拟中，利用大规模并行处理机的建模和模拟仿真技术，可以精确地 再现战区作战态势，逼真地模拟战场环境，并精确地预见未来战术、战略上的发 展态势，从而能够为指挥决策提供尽可能接近实际的战场情况，使指挥员能够正 确地指挥作战和进行战略决策。（4）信息网络虚拟（欺骗）战信息网络虚拟（欺骗）战是以计算机成像、电子显示、话音识别和合成、 传感等技术为基础实施的信息欺骗。它通过“信息网络”某一节点，把己方计算 机与对方联网，或战前通过各种途径将虚拟现实技术植入敌方的指挥控制信息系 统中，把己方的虚拟信息即假情报、假决心、假部署传输给敌方，迷惑敌人，诱 敌判断