数值建模与仿真在日常生活中的应用

1、数值建模与仿真在日常生活和娱乐行业的应用首先，先概述一下数值建模与仿真技术的发展趋势。经过半个多世纪的发展，数值建模与仿真技术已经成为对人类社会发展进步 具有重要影响的一门综合性技术学科。仿真建模方法更加丰富，更加需要仿真模 型具有互操作性和可重用性，仿真建模VV&A与可信度评估成为仿真建模发展 的重要支柱；数值建模与仿真体系结构逐渐形成标准，仿真系统层次化、网络化 已成为现实，仿真网格将是下一个重要发展方向；仿真应用领域更加丰富，向复 杂系统科学领域发展，并将更加贴近人们的生活。如今，数值建模与仿真的应用领域已不仅仅局限于在国防工业、军事、航空 航天工程、土木工程、船舶水利、机械制造等领域进

2、行科学研究与分析，也逐渐 开始在人们日常生活娱乐中发挥着日益重要的作用，此之谓技术的发展是为了更 好的服务于人类。本文将对数值建模与仿真技术在交通影响分析、城市生活垃圾处理、污水处 理、娱乐行业等与人们日常生活息息相关的典型例子中的应用情况进行介绍。典型案例一：数值建模与仿真技术在交通影响分析中的应用情况。随着经济的发展、城市建设规模之扩大及速度之加快和城市人口数量的急剧 增加啊，交通问题凸显，交通问题已经关乎到每个人的生命安全。专家以数值建 模仿真技术为手段，对交通问题进行了有效仿真，并提出了有效处理方法，这对 交通安全问题的解决是很有帮助的。交通仿真技术特别是TransCAD的OD (Or

3、igin2Destination)反推技术以及 VISSIM的动态仿真技术，是进行交通规划和交通影响分析的重要技术手段。近 年来，随着人们生活水平的提高和消费观念的改变，城市大型公建项目越来越多。 由于建筑规模大和土地利用性质特殊，大型公建吸引和产生的交通量势必对周围 乃至整个城市的路网造成冲击，导致路网局部的交通供求不平衡，引发交通拥堵、 交通事故、环境恶化、能源消耗等问题。因此，在项目方案实施前对其进行交通 影响分析非常必要。以下以购物广场为例，设计出项目交通影响分析的仿真流程， 为交通影响评价提出了一种新的较为实用的方法。交通仿真所依赖的技术主要主要有两种：基于TransCAD软件的OD

4、反推技 术和基于VISSIM软件的动态交通仿真。前者是具备交通规划地理信息功能的软 件，为交通需求预测准备了一整套完善且又能随时更新的工具，包括数字化地图、 地理数据管理、地理坐标显示以及复杂的交通规划应用、操作研究以及统计模型。 后者，VISSIM是德国PTV公司的产品，它是一个离散的、随机的、以10 - 1 s为 时间步长的微观仿真模型。VISSIM还提供了图形化的界面，用2D和3D动画向 用户直观显示车辆运动，运用动态交通仿真进行路径选择。案例背景：市银座购物广场五里桥店位于人民路与西六路交叉口处，总建筑 面积2. 8万m2 ,营业面积1. 8万m2。基地周围有齐赛科技城、齐鲁证券、富尔

5、 玛、长城医院等大型公建，向南可以辐射到共青团路，向北可以辐射到华光路， 西至世纪路，东至柳泉路，这些道路都是城区的主干路，如下所示。现状交通调查如下：道路调查包括路段和交叉口调查。路段调查包括现有道路结构、道路等级、路段长度、道路宽度、断面型式、双向的交通流量等；交叉口调查主要为研究围 的8个交叉口的交叉口形状、车道功能划分、进口道数、车道宽度、交叉口信号 配时等。交通影响评价方法如下：先确定交通影响阈值，再确定交通影响围，确定研究年限与高峰时段。新建交通的影响围图如下：交通小区的划分如下图所示：交通需求预测：非项目交通量预测和项目交通量预测交通分配方法如下：将预测目标年的OD矩阵在Tran

6、sCAD进行交通分配(选取用户平(User Equilibrium ,U E)模型)，得到研究区域高峰小时有无项目时道路网的饱和度。根据以上分析，并通过对路段饱和度计算分析可知，研究围交通量影响较大 的路段主要是人民路、西六路、西五路及共青团路。结合研究围的土地利用、路 网规划，提出两个改善方案。改善方案的交通仿真主要基于TransCAD交通模拟和VISSIM动态仿真。案例总结与意义思考。本文结合两大主流交通仿真软件TransCAD的OD矩阵反推功能和微观仿真 软件VISSIM动态交通仿真的技术优势，设计出项目交通影响分析的仿真流程， 提供了一种新的思路，特别在项目周边区域复杂、客流出行方式多

7、样及OD矩阵 难以调查时能获得较好的效果，通过交通仿真软件的应用，使交通影响分析直观 形象,交通需求预测更加准确合理，此举不仅为交通影响分析的数据预测提供技 术支撑，而且为智能交通系统基础技术的发展提供理论依据。当然，由于OD反 推理论和动态微观交通仿真理论尚在完善和发展之中，部分模型参数难以标定， 如微观动态交通仿真中交通小区分配给多个停车场比例权重、驾驶员行为参数及 宏观路网交通阻抗的精确种子OD等，对此问题有待于以后深入研究。典型案例二：数值建模与仿真技术在城市垃圾中的应用情况。具体应用案例：城市生活垃圾分拣机构的运动学分析与仿真。问题背景：人类生活垃圾是否能被有效处理已经成为影响人们健

8、康和环境的 重要因素之一。分拣出城市生活垃圾中的粗大垃圾可以避免生活垃圾环保再生煤 生产线中其它设备遭到严重损坏。但目前，此分拣工作是由人工完成的。针对这 一问题，文中设计了一种粗大生活垃圾分拣机构。为了正确地分析该机构的运动 特性，本文首先用闭环矢量法建立了机构的位移方程、速度方程和加速度方程， 然后利用SolidWorks软件和ADAMS软件建立了机构的虚拟样机模型，最后利 用ADAMS软件对机构做了运动学仿真实验。实验结果表明：该机构可以成功完 成粗大生活垃圾分拣工作，且运动平稳。以下为生活垃圾分拣机构原理介绍：生活垃圾分拣机构的设计如下：对该结构进行自由度计算。方程为：F = 3n -

9、 2PL - PH。式中：F为机构自由度，n为活动件数量, PL为低副数量，PH为高副数量。具体计算过程此处不做累述。生活垃圾分拣机构的运动学分析。生活垃分拣机构运动学研究的主要目的是确立机构各零件之间的位移关系、 速度关系与加速度关系，是机构设计、制造与控制的基础。所需分析方程主要有矢量方程，运动方程，速度方程，加速度方程。接下来主要介绍基于数值建模与仿真技术的仿真实验。此案例所用到的ADAMS软件是专门用于机械产品虚拟样机开发方面的工 具，非常适合用来研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，但几何建模功能较 弱。然而，SolidWorks软件具有较强的几何建模功能。案例结合SolidWork

10、s软 件和ADAMS软件的优点，按照一下顺序建立生活垃圾分拣机构的虚拟样机模型。图1为垃圾分拣机构抓取运动示意图。建立生活垃圾分拣机构的虚拟样机模型的过程此处略去。图2为P1、P2在坐标轴方向的位移曲线。案例结论。经分析，可见仿真实验不仅显现了机构的运动过程，还验证了机构的合理性。 由上图显示：点P1和点P2的位移曲线随时间逐渐交叉，表明该垃圾分拣机构可以 成功完成垃圾抓取动作；点P1和点P2的速度曲线连续且平滑，且没有剧烈颤动 现象，表明该机构运动平稳。这些结果都验证了生活垃圾分拣机构的合理性与可 行性。案例总结与意义思考。本文首先提出了一种可以分拣出生活垃圾中粗大垃圾的分拣机构；然后，建

11、立了该机构的位移方程、速度方程及加速度方程，分析该机构的运动特性，最后， 利用SolidWorks软件和ADAMS软件建立了该机构的虚拟样机，并进行了运动 学仿真实验，实验结果表明：该机构可以满足对粗大生活垃圾分拣的工作要求， 且运动平稳，为生活垃圾分拣机构的研制提供了理论基础。（图1）（图2)典型案例三：数值建模与仿真技术之ASMs仿真软件在污水处理厂中的应用背景介绍。人类生活污水以及工业废水是否能被合理有效处理已经成为影响人们健康 和地球生态环境的重要因素之一。活性污泥数学模型ASMs是活性污泥法处理城 市生活污水的动态机理模型，机理较完善，并得到了大量研究与应用。这些动态机 理模型较全面

12、合理地描述了活性污泥法处理城市污水的动态过程与其中水质组 分的变化与转化，可作为活性污泥法的工艺分析与设计优化的理论基础。其重要 的应用是基于ASM s可开发出污水处理仿真软件，从而利于活性污泥工艺的设计、 优化与分析比较。从仿真原理、仿真软件特点以及仿真软件的应用实例与优势等 方面，对这些基于ASM s的仿真软件进行了详细分析与介绍，为其应用研究提供ASMs仿真软件的机理基于ASM s开发的污水处理仿真软件在模拟过程与原理上有共同的准则，即 以国际水协IWA发表的ASMs作机理模型的核心，结合实际污水生物处理工艺过 程，将每个反应器看成n个完全混合反应器（CSTR ） 1进行编程，按照流量的

13、 物料平衡（实际进水量等于出水流量）与质量平衡（变化量二输入量-输出量+反 应量）求解模拟各反应器的出水流量与浓度。ASMs仿真软件的模型特点目前已有不少ASMs仿真软件,根据软件的开发目的可分为商用型软件与研究型 软件。其中产品化的商用型软件主要是国外的软件，如WEST、B io-W in、GPS-X 等。这些软件的共同特点是制作精美、操作相对简单,并有一定的辅助功能与工 艺集成。而在具体的软件/灵魂0）模型上，则各有各的特点。但这些软件的缺点 是价格较高，且软件提供的模型动力学参数等参考值与我国的污水处理工艺的 实测值有较大差异（这主要是由于国际水协在统计调查的众多污水厂中亚洲方面的较 少

14、且没有我国的污水分析数据）。因此在使用这些仿真软件时需根据我国污水厂的 实际情况进行相应调整，这对软件的推广应用造成了一定的阻碍。污水处理仿真软件的应用研究在于：1，为水质分析提供更详细的信息我国污水处理的常规水质参数主要是COD、BOD5、MLSS、TKN、TP等，污 水排放标准也主要针对这些参数进行限定要求。但就水质来说，这些参数只是表 征了复杂污水的一些特征，还无法全面掌握污水的性质，因而也容易导致污水处 理设计的分析与预测结果出现偏差。污水处理仿真软件采用的机理模型是动态数 模型,它结合一定的水质组分特点对污水进一步细分，可以更全面地表征污水水 质。如有脱氮除磷过程描述的ASM 2将常

15、规的水质参数细分成了19个组分。模型 水质组分参数与常规水质参数之间有一定的关联，这样可将一定的物质、微生物 等联系起来，便于进一步掌握污水的水质情况，有利于针对性分析水质。同时， 在工艺模拟过程中，机理模型通过相应的化学计量系数与动力学参数来详细地 表征污水的各个动态反应过程，这样的动态过程更接近实际的污水反应过程，这 也是原来的静态设计所达不到的。2,有利于工艺的模拟与分析在全面分析污水水质与过程的基础上,ASMs仿真软件能够较好地模拟实际 污水厂的运行。首先用模型组分分析污水处理厂的进水水质在全面了解污水水 质后建立工艺模拟模型，再结合实际结果进行一定的分析校正，就可以得到工艺 的模拟结

16、果。模拟结果可以按常规参数与模型组分参数之间的一定关系转换成常 规参数来表示。采用ASM s仿真软件对某污水厂的模拟结果表明，这些常规参数 的模拟结果与实测值之间的误差率均小于10%,这是常规模拟所难以达到的精 度。由此可见，在此基础上建立的ASM仿真软件具有很好的模拟功能。此外，仿 真软件的另一优点是可以获得每一个处理过程的大量信息，随时反映处理情况， 有利于及时掌握与分析水质。3，在工艺优化上简单直观污水处理仿真软件在工艺比较与操作优化方面更能发挥计算机模拟的优势。 如采用WEST软件在某污水处理工艺的优化比较案例中，考虑厌氧池容积、缺氧 池容积、好氧池容积、回流比、外回流比、排泥量等多种

17、工艺参数的变化对出水 水质的影响，在WEST软件中建立了优化矩阵。在运行优化的比较操作后，可得到 各操作方式下最终出水水质的变化情况。由此可知，仿真软件可以利用图表直观 清晰地体现多种操作方案对最终出水水质的影响结果，方便用户全面分析各种 方案的出水结果，从而较易确定并满足最终出水水质达标下的最佳运行方案，快速 实现工艺的优化设计。通过仿真软件的优化分析功能可知，仿真软件的优化与分 析计算为用互补。进一步完善现有脱氮技术，开发高效低耗、能实现氨氮回收利 用的处理技术是今后处理高氨氮废水的发展方向。经典案例四：数值建模与仿真技术在娱乐行业中的广泛应用应用背景：仿真技术已经在军事、航空、航天、机械

18、制造等领域大显身手那么, 在娱乐业中，它能否有所作为呢?其实，那些沉迷于三维游戏的逼真体验、太空穿 梭机的惊险刺激、室高尔夫的休闲娱乐的人们已经给出了最好的答案。不仅如此, 仿真技术早已堂而皇之地进军娱乐业的大本营)好莱坞。仿真技术，特别是计 算机图形生成技术帮助好莱坞的巨头们创造了如/玩具总动员0、/泰坦尼克号0 等一个又一个神话。可以说，仿真技术带给娱乐业的不只是一种新的技术，而是 概念上的变革。历史渊源。最初的仿真技术主要应用于军事领域，飞行器、坦克、舰船等各种军用模拟 器的研制给仿真技术的发展带来了极大的推动作用。模板(board)游戏1958年Charles Roberts发明了第一

19、个仿真模板(board)战争游戏，为以后的仿真游戏行业确立了一种模式。这些游戏除了给商 业行为带来极大的震动、获得了较大的收益以外，也渗入了军事院校，用来简化 游戏环境的一些技术，随后也被用于仿真器的训练和分析中。带有拱廊的街道(arcade)游戏这是一种很快流行起来的投币机游戏。它给 整个一代人灌输了计算机的巨大社会影响力。随后由联网的坦克训练器，发展出 模拟战役类游戏，直到现在的分布式虚拟现实技术。这种游戏是计算机游戏的前 身，它的产生与发展给计算机游戏的到来奠定了基础。计算机游戏：随着个人计算机的到来以及计算机在千家万户的普及，不可避 免地给计算机游戏创造了数以亿计美元的商机。它们中的许

20、多游戏包含了战争 的概念。实际上，一些战争类的游戏直接融入了军事科技。今天，计算机仿真游 戏以其丰富的容和详细的细节刻画水平与军用仿真器竞争着。任天堂64游戏机是第一个真正的三维交互式视频游戏机，所提供的沉浸感 是除了传统的仿真器外的一般设备不能达到的，它相当大的一个优点是价格便 宜，与动辄百万、千万的模拟器相比，这种游戏机低廉的价格是普通家庭所能够接 受的。其含的技术对于各种类仿真技术在娱乐业中的应用# 19 #型的训练和仿真 来说是相当有水平的。应用情况。目前，数值仿真技术在娱乐业中主要应用于三维模拟类、探险类游戏；影视 特技及动画制作；独立或联网仿真娱乐系统以及主题公园虚拟现实系统。三维

21、模 拟类、探险类游戏充分体现了仿真技术带给游戏娱乐业的冲击。好莱坞也是仿真技术大展宏图之地。仿真技术使美国公司获得了巨大的国际 竞争力，正如Pixar动画工作室的Ed Catmull所说，建模与仿真技术挽救了美国 动画业。独立或联网仿真娱乐系统包括室高尔夫球模拟器、滑雪模拟器、摩托及汽车 模拟器、空战和海战模拟器、动感影院及太空穿梭机和跳伞娱乐仿真器等。前景展望。仿真技术近年来所出现的许多新概念、新方法不仅给仿真技术带来了新的活 力，也给娱乐业提供了强大的技术支持。同时，娱乐业也给仿真技术提供了广 阔的用武之地和市场。今后，娱乐业的竞争不仅在于有没有好的创意，更主要的 是有没有好的技术支撑。而随着仿真技术的发展，这样的技术正层出不穷地涌 现和飞速地向前发展，其中主要有：网络技术。虚拟现实技术。另一个不能不提的技术是Microsoft的Di