先进仿真技术综述

先进系统仿真技术综述引言仿真是通过模型来模拟现实系统，帮助我们了解现实系统，对现实系统进行改进，对新系统进行开发设计和规划的一种活动。到20世纪40年代计算机诞生后，仿真与控制科学、系统科学、计算机科学相结合，仿真已经成为广泛用于各行各业的有力工具。它视研究对象为一个系统，以计算机为仿真模型的载体，具有使仿真实验可视化、快速化并且大量减少真实实验成本的优点，现在也称系统仿真和计算机仿真。近年来，随着信息技术、计算机技术、网络技术、虚拟现实技术的不断发展，系统仿真理论和应用研究也得到了逐步深化，其应用领域不断扩展，有人提出要用仿真技术解决当今社会的主要难题如核反应过程、宇宙起源、生物工程、社会经济和战争等。同时系统仿真学者们也提出了许多新的系统仿真方法来满足日益复杂的仿真要求，这些技术代表着未来仿真技术的发展方向。面向对象的仿真技术面向对象仿真时当前仿真领域的研究热点之一，他是面向对象技术应用于仿真而形成的一个研究分支。随着面向对象技术的不断发展，面向对象方法已经渗透待仿真建模、仿真试验及大型复杂系统的仿真等许多方面。面向对象仿真的本质并不在于其采用了某种面向对象的程序设计语言，而是在于它引入了一种新的仿真建模思想，因而有其独特的仿真建模框架体系。它根据系统的构成对象及其相互作用来建模，仿真的对象通常表示实际系统中相应的实体。与传统仿真方法相比面向对象仿真有如下特点：1）面向对象仿真方法使建模与仿真过程与人们对现实世界的认识过程相一致。仿真用户通过直观的对象概念来建立仿真模型且仿真模型中的对象表示实际系统中的实体，从而减小了物理模型与计算机模型概念上的转换，缩短了两者之间的间隙，使建模和仿真过程十分自然直观。2）面向对象仿真技术强调的是系统总体结构，而不是系统涉及的过程。通过数据抽象和封装等技术，使得对象成为仿真模型的主要因素，及对象成为系统的基本成员。整个仿真系统的行为表现为对象之间的交互行为，使得仿真系统模型化。3）利用面向对象方法的继承性，使仿真系统十分容易扩充，同时利用对象层次机构的合理设计，可以达到最高的代码重用率，这些都有利于可视化建模仿真环境的建立和大型复杂系统的仿真研究提供了方便的手段。美国NASA的软件工程实验室SEL已经成功的将面向对象技术应用于多个项目的设计开发中，开发费用得到了很大的降低开发周期也缩短了很多。3.分布交互式仿真技术分布交互仿真（DIS）是一项新兴的仿真技术，它是以实现国防范围内的各类仿真器及模型间的互操作和部件的重用为目的而发展起来的。自美国的SIMNET研究计划获得成功以来，DIS技术的研究和应用得到了迅速的发展。目前，DIS技术不仅在人员训练、武器研制、战术演练等军事方面获得成功的应用，而且在政府部门、商业领域等非军事部门也得到了应用，DIS已经成为了系统仿真技术的一个重要发展方向。分布交互仿真是通过计算机网络技术将地域上分散的、各种人在回路中的仿真器、计算机生成兵力以及其他仿真设备有机的连接为一个整体，形成一个在时间和空间上相互耦合且一致的虚拟电子合成环境。按照我军军用仿真属于标准研究课题组的定义，分布交互仿真一般是指连接处于分散位置的各类仿真系统，以营造能仿真高度相互作用活动的复杂虚拟世界。分布交互仿真采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网和广域网将分散配置的仿真硬件、软件和仿真环境综合成为一个人可以参与交互作用的时空一致性的功用仿真环境。从系统的物理构成来看，分布交互仿真系统是由仿真节点和计算机网络组成的。仿真节点负责实现本节点的仿真功能，包括模型求解、自动兵力生成、环境模拟、视景生成和音效合成、人机交互等。计算机网络将分布在不同地域的仿真节点连接起来，实现平台与环境、平台与平台、环境与环境之间的交互作用。在DIS的体系结构、数据通信方面，IEEE协会在1990-1993年制定的IEEE1278DIS标准系列。该标准的核心是通过协议数据单元PDU，支持异地分布的事实、虚拟和构造的平台级仿真的互操作。DIS具有分布性、交互性、实时性、仿真性等特点在军事训练上，尤其是大规模、多兵种协同作战训练上。在DIS发展的同时，MITRE公司对照SIMNET对实验进行了技术分析，开展了聚合级分布交互仿真的研究，提出了聚合级仿真协议（ALSP）。1995年，美国国防部建模与仿真办公室又提出了建模与仿真的高层次结构（HLA），它是计算机仿真系统的通用技术框架，其目的是提高仿真应用的互操作性和仿真资源的可重用性，从而提高仿真系统的效率。它定义了构成仿真的各部分的功能与相互之间的关系从更高层次上规划了仿真开发、建模及设计的整个过程中应遵循的规则，被称为新一代的分布交互仿真体系结构。虚拟现实（VR）与分布虚拟现实（DVR）技术虚拟现实技术是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，能给参与者提供各种感官信号，如听觉、触觉、视觉等，使参与者有身临其境的感觉，又称灵境技术，由美国计算机科学家JaronLanier于1989年提出后，取得了迅速的发展。虚拟现实技术综合运用了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、信息技术和显示技术等的最新成果，以创造出最为逼真地反映事物运动规律及其相互作用关系的三维环境，并巧妙地综合科人的视觉听觉触觉等感觉，通过头盔显示器、数据手套、视觉与力度传感器、跟踪球、空间探针等辅助设备，人可以进入虚拟的环境中，并直接与事物交互，进而启发人的想象力。虚拟现实系统具有沉浸-交互-构想三个基本特征。基于虚拟现实技术的仿真系统包括计算机生成环境、物理实现的建模环境和真实环境三个部分虚拟技术研究的主要内容有实物虚化、虚物实化和高效的计算机信息处理。实物虚化是将客观世界的多维信息映射到计算机的数字空间中从而生成相应的虚拟世界；虚物实化是指将虚拟世界中的事物对人所产生的各种感官刺激尽可能逼真地反馈给用户；高效的计算机信息吃力包括信息获取、加工、存储、传输等，是实现实物虚化和虚物实化的手段。当前，虚拟现实中最热门的研究主题是分布虚拟现实（简称DVR），DVR的目标是建立一个可供异地多用户同时参与的分布式虚拟环境。位于不同地理位置用户可以不受物理时空的限制，如同进入一个真实世界，通过姿态、声音和文字等在一起交流、学习、训练等，甚至协同完成同一件复杂的产品设计或进行同一艰难任务的演练。可以说DVR是虚拟现实技术和网络技术相结合的产物，它在先进的网络平台上，在较大范围内通过计算机营造了多用户能同时实时交互的虚拟环境。一般由显示器、通信和控制设备、处理系统和数据网络四个基础部分组成。VR和DVR技术在系统仿真领域中应用非常活跃，已成为建立人机和谐仿真系统的关键技术。多媒体仿真技术20世纪90年代初，多媒体技术的涌现和发展使计算机具备了集成处理多种媒体信息的能力，给计算机技术在可视化仿真的基础上更进一步发展提供了契机，近年来，出现了计算机仿真技术与多媒体技术向结合的趋势，在许多仿真系统中开始应用多媒体技术，多媒体仿真由此产生。多媒体仿真是指采用不同媒体形态描述不同性质的模型信息，建立反映系统内在运动规律和外在表现形式的多媒体仿真模型并在多媒体计算机上运行，产生定性、定量相结合的系统动态演变过程，从而获取关于系统的感性和理性认识。多媒体仿真的目标时为了减少人类和技术之间的障碍，它试图通过仿真产生的信息和数据转变成为可别接受的场景图示和过程以辅助人们进行决策。多媒体技术充分利用了文本、图表、图片、2D/3D动画、影像和声音等多种多媒体信息，将可视化、临场感、交互、引导结合到一起，使人机交互方式向自然更靠近了一步。为仿真技术过程及结果增加文字提示、图形图像及动画表现是可视化仿真，与可视化仿真相比，多媒体仿真技术充分的利用了视觉和听觉媒体的处理和合成技术，使得仿真过程中人与计算机的交互手段更加丰富，因此多媒体仿真完全可以替换可视化仿真，它包含了可视化的全部内容。智能仿真技术复杂大系统中涉及到大量的逻辑和推理过程，对于这种系统的仿真研究，传统的建模方法已不能很好的描述它，而基于Agent的建模理论和仿真技术则可以充分利用知识的表示方法和各种学习算法、推理算法的等人工智能的研究成果，是实现复杂大系统的建模和仿真的有效途径之一，目前已成为国内外仿真界的研究热点之一。智能Agent具有自主性、智能性以及通讯和协作能力等特点，并且智能仿真具有学习、推理、规划及辅助决策的能力。基于Agent的建模和仿真技术的基本思想是将复杂系统划分为相应的Agent，每个Agent具有自己的数据、知识、模型以及接口，从研究个体微观行为入手，以自底向上的方式获得系统的宏观行为。基于Agent的建模仿真技术已广泛用于复杂大系统的仿真研究中，美国Sandia国家实验室基于Agent的方法开发了Aspen仿真模型，建立了居民、工业、银行、政府等的Agent模型，并通过这些模型来模拟研究社会经济系统的问题。美国海军分析中心也利用Agent建立类似的系统。建模与仿真的VV&A技术由于仿真时依据形似性原理，用模型替代实际系统进行试验，所以就必然要求对仿真系统特别是系统中的模型的性能、可行度进行评估。进入20世纪90年代后，计算机技术、信息技术、智能技术等迅猛发展并广泛用于仿真领域大大增强了系统的功能和性能，同时也增加了仿真系统校验的难度，迫切需要建立全面有效地VV&A过程和方法。VV&A即校核、验证和确认是指基于建模和仿真的特定应用，对其进行不断增进的评审、分析、评估和测试活动，以提高其可信度，降低其对于用户的风险的动态过程。建模与仿真的VV&A技术是提高仿真可信度的有效途径。1997年IEEE通过了DIS系统VV&A的建议标准，同时仿真模型的VV&A是美国国防部大力推广的一项军事仿真政策。VV&A促进了仿真模型的测试与评估工作，它使对系统模型的评估工作更全面、更深入化、更具体化，大大提高了仿真结果的可信度和可靠性。结束语计算机网络技术信息技术的飞速发展下，系统仿真技术的研究也达到了一个前所未有的高度。仿真作为一门综合性科学，将随着相关技术的深入发展，继续向纵深发展，同时将扩大其综合应用的领域，在国防建设和国民经济建设中发挥更大的作用。如何提高国内仿真技术并将将各种先进的仿真技术应用于国防和经济建设是每一个仿真工作者和工程人员要认真思考的问题。参考资料