1.4 计算机仿真的应用和发展

1.4.1 计算机仿真应用的类型

计算机仿真技术已经被广泛应用于各种工程和非工程领域。通过仿真研究，可以预测系统的特性及外界干扰对系统的影响，从而可以为制订控制方案和控制决策提供定量依据。

根据仿真的应用目的，可以将计算机仿真应用分为系统分析、系统设计、理论验证和人员训练4大类。

1.系统分析

计算机仿真应用于系统分析，可以了解一个现存系统的性能，并提出对系统的改进意见。

2.系统设计

计算机仿真应用于系统设计，可以预测待建或准备改建系统的性能，检验其是否可以达到设计要求。在现代大型系统设计中，往往还需要对多种可能的方案进行比较，以得到最优性能的系统。另外，对建成后的系统，也需要预测参数发生变化时，系统将会发生什么变化，从而决定系统的控制或决策方案。而这些都可以借助仿真完成。

3.理论验证

计算机仿真应用于理论验证，可以检验一些新提出的理论或假说的正确性，揭示这些理论和假说与实际不符或矛盾之处。例如，当一种新的控制算法提出后，通常不能马上投入实际应用，而是在计算机上反复进行仿真，以检验其控制效果。

4.人员训练

计算机仿真应用于训练与教育是其一大特点。现代的交通运载工具（如飞机、火车、汽车、船舶、坦克等）及各种复杂设备和系统（如电站、电网、化工设备等）的操作技术和管理技术越来越复杂，操作失误所带来的经济损失或引起的危险也越来越大。从进行安全训练、提高工作效率及节省能源等诸方面考虑，可以采用训练仿真器来培训操作人员和管理人员。

所谓训练仿真器，就是一种用于对操作人员培训的仿真设备。更明确地说，训练仿真器是采用计算机仿真技术、自动化技术及各种工程技术，将计算机及其他一些设备（如运动系统、光学-视景系统、仪表系统及操作装置等）构成的一种以培训操作人员为目的的仿真系统。它可以逼真地再现（模拟）一个真实的系统，以供培训人员操纵，从而获得在实际工作中的真实体会和经验，也可以在训练仿真器上进行各种试验研究工作。目前，国内外已广泛利用训练仿真器进行人员培训（如汽车、船舶及飞机驾驶训练仿真器，核电站、炼钢厂及化工厂的操作训练仿真器等）。

1.4.2 计算机仿真的优点

计算机仿真的优点主要体现在以下几个方面。

① 如果要对尚处于论证或设计阶段的系统进行研究，由于实际系统并不存在，因而不可能在上面进行试验，解决问题的唯一方法就是仿真。

② 利用仿真技术研究系统，具有经济、安全、效率高等优点。将它应用于系统的分析与设计，可以减少工作中的盲目性，大大提高工作效率，缩短研究周期，节省研制开支。例如，在飞机的设计研制中，单次飞行的成本约为104～108美元，采用仿真方法后仅需成本的1/10～1/5，而且设备还可以重复使用。英法联合研制的“协和号”飞机，由于采用了仿真技术，使研制周期缩短了1/8～1/6，设计费用降低了15%～25%。在系统安装阶段采用仿真技术对系统进行分系统试验、调试，可以大大提高一次试车成功率，并且能够确保安全。利用仿真技术还可以研究系统在各种极端条件或异常情况下的运行状态，而不会产生任何危险。这一点对于诸如核电站等复杂系统尤为重要。对于这一类系统，通常它们均运行在正常工作状态，极少出现故障，因而操作人员平时很少有机会排除设备故障，难以积累这一类操作经验。而一旦系统运行出现异常，如果不能及时处理，就有可能发生危险。采用训练仿真器对操作人员进行培训可以在不冒风险的情况下使操作人员熟练地掌握排除各种故障的操作。

③ 利用仿真技术研究系统非常方便灵活。由于是在模型上进行试验，因而很容易改变系统的结构和参数，还可以避免环境的干扰，很好地控制试验过程，并具有可以重现试验条件、放大或缩小自然现象和过程等一系列优点，便于对系统进行观察和研究。

需要指出的是，计算机仿真尽管具有以上各种优点，但它必须在正确模型的基础上才能进行。而建立系统模型是一项长期的、复杂的，并耗费极大的过程。由于在建模过程中忽略了某些次要因素或者数学模型中没有引入某些重要因素（可能是未知的因素，也可能是难以考虑的因素），会造成仿真结果的失真，这种情况有时可能在所难免。但是有一种情况是应当引起重视的，即有的人在仿真研究时，遇到算不出“理想”结果时，不是去认真分析原因，而是任意给定或修改条件及某些系数来获得一条“漂亮”的曲线。这种情况与做试验时制造假的试验数据是同一性质的问题。这不是在仿真，而是在“造假”。此种现象对人对己均无好处，应当力戒。

1.4.3 计算机仿真的发展与现状

虽然仿真是近几十年以来，特别是在计算机出现之后才迅速发展起来的一门综合性技术学科，但应用仿真技术的一些方法已经有了悠久的历史。我国历史文献上就有关于金代张中彦“手制小舟，才数寸许”的记载，描述了在造船时先制作船舶模型的过程。

仿真学科形成于20世纪40年代。二次大战末期，对火炮和飞行控制动力学的研究，促进了模拟机仿真技术的发展。1946年第一台通用数字计算机的问世及1948年电子微分分析器的研制成功，开创了计算机仿真的新纪元。20世纪50年代中期开始出现了数字仿真，并在以后的一段时间内得到了迅速发展。20世纪50年代末至60年代初，由于导弹技术和航天技术的需要，出现了仿真专用的混合计算机，混合仿真的发展处于领先地位。20世纪60年代至70年代是数字仿真技术和混合仿真技术互相竞争的时期，几乎所有先进国家都建立了混合仿真试验基地。20世纪70年代以后，随着采用超大规模集成电路的微型计算机的大量投入应用，使得计算机的内存容量、计算速度及其他性能有了显著的提高，价格大大降低，从而促进了数字仿真技术的飞速发展。近20多年来，大量适合于在微型机上运行的仿真软件的出现，更为推广和普及仿真技术带来了新的力量。与此同时，基于并行处理的全数字仿真计算机系统也已经面世。目前，全数字仿真已逐步取代了混合计算机仿真。

在计算机出现之前，由于只有物理仿真，仿真附属在其他有关学科中。在计算机问世后，数学仿真中大量共同性技术问题的提出，使得系统仿真逐渐发展成一门独立的学科。随着仿真技术的发展，形成了相似理论，奠定了仿真的科学理论基础。自动控制技术、计算技术、电子技术及系统工程技术的发展为仿真提供了技术支持，促进了系统仿真的发展和应用，并形成了仿真自身独立的技术内容，包括：仿真计算机及仿真系统、仿真方法、仿真软件、仿真试验研究、训练仿真器和仿真基准问题等。目前，国际上有专门的计算机仿真协会（International Associationfor Mathematicsand Computers in Simulation，IAMCS），我国也于1989年成立了系统仿真学会。国内外高等学校的工科专业普遍开设了计算机仿真类课程。

近年来，计算机仿真技术有了许多突破性的进展。当前，仿真研究的前沿课题主要有：以实时仿真为应用背景的并行仿真技术、仿真集成环境技术、仿真过程的自动化和智能化、人机系统仿真中的图像技术和虚拟现实技术、交互仿真技术等。仿真的应用领域不断扩大，已经从航空、航天及国防部门转向冶金、化工、电力及其他工业部门，从工程领域转向生物、生态、经济及管理等非工程领域。计算机仿真技术已经成为一般科技工作者和工程技术人员都可以方便应用的先进试验手段。