面向二十一世纪-发展系统仿真技术

面向二十一世纪，发展系统仿真技术王行仁摘要：介绍了我国仿真技术的发展过程及美国科学局为建立集成的综合仿真环境和仿真系统归纳的五个层次的使能技术。着重探讨了模型的校核，验证与确认，环境仿真，分布交互仿真和虚拟技术等关键技术，最后，结合国外应用仿真技术要解决的难题和我国目前的实际情况，提出了发展系统仿真技术的几点看法。关键词：模型校核；建模；验模；环境仿真；分布交互方真；虚拟技术1概述在纪念中国科协成立40周年大会的主报告中指出：“人类距离新的世纪和新的千年越来越近，新世纪的曙光已经在全球显现，这个曙光就是以空前速度和巨大规模发展的世界科学技术与人类社会对科学技术需求的结合和统一。当各国政治家、科学家用信息时代、生命科学世纪、知识经济等名词来描绘21世纪的根本特征时，无不意味着对科学技术在未来经济社会发展和人类文明进步中所处关键地位的战略思考。在自然科学、技术科学、工程技术的领域里，各门学科在继续向微观和纵深发展的同时，也将从宏观、全局的角度加以综合；在科学与技术之间，各门学科及其分支学科之间，相互交叉、渗透、融合将成为发展的主流，从而使整个自然科学、技术科学、工程技术向综合集成和整体化方向发展，在认识自然界和人的思维规律上达到前所未有的高度”。仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。仿真技术的应用已不仅仅限于产品或系统生产集成后的性能测试试验，仿真技术已扩大为可应用于产品型号研制的全过程，包括方案论证、战术技术指标论证、设计分析、生产制造、试验、维护、训练等各个阶段。仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也应用于由多个系统综合构成的复杂系统。我国仿真技术的研究与应用开展较早，发展迅速。自50年代开始，在自动控制领域首先采用仿真技术，面向方程建模和采用模拟计算机的数学仿真获得较普遍的应用，同时采用自行研制的三轴模拟转台的自动飞行控制系统的半实物仿真试验已开始应用于飞机、导弹的工程型号研制中。60年代，在开展连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统(例如交通管理、企业管理)的仿真进行研究。70年代，我国训练仿真器获得迅速发展，我国自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成一定市场，在操作人员培训中起了很大作用。80年代，我国建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物仿真系统、红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统、驱逐舰半实物仿真系统等，这些半实物仿真系统在武器型号研制中发挥了重大作用。90年代，我国开始对分布交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真。对于国外仿真技术的发展和应用，本文拟引用九十年代初美国国防科学局(DefenseScienceBoard)对建模与仿真的使能技术(EnablingTechnologies)(即应能解决实现的技术)作出的归纳，可以作为我们思考问题的参考。美国国防科学局认为建立集成的综合仿真环境和仿真系统，应解决实现以下五个层次的使能技术。第一层次——基础技术包括：光纤通讯，集成电路，软件工程工具，人的行为模型，环境模型。第二层次——元、部件级技术包括：内存，海量存贮器，显示器，局域网，微处理器，数据库管理系统，数/模/数转换器，建模与仿真构建工具，测试设备。第三层次——系统级技术包括：微计算机系统，远距离通讯/广域网，人-机界面，计算机图像生成系统，高性能计算机系统，仪器装备系统，数据库，协议/标准/保密。第四层次——应用级技术包括：制造过程仿真工程设计建模与仿真，含人仿真系统，随机作战仿真，半自动兵力。第五层次——集成综合环境和建模与仿真工具包括：需求定义，原型机，规划，设计与制造，训练与备战，测试与评估。上述使能技术有些由商业市场解决，有些主要由美国国防部组织解决，如下表所示：商业驱动美国国防部驱动.微计算机系统.远距离通讯/广域网.人-机界面.计算机图像生成系统.高性能计算系统.内存.微处理器.海量存贮器.数据库管理系统.显示器.A/D/A转换器.局域网.光纤通讯.集成电路.软件工程工具.制造过程仿真.工程设计建模与仿真.含人仿真器.随机作战仿真.半自动兵力.仪器装备系统.数据库.协议标准.VVA.多级保密.建模与仿真构建工具.测试设备.人的行为描述模型.环境模型由上表可见，商业产品将提供大部分的硬件和网络能力。为满足军用仿真需求，美国国防部组织解决实现的技术如下表所示：第四层次(应用级)第三层次(系统级)第二层次(元/部件级)第一层次(基础技术)2仿真技术发展和应用中的几个问题探讨下面对发展仿真技术的几个问题，作一些剖析和探讨。1.建模与验模数学模型是仿真的基础。对被仿真的对象或系统，应根据其运动定律、约束条件和物理特性建立数学模型。数学模型是客观世界中客观事物(包括实体、过程、自然现象)的数学抽象和数学描述。数学模型有定性和定量的，可采用微分方程、代数方程、逻辑关系式等表达形式来描述连续系统、离散事件系统或混合系统。数学模型中含有数据(Data)，数学模型中的数据有多种表示形式，例如飞机的飞行速度可以用具体数值表示(如：V=200米/秒)，可以用定性的模糊表示(如：快、中等速度、慢)，可以用数值表格表示(如：飞行速度随发动机推力变化的数据表格)，还可以用单变量或多变量函数表示(如：(V=f(x1,x2,…))。图1数据的表示形式数学模型的正确与否和精确度直接影响到仿真的置信度(Fidelity)。验模过程是对模型的评估过程，有时统称为VVA，它们的含义如下：校核(Verification)——对模型是否正确符合设计要求、算法、内部关系和其它技术说明的一种确定过程。验证(Validation)——根据模型预期的使用目的，对模型是否精确表示了真实世界中客观事物的一种确定过程。确认(Accreditation)——由管理部门根据专家评审和经验，证明模型在特定的应用领域使用是可接受的一种过程。可见，数学模型的建立必须针对特定的应用领域和预期的使用目的。同一客观事物的描述可以建立不同形式和不同精度的数学模型。模型和仿真的评估过程的一般形式如下图所示。图2模型和仿真的评估过程2.仿真系统的分类经常见到不同的仿真系统名称，从不同的角度可以有不同的分类名称。按被仿真对象的性质划分，可分为连续系统仿真、离散事件系统仿真、混合系统仿真；按仿真系统的结构和实现手段不同可分为数学仿真、硬件在回路仿真(半实物仿真)、人在回路仿真、软件在回路仿真；按仿真应用可分为训练仿真和工程仿真；根据虚实结合的程序又可分为构造仿真、虚拟仿真、实况仿真。还可以有其他一些分类方法。其间相对的关系如下表。构造仿真数学仿真连续系统训练仿真虚拟仿真硬件在回路仿真人在回路仿真软件在回路仿真仿真离散事件系统仿真工程仿真实况仿真硬件(包括对象)在回路仿真人在回路仿真软件在回路仿真3.环境仿真我们都熟悉产品要经过高/低温、振动、湿度等环境试验，测试在特定环境下的产品性能。但是仿真系统所要解决的环境仿真有其不同的内容和含义。在半实物仿真系统中，应解决各种探测器、传感器的探测、测量环境的仿真生成技术(图3)，其中包括模拟姿态运动的三轴转台，导引头所需要的目标模拟器，模拟气压变化的动/静压模拟器等。图3半实物仿真系统人在回路仿真系统，要着重解决人的感觉环境的仿真生成技术，其中包括视觉、听觉、动感、力反馈等仿真环境(图4)。图4人在回路仿真系统对于多武器平台对抗仿真系统，战场环境的综合仿真更为复杂，它包括地形地貌、海洋、气象条件、大气、电磁干扰等环境的仿真，这种环境的变化将对能量的传播、图像的成形、武器系统的性能、武器平台的性能、传感器/探测器的性能、指战员的决策和行动等产生影响。综合仿真环境的内容如图5所示。图5综合仿真环境环境仿真应解决两方面的问题：(1)环境仿真模型的建立——环境仿真可以用数值或参数模型来描述，也可以是专门设计的数据库。一般情况下，环境模型是不变的，其数值，或参数，或数据库是预先计算好的。随着实体所在位置的变化，或视点和听点的变化，所感受到的环境是不同的，但环境模型的数值、参数或数据库是固定不变的。有些情况下，例如虚拟战场中的桥梁和建筑物的被毁坏，油田中弹后燃烧形成的浓烟等等，固定的环境模型就不适用了，可以采用动态数据库或动态过程的描述模型来解决。武器平台对抗仿真系统的实现将采用多节点联网的方式，在目前，环境信息通过网络传输到多个节点是不现实的，因此环境仿真模型不能仅仅放在一个节点上，而必须将相同的环境仿真模型分布地放在各个节点上，各个节点上的实体状态、视点听点位置不尽相同，在多个节点表现出的环境应有所不同(但总体上是一个时空一致性的仿真环境。)仿真环境的表现形式有以下几种：.单点/单时——仿真环境固定不变.多点/时序——仿真环境随时序改变.动态变化——仿真环境动态改变环境仿真模型的建立是相当复杂的。它与实体仿真模型一样，要求有一定的置信度。以大气环境仿真为例，其置信度取决于以下因素：.时间分辩率(分、秒).空间分辩率(米、千米)(2)环境效应——环境的变化应对仿真过程和仿真系统中的某些部分产生影响。环境与实体之间的作用是交互的。实体对环境有影响，例如飞机、导弹对机场、桥梁、建筑物的攻击毁坏，推土机挖土后对地形的改变等等。环境对实体同样有影响，例如烟雾将影响能见度和激光波束的衰减，气流将改变飞行器的航迹等等。环境效应是指环境产生的影响，它分以下几种情况：.对能量传播、图像传播的影响.对武器系统性能、武器平台性能、传感器、探测器性能的影响.对环境中其它部分的影响，例如对道路的交通流通量的影响，对地形的影响.对作战人员、操作人员的影响4.分布交互仿真1983年美国国防部的国防高级研究计划局(DARPA)启动了SIMNET(SimulatorNetworking)计划，开始了分布交互仿真技术的研究和应用，当时，主要应用于任务演练、训练、武器评估等军事领域。如今，分布交互仿真技术已应用于交通运输、医疗、娱乐、互联网商业、制造业等其他领域。在SIMNET计划之前，已经有许多类型的训练仿真器，用于训练飞行员、驾驶员、操作员、射击手等的技能，这些训练仿真器性能很好、逼真度高，但造价也很昂贵，而且只能用于单人、单兵训练，解决人-机之间的关系。这些仿真器根据其性能高低，每台价格在100万美元至5000万美元之间。以一台1000万美元的仿真器为例，若按10年运动、每年工作200天，每天工作8小时计算，则每小时的成本将是625美元(其中还没有计算运行费用和维修费用)。而SIMNET网络上的一台仿真器，每训练1小时仅需成本15.6美元。联网仿真的SIMNET更能训练多兵、团组的协同作战，不仅解决人-机之间的关系，更要解决人-人之间的协同关系。联网仿真演练比起实战演习来，其成本低、损伤少、安全保密、演练次数增加、演练方案多变、准备时间短。分布交互仿真(DIS，DistributedInteractiveSimulation)是“采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。”分布交互仿真是仿真器联网的发展。分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器、计算机生成兵力以及其他仿真设备联接为一个整体，形成一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台(飞机、导弹、舰艇、坦克)与环境(地形、大气、海洋)之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响，在DIS的体系结构、数据通讯等方面IEEE已提出一系列标准：IEEE1278-1PDUStandardIEEE127