浅谈计算机仿真

作者周文杰

（石河子大学信息科学与技术学院，新疆，石河子，832003）

摘要

据最新统计资料表明，计算机技术是当前应用技术最广泛的技术之一，虚拟现实已成为最广泛的话题之一。研究、应用计算机仿真技术已成为一种时尚。计算机仿真技术已从航空航天、核技术等高新技术领域向国民经济各个领域发展，从军事、国防等部门向民用部门发展，从自然课科学领域向社会科学领域发展，从高校、研究机构向厂矿、企业、等生产第一线发展。随着我国两弹一星、载人航天、等高尖技术的发展，我国以进入世界上几个拥有此类技术的国家行列，我国也有望成为世界上仿真技术大国。因此，宣传、普及计算机仿真技术是非常必要的。

关键词：关键词：计算机技术，虚拟现实，计算机仿真技术。

According to the latest statistics show that computer technology is the application of the technology one of the most extensive, virtual reality has become one of the most wide-ranging topics. Research and application of computer simulation technology has become a fashion. Computer simulation technology from the aerospace and nuclear technology in the field of high and new technology to the development of the national economy in all fields，From the military, national defense and other departments to the civilian sector development, lessons from the natural sciences and social sciences to the area of development, from colleges and universities, research institutes to factories and mines, enterprises, such as the development and production. 溢价能力Along with two bombs and one satellite, manned space flight, such as sharp technology, in order to enter our country in the world have a number of such technology ranks of our country is also expected to become the world's major powers simulation technology. As a result, propaganda, popular computer simulation technology is essential.

1. 计算机仿真发展历史

仿真模拟方法可以追溯到纯化水微生物限度1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名发表论文时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。

与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。

高性能计算机的出现为计算机仿真的发展创造了条件，同时计算机仿真的需求又促进了高性能的计算机的发展。计算机仿真的发展历史就是计算机的发展历史。巨型机几乎都被用于模拟实验。

总之，计算机模拟实验已经不单单是一个方便的研究手段，它已经成为发现新世纪的新的认知手段，而且这个新世纪是没有这个新手段就不能发现的。

如今计算机仿真技术被广泛用于众多的领域之中。进入21世纪，仿真模拟技术在高科技中所处的地位日益提高。一些发达国家，非常重视仿真模拟技术的开发运用，在科学研究领域、工业、交通、军事、教育等领域得到大量应用。

2. 仿真的定义和分类

2.1仿真定义

计算机仿真技术是以数学理论、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。

仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。

系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一

门综合性的和试验性的学科。

2.2仿真分类

根据被研究系统的特征可分为来那个大类：系统仿真可分为连续性系统仿真和离散事件系统仿真。

按仿真实验中的所取的时间标尺与自然时间标尺之间的关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。

按照参与仿真的模型的种类不同，系统仿真又可以分为物理仿真、数学仿真及物理-数学仿真。

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从仿真的定义不难看出，要进行仿真实验，系统和系统模型是主要因素，同时对复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置，而现代的计算机又责无旁贷地充当了这一角，所以系统仿真应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三项要素的基本活动是模型建立、仿真模型建立和仿真实验；

定义中的模型可以使定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是数学的，或者是他们的综合。要对某一系统进行研究，其“白”部分，可以建立定量的解释模型；灰“部分”可以通过做实验、观测和归纳推理获得其模型结构，并根据专家经验知识来辨别参数；而对于“黑”部分则只能借助与各种信息知识给予定性描述。

2.2.1 2012中国肿瘤登记年报物理仿真

物理仿真又称为物理效应仿真，是指按照实际的物理学系统性质，构造系统的物理模型，并在物理模型时进行实验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便，尽

管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需要花较大的投资，且周期较长，此外在物理建模上做实验不易修改系统的结果和参数。

2.2.2 数学仿真

数学仿真是首先建立系统的数学模型，并肩数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真有仿真系统的软件及硬件环境、动画与图形显示、输出与输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检测理论设计的正确性与合理性。数学仿真有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软件的发展，数字仿真必将获得飞速发展。

2.2.3 数学-物理仿真

数学-物理仿真有叫半实物仿真，准确称谓是硬件在回路中的仿真。这种仿真将系统的部分以数学模型描述，并将它转化为仿真计算模型；另一部分以实物引入仿真回路。该仿真有一下特点：

（1）原系统的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真很难进行或难以取得理想效果。在半实物仿真中将不易建模的部分用以实物代之参与仿真试验，可避免建模的困难。

（2）利用半实物建模可检验系统建模的正确性和数学仿真结果的准确性。

（3）利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些食物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统的性能指标，准确调整系统的参数和控制规律。在航空航天、武器系统的研究领域，半实物仿真是不可少的重要手段。

3 需求牵引技术推动

3.1 相互推动

计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。

“需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。

计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。

计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。采矿与安全工程学报

3.2 仿真计算机

仿真计算机是指运行仿真对象模型的计算机，根据仿真应用的需求，仿真机可以用通用计算机，也可以设计专用的仿真计算机。

从满足仿真应用领域的要求以及数字仿真机自身发展的规律，仿真机发展主要集中在三各方面。

（1）满足实时的纯数字仿真和半实物仿真需求的高性能数字仿真机。高性能主要突出在处理速度和实物接口方面。

（2）满足多系统综合仿真需求的分布集式网络方针及系统。

（3）满足包括人参与仿真需求的虚拟仿真计算机系统。

3.3 人工智能计算机

一个国际研究小组研制成功了世界上首台“人工智能计算机”。这种计算机不仅能从事实验，还能设计研究项目，并对研究结果进行分析。这个研制项目的成功被认为是人工只能领域的一项重大突破。在人工智能领域，计算机的智慧与开发这种计算机的人的智慧不相上下。这是第一次有人将一种全新的系统同机器人结合在一起，这种机器人能在实验室里对实验进行操作，这种能力用更加广泛的应用。

4.仿真软件

4.1 仿真软件的应用和定义

仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为

这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。

4.2 仿真软件的构成

仿真软件包括仿真程序和仿真语言，其中仿真程序是仿真软件的初级形式，是仿真软件的基本组成成分。仿真程序用于某些特定问题的仿真，可提供许多算法；仿真语言则为用户提供更多的仿真语言，适用于不同领域的多系统的仿真。仿真程序与仿真语言比较如下：

表4.1 仿真工具比较

性能	仿真程序	仿真语言
通用性	差	好
编程难易程度	困难	方便
功能	弱	强
程序灵活性	差	好
对存储容量要求	低	较高
程序执行时间	短	较长