建筑工程系統仿真的概念

吳興華

仿真是一種模仿行為,是將所研究的對象用其他手段進行模仿的一種技術.當采用這種方法研究問題時,并不直接研究對象本身,而是先設計一個與研究對象相似的模型,然后通過模型來間接地研究對象。早在幾千年前,我國就有了系統仿真的思想,因此,軍事演習就是對實際作戰過程的模仿或仿真。

在建筑工程領域中,仿真的應用由來已久且很廣泛。例如,古代的房屋屋頂多為桁架結構,為了滿足桁架結構幾何形狀的要求,桁架中的每一根木料都要有確定的長度要求。如何確定每根木料的長度,對現代人來說這是非常簡單的問題。但在古代科學尚不發達的情況下,解決的辦法是在地面上按實際尺寸的一定比例模擬制作一個屋頂,量出模擬屋頂上的一根木料的長度,再按比例放大,即可得到實際木料所需的長度。這是一個很典型的構造模型并通過實驗從而獲得系統特性的仿真實例。

物理仿真具有形象、直觀、便于類比等優點,但由于其本質上是用實物仿真,因而存在著速度慢、精度低、價格昂貴等致命弱點。如果這種仿真實驗是破壞性的,那么每次仿真實驗都要重新構造實物模型,帶來很大的麻煩和浪費。自從20世紀50年代以來,由于計算機技術和仿真理論與方法的發展,出現了一種新的科學方法——計算機仿真,把仿真技術推向了一個新的階段.

所謂系統仿真是根據研究的系統構造一個能描述真實系統結構和行為的、用邏輯流程圖的形式表示的仿真模型,然后用計算機來運行仿真模型,模仿實際系統的運行及其隨時間變化的過程,并通過對仿真運行過程的觀察和統計,得到被仿真系統的參數和基本特性,以此來測算實際系統的真實參數和性能。例如某城市擬興建一個賓館,為了預測投資回收期,可對賓館建成后的經營條件建立相應的仿真模型,通過計算機仿真運行,得到賓館實際經營的各項指標和年稅利,從而預測出投資回收期,為有關部門提供投資興建的決策依據。

計算機仿真目前已在工程技術、科學試驗、生產管理、軍事領域、財政金融甚至社會科學等領域得到了廣泛的應用。計算機仿真所以能得到越來越多的應用,主要具有以下優點:

1.對于復雜的、具有多個隨機因素的系統,要用數學模型來作精確的描述往往是十分困難的.或者雖然能建立相應的數學模型,但無法求解。但系統仿真則可以根據系統內部的邏輯關系和數學關系,面向系統的實際過程和系統行為構造仿真模型,從而能得到復雜隨機系統的解.這是系統仿真能得到廣泛應用的最基本原因。

2.能模擬運行無法實施的問題。實際中有許多問題無法通過付諸實施來進行研究,如預測問題就是這一類問題的代表性例子。如前述,要預測擬建賓館的投資回收期,我們無法對尚未興建的賓館實際經營一段時間,來取得確定投資回收期的有關參數.但我們可以參考已建類似賓館經營情況,建立一個仿真模型,通過計算機仿真運行,獲得確定投資回收期的各項參數而預測出投資回收期。又如要研究某地區發生某地震烈度的地震時,對建筑物的破壞程度等,也可以用計算機仿真地震烈度、仿真人工地震波來預測對建筑物的影響.

3.可以進行大量方案的比較和選優。在一項新的系統設計中,由于各種設計參數的變化,會存在大量的備選方案,若用人工方法把全部方案都算出來進行比較,其工作量之大將是無法實現的。

4.可模擬有危險和風險的現象.在建筑業中主要有兩類風險,一類是技術風險,如要延長某建筑物的使用期限,風險有多大,另一類是經濟風險,如工程項目的投資風險、工程投標風險、國際工程索賠風險等等.對一項大型工程項目的投資,一旦失敗,將會遭到巨大的經濟損失。對這一類問題,可構造系統仿真模型,進行仿真試驗,然后作出決策。在西方國家用計算機仿真進行投資風險分析,已得到迅速的發展和應用。

5.可模擬無法重復的現象。大型建設工程項目,如港口、鐵路、機場等,一旦建成后,若發現有問題,要再改建或重建,需花費大量人力物力.對這類問題可用計算機仿真,使無法重復的現象在計算機上反復地重演,從而避免不可挽回的損失。

6.可模擬成本過高的現象。一個新產品的研制,往往要做大量的試驗。建筑工程中設計一個新的結構或構件要做很多破壞試驗.如為研究一個新型結構而做的抗震性能試驗,其工作量是很大的。如用計算機仿真去代替某些物理試驗,將會節省大量人力物力。

7.系統仿真直接面向問題的特點,使仿真模型與實際系統具有形式上和內容上的對應性和直觀性,避免了建立抽象的數學模型,從而顯著簡化了建模過程。

利用計算機仿真技術,敵我雙方不費一槍一彈,可以展開一場激烈的“戰斗”。房屋建造起來以前就可以使其經受地震的考驗,一個賓館興建前就可以讓其經營一段未來的時間而預知年稅利有多少,建筑工程項目中標后能預知風險有多大等等。利用計算機仿真試驗進行系統設計,投資少、周期短.據統計可節省產品研制費用40%左右,可縮短產品研制周期30%～40%。

仿真技術也并非無所不能,十全十美。從數學的角度看,計算機仿真是一種沒有辦法的辦法.如果某個問題或系統能夠應用解析的數學方法構造出數學模型,那也就沒有必要應用計算機仿真,而且仿真技術還存在一些固有的缺點:1.系統仿真本身不具有優化功能,每次仿真實驗只能得出一個可行解,如要獲得問題的最優解或滿意解,往往要做多次仿真實驗,具有枚舉法的弱點。2.系統仿真往往需要對仿真模型進行大量獨立、重復的仿真運行,需要占用較大的內存和耗費較多機時。3.仿真構模是直接面向問題的建模過程,對于同一個實際問題,由于構模人員素質的差異或對問題的了解和理解不同,會構造出不同的仿真模型,其仿真結果自然也就不同。

以上缺點雖然是仿真本身的性質所造成的,但是隨著計算機科學(包括硬件和軟件)的發展和系統仿真理論的深入研究,這些問題將得到不同程度的改善。隨著計算機內存的擴展和運算速度的加快,仿真需用機時將會減少到可以接受的程度.由于近年來大量優秀仿真軟件相繼開發,把系統仿真與優化技術相結合的優化軟件已經出現,從而可以在仿真的環境下同時進行優化處理.此外,由于仿真理論的發展,在仿真模型代表性方面,近年來已從統計學角度提出了仿真模型確認理論,從而使仿真模型從非精確性逐步向精確性過渡。□

(編輯/丹桔)