計算機仿真技術(shù)及其應(yīng)用

蘇鵬 袁明

摘要：隨著系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的研究和計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域研究和分析的重要方法和手段。著重介紹計算機仿真理論及其發(fā)展和應(yīng)用，并對其伴隨著信息技術(shù)高速發(fā)展的前景進行簡單的分析和展望。

關(guān)鍵詞：計算機仿真技術(shù);系統(tǒng);步驟;仿真應(yīng)用

計算機仿真技術(shù)是一門利用計算機軟件模擬實際環(huán)境進行科學(xué)實驗的技術(shù)。它具有經(jīng)濟、可靠、實用、安全、靈活、可多次重復(fù)使用的優(yōu)點，已經(jīng)成為對許多復(fù)雜系統(tǒng)（工程的、非工程的）進行分析、設(shè)計、試驗、評估的必不可少的手段。它是以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗仿真研究的一門綜合技術(shù)。

1、計算機仿真技術(shù)概述

（一）計算機仿真的基本概念

系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計算機和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗，并借助專家經(jīng)驗知識"統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料對試驗結(jié)果進行分析和研究，進而做出決策的一門綜合性的試驗性科學(xué)。計算機仿真就是以計算機為工具，用仿真理論來研究對象系統(tǒng)的技術(shù)。

（二）計算機仿真技術(shù)的發(fā)展

從歷史上看，計算機仿真大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：1.模型試驗。最原始的仿真思想，其模型試驗是基于物理模型進行的，缺乏柔性和精度。2.數(shù)字化仿真。采用計算機進行分析計算，但是計算結(jié)果表達局限于記錄文件和圖表上，缺乏直觀形象。3.圖像化仿真。采用豐富的圖形圖像技術(shù)來表達仿真結(jié)果。4.虛擬現(xiàn)實技術(shù)。不光采用三維圖形技術(shù)表達計算結(jié)果，而且采用特殊裝置，使人有身臨其境的感覺。

（三）計算機仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來的計算機仿真技術(shù)可能會向如下幾個方面發(fā)展：1.分布式的計算機仿真技術(shù)。這既是數(shù)據(jù)分布的需要，也是用分布式計算環(huán)境進行并行計算并達到實時顯示的手段。2.協(xié)同式的計算機仿真技術(shù)。隨著高速主干網(wǎng)的使用，可以達到高速協(xié)同工作的目的，方便地達到應(yīng)用共享。3.沉浸式的計算機仿真技術(shù)。使用沉浸式的顯示設(shè)備，更有利于用戶對數(shù)據(jù)獲得直觀的感受，有助于結(jié)果的分析。4.基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的計算機仿真技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展會讓計算機仿真技術(shù)更快捷和普及。

（四）計算機仿真的步驟

一般計算機仿真的步驟為：1.建立數(shù)學(xué)模型。 建立數(shù)據(jù)模型主要是通過各種分析方法建立一個特定對象的有限邊界的數(shù)學(xué)模型。這里通常要考慮到特定對象的預(yù)定目標(biāo)和邊界、觀測數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗等因素。2.數(shù)據(jù)模型的程序化。它包括兩個方面的內(nèi)容，即設(shè)計仿真算法及編制仿真程序。目前對于某些特定領(lǐng)域，已能提供面向?qū)ο蟆⒖山换ゲ僮鳌⒕哂凶詣泳幊棠芰退惴◣斓能浖鏑SSL、CSMP、ACSL、DYNAMO等。3.仿真實驗。仿真實驗是系統(tǒng)仿真另一個十分重要的活動，它主要是按照預(yù)先設(shè)置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果。

（五）計算機仿真的關(guān)鍵技術(shù)

目前，計算機仿真計算的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：1.面向?qū)ο蟮姆抡妗Ｆ渲饕峭ㄟ^整個系統(tǒng)的功能設(shè)計和實現(xiàn)歸屬為對象的操作及對象信息的彼此綜合利用來實現(xiàn)，對象間信息的傳送引起了系統(tǒng)的活動。2.分布交互仿真。主要是通過計算機網(wǎng)絡(luò)將分散在各地的仿真設(shè)備互連，構(gòu)成時間與空間互相耦合的虛擬仿真環(huán)境。3.智能仿真。主要是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術(shù)，引入整個建模與仿真過程，構(gòu)造各處基本知識的開發(fā)途徑。是人工智能與仿真技術(shù)的集成化。

2、仿真技術(shù)在電子應(yīng)用開發(fā)中的作用

（一）有助于虛擬測試電子產(chǎn)品電路的特性

仿真技術(shù)的發(fā)展可以與計算機的應(yīng)用有效結(jié)合，通過計算機相關(guān)模擬軟件的操作，可以輕松實現(xiàn)各種電子產(chǎn)品在不同工作環(huán)境中的電路狀態(tài)，通過仿真技術(shù)下設(shè)備參數(shù)的修改進行模擬實驗，很容易就能得出相關(guān)電子電路在嚴(yán)苛條件下工作的參數(shù)結(jié)果，比如借助電子產(chǎn)品的仿真技術(shù)，再輔以計算機算法就能夠得出大電流、高壓、高溫環(huán)境中的電路運行參數(shù)。比如在現(xiàn)實工作中想要實現(xiàn)電路的高壓環(huán)境就有非常大的困難，通過仿真技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計的預(yù)先實驗，可以幫助設(shè)計者提前測試電子產(chǎn)品的電子電路性能與運行，它可以成為電路設(shè)計的重要參考依據(jù)，同時最大程度的減少實驗成本，充分提升企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過程中的效益。

（二）可以加強對電子產(chǎn)品功能進行有效驗證

電子產(chǎn)品的電路系統(tǒng)在設(shè)計完成后，需要針對電路的設(shè)計進行不斷的驗證，通過電子產(chǎn)品的驗證能夠很好的保障電子電路滿足技術(shù)要求，使相關(guān)電子產(chǎn)品的電路設(shè)計更為標(biāo)準(zhǔn)，合理的利用仿真技術(shù)對電子產(chǎn)品的功能驗證，可以有效檢測出電子產(chǎn)品系統(tǒng)的誤差問題，提升電子產(chǎn)品電路系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，仿真技術(shù)對于電子產(chǎn)品設(shè)計完成后的功能檢驗有非常高效的作用，減少電子產(chǎn)品設(shè)計中的誤差問題。同時，對于電路的生產(chǎn)制造，仿真技術(shù)可以為電子產(chǎn)品的質(zhì)量檢測提供高效率的檢測手段，為電子產(chǎn)品的質(zhì)量提供很好的控制，為電子產(chǎn)品的后期維護提供更為便利的維修，縮短電子產(chǎn)品的研發(fā)時間以及提升企業(yè)的生產(chǎn)效益。

3、計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用

計算機仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域，包括聲學(xué)、航天、航海、農(nóng)業(yè)、營養(yǎng)學(xué)、氣象學(xué)、天文學(xué)和天文物理學(xué)、自動裝置、動力系統(tǒng)、軍事應(yīng)用、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、衛(wèi)生系統(tǒng)、化工、采礦、機械制造業(yè)、通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、計量學(xué)等。可以大體將其概括為三大部分，即系統(tǒng)分析與設(shè)計、系統(tǒng)理論研究、專職人員培訓(xùn)三個方面。

（一）在系統(tǒng)分析與設(shè)計中的應(yīng)用

計算機仿真在系統(tǒng)分析與設(shè)計中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：1.對尚未建立起來的系統(tǒng)進行方案論證及可行性分析，為系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。2.在系統(tǒng)的設(shè)計過程中利用計算機仿真技術(shù)可以幫助設(shè)計人員建立系統(tǒng)模型，進行模型簡化及驗證，并進行優(yōu)化設(shè)計。3.在系統(tǒng)建成之后，可以利用計算機仿真技術(shù)來分析系統(tǒng)的運行狀況，尋求改進系統(tǒng)的最佳途徑，找出最優(yōu)的控制策略。

（二）在系統(tǒng)理論研究中的應(yīng)用

計算機仿真技術(shù)為系統(tǒng)理論研究提供了一個十分有利的工具，它不僅可以驗證理論本身的正確與否，而且還可以進一步暴露系統(tǒng)理論在實際應(yīng)用中的矛盾與不足，為理論研究提供新的研究方向。目前，在最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和大系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)控制等理論問題的研究中都應(yīng)用了計算機仿真技術(shù)。

（三）在專職人員訓(xùn)練與教育方面的應(yīng)用

計算機仿真在訓(xùn)練和教育領(lǐng)域中，達到了提高效率、節(jié)約能源及保證安全等積極的效果。例如軍事領(lǐng)域中的虛擬戰(zhàn)場、作戰(zhàn)訓(xùn)練等;航天領(lǐng)域中火箭發(fā)射、航天員訓(xùn)練等仿真實驗;通過計算機網(wǎng)絡(luò)仿真和教學(xué)實驗仿真的仿真教學(xué)等。

4、總結(jié)

計算機仿真技術(shù)是研究分析體統(tǒng)的重要的方法和工具，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，它必定會得到突飛猛進的進步，因為：1.計算機科學(xué)技術(shù)與通信科學(xué)技術(shù)緊密融合、相互滲透，大大加速人類社會信息化進程。在這種大的背景下，作為計算機應(yīng)用一個重要分支的計算機仿真技術(shù)必將得到快速的發(fā)展。2.新型元器件的發(fā)展，體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，以及實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，大大提高了計算機仿真系統(tǒng)的性能價格比，促進了計算機仿真技術(shù)的發(fā)展。3.新技術(shù)將大大提高計算機仿真軟件的功能與性能，解決計算機仿真系統(tǒng)開發(fā)中的軟件瓶頸問題。4.在全球經(jīng)濟一體化的推動下，計算機仿真技術(shù)必將達到產(chǎn)業(yè)化，從而更大地促進其發(fā)展。因此，計算機仿真技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為計算機領(lǐng)域的一塊絢麗奪目的新天地。

參考文獻

[1]劉瑞葉. 計算機仿真技術(shù)基礎(chǔ). 北京：電子工業(yè)出版社，2017.3.

[2]張鋒. 計算機仿真技術(shù). 電腦知識與技術(shù)，2017.9.

[3]黃柯棣等. 系統(tǒng)仿真技術(shù). 長沙：國防科技大學(xué)出版社，2016.

[4]何江華. 計算機仿真導(dǎo)論. 北京：科學(xué)出版社，2014..