建模與仿真技術的發展及其展望

卞雪卡

“仿真”一詞最早出現于20 世紀50 年代，并與計算機一詞共同使用，當時被稱為計算機仿真。 90 年代初，美國國防部將“計算機仿真”更新為“建模與仿真”來強調建模的重要性。經過幾十年的發展，仿真技術已經日漸成熟，并經常用于解決各個學科中比較復雜的問題。 建模與仿真作為一種應用愈加廣泛的技術，對社會經濟及各行業的發展具有重要意義。

一、建模與仿真的概念

IEEE 建模與仿真術語匯編標準將仿真定義為一種給定輸入下表現為既定系統的模型。 軍事仿真術語中對仿真的定義如下：按時間實現一個模型的方法，習慣上特指運行模型以展現被表示系統特性時域變化的方法、過程或系統。 軍事仿真術語中定義了建模與仿真的概念如下：建立模型并通過靜態地域隨時間的運行模型(包括仿真器、樣機、模擬器、激勵器)產生數據，以此支持訓練、研究和管理或技術決策的活動。是一種分析問題與解決問題的途徑。 術語“建模”“仿真”通常可交換使用。

二、建模與仿真的分類及其工具

(一)分類

建模與仿真技術大致可分為離散事件仿真、連續事件仿真、基于Agent 的仿真這三大類。

IEEE 建模與仿真術語匯編標準對離散事件仿真的定義如下：離散事件仿真是利用離散事件模型的仿真。 而離散事件模型主要滿足以下兩個條件：首先，數學模型或者概念模型的輸出變量只取離散的值，即從一個值變為另一個值，中間沒有中間值。 另外，系統模型是以離散行為運行的。 連續事件仿真則與其相反，連續事件仿真是基于連續事件模型的，它的數學模型或者概念模型是以連續行為運行的，且輸出變量的取值是連續的。 Agent 意為主體，基于Agent 的建模與仿真(agent based modeling and simulation，ABMS)起源于 20 世紀 60～90 年代Holland 的生物學思想，在其后續著作中將ABMS 深化為復雜適應性系統理論。 基于多 Agent 的建模仿真方式通過計算機技術，在多主體仿真平臺上模擬出復雜適應系統的演化方程，給系統的研究提供了直觀和可視性的實現方式。

(二)工具

隨著建模與仿真技術的發展，相應的仿真工具應運而生。根據研究的對象系統的不同，需要選擇不同的仿真軟件。 下面對已有的仿真軟件進行了整理，可供仿真人員選擇和參考。

1.Auto Mod

Auto Mod 是一款3D 仿真軟件，適用于離散事件系統，需要仿真人員具有一定的編程基礎。 主要應用行業為：鋼鐵與鋁材、航空航天、汽車、倉儲與配送、制造、機場/行李處理、運輸、半導體、物流、包裹與信件處理等。

2.Extend

Extend 支持2D/3D，是一款比較容易上手的軟件，支持連續事件系統的仿真。 主要應用行業為鋼鐵物流運輸調度；供應鏈庫存管理；港口運輸；生產設備效能分析；生產線效率優化等。

3.AnyLogic

AnyLogic 操作界面簡單明了，自帶標準庫、行人庫、軌道庫、物料搬運庫；支持自行設計，支持連續事件仿真，主要應用行業為供應鏈、交通運輸、倉儲運作、鐵路物流、礦業、石油＆天然氣、道路交通、客運樞紐、生產制造、醫療等。

4.Flexsim

Flexsim 直觀易學，二次開發需要編程基礎，適用于離散事件仿真，主要應用行業為制造業、物流業、交通運輸、汽車、煙草、港口等。

除上述幾款仿真軟件外，還有 Demo3D、Witness、eMPlant、Arena、RALC 等，仿真人員需要根據對象系統的不同，選擇合適的仿真軟件，才能事半功倍。

三、建模與仿真的發展趨勢

(一)大數據、數據驅動的仿真

20 世紀80 年代，Frederica Darema 博士通過仿真以及測量技術在石油開采的輻射計算中最早產生了動態數據驅動的應用系統(dynamic data driven application system，DDDAS)思想。隨著大數據的快速發展，應用DDDAS 思想的仿真將成為未來仿真發展的一大趨勢。

許正昊等學者在研究DDDAS 時，總結了DDDAS 仿真的幾大優勢。 DDDAS 仿真的精度更高，這是其相較于傳統仿真的一大優勢，對于一些復雜的、參數較多的、非線性系統，DDDAS 仿真能夠提高仿真的精度，進而提升仿真的分析與預測能力；DDDAS 的范圍更廣，一是時間范圍，能夠實時控制，二是涉及多種學科；DDDAS 仿真的結構不同，與傳統仿真的開環結構不一樣的是DDDAS 仿真將仿真系統和真實系統連接成一個閉環系統，真實系統與仿真系統之間相互影響，能夠動態控制真實系統；DDDAS 仿真的效果不同，傳統仿真是仿真系統的結果分析影響真實系統，而DDDAS 仿真的效果是雙向的。

DDDAS 仿真符合仿真的發展方向的應用需求，在非線性、復雜的動態系統中有很廣闊的應用前景。

(二)混合仿真

IEEE 建模與仿真術語匯編標準對混合仿真的定義如下：一種部分設計為在仿真系統上執行，部分設計為在數字系統上執行，兩部分之間的交互可以在執行期間發生的仿真。 在混合仿真中，關鍵問題是對兩類不同的計算機合理地分配任務和恰當地選擇幀速。

任務的分配主要取決于任務的性質和對精度、速度的要求。 幀速的選擇原則是：①根據采樣定理，包含干擾在內的信號最高有效頻率必須小于采樣頻率的一半；②由于時間延遲和零階保持造成的幅度和相位誤差必須限制在允許范圍之內；③數值計算的截斷誤差對被仿真的系統來說應減小到可以忽略的程度。 混合仿真方法在航天、航空、核能、電力、化工等復雜的動力學系統仿真中獲得廣泛的應用。 它比模擬仿真具有更高的精度，比數字仿真具有更高的速度；不僅可實現實時仿真，而且可以完成超實時仿真。 混合仿真方法主要用于實現數字控制系統混合仿真、連續系統參數尋優和連續系統混合仿真。

(三)數字孿生

2002 年格里夫斯(Grieves)首次提出“PLM 的概念暢想”，之后提出“鏡像空間模型”“信息鏡像模型”并在《虛擬完美：通過產品生命周期管理推動創新和精益產品》中提出數字孿生的概念。 林雪萍學者在研究數字孿生時提出數字孿生是現實世界中物理實體的配對虛擬體。 數字孿生是基于高保真的三維CAD 模型，它被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統、機器運動機理等。 它一般儲存在圖形數據庫，而不是關系型數據庫中。 最值得期待的是，數字孿生也許可能取代昂貴的原型。 因為它在前期就可以識別異常功能，從而在尚未生產的時候，就可以消除產品缺陷。

四、建模與仿真面臨的挑戰

雖然建模與仿真技術發展迅速，但其工程應用質量參差不齊，與發達國家仍存在一定的差距。 Joseph 指出仿真分析失敗的七個原因，導致了沒有實現高質量仿真工作的目標。Stewart 探討了通過質量方法降低仿真項目失敗的風險。Michael 也提出在建筑設計上仿真方式存在的各種問題降低了預測與現實之間關系的清晰度。 因此，建模與仿真實施質量在仿真研究中至關重要。 未來建模與仿真面臨的挑戰之一就是建立一個規范的仿真管理體系，來提高仿真工程實踐質量。

五、結束語

建模與仿真技術的發展給各行業帶來利益的同時，其本身的發展也存在諸多問題，這就需要建立一個規范的仿真質量管理體系，約束仿真人員的行為，便于管理者的管理，以全面提高建模與仿真工程實踐質量。