系统仿真技术

系统仿真技术

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，分布交互仿真等关键技术.

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

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。

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(Defense Science Board)对建模与仿真的使能技术(Enabling Technologies)(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：

2仿真技术发展和应用中的几个问题探讨

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。

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。

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。

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)。

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。

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.

(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(Simulator Networking)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，