现代建模与仿真技术的新发展

为特征的现代化方向发展。该文给出对现代建模与仿真技术的含义及其技术体系的认识，并从建模技术、建模与仿真支撑
系统技术和仿真应用技术等多个层面概述了我国建模／仿真技术研究与应用的主要进展及我国的建模与仿真教育，最岳给
出几点结论。
关键词：建模与仿真技术；复杂系统仿真；人工智能；仿真网格；虚拟样机工程
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中圈分类号：ＴＰ３９１ ９
摘要：半个多世纪来，建模与仿真技术在各类应用需求的牵引及有戈学科技术的推动下，已经发展形成了综合性的争业技术
体系，井迅速地发展为一项通用性技术。它与高性能计算（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏ～ｎｃｅ Ｃｏｒｎｐｕｔｉｎｇ）一起，正成为继理论研究和实验研究
之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。目前，建模与仿真技术正向“数字化、虚拟化、网络化、智能化，集成化、协同化”
仿真应用技术包括共性应用技术及应用领域有关的专 用仿真应用技术。其中，共性应用技术涉及系统的ＶＶ＆Ａ技 术、仿真运行实验技术、仿真结果的评估技术等；应用领域有 关的专用仿真应用技术涉及科学与工程、社会科学、管理科 学、生命科学及军事等各领域有关专用仿真应用技术。例 如，科学与工程领域中的制造领域仿真应用技术涉及产品研 制各阶段有关的仿真技术，包括虚拟产品及其在虚拟环境中 功能、性能、行为、外观的仿真技术和对其成本、加工、制造过 程，直至使用、报废的仿真分析技术；以及企业层次的企业建 模（包括结构、资源、过程、供应链等），战略决策分析．市场评 估分析，风险、效益评估．质量成本分析等仿真技术。限于篇 幅，其它领域仿真应用技术不再一一论述。
３我国建模／仿真技术主要进展与教育【１ ｏ
３ １我国建模与仿真技术主要进展 自二十世纪五十年代以来．我国非常重视建模与仿真技
术的发展并在许多领域的系统规划、分析、设计、实施、运行、 维护、管理及人员训练等方面发挥了重要的作用，随着建模 与仿真应用领域的不断拓展，我国正形成“以应用需求牵引 建模与仿真系统开发、以建模与仿真系统带动建模与仿真技 术突破、以建模与仿真技术促进建模与仿真系统发展、将建 模与仿真系统又服务于应用”的良性循环。下面从建模与仿 真的技术体系的几个方面介绍我国近十年来取得的主要成 就及当前与进一步的研究开发和应用工作。
下文给出我们对现代建模与仿真技术的含义及其技术 体系的认识，概述我国的建模／仿真技术研究与应用的主要 进展和我的建模与仿真教育，研究当前建模与仿真技术研究 与应用的几个热点问题，最后给出几点结论。
２现代建模与仿真技术的含义及其体系
２ １现代建模与仿真技术的含义 现代建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技
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面，中国启动了“中国虚拟人 计划”。其中，尤其在复杂系 统建模技术、智能系统建模 技术和基于ＡＩ的建模技术、 环境建模技术、（各类）定性 建摸技术、人体建模技术等 方面取得了重要的进展。目 前，正发展定性与定量组合 的实体建模技术；“中国虚拟 人计划”及计算机生成兵力 等人体建模技术；分布、复 杂、综合环境建模技术；具有 可重用性的建模技术及概念 模型建模技术等。
合计算机系统（如Ｍ６系列）、全数字并行 仿真计算机（如银河系列）。目前，我国 已研制成功万亿次以上的全并行超级计 算机，用于大型科学计算和系统仿真应 用，典型的产品如“曙光”（如图７）、“联 想”系列（如图８）等。近十年来，基于 ＲＩＳＣ技术及并行计算机技术的飞速发 展，配有面向问题仿真软件的通用高性 能微机、工作站及并行机已成为仿真机 的主流。目前，随着高性能计算与网络 （Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋ· ｉｎｇ，ＨＰＣＮ）技术的发展与应用，正研制支 持分布建模与仿真的基于网络机群的分 布计算环境。
１）建模技术近十年来得到不断的发展和丰富，建模技术 已从对实体的建模，发展到对环境的建模和对人类自身行为 的建模。具有代表性的研究成果有：在实体建模技术方面开 展了相似理论及其技术体系的研究，各类机理和辨识建模技 术的研究以及面向对象建模、协同建模、基于元模型的建模、 基于知识的建模、基于组件的建模、基于ｗｅｂ的建模、多分辨 率建模和多视图建模、多模式（Ｍｕｌｔｉ—ｐａｒａｄｉｇｍ）建模等技术 的研究与应用；此外，在系统高层建模技术、任务空间概念模 型建模技术及其模型的重用与互操作技术方面也取得一系 列研究成果。在环境建模方面，进行了基于ＶＲ、基于图形、 基于图象和基于图形／图象相结合的复杂虚拟环境的建模技 术的研究，开发了相关的复杂分布虚拟环境。在人体建模方
术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基 础．以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为 工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设 计、加工生产、试验、运行、评估、维护和报废（全生命周期）活 动的一门多学科的综合性技术。 ２ ２现代建模与仿真技术体系
经过半个多世纪的发展，现代建模与仿真的源自文库术体系日 趋形成。宏观地看，现代建模与仿真的技术体系由建模技
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ＭＭＳＥ；一体化建模仿真环境如ＩＰＳＯＳ，ＩＭＳＥ；分布仿真运行支 撑平台如ＲＴＩ；复杂并发分布仿真工程的支撑平台如ＣＯＳＩＭ （如图３）；基于多媒体与虚拟现实技术的仿真环境如综合仿 真环境；定性仿真环境如ＧＳｌＭ；基于人工智能的仿真环境如 ＥＭＭＳ等。目前，正研究基于知识、网格计算环境下的仿真网 格支撑环境。
收稿口期：２００３—０８—２５
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术、建模与仿真支撑系统技术，以及仿真应用技术为核心构 成，如图１所示。
从被建模系统类型分，建模技术包括人体建模技术、环 境建模技术和实体建模技术。其中，人体建模技术主要涉及 模拟人体器官组织和人体在外界物理刺激下反应的人体物 理建模（如外表、功能、性能和行为等）；环境建模技术主要解 决环境仿真模型的建立问题（如地形／地貌／海洋／大气／空间 ／电磁环境等）；实体建模技术涉及工程与非工程领域各类 实体的建模技术。按建模技术分类，建模技术包括机理建模 技术、辨识建模技术、面向对象建模技术、多视图建模技术、 数据可视化建模技术和多媒体建模技术等。其中，典型的机 理建模技术如用微分方程、差分方程、代数方程描述线性月Ｅ 线性、连续／离散、确定／随机、集中／分布、定常／时变、存储／ 非存储等连续系统建模技术；面向活动、面向事件、面向进程 等离散事件系统建模技术；神经网络、模糊神经网络、智能代 理、本体论等智能系统建模技术等；典型的辨识建模技术如 最小二乘、极大似然、结构辨识、模糊辨识等；典型的面向对 象建模技术如ＵＭＬ、ＨＬＡ／ＯＭＴ等；典型的多视图建模技术如 Ｐｅｔｒｉ网、Ｂｏｎｄ图、ＩＤＥＦ等。典型的数据可视化建模技术如标 量／矢量／张量．动态数据场／流场，多参数数据场可视化建模 技术等。典型的多媒体建模技术如声音、图形／图象建模技 术等。
③仿真器 自七十年代以来，中国相继研制成功飞行训练模拟器 （如图４），电站仿真器（如图５），化工过程培训仿真器（如图 ６），以及船舶驾驶仿真器、机车训练仿真器等。近年来，采用 ＶＲ／多媒体、分布仿真及ＷＥＢ等先进技术，使我国仿真器的 研制水平得到进一步提高，并在化工、航天、航空、电力、船 舶、制造、军事等领域得到进一步应用。目前，正研究面向更 广应用领域的、采用ＶＲ和ＤＶＥ先进技术、高眭能、协同、联 网的模拟器。 ④仿真计算机白５０年代以来，我国相继研制和生产ｒ 多种型号的模拟计算机（如Ｍ２系列）、混合模拟计算机及混
２００３全国仿真技术学术会议论文集
现代建模与仿真技术的新发展
李伯虎１，柴旭东２，杨明３，王行仁４．王正中５
（１航天科工集团二院．北京１００８５４１２北京仿真中心，北京１００８５４；３哈尔滨工业大学．黑龙江哈尔滨１５０（３０ｌ： ４北京航空航天大学，北京１０００８３；５北京信息与控制研究所．北京１０００３７）
２）建模与仿真支撑系统 技术
如上所述，建模与仿真支 撑系统是支持优质、高效完成 系统建模、仿真实验与仿真结 果分析评估等活动的重要手 段。在应用需求的牵引与相 关技术（特别是信息技术）的 推动Ｆ，我国建模与仿真支撑 系统的研究与开发已取得长 足的进步，主要表现在下列几 个方面。
①仿真算法 仿真算法在数字仿真过 程中起着核心和关键作用。 对仿真算法研究包括线性代 数的并行算法、常／偏微分方 程的并行算法以及常微分方程的串行方法的研究；离散事件 仿真算法的研究；定性系统仿真算法的研究；实时仿真算法 的研究；并行算法中的算法复杂性、稳定性与容错性以及异 步并行算法中的收敛性的研究等；目前，正研究包括复杂条 件下的实时仿真算法及其有关的理论研究；分布式系统的实 时仿真算法；定性仿真的算法研究和各类大系统并行算法的 构造、理论及其并行效率研究等。其中并行系统算法的效率 将是并行仿真计算机发展中的关键课题。 ②仿真软件／环境 我国仿真软件的发展经历了通用程序设计语言、仿真程 序包及初级仿真语言、高级完善的商品化仿真语言、一体化 （局部智能化）建模与仿真环境、智能化建模与仿真环境和支 持分布交互仿真的综合仿真环境等阶段。有代表型的连续／ 离散事件仿真语言如１ＣＳＬ和ＩＨＳＬ；Ｏ—Ｏ建模仿真语言如 ＩＣＳＬ＋＋（如图２）；嵌人式仿真软件如ＦＣＳ；并行仿真软件如 ＹＨＳｉｍ；可视化建模环境如ｌＥＡＳ；多媒体建模仿真环境如
建模与仿真支撑系统技术涉及系统总体技术、建模／仿 真实验／评估工具引擎技术、ＶＩＩ／可视化技术、集成框架／平台 技术、中间件／网格中间件技术、模型库／知识库技术、仿真计 算机技术等。其中，总体技术涉及规范化体系结构和采用的 标准、规范与协议，系统集成技术和集成方法（典型集成技术 如基于ＨＬＡ标准的全生命周期建模仿真工具的互操作与集 成技术等），以及系统运行模式等。工具引擎技术涉及支持 复杂仿真工程全生命周期各类活动、面向问题的建模／仿真
朗ｌ现代ｔ模与仿真技术体系
实验／评估算法、程序、语言、环境及工具集。ＶＲ／可视化环境 技术包括计算机图形生成技术、多媒体技术、ＶＲ技术、人机 交互技术等；典型的集成平台／框架技术如基于ＨＬＡ的协同 仿真平台技术，综合仿真环境技术；典型的中间件技术如 ＣＯＲＢＡ／ＣＯＭ／ＤＣＯＭ／Ｒ１１／ＸＭＬ技术，以及下一代网格中间件 技术等。模型库／知识库技术涉及到关系／面向对象等数据 库技术，分布式数据库、主动数据库、实时数据库、演译数据 库、并行数据库、多媒体数据库等建立与管理技术，数据／知 识的挖掘技术，数据／知识仓库技术，实时／分布模型库技术 等。仿真计算机包括适合于仿真的各类个人计算机、大／中 型机、并行机及基于Ｉｎｉｅｖａｅｔ／ｗｅｂ／网格技术的网络计算系统。
３）仿真应用技术 在我国，对仿真共性技术的研究已
图４飞行训练模拟器
越来越引起重视，仿真技术应用已拓展到各个应用领域，尤 其在近十年，仿真应用技术正向应用于系统的“全系统”、“系 统全生命周期”、“系统全方位”方向发展。
①共性技术 ＶＶ＆Ａ技术（即系统模型的校核、仿真模型的验证以及仿 真结果的认可技术）已成为复杂系统建模与仿真技术中的重 要课题，并从局部、分散的研究向实用化、自动化、规范化、集 成化，以及面向仿真工程全生命周期的ＶＶ＆Ａ系统发展。近 年来，仿真模型ＶＶ＆Ａ已经广泛应用于多个仿真系统的开发 中，特别是对分布交互仿真系统ＶＶ＆Ａ与可信度评估研究· 使仿真模型校核与验证上升到了～个新的高度。在系统运
文献标识码：Ａ
１引言 半个多世纪来，建模与仿真技术在各类应用需求的牵引
及有关学科技术的推动下，已经发展形成了综合性的专业技 术体系．并迅速地发展为一项通用性、战略性技术。目前，建 模与仿真技术正向“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、 协同化”为特征的现代化方向发展，并已成功地应用于航空、 航天、信息、生物、材料、能源、先进制造等高新技术和工业、农 业、商业、教育、军事、交通、社会、经济、医学、生命、娱乐、生活 服务等众多领域。人们认为，建模与仿真技术与高性能计算 （Ｈｌ出Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｇ３ｍｐｕｔｉｎｇ）－－起，正成为继理论研究和实验研 究之后第三种认识、改造客观世界的重要手段。