卞雪卡

“仿真”一詞最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)50 年代，并與計算機一詞共同使用，當(dāng)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(diào)建模的重要性。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，并經(jīng)常用于解決各個學(xué)科中比較復(fù)雜的問題。 建模與仿真作為一種應(yīng)用愈加廣泛的技術(shù)，對社會經(jīng)濟及各行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

一、建模與仿真的概念

IEEE 建模與仿真術(shù)語匯編標(biāo)準(zhǔn)將仿真定義為一種給定輸入下表現(xiàn)為既定系統(tǒng)的模型。 軍事仿真術(shù)語中對仿真的定義如下：按時間實現(xiàn)一個模型的方法，習(xí)慣上特指運行模型以展現(xiàn)被表示系統(tǒng)特性時域變化的方法、過程或系統(tǒng)。 軍事仿真術(shù)語中定義了建模與仿真的概念如下：建立模型并通過靜態(tài)地域隨時間的運行模型(包括仿真器、樣機、模擬器、激勵器)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，以此支持訓(xùn)練、研究和管理或技術(shù)決策的活動。是一種分析問題與解決問題的途徑。 術(shù)語“建?！薄胺抡妗蓖ǔ？山粨Q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(shù)大致可分為離散事件仿真、連續(xù)事件仿真、基于Agent 的仿真這三大類。

IEEE 建模與仿真術(shù)語匯編標(biāo)準(zhǔn)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(shù)學(xué)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?yōu)榱硪粋€值，中間沒有中間值。 另外，系統(tǒng)模型是以離散行為運行的。 連續(xù)事件仿真則與其相反，連續(xù)事件仿真是基于連續(xù)事件模型的，它的數(shù)學(xué)模型或者概念模型是以連續(xù)行為運行的，且輸出變量的取值是連續(xù)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(jì) 60～90 年代Holland 的生物學(xué)思想，在其后續(xù)著作中將ABMS 深化為復(fù)雜適應(yīng)性系統(tǒng)理論。 基于多 Agent 的建模仿真方式通過計算機技術(shù)，在多主體仿真平臺上模擬出復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的演化方程，給系統(tǒng)的研究提供了直觀和可視性的實現(xiàn)方式。

(二)工具

隨著建模與仿真技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的仿真工具應(yīng)運而生。根據(jù)研究的對象系統(tǒng)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(tǒng)，需要仿真人員具有一定的編程基礎(chǔ)。 主要應(yīng)用行業(yè)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(dǎo)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(xù)事件系統(tǒng)的仿真。 主要應(yīng)用行業(yè)為鋼鐵物流運輸調(diào)度；供應(yīng)鏈庫存管理；港口運輸；生產(chǎn)設(shè)備效能分析；生產(chǎn)線效率優(yōu)化等。

3.AnyLogic

AnyLogic 操作界面簡單明了，自帶標(biāo)準(zhǔn)庫、行人庫、軌道庫、物料搬運庫；支持自行設(shè)計，支持連續(xù)事件仿真，主要應(yīng)用行業(yè)為供應(yīng)鏈、交通運輸、倉儲運作、鐵路物流、礦業(yè)、石油＆天然氣、道路交通、客運樞紐、生產(chǎn)制造、醫(yī)療等。

4.Flexsim

Flexsim 直觀易學(xué)，二次開發(fā)需要編程基礎(chǔ)，適用于離散事件仿真，主要應(yīng)用行業(yè)為制造業(yè)、物流業(yè)、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(jù)對象系統(tǒng)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(fā)展趨勢

(一)大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真

20 世紀(jì)80 年代，F(xiàn)rederica Darema 博士通過仿真以及測量技術(shù)在石油開采的輻射計算中最早產(chǎn)生了動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動的應(yīng)用系統(tǒng)(dynamic data driven application system，DDDAS)思想。隨著大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，應(yīng)用DDDAS 思想的仿真將成為未來仿真發(fā)展的一大趨勢。

許正昊等學(xué)者在研究DDDAS 時，總結(jié)了DDDAS 仿真的幾大優(yōu)勢。 DDDAS 仿真的精度更高，這是其相較于傳統(tǒng)仿真的一大優(yōu)勢，對于一些復(fù)雜的、參數(shù)較多的、非線性系統(tǒng)，DDDAS 仿真能夠提高仿真的精度，進而提升仿真的分析與預(yù)測能力；DDDAS 的范圍更廣，一是時間范圍，能夠?qū)崟r控制，二是涉及多種學(xué)科；DDDAS 仿真的結(jié)構(gòu)不同，與傳統(tǒng)仿真的開環(huán)結(jié)構(gòu)不一樣的是DDDAS 仿真將仿真系統(tǒng)和真實系統(tǒng)連接成一個閉環(huán)系統(tǒng)，真實系統(tǒng)與仿真系統(tǒng)之間相互影響，能夠動態(tài)控制真實系統(tǒng)；DDDAS 仿真的效果不同，傳統(tǒng)仿真是仿真系統(tǒng)的結(jié)果分析影響真實系統(tǒng)，而DDDAS 仿真的效果是雙向的。

DDDAS 仿真符合仿真的發(fā)展方向的應(yīng)用需求，在非線性、復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中有很廣闊的應(yīng)用前景。

(二)混合仿真

IEEE 建模與仿真術(shù)語匯編標(biāo)準(zhǔn)對混合仿真的定義如下：一種部分設(shè)計為在仿真系統(tǒng)上執(zhí)行，部分設(shè)計為在數(shù)字系統(tǒng)上執(zhí)行，兩部分之間的交互可以在執(zhí)行期間發(fā)生的仿真。 在混合仿真中，關(guān)鍵問題是對兩類不同的計算機合理地分配任務(wù)和恰當(dāng)?shù)剡x擇幀速。

任務(wù)的分配主要取決于任務(wù)的性質(zhì)和對精度、速度的要求。 幀速的選擇原則是：①根據(jù)采樣定理，包含干擾在內(nèi)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(nèi)；③數(shù)值計算的截斷誤差對被仿真的系統(tǒng)來說應(yīng)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(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)仿真中獲得廣泛的應(yīng)用。 它比模擬仿真具有更高的精度，比數(shù)字仿真具有更高的速度；不僅可實現(xiàn)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(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)混合仿真、連續(xù)系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)和連續(xù)系統(tǒng)混合仿真。

(三)數(shù)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(chǎn)品生命周期管理推動創(chuàng)新和精益產(chǎn)品》中提出數(shù)字孿生的概念。 林雪萍學(xué)者在研究數(shù)字孿生時提出數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界中物理實體的配對虛擬體。 數(shù)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(tǒng)、機器運動機理等。 它一般儲存在圖形數(shù)據(jù)庫，而不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。 最值得期待的是，數(shù)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(chǎn)的時候，就可以消除產(chǎn)品缺陷。

四、建模與仿真面臨的挑戰(zhàn)

雖然建模與仿真技術(shù)發(fā)展迅速，但其工程應(yīng)用質(zhì)量參差不齊，與發(fā)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(dǎo)致了沒有實現(xiàn)高質(zhì)量仿真工作的目標(biāo)。Stewart 探討了通過質(zhì)量方法降低仿真項目失敗的風(fēng)險。Michael 也提出在建筑設(shè)計上仿真方式存在的各種問題降低了預(yù)測與現(xiàn)實之間關(guān)系的清晰度。 因此，建模與仿真實施質(zhì)量在仿真研究中至關(guān)重要。 未來建模與仿真面臨的挑戰(zhàn)之一就是建立一個規(guī)范的仿真管理體系，來提高仿真工程實踐質(zhì)量。

五、結(jié)束語

建模與仿真技術(shù)的發(fā)展給各行業(yè)帶來利益的同時，其本身的發(fā)展也存在諸多問題，這就需要建立一個規(guī)范的仿真質(zhì)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(zhì)量。