面向二十一世纪，发展系统仿真技术

图1　数据的表示形式

　　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。

图2　模型和仿真的评估过程

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。

图3　半实物仿真系统

　　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)。

图4　人在回路仿真系统

　　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。

图5　综合仿真环境

　　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，要求有一定的置信度。以大气环境仿真为例，其置信度取决于以下因素：
　　^.时间分辩率(分、秒)
　　^.空间分辩率(米、千米)
　　
　　(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，而且只能用于单人、单兵训练，解决人-机之间的关系。这些仿真器根据其性能高低，每台价格在100万美元至5000万美元之间。以一台1000万美元的仿真器为例，若按10年运动、每年工作200天，每天工作8小时计算，则每小时的成本将是625美元(其中还没有计算运行费用和维修费用)。而SIMNET网络上的一台仿真器，每训练1小时仅需成本15.6美元。联网仿真的SIMNET更能训练多兵、团组的协同作战，不仅解决人-机之间的关系，更要解决人-人之间的协同关系。
　　联网仿真演练比起实战演习来，其成本低、损伤少、安全保密、演练次数增加、演练方案多变、准备时间短。
　　分布交互仿真(DIS，Distributed Interactive Simulation)是“采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。”
　　分布交互仿真是仿真器联网的发展。分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器、计算机生成兵力以及其他仿真设备联接为一个整体，形成一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台(飞机、导弹、舰艇、坦克)与环境(地形、大气、海洋)之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响，在DIS的体系结构、数据通讯等方面IEEE已提出一系列标准：
　　IEEE1278-1　PDU Standard
　　IEEE1278-2　CommuNIcations Services
　　IEEE1278-3　Exercise Management and Feedback
　　IEEE1278-4　Verification, Validation and Accreditation
　　IEEE1278-5　Fidelity Taxonomy for Use with DIS
　　按DIS标准构成的仿真系统用于平台级实时连续系统的描述，聚合级仿真协议ALSP(Aggregat e Level Simulation Protocol)用于分布的聚合级以离散事件为主的作战仿真系统，它实质上是“构造仿真”(Constructive simulation)。构造仿真的时间管理不同于DIS系统，它可采用时间步长、事件驱动等方法，它不一定与实时钟直接联系，它只要保证聚合级仿真系统中时间对所有仿真应用是一致的，而且保证事件的因果关系正确。
　　在DIS和ALSP的基础上，发展了新的分布交互仿真体系结构HLA(High Level Architecture)，它能提供更大规模的、将构造仿真/虚拟仿真/实况仿真集成在一起的综合环境，实现各类仿真系统间的互操作、动态管理一点对多点的通讯、系统和部件的重用、以及建立不同层次和不同粒度的对象模型。
　　DIS、ALSP和HLA的比较如下页表：

3　几点想法
　　系统仿真技术继续向纵向纵深发展，同时扩大了综合应用的范围，与信息技术、计算机技术、网络技术、软件工程、图形学、多媒体技术等相互交叉、渗透、隔合，仿真技术必将在国民经济建设和国防建设中发挥更大的作用。
　　国外有的提出，应用仿真技术要解决六大难题：核反应过程、宇宙起源、生物工程、结构材料、社会经济、战争(打仗)。
　　结合我国目前实际情况，提出几点想法：
　　1.建立集成综合仿真环境
　　仿真技术在我国的发展和应用已有一定基础，应在原有基础上建立集成综合仿真环境，以支持以仿真为基础的规划、论证、设计、制造、试验、评估和训练。这种集成综合仿真环境以数学仿真和可视化显示为主，采用先进的高性能的计算机系统、完善的软件工具和支撑软件环境、带宽能实时的网络、计算机成像显示系统以及开放式的分布交互体系结构。
　　2.继续完善半实物仿真系统和人在回路仿真系统
　　我国已建立若干规模大、水平高的半实物仿真实验室和人在回路仿真实验室，随着控制/制导/导航系统及平台实体的新发展，相应的仿真系统和仿真设备应相适应。
　　3.继续发展训练仿真器
　　每年各行各业都有大量的各级人员培训任务，采用建模与仿真技术建立训练仿真器是一种可行的技术途径，潜在的市场需求较大，应着重复杂、难度大、现场训练困难的训练仿真器的研制。
　　4.积极开展虚拟技术的应用研究
　　虚拟样机技术将对各行各业的设计工作方式带来变革，应积极开展虚拟设计、虚拟制造技术的研究和应用，虚拟设计应充分与CAD技术结合，但更应着重解决被设计对象的动态性能仿真。
　　5.开发仿真软件产业
　　建模与仿真以计算机的硬件和软件为支撑，其中很主要的内容是应用软件、软件工具和支撑软件环境的开发，我国已有一定的仿真软件研制基础，应进一步开发仿真软件，形成产业。
　　6.协议、标准、规范的制定
　　仿真系统的规模在扩大，采用开放式的、分布多节点的、异构互联的、交互作用的体系结构，必须制定用于仿真的各种协议、标准、规范，包括数据格式、数据通讯、通讯体系结构、置信度、VVA等。

作者简介：王行仁(1933—)，男，北京航空航天大学教授，中国系统仿真学会理事长
作者单位：北京航空航天大学自动控制系，北京100083,E-mail:34en@ns.dept3.buaa.edu.cn