建模仿真技术：现代化发展趋势和应用探析

“建模与仿真技术”是以建模与仿真理论为基础，以计算机、物理效应设备及仿真器为工具，根据研究目标，建立并运行研究对象的模型，进而对研究对象进行认识与改造的一门多学科的综合性、交叉性技术。其中，建模技术是一类对研究对象（人、物、环境、信息等系统）用数学、物理、逻辑或数据等描述手段建立研究对象模型（一次模型）及建立能在仿真工具上运行的仿真模型（二次模型）的技术。仿真技术是一类支持仿真模型设置、动态运行及仿真实验结果分析与评估手段和方法的技术。

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，已经发展形成了较完整的专业技术体系，并正迅速地发展为一项通用性、战略性技术，进而成为人类认识和改造世界的重要手段。宏观地来看，建模仿真技术体系框架由仿真建模技术、仿真系统与支撑技术，以及仿真应用工程技术等3类子框架构成（见图6.1）。

建模技术按建模对象类型可分为人体建模技术、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外表、功能、性能和行为等的建模技术；环境建模技术主要解决环境仿真模型的建立问题（如地形、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建模技术。按仿真建模方法可分为机理建模和非机理建模。其中机理建模包括连续系统、离散系统、智能系统、优化系统和混合系统等5种类型；非机理建模主要包括多模式、多分辨率、多视图建模技术，面向对象、组件、服务建模技术，辨识建模技术，多学科统一建模技术和基于数据的建模技术等。

建模与仿真支撑系统技术宏观上可以分为仿真计算机系统和仿真模拟器两大类。仿真计算机系统包含仿真计算机和仿真支撑软件两大类。其中仿真计算机包括仿真计算机所涉及的各种计算机系统，如各种专用仿真计算机、PC/服务器、图形工作站、小型机和高性能计算机等。仿真软件技术包括工具引擎技术、仿真中间件/平台技术以及仿真工程管理技术。仿真模拟器主要面向的是全/半实物/人在回路的仿真，大体可以分为人在回路仿真模拟器、硬件在回路仿真模拟器、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、普适仿真与嵌入式仿真技术等5类。

图6.1　建模仿真技术体系框架(www.xing528.com)

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，共性应用技术涉及研究对象模型及其仿真模型与系统的校核、验证与确认（Verification， Validation and Accreditation，VV&A）技术，仿真运行试验技术，仿真结果评估技术以及建模仿真规范、标准与协议技术等；应用领域有关的专用仿真应用技术涉及自然科学与工程、社会科学、生命科学及军事等各领域有关的专用仿真应用技术。如自然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。

我国的建模与仿真科学与技术，在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下，特别是在改革开放的大好形势下，经过几十年的发展，在国民经济、国防建设、自然科学、社会科学等领域正发挥着越来越大的作用。20世纪60年代，我国在航空航天控制、制导领域开始建立半实物仿真系统（硬件在回路仿真系统）；70年代我国开始研制各种训练模拟器，并开发了多种系统仿真语言，如连续系统仿真语言、离散系统仿真语言和混合系统仿真语言；80年代开展了以计算机图像生成和显示技术为基础的仿真可视化技术和虚拟现实技术的研究和应用；90年代研究了以网络为基础的分布交互仿真系统及其应用，并开展了虚拟制造、虚拟样机技术等研究。21世纪，我国仿真科技工作者开展了各类建模仿真支撑环境与平台、大规模虚拟战场、复杂系统建模与仿真、综合自然环境建模与仿真、仿真网格/云仿真、仿真专用工具软件、嵌入式仿真技术等的研究、开发与应用。

目前，我国建模与仿真技术正向“数字化、高效化、网络化、智能化、服务化、普适化”为特征的现代化方向发展，其应用正向服务于系统的全生命活动的方向积极发展。