车辆系统仿真：定义与作用

1.系统仿真的定义

什么是系统仿真？目前人们普遍接受的概念是，系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专业技术为基础，以计算机、仿真器和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。

仿真学科的理论体系包括以下6个方面。

1）相似理论

相似理论是研究事物之间相似规律及其应用的科学，是仿真科学的基本理论。系统仿真是通过研究模型来揭示原型（实际系统）的形态特征和本质，从而达到认识实际系统的目的。

所谓相似，是指各类事物间某些共性的客观存在。相似性是客观世界的一种普遍现象，它反映了客观世界的特性和共同规律。采用相似技术来建立实际系统的相似模型，这是相似理论在系统仿真中基础作用的根本体现。相似理论基本内容包括相似定义、相似定理、相似类型和相似方法。因为系统具有内部结构和外部行为，所以系统相似有两个基本水平：结构水平和行为水平。同构必具有行为等价的特性，但行为等价的两个系统并不一定具有同构关系。因此，系统相似无论具有什么水平，基本特征都归结为行为等价。不同领域中的相似有各自的特点，人们对各领域的认识水平也不一样，归纳一下，大致有如下基本类型。

（1）几何相似。结构尺寸按比例缩小得到的模型，称为缩比模型，如风洞或水洞实验所用的模型。

（2）离散相似。采用差分法、离散相似法等把连续时间系统离散化为等价的离散时间系统。

（3）等效。保证数学描述相同或者频率特性相同，用于构造各类仿真器的相似原则。

（4）感觉相似。感觉相似涉及耳、眼、鼻、舌、身等感官，人在回路中的仿真把感觉相似转化为感觉信息源相似，培训仿真器和虚拟现实均是利用了这种相似原则。

（5）思维相似。思维相似包括逻辑思维相似和形象思维相似，逻辑思维相似用数理逻辑表示知识，建立知识的逻辑符号系统，对符号公式进行判断和推理，如早期专家系统的基于逻辑的心理模型；形象思维相似是人大脑右半球的功能。人工神经网络（ANN）是以脑神经为原型所构造的简化模型，用来实现对刺激的适应性反应。

2）模型论（建模理论）

模型论是以各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真应用要求的、通用的、各领域专用的各种模型的理论和方法。建模对象包括人体、环境和实体等。模型论主要研究系统对象应具有什么样的模型，如何建立和获取模型，模型是否反映实际系统等。模型论中有模型的体系结构、建模的工具环境等技术和方法。

3）仿真系统理论

仿真系统理论是研究和论述构建符合应用需求的仿真系统的理论和技术，包括仿真系统的体系和构成，仿真系统的设计及其公共关键技术，仿真系统的研制和运用，仿真系统的规范、标准等。

4）仿真方法论

仿真方法论是指结合各应用领域的不同需求，研究仿真基本思想和方法，其中有定量仿真的理论方法（集中参数系统仿真方法、分布参数系统仿真方法和离散事件系统仿真方法），定性仿真的理论方法；人、实物在回路中的仿真方法；集中式仿真和分布交互式仿真方法；面向对象仿真方法；智能（如智能体、神经网络）仿真方法等。

5）仿真的可信性理论(www.xing528.com)

仿真的可信性理论是指表述仿真过程及结果评价、控制的概念和方法的基本理论，研究仿真环境和真实环境的相似性的理论和方法，研究提高仿真可信性的各种方法、技术和规范，如VV＆A工程方法。

6）仿真科学和技术的应用理论

仿真科学和技术的应用理论是指论述仿真运行实验设计、仿真管理、仿真过程的可视化、仿真及其结果综合分析的理论。

应用领域技术包括自然科学与工程仿真应用、社会科学仿真应用、管理科学仿真应用、生命科学仿真应用、军事领域仿真应用等。

2.系统仿真的作用

仿真技术在应用上的特殊功效（安全性和经济性）使其获得了十分广泛的应用。首先，由于仿真技术在应用上具有安全性，因此航空、航天、航海等一直是仿真技术应用的主要领域。特别是在军用领域，仿真技术已成为武器系统研制与试验中的先导技术、校验技术和分析技术。因为武器系统都是多模式复合系统，所以为了测试其多种功能，就要在一不受控环境中，输入各种模式情况下所要求的各种激励信号，并确定系统对激励信号的响应灵敏度。由于受到实际飞行和航行试验条件的限制，多功能测试是难以实现的，而仿真试验可以比较方便地取得统计性数据。其次，仿真技术在应用上具有经济性，这也是其被广泛采用的十分重要的因素。世界上几乎所有大型的发展项目，如登月计划、战略防御系统、计算机集成制造、并行工程等，投资极大，又有相当大的风险，而仿真技术的应用可以用较小的投资换取风险上的大幅度降低。根据国外有关统计资料分析，由于采用系统仿真技术，武器系统靶场试验次数减少了30%～60%，研制费用节省了10%～40%，研制周期缩短了30%～40%，从而使型号研制得到很高的效费比。

仿真技术在复杂工程系统的分析和设计中已成为不可缺少的工具。系统的复杂性，主要体现在3个方面，即复杂的环境、复杂的对象和复杂的任务。然而，不管系统多么复杂，只要能正确地建立起系统的模型，就可利用仿真技术对系统进行充分的研究。仿真模型一旦建立，就可以重复使用，而且改变灵活，便于更新。经过仿真逐步修正，可深化对系统内在规律和外部联系及相互作用的了解，以采用相应的控制和决策，使其处于科学化的控制与管理之下。

综上所述，系统性能研究涉及系统分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护和报废（全生命周期）等活动。系统仿真技术在系统性能研究过程中的主要作用如下。

（1）优化系统设计。在复杂的系统建立以前，能够通过改变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计。

（2）对系统或系统的某一部分进行性能评价。

（3）节省经费。仿真试验只需在可重复使用的模型上进行，所花费的成本比在实际产品上做试验低。

（4）重现系统故障，以便判断故障产生的原因。

（5）可以避免试验的危险性。

（6）可以进行系统抗干扰性能的分析研究。

（7）可以训练系统操作人员。

（8）可以为管理决策和技术决策提供依据。