运用模拟法要经过的三个基本步骤

6.1.3模拟法

所谓模拟的方法，就是根据客体对象的本质和特性，人为地建立或选择一种与客体对象相似的模型，然后在模型上进行实验研究，并将研究的结果类推到原型中去，从而达到认识对象及其发展趋势目的的方法。

从模拟方法的含义中我们可以看出，运用这种方法一般要经过三个基本步骤。

(1)从客体对象过渡到模型。这种模型主要有物理模型、数学模型、功能模型之类。

(2)对模型进行研究。一般来说它有两种形式，一是对模型进行静态的观察和研究，一是对模型进行动态研究，也就是使模型运行起来，在运动中掌握模型的本质和特征。

(3)从模型再过渡到原型。这也就是将对模型研究的结果外推到被模拟的研究客体上。

在上述三个步骤中，模型处于特别重要的地位，它是思维主体把握客观现实的中介。模型的好坏直接影响到工作的成效，因而建立模型是运用模拟方法的最初的也是最关键的一步，往往也是最困难的一步。根据模型在模拟方法中的作用，模型必须满足三个条件:第一，模型必须与原型相似;第二，模型在科学认识过程中要能代替真正的研究客体;第三，要能够从对模型的研究中得出关于原型的信息。此外，建立和选择模型还必须简明清晰、切题、精密。

人们在研究自然现象和物质运动规律中，在进行工程设计和科学研究中，往往会遇到难以接触研究对象或不能利用其本身进行研究的情况。比如，研究安德列斯断层带两个大板块之间的挤压、摩擦和应力分布，研究全球性的大气环流运动，研究地震的发生和传播等，有时难以对其直接研究和实地测量，于是就模拟这些自然现象的条件，在实验室里进行研究和测量。当由于测量仪表的介入而可能对研究对象进行干扰时，也可以用模拟法仿造一个不受干扰的研究对象，对研究对象进行间接测量。模拟法能使现象重现，可以不止一次的重复所需要研究的过程，也可以很方便的改变某个因素，进行单因素或多因素的交叉试验，以取得比较准确的数据。

模拟法主要有以下三种类别:

6.1.3.1　物理模拟

物理模拟是借助与研究对象具有相同物理本质的实体模型来间接研究原型的模拟方法，又可称为实体模拟。例如，研制设计新型的飞机，需要掌握飞机在空中高速飞行时的动力学特性，通常是用按比例缩小了的飞机或部件在风洞中进行模拟研究的。只需要制造一个与原飞机在空中飞行完全相似的运动状态，通过对飞机模型受力情况的测试，可以很方便地在较短的时间内以较小的代价获取关于机身各处产生的层流、涡流或其他数据。物理模拟也可以对某些科学推测进行研究。例如，为了研究月球上的环形坑是不是由于高速运动的物体撞击而形成的，位于美国旧金山的一个天体物理研究中心曾经做了一个模拟实验:用一颗子弹从三层楼的高处以每秒40 225km的速率冲击一个岩土盘，岩土盘上立即出现一个环形凹坑，凹坑外沿有新的熔岩覆盖，这一现象与月球上环形凹坑的情况相似。实验说明:极高速的冲击造成的高温，能使一部分岩土重新熔化然后再凝结起来。这就为月球上环形凹坑形成的研究提供了重要依据。

虽然物理模拟方法具有直观性强、综合性强等优点，但是，在物理模拟中由于模型和原型限于相同的物理本质，使运用这种模拟方法的可能性受到限制，模拟实验的费用十分昂贵，实验条件并不能完全模拟真实发生的物理过程等，因此，数学模拟突破了物理模拟的局限性而发展起来了。

6.1.3.2　数学模拟(www.xing528.com)

数学模拟是借助描述研究对象的数学模型来间接研究原型的模拟方法，又可称为抽象模拟。列宁曾指出:“自然界的统一性显示在关于各种现象领域的微分方程式的‘惊人的类似’中。”借助数学模拟，人们能够更准确更深刻地把握客观事物的运动状态和变化规律。数学模拟克服了物理模拟的局限性，使模拟法的运用更加灵活、精确、高效。

数学模拟中，模型与所要研究的原物相互联系的基础，是一种推广了的相似理论，它不考虑模型与客体在质上的差异性和它们对于物质运动不同形式的隶属性。因此，任何两种不同的物理过程，只要它们所遵循的规律在数学形式上相同，就可以用数学模拟的方法进行研究。例如，流体力学中的水头h(又叫流速头或流速高度)与电学中的电势u，是不同质的两种对象，具有不同质的物理过程，但具有完全相同的数学形式:

(1)式和(2)式具有完全相似的数学形式，即拉普拉斯方程式。因此，可以采用数学模拟的方法，用电流场模型来代替按一定比例缩小的渗流区域，在实验中用一套相应的电路装置来模拟地下水的运动。

数学模拟方法，因其广泛的实际可能性、灵活性和经济性，所以是普遍发展的模拟实验方法。尤其自20世纪中期以来，电子计算机的出现，使数学模拟法的发展进入一个新阶段。例如，电力系统中大型锅炉的设计及其完成后的加温加载实验，大型汽轮发电机、水轮发电机中的自动调节系统等的设计和研制，都可以采用电子模拟计算机进行数学模拟。这样，既提高了设计质量，又缩短了研制时间。

6.1.3.3　功能模拟

功能模拟方法是在未弄清原型内部结构及运动过程的条件下，仅仅以功能相似为基础，用模型来再现原型功能的一种模拟方法。功能模拟是模拟方法的高级形式，是在系统科学理论的基础上衍生出来的，以不同系统中功能和行为的相似为基础，从控制和通讯方面用模型模拟原型的功能和行为。

前面介绍的物理模拟和数学模拟，均以认识了原型事物的结构及其运动过程为前提，失却了这个条件，它们便再无用武之地。控制论的创始人维纳等人抛开了机器和生命机体的不同物质基质和具体的运动形式，只在行为和功能方面寻找二者的统一性和相似性，把传统的模拟方法发展到功能模拟的新阶段。功能模拟方法着眼于系统模型与原型之间的功能相似，不理会模型与原型结构上或在数学形式上是否相似，而只考究模型与原型之间在行为和功能上的共同特征。例如，为了解决电子计算机图像识别能力差这个问题，美国贝尔电话公司在1957年专门成立了大脑研究室，试图设计出能够模拟人与动物大脑的新型计算机。这个工作是相当复杂且困难的，但这的确为人们解决这个问题提供了新的研究思路，使得该问题研究有了很大进展。一般来说，运用功能模拟方法，首先要系统研究原型的功能，掌握其主要内容;其次，要选择并确立与原型功能相似的恰当的模型，在它们之间建立起一定的功能同型关系;最后，进行模拟试验，完善该模型，并用该模型来研究问题。功能模拟方法对于科学技术的研究，工程技术的设计以及研究生命系统、人脑神经系统和社会复杂系统具有十分重要的作用。

从非文献信息采集方法的角度来说，功能模拟方法可以通过功能模拟来揭示原型本身的奥秘，是认识原型的一种重要手段。比如，对于人脑内部结构以及神经系统这样的系统，要研究它的特点和规律，用一般模拟方法，从弄清其结构入手是很难的。我们可以借助电子计算机作为人脑的功能模型来进行研究，通过仿真实验，来推断人脑的结构特点和机理。控制论认为，机器、动物以及人类社会等系统，虽然在物质基质、结构和具体运动形式上不同，但它们之间存在着功能和行为上的相似性，即通过信息的变换和反馈机制，自动调整自身的运动，以适应环境的变化。因此，这类系统都可以从控制和通讯方面用模型模仿原型。功能模拟方法的作用在于，通过模型的功能和行为的研究得出关于原型的知识。

控制论的创立者们正是利用功能模拟法，研究制造出电子计算机。他们运用五个与大脑功能相似的部件，创造了用电脑代替人脑部分功能的奇迹。具体地讲，用输入装置模拟人的感受器官来接收外来信息;用存储器来模拟人的记忆功能，将外来信息存储起来，并可供随时提取;用运算器模拟人的判断、选择、计算功能;用控制器模拟人脑思维运动，有条不紊地指挥各部件协调一致地工作;用输出装置来模拟人对外界环境的反映，输出有关计算结果。

按照功能模拟的方法，人们就不需要严格地按照所要模拟对象的结构和外形，制造出同样具有所要模拟对象功能的各种技术装置来。我们经常谈到机器人，按通常的观念，机器人必须像人，起码在外观上要同人相似，其实，机器人并不总是像人的外形。人们之所以称它们为机器人，更多的含义是指在行为和功能上它们能模拟人的行为和思维。比如说，一部有图像识别装置的智能计算机，就是一个不会走路的智能机器人;能自行跟踪和寻找目标的导弹和宇航器，就是一个飞行机器人;新一代人造地球卫星，同属于智能机器人，因为这种卫星可以代替人做大量的数据处理和分析工作，它能不分昼夜地搜集有关土壤、作物生长、天气、地质和海洋等信息资料，并分别轻重缓急，把关于灾荒的信息及时送出。