计算机仿真系统介绍

计算机仿真系统介绍

1引言

计算机仿真系统是仿真的依托，形象地说成是仿真的大舞台也很贴切，最准确的说法应当是，计算机仿真系统是基于仿真的系统研究不可或缺的实验工具。每个仿真应用领域，有了各自适用的计算机仿真系统，才能给出具有所需置信度的仿真结果。大量实例表明，仿真技术的有效应用，必须依托于先进的计算机仿真系统;只有服务于应用的计算机仿真系统的发展，才能带动仿真技术的发展。但是，迄今为止，国内外依然存在着建立仿真应用的时间太长、费用太高问题。原因就在于缺乏正确的技术理论指导，或盲目追求大而全，或低水平地重复。显然，在需求牵引、技术推动、经济支撑下，紧跟时代前进步伐，要用信息化理念和方法建立计算机仿真系统。正如王恒霖等人(2003)在《仿真系统的设计与应用》一书中所说，高新技术与先进管理相结合才可能有高质量仿真系统的诞生。

2现有计算机仿真系统

现有许多计算机仿真系统、仿真试验室、仿真中心可供参考。诸如美国亚那巴马州红石兵工厂的高级仿真中心(ASC)、以法尔肯空军基地国家试验中心为核心的美国国家试验台、德国航空航天试验院的空间运行中心、中国航天部门遍布全国各地的仿真中心、国防科大三院的分布实时仿真系统(KD－DRTSS)和基于SOA的仿真服务系统(SOA－basedsimulationservicesystem)、基于SystemC的片上系统(Systemonchip，SoC)等。国内外计算机仿真系统，真是琳琅满目。它们按空间分布不同可分为集中式、分布式和嵌入式三大类型。国内外集中式计算机仿真系统经过模拟仿真系统、混合仿真系统和数字仿真系统三大里程碑式地发展，从20世纪80年代开始，数字仿真在计算机仿真中独占鳌头，从此以后，集中式计算机仿真系统中的计算机系统都是数字式的，而且大都采用便于独立集中管理的主机－终端的体系结构，并能进行数学仿真和半实物仿真，而且随着科学技术发展，正在虚拟化、智能化。虚拟化使得计算机仿真系统用虚拟样机取代物理样机，从而能够广泛用于复杂产品设计、军事演习、复杂操作训练、过程排演等领域。智能化使得计算机仿真系统有机地融合人工智能技术，以适应信息化的需要。同时，还应该采用“结构规模优化”方法，构造多级结构、多层结构、多段结构，进行结构分析与综合，设计高性能价格比的优化结构，从主机—终端模式，向客户机—服务器模式、集中—分布模式发展。20世纪80年代开始出现了分布交互式仿真(DIS)系统，而且发展迅速，很快由基于高层体系结构(HLA)的DIS成为其主流。多年实践表明，HLA尚有许多需要改进的地方。现在，美国国防部已经认识到HLA是必要的，但仅有HLA却是不够的。目前经济有效的方案无非是通过网络化、集成化、协同化把地理分布较广的现有仿真设施组成一个新的计算机仿真系统。现在看来，性能价格比最高者当是多微机DIS系统，它不仅具有HLA的优点，而且弥补HLA不足，使邦员内部也有重用性和互操作性，而且具有结构仿真、实况仿真和虚拟仿真等功能。当前，欲将传统DIS许多成果用到HLA中，就得考虑HLA和DIS两系统之间的互联方式。一般来说有两种方式，即网关方式和中间件方式。两者的主要区别在于:网关方式以运行一个独立的应用程序来实现相关的转换，在该方式中将外部HLA邦员和DIS实体作为输入值，然后实现两者之间的互操作，而中间件方式则将转换的实现做为应用程序的一系列类嵌入在程序中，并通过执行应用程序将DIS和HLA中的相关信息输出。基于这两种基本方式，目前有四种相关的实现技术:①打包技术将软件直接嵌入到DIS底层接口，在数据传送前将DIS数据转换成HLA数据模式，并在接收数据后将HLA数据模式转换成DIS数据格式，显然无需特殊的硬件支持。②本地化技术产生一个本地的HLA仿真，这意味着所有网络接口都要包括一个仿真软件。这样可以很好地实现所有HLA的特性，但初始化传输时大量的程序修改以及相关协议的改变。③转换器技术提供单独的应用程序，一般来说，要使用单独的计算机来完成转换功能，虽然无需对仿真程序作任何修改，但仿真延时相应有所增加。④协议接口单元(PIU)技术通过定义API函数来实现不同协议之间的转换，这是DIS/HLA转换方式中较好的选择方案。嵌入式计算机仿真系统(Embeddedcomputersimulationsystem)广泛应用于工业控制和国防系统领域。其基本特征是小型化、可随身携带，一般通过软件和硬件来实现其功能，但硬件成本较高，而软件具有灵活和成本较低等优点。软硬件划分的结果直接决定嵌入式系统设计的优劣。郑州大学信息工程学院郭金金等人(2010)提出一种新的嵌入式系统软硬件划分算法，先采用嵌入式系统转化成有向无环图，可将嵌入式系统软硬件划分问题转换成一个多条件约束问题，用蚂蚁放置于有向无环图顶点上，对系统软硬件划分准确率作为蚂蚁算法优化目标，通过蚁群算法搜索最优目标函数值，有效避免传统划分算法搜索陷入局部最小，大幅度降低搜索时间。当前嵌入式系统领域一个十分重要的研究课题是，如何让嵌入式系统在遭受侵害时保持一定的性能并安全运行。国内外广泛探索，但往往缺乏支持动态安全策略的设计思想，对嵌入式系统在遭受侵害时如何保护系统安全、保持系统的性能，并将破坏降低等方面的研究较少。哈尔滨工程大学计算机科学与技术学院赵国冬等人基于模式匹配方法研发了安全等级评估系统。仿真结果表明，该系统可以在不显著增加系统开销前提下，有效地阻止系统异常的产生，提高系统的弹性应对能力。无论那种类型，计算机仿真系统通常由数字计算机系统，系统实际设备(实物)和一些专用、通用设备组成，且具有现代化技术水平，兼有构造仿真、实况仿真和虚拟仿真三种功能。计算机仿真系统的中心，当然是数字计算机系统，诸如，单片机、单板机、仿真机系统、微机系统、工作站系统、小巨型机系统、多机系统等等。它们各自都包括硬、软件两部分。数字计算机的机型往往直接决定着计算机仿真系统的类型，用户可从中选择经济适用的机型。通用设备就是商品化的观测记录设备，信号发生器，声像通信设备等，而系统实际设备(实物)和一些专用设备，随仿真应用领域不同差别甚大。比如，航空航天领域的飞行仿真系统，除了需要控制系统实物以外，还需要转台、负载台、离心机、必要的模拟器和实物操作台等专用设备。

3计算机仿真系统发展的最新动态

1)多层次使能技术美国国防科学局(1997)认为，建立集成的综合仿真环境和仿真系统，必须解决实现的技术，即下述五个层次使能技术:①基础技术(光纤通讯、集成电路、软件工具、人的行为模型、环境模型等);②元、部件级技术(内存、显示、局域网、微处理器、数据库管理系统，数模转换器，建模与仿真构造工具，测试设备等);③系统级技术(微机系统，人一机界面，远距离通讯/广域网、计算机图像生成等);④应用级技术(制造过程仿真、工程设计建模与仿真，含人仿真系统，随机作战仿真等);⑤集成综合仿真环境技术(样机、规划、设计与制造，训练与备战，测试与评估等)。其中，大部份的硬件和网络能力由商业市场作为成熟产品提供，如微机系统、远距离通讯/广域网、人一机界面、计算机图像生成、数据库管理系统、局域网、光纤通讯、软件工程工具等，而有些如制造过程仿真，工程设计建模与仿真，随机作战仿真，环境模型等满足军用仿真需求者都由国防部组织解决。

2)逻辑靶场概念(logicalrangeconcept，LRC)美国在20世纪90年代提出LRC，试图要解决以信息化为代表的武器系统互操作试验，特别是以C4ISR为核心、从传感器探测端到指挥与控制再到武器交战的完整作战过程试验，其规模和范围超出了现有任一个物理靶场的试验评估能力，在物理意义上完全重建靶场既无必要也不可能，只有通过一体化虚实合成靶场才能提供这种复杂作战空间的逼真表示。为了全面评估信息化武器装备的作战效能，传统试验训练靶场必须适应以信息为中心的一体化联合试验发展需要，向跨物理靶场边界、跨试验训练边界、跨真实和仿真资源边界的无边界靶场转变。通过组合、重用各种仿真资源，逻辑靶场可以将传统靶场融入到仿真世界中，也可以看作是用仿真世界来扩展传统靶场的任务空间。在逻辑靶场中，实际武器装备或兵力除了可以利用传统方式进行交互外，还可以与位于不同地域的仿真资源进行交互。目前，支持靶场试验资源互操作、重用、组合的体系结构主要有两类:先进分布式仿真(ADS)和试验与训练使能体系结构(TENA)。20世纪80年代中期，美国国防部提出了ADS的概念，其产生与发展的核心是为了解决建模与仿真领域存在的问题:目前绝大多数仿真器应用实现较为孤立，仿真器之间的交互性和重用性差;开发、维护和使用费时及成本高;验证性、有效性和置信度较差。ADS技术应该从体系结构上建立这样一个框架，它能尽量涵盖建模与仿真领域中所涉及的各种不同类型的仿真系统，并利于它们之间的互操作和重用，它也必将随着仿真技术和各种支撑技术的发展而发展。ADS技术使实况仿真、虚拟仿真和构造仿真三类仿真在实施中不断得到发展。从构造和实施一个ADS系统的角度，所涉及的关键技术有:①系统总体技术，主要包括DIS(IEEE1278)和HLA(IEEE1516)，可是HLA不适应具体领域的特定需求。②软件框架和平台技术。③网络通讯技术与分布式数据库技术。④建模、验模与计算机生成兵力(CGF)技术。⑤虚拟环境技术。⑥系统性能评估技术。TENA是建立在ADS基础之上针对试验/训练领域的特定需求对HLA进行扩展，提供了试验/训练所需的更多特定的能力，其最终目标是成为美军靶场司令官委员会(RCC)标准。美国加州海军空战中心开发的虚拟导弹靶场(Virtualmissilerange，VMR)是LRC的典型案例。在VMR第一个导弹就是AIM－7P海麻雀防空导弹。此外，联合先进分布式仿真(JointAdvancedDistributedSimulation，JADS)项目涵盖了武器系统集成、端到端试验和电子战。它的成功实施，展示了逻辑靶场在试验训练领域的巨大作用和广阔前景。葫芦岛92941部队袁刚等人(2010)认为，实现LRC的关键技术是体系结构与合成环境的构建、传统靶场仪器仪表的改造和信息化网络建设。

3)仿真机系统网络化我们生活的世界就是一个网络世界，网络的普遍性是客观存在的。复杂网络研究早在20世纪50年代就开始了，起始点就是随机图ER模型。ARPANET(1969)建成，标志着人类社会进入信息时代，也可称为互联网时代。信息化席卷全球，现代信息技术将会影响到方方面面。国际标准化组织的开放系统互连基本参考模型，即通常所说的七层协议(1977)问世以来，第三代计算机网络(Com-puternetwork)得到广泛关注。它使用户能共享网络中的所有硬、软件和数据等资源、分散计算机的负荷、提高可靠性、使计算机的使用具有可扩展性及可换性。小世界模型(Smallworldmodel)的引入和无尺度网络模型(Scalefreenet-workmodel)的发现，推动了复杂网络研究的深入。计算机网络、通信网络、交通网、电力网、供水网、食品供应网、银行金融系统、输油管网、输气管网、控制网络等大量的实际复杂网络，都具有小世界和无尺度特性。复杂网络的规模较大，单靠网络实验进行研究不太现实。随着网络的进一步扩充，越来越需要网络仿真技术来为网络规划和设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。计算机网络是分布交互式仿真系统中不可或缺的组成部分，它是用通信线路把多个分布在不同地点的计算机，通过数据传输而联接起来的一种网络。计算机网络的优点是:用户突破了地理条件的限制，方便地使用远地的计算机;由于资源公用、避免了重复投资;可充分利用各地资源的特长，实现协同操作;可实现几个系统间的数据传输和实时管理。网络化，就是开展网络系统仿真。利用计算机对所研究的系统结构、系统功能和系统行为进行动态模仿，即是通过网络程序的运行来模拟网络的动态工作过程。

一个完整的通信网络系统，不仅包括数据帧、收发两端的各种设备，还包括通讯协议和传输信道等。常见的计算机网络有1553B总线、CAN总线(英德和欧空局广泛采用)、基金会现场总线、LonWorks、PROFIBUS、以太网(Ethernet)、光纤通信、蓝牙(Bluetooth)、无线通信、小世界模型、无尺度模型等。虽然计算机网络琳琅满目，若按交换功能分类，常用的也只有四种:①线路交换;②分组交换;③混合交换;④报文交换。若按拓扑结构分类仅有三种:①集中式网络;②分散式网络，又称非集中式网络(含具有一定交换功能的集中器或复用器);③分布式网络。若按通信特性分类也只有三种:①资源共享网络;②分布式计算网络;③远程通信网络。若按作用范围分类，则有广域网(Wideareanetwork，WAN)、局域网(Localareanetwork，LAN)、城域网(Metropolitanareanetwork，MAN)之分。要使计算机仿真网络系统的结果精确地与实际情况一致，仿真的模型就应尽可能详细。这样，仿真占用的资源和耗费的时间与精力也会随之增加。如何在模型复杂性与仿真的准确性之间找到合适的平衡和折衷，是实现仿真时的中心问题。目前对网络仿真主要有两种途径:①用一组方程描述网络特性，然后用计算机语言通过编程，实现对通信网络仿真;②借助已有的网络仿真工具进行仿真。前者难度大且通用性不好;后者无需大量编程，通用性好，很容易实现通信网络仿真，代表了通信网络仿真的发展方向。主流的网络仿真软件及其高端产品基本产自美国，而适用于网络仿真的软件平台有以下三类:①用于商业目的开发的如OPNET、Qual-Net(升级版WebSim)、BONes、Netsim。②基于系统研究开发的如SIM++、NS2(REAL是其前身)、Maisie、GloMoSim、IN-SANE。③基于军事应用开发的如TIMS、NETWARS、OPSIM。网络仿真还有许多热点问题，诸如:①无拥塞的安全网络;②无线传感器网络(Wirelesssensornetworks，WSN);③移动自组网(Mobileadhocnetworks，MANET);④移动智能体(Mo-bileAgent);⑤卫星网络仿真。

4)仿真网格(SimulationGrid)网格技术是一项新兴并且正在发展的技术，其核心是解决网上各种资源(如计算资源，存储资源，软件资源，数据资源等)的动态共享与协同应用。网格与仿真的结合为各类仿真应用对仿真资源的获取、使用和管理提供了巨大的空间。同时，它以崭新的理念和方法为仿真领域中诸多挑战性的难题的解决提供了技术支撑(如:仿真应用的协同开发;仿真运行的协调、安全和容错;新的资源管理机制;资源监控和负载平衡等)等。目前国外已开展了仿真与网格技术结合的研究项目，如:SF－Express基于网格技术解决资源分配和动态容错等问题;“CrossGrid”、“RTILayer”、“FederationLayer”、“Feder-ateLayer”三个层次按照HLA标准采用网格技术对RTI的实现进行研究;DS－Grid(英国伯明汉大学、诺丁汉大学和新加坡南洋技术大学的协作项目，e－Science姊妹项目)、Ness-Grid和FederationXGrid等较为系统地研究面向仿真的应用网格。当前，仿真网格技术研究的相关关键技术包括:仿真网格的体系结构和总体技术，仿真网格服务资源的动态综合管理技术，仿真领域资源等的网格化(服务化)技术，仿真网格协同建模/仿真的"互操作技术，仿真网格运行的监控和优化调度技术，仿真网格应用的开发与实施技术，仿真网格的可视化服务实现技术，仿真网格的安全支撑技术，仿真网格的门户技术等。

5)云计算(CloudComputing)云计算是网格计算(GridComputing)、分布式计算(Dis-tributedComputing)、并行计算(ParallelComputing)、实用计算(UtilityComputing)、网络存储技术(NetworkStorageTechnolo-gies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(LoadBalance)等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统，并借助SaaS(软件即服务)、PaaS(平台即服务)、IaaS(基础设施即服务)、MSP等先进的商业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中。云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力!云计算的第一个里程碑是，1999年Salesforce．com提出的通过一个网站向企业提供企业级的应用的概念。Google，当算是最大的云计算使用者。Google搜索引擎就建立在分布在200多个地点、超过100万台服务器的支撑之上，这些设施的数量正在迅猛增长。Google值得称颂的是不保守。它早已以发表学术论文的形式公开其云计算三大法宝:GFS、MapReduce和BigTable，并在美国、中国等高校开设如何进行云计算编程的课程。IBM(2007)推出了“改变游戏规则”的“蓝云”计算平台，为客户带来即买即用的云计算平台。微软紧跟云计算步伐(2008)推出了WindowsAzure操作系统，通过在互联网架构上打造新云计算平台，让Windows真正由PC延伸到Azure(蓝天)上。Azure的底层是微软全球基础服务系统，由遍布全球的第四代数据中心构成。目前，云计算的主要应用有亚马逊网站、谷歌公司、Salesforce和微软公司。

6)赛伯物理系统(Cyberphysicalsystem，CPS)CPS在美国挑战下的领先－竞争世界中居于8大关键信息技术之首。国内译作信息物理系统、智慧物理系统，并不统一，这里称之为赛伯物理系统。赛伯同计算机和自动控制有关，赛伯空间是信息化空间，显然，赛伯是信息化带来的新概念。欧洲CPS同义词是总体工程(Ensembleengineer-ing)。CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C(Computation，Communication，Control)的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS将让整个世界互联起来，如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变人与物理世界的互动。CPS的意义在于将物理设备联网，特别是连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等功能。CPS典型特征有六:①其组件可自由地动态加入和退出，能支持高度的柔性;②层次化，可满足不同层次的服务质量要求;③计算与物理成分融合，连续过程与离散事件交织，规模大小、时间跨度各异，系统通信和交互方式多变;④I/O取决于场景;⑤实现开放控制(与物理系统多层次交互);⑥高度自动、自治、协调、规模可变，且具有联邦式、分布式、开放型、可重构性及时空一致性。CPS并不排斥物联网。应该说，物联网是CPS的一种简约应用，或者说，CPS让物联网的定义和概念明晰起来。物联网中的物品不具备控制和自治能力，通信也大都发生在物品与服务器之间，因此物品之间无法进行协同。清华大学自动化系肖田元(2010)提出一种扩展的HLA建模与仿真框架，该框架基于MDA实现CPS的建模，提出了两类新技术，一类称为资源管理联邦技术，另一类称为互配RTI技术，将目前的HLA平面结构扩展为多层结构，从而支持多层多联邦的协同并发运行，以松耦合集成的方式实现大规模、异构CPS的设计、建模与仿真。

7)普适化仿真系统(Ubiquitoussimulationsystem)普适计算是MarkWeiser(1991)提出的关于未来计算模式的构想，其目标是使由计算和通信构成的信息空间与人们生活的物理空间相融合的智能化空间，在这个智能化空间中人们可以随时随地透明地获得计算和信息服务。普适化仿真技术将实现信息空间与物理空间结合的一种新仿真模式，推动现代建模仿真研究、开发与应用进入一个崭新的时代。普适化仿真就是紧密集成计算机硬软件、通讯硬软件、各类传感器、设备、模拟器，构造使由计算和通信构成的信息空间与人们生活的物理空间相结合的普适化空间(Ubiquitousspace)，并在其中融合普适计算技术、网格计算技术与Webservice技术，让仿真进入真实系统，无缝地嵌入到日常生活事物中。面向未来复杂、异构、动态的普适计算环境，普适仿真系统应具备四个基本特征:①普及:仿真资源无所不在;②随时随地:人们可以在工作、生活的现场就可以获得仿真服务，而不需离开这个现场去端坐在一个专门的计算机面前;③自适应:仿真信息空间能以适合用户的方式提供能适应变化的计算环境的、连贯的仿真服务;④透明:用户获得仿真服务时不需要花费很多注意力，仿真服务的访问方式是十分自然的，甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互。从仿真网格体现出来的特性和优势来看，仿真网格不失为实现普适化仿真的一种很好的手段和技术途径。首先，仿真网格借助于网格技术，实现了人们生活中的各种软、硬件仿真资源的服务化，为用户屏蔽了复杂、异构的普适计算环境，使得仿真资源无所不在，解决了“普及”的问题。其次，网格技术使得仿真应用的终端延伸到了网络的每一个角落，彻底摆脱了时间和空间的束缚，人们通过使用任何(有线无线、移动固定的)联网设备，就可以访问网格环境中的仿真资源和服务，满足了对“随时随地”的需求。但是，动态、复杂、异构的普适仿真环境对仿真网格提出了更高的要求。首先，对于计算资源、用户终端的移动，网络连接的不稳定，网络带宽的限制这些普适计算环境中常见的问题，仿真网格还需要研究更好的解决策略。复杂而变化的普适计算环境对仿真网格的自适应能力提出了更高的要求。其次，仿真网格仍然没有摆脱“桌面计算模式”，即仿真信息空间和物理空间是隔离的。如果在仿真网格中引入普适计算技术，将很好的满足普适仿真环境对仿真网格在移动性、自适应性、动态容错性、人机交互模式上的新需求，使得仿真信息空间能以适合用户的方式提供能适应变化的仿真环境和连贯的仿真服务。结合网格技术和普适计算技术的普适化仿真网格技术将成为网络化建模仿真研究应用关注的新焦点。在国内外都处于探讨和起步阶段。普适化仿真网格还存在很多有待进一步研究的问题。例如普适化仿真网格中的安全机制，与传感器网络的无缝集成，仿真任务的动态管理，普适计算环境下仿真服务的动态发现，支持自适应的仿真资源动态配置，仿真服务的动态组合调度，面向普适计算的仿真网格终端，蕴含式人机交互模式和智能感知接口，普适化仿真网格的应用模式等。随着普适计算技术的发展和仿真网格应用规模、范围的扩展，普适化仿真网格的技术内涵和外延也将得到进一步的丰富和提升。

4结束语

计算机仿真系统是基于仿真的系统研究的一种实验工具，直接关系到仿真质量，需要把建立仿真系统当作一项系统工程来认真对待，并且在计算机仿真系统建立过程中密切关注高新技术与先进管理相结合。只有这样，才能克服建立仿真应用的时间太长、费用太高的国际性问题，也才能有利于仿真技术随着时代前进步伐持续发展。