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仿真科学与技术的概念

时间:2022-03-28 百科知识 版权反馈
【摘要】:在系统研制阶段,大多进行半实物仿真实验,以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下,可进行全物理的仿真实验,这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。20世纪初仿真技术已得到应用,随着工业技术有了长足的发展。
仿真技术_现代应急管理理论与技术

仿真科学与技术(以下简称仿真)是以建模与仿真理论为基础,以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具,根据研究目标,建立并运行模型,对研究对象进行认识与改造的一门综合性、交叉性学科。

8.1.1 仿真技术概念

仿真技术是一门多学科的综合性技术,它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础,以计算机和专用设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。

仿真技术利用模型重现实际系统中发生的本质过程,并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统,又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的,静态的和动态的,连续的和离散的各种模型。所指的系统也很广泛,包括电气、机械化工、水力、热力等系统,也包括社会经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,仿真是一种特别有效的研究手段,仿真的重要工具是计算机,仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和利用仿真工具进行仿真实验两个主要步骤,对于仿真模型、仿真试验和仿真工具三者的概念分别如下:

(1)仿真模型。仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式,它可以是物理模型或数学模型。但并不是所有对象都能建立物理模型。例如为了研究飞行器的动力学特性,在地面上只能用计算机来仿真。为此首先要建立对象的数学模型,然后将它转换成适合计算机处理的形式,即仿真模型。具体地说,对于模拟计算机应将数学模型转换成模拟理论图; 对于数字计算机应转换成源程序

(2)仿真实验。仿真实验通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。为了寻求系统的最优结构和参数,常常要在仿真模型上进行多次实验。下图为某工程系统仿真的流程图。在系统的设计阶段,人们大多利用计算机进行数学仿真实验,因为修改、变换模型比较方便和经济。在部件研制阶段,可用已研制的实际部件或子系统去代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验,以提高仿真实验的可信度。在系统研制阶段,大多进行半实物仿真实验,以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下,可进行全物理的仿真实验,这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。全物理仿真具有更高的可信度,但价格昂贵。

(3)仿真工具。仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机,用于仿真的计算机有三种类型: 模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真,称为模拟仿真。在进行模拟仿真时,依据仿真模型将各运算放大器按要求连接起来,并调整有关的系数器。改变运算放大器的连接形式和各系数的调定值,就可修改模型,仿真结果可连续输出。因此,模拟计算机的人机交互性好,适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。20世纪60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差,在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度,某些专用的数字计算机的速度更高,已能满足大部分系统的实时仿真的要求,由于软件、接口和终端技术的发展,人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作,充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高,只宜在一些要求严格的系统仿真中使用。除计算机外,仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器,如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。

8.1.2 仿真技术简史

系统仿真方法的研究和应用已经有了很长的历史。在古代,人们已经从长期的生产实践活动中总结出了朴素的仿真思想。例如,古代的房屋屋顶多数为桁梁式建筑,在建房过程中需要使用大量的木料,为了使屋顶稳定牢靠,除了要选择材质较好、粗细适当的木料外,整个屋顶的桁架结构也必须满足一定的几何形状要求。也就是说,桁梁上的每一根木料都有确定的长度尺寸要求,不论木料长了还是短了都可能影响整个屋顶结构的稳定性。那么如何来确定屋顶上每一根木料的具体长度呢? 显然不能拿实际的木料到屋顶上去试。这样既花费工时又可能造成木料不必要的浪费。这个问题对现代人来说是非常简单的,利用几何和三角学的原理立刻可以解决。但在古代科学尚不发达的情况下,解决的办法只有一个,即在地面上按实际尺寸的一定比例模拟制作一个屋顶。经过若干次实验确定了稳定的结构之后,量出模拟屋顶上每一根相应木料的长度,再按比例放大,即可得到实际木料所需的长度。这是一个很典型的通过构造模型并进行实验从而获得系统特性的系统仿真实例。

近半个多世纪以来,仿真科学与技术在系统科学、控制科学、计算机科学、管理科学等学科中孕育、交叉、综合和发展,并在各学科、各行业的实际应用中成长,逐渐突破孕育原学科范畴,已具有相对独立理论体系、知识基础和稳定的研究对象,从而形成信息门类的新学科,其发展经历了如下几个阶段。

8.1.2.1 初级阶段

在第二次世界大战后期,火炮控制与飞行控制系统的研究孕育了仿真技术的发展。在20世纪40至60年代,相继研制成功了通用电子模拟计算机和混合模拟计算机,是以模拟机实现仿真的初级阶段。

20世纪初仿真技术已得到应用,随着工业技术有了长足的发展。而且伴随着工业技术的进步,仿真技术也在不断地发展。例如,随着电子技术的发展,人们发现可以利用模拟电路去研究工业控制过程中的实际问题,由此而产生了现代控制理论。而这个模拟电路就是工业控制系统的一个模型,通过在这个模型上进行实验,就可以解决实际控制过程中产生的问题。又例如在飞机设计过程中,对飞机的外形要求是非常严格的,因为外形将最终影响整个飞机的飞行特性。由于飞机造价昂贵,用真实的飞机去进行实验是不现实的。为了获得飞机外形的气动数据,尤其是飞机机翼的气动数据,必须制作各种不同形状的机翼模型放到风洞中进行实验。风洞实验的结果改进了飞机的设计理论,而利用这个理论又可以去设计新型的飞机。在这个时期,人们在利用仿真方法研究或求解问题时,都是利用实物去构造与实际系统成比例的物理模型,再在这个模型上进行实验。如果这种实验是破坏性的,那么每次实验都要重新构造实物模型,带来很大的麻烦和浪费。

1946年,世界上第一台电子计算机在美国诞生。在随后的50年中,计算机技术的发展速度惊人,当今计算机的计算能力和信息处理能力已经比最初的笨重的以电子管为主体的机器提高了成千上万倍。如果说早期的仿真主要是利用实际物理模型的比例仿真,那么,现代仿真技术则是与计算机的发展密切相关的。利用计算机实现对于系统的仿真研究不仅方便、灵活,而且也是经济的。因此计算机仿真在仿真技术中占有重要地位。

50年代初,连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。50年代中,人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术遂向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能之后,又出现了混合模拟计算机仿真,以及把混合模拟计算机和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在发展仿真技术的过程中已研制出大量仿真程序包和仿真语言。

8.1.2.2 发展阶段

20世纪七八十年代,随着数字仿真机的诞生,仿真技术不但在军事领域得到迅速发展,而且扩展到许多工业领域,同时相继出现一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司,使仿真进入产业化阶段。由于电子模拟计算机的精度较差等缺点,从70年代初开始,数字模拟混合仿真机得到发展。从70年代末起,以数字机为主机的各种各样专用和通用仿真机得到推广和普及。由于高性能工作站、巨型机、小巨型机、软件技术和人工智能技术取得引人注目的进展,在80年代内人们对智能化的仿真机寄予希望,也在综合集成数字仿真和模拟仿真的优势的基础上,设计出在更高层次上的数字模拟混合仿真机,在一些特定的仿真领域内,这种智能仿真机和高层次的数字模拟仿真机都取得令人鼓舞的结果。

随计算机技术的飞速发展,在仿真机中也出现了一批很有特色的仿真工作站、小巨机式的仿真机、巨型机式的仿真机。80年代初推出的一些仿真机,SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真机的代表。为了建立一个有效的仿真系统,一般都要经历建立模型、仿真实验、数据处理、分析验证等步骤。为了构成一个实用的较大规模的仿真系统,除仿真机外,还需配有控制和显示设备。

8.1.2.3 成熟阶段

20世纪90年代,在需求牵引和计算机科学与技术的推动下,为了更好地实现信息与仿真资源共享,促进仿真系统的互操作和重用,以美国为代表的发达国家开展基于网络的仿真,在聚合级仿真、分布式交互仿真、先进并行交互仿真的基础上,提出了分布仿真的高层体系结构并发展成为工业标准IEEE1516。

8.1.2.4 系统仿真新阶段

20世纪末和21世纪初,对广泛领域的复杂性问题进行科学研究的需求进一步推动仿真技术的发展。仿真逐渐发展形成了具有广泛应用领域的新兴的交叉学科——仿真科学与技术学科。仿真科学与技术学科是以建模与仿真理论为基础,以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具,根据研究目标建立并运行模型,对研究对象进行认识与改造的一门综合性、交叉性学科。学科已形成独立的知识体系,包括: ①由仿真建模理论、仿真系统理论和仿真应用理论构成的理论体系; ②由模型、仿真系统、应用领域专业知识与技术综合而成的知识与技术体系;③由基于相似原理的仿真建模,基于系统论的仿真系统构建,以及被仿真对象全系统及其全寿命、全方位活动中仿真应用等三类方法综合而成的方法论体系。学科研究包括: 仿真建模理论与方法、仿真系统与支撑技术和仿真应用工程。其中,仿真建模理论与方法包括相似理论、仿真的方法论和仿真建模理论等; 仿真系统与技术包括仿真系统理论、仿真系统的支撑环境和仿真系统构建与运行技术等; 仿真应用工程包括仿真应用理论、仿真应用的可信性理论、仿真共性应用技术和各专业领域的仿真应用等。

目前,我国仿真系统理论的研究总体上处于国际先进水平,但软件工程的思想、方法和技术在仿真系统研究与开发中仍没有得到足够的重视,影响了仿真产业的发展。网络化仿真技术在我国已经取得长足进步,国内已经成功开发多个网络化仿真系统及支撑平台,在体系结构方面有所突破。我国虚拟现实(VR)技术覆盖了该领域的主要研究方向,但技术原创性与国外相比仍有较大差距。在服务化仿真技术方面我国的研究处于国际先进水平,但在标准和规范研究与制订方面有待加强。我国已成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿次超级计算机的国家,但在高性能仿真技术领域的研究与应用水平方面我国与发达国家仍有相当差距。

8.1.3 仿真技术的应用

现代仿真技术不仅应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等传统工程技术领域,而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域,如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。仿真技术得以发展的主要原因,是它的广泛应用所带来的巨大社会经济效益。因此,利用仿真技术来研究这些系统就具有广泛的应用价值。

8.1.3.1 航空工业中的应用

在航空工业方面,采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。仿真工程涉及飞机、无人机、战略地地导弹、战术地地导弹、地(舰)空导弹、飞航导弹、卫星、运载火箭、载人飞船等应用背景,从型号的可行性论证、方案论证、系统设计、飞行试验前的动态性能检验,到飞行试验后的性能改进、故障分析、统计打靶、鉴定及训练模拟等各个阶段。利用飞行仿真器在地面训练飞行员,不仅节省大量燃料和经费,而且不受气象条件和场地的限制。此外,在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障,培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。在航天工业方面,采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80%。

8.1.3.2 工程结构分析中的应用

工程结构在各种荷载作用下反应,其破坏特征和极限承载力是人们所关心的。当结构形式特殊,荷载及材料特性复杂时,人们往往求助于模型试验来测定其受力性能,但模型试验往往受到场地和设备的限制,只能做小比例模型试验,难以完全反映结构的实际情况。若用仿真与虚拟现实技术,则可以进行全尺寸的试验,还可以很方便地修改参数。此外,有些结构难于进行直接试验,用计算机模拟仿真就更能体现出优越性,如建筑物及构筑物在地震作用下的倒塌分析,桥梁受到汽车高速碰撞的检验试验等只有采用仿真与虚拟现实技术分析才能大量进行。又如在高速荷载作用下,结构反应很快,人们在真实试验中只能观察到最终结果,而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真试验,则可观察其破坏的全过程,便于破坏机理的研究。在运用传统的有限元法进行结构分析时,结构应力的结果通常采用内力图等力线的形式描绘出来,给人以直观的印象。利用仿真与虚拟现实技术则可以通过颜色的深浅给出三维物体中各点力的大小,用不同颜色表示出不同的等力面; 也可以任意变换角度,从任何点去观察。还可以利用VR的交互性能,实时修改各种数据,以便对各种方案及结果进行比较。这样就使工程师的思维更加形象化,概念更易于理解。

8.1.3.3 岩土工程中的应用

岩土工程处于地下,往往难于直接观察,而仿真与虚拟现实技术则可把内部过程展现出来,有很大实用价值。例如,地下工程开挖经常会塌方冒顶。根据地质勘查,我们可以知道断层、裂隙和节理的走向密度,通过小型试验,可以确定岩体本身的力学性能及岩体夹层界面的力学特性、强度条件,并存入计算机中。

在数值模型中,除了有限元方法外,还可采用分离单元。分离单元在平衡状态下的性能与有限元相仿,而当它失去平衡时,则在外力和重力作用下产生运动直到获得新的平衡为止。分析地下工程的围岩结构,边坡稳定等问题时,可以把节理断层划分为许多离散单元。这一过程可以在显示器和大型屏幕上显示出来,最终可以看到塌方的区域及范围,这就为支护设计提供了可靠依据。

8.1.3.4 模拟施工过程中的应用

建筑施工是复杂的大型的动态系统,它通常包括立模、架设钢筋、浇注、振捣、拆模、养护等多道工序,而这些工序中涉及的因素繁多,其间关系复杂,直接影响着混凝土浇筑的进程。模拟施工过程是为了通过仿真手段,去发现实际施工中存在的问题或可能出现的问题,这就需要对实际施工进行仿真。而目前施工过程的模拟只是从几何形体方面模拟施工的过程,即按楼层关系由下而上,每一层按柱、梁、板的几何形状加以着色来实现对施工过程的模拟。现有的模拟只是对进度计划起到了一定作用,并没有对施工过程起到真正的作用。基于以上原因,需对施工过程建立合适的模型,以达到模拟仿真的效果。例如,大型水利枢纽混凝土在运输浇筑系统的模拟仿真模型,是由运输子系统和浇注子系统构成的,模型是按进程交互的仿真策略建立的,按这种条件建立的模型能与仿真程序间保持紧密的对应关系,程序所要模仿的行为比较直观、清晰。程序流程直接与模型结构和系统状态相对应。“南水北调”是我国最大的、也是最重要的水资源调配工程,“南水北调”仿真平台,对工程关注的重大问题进行仿真计算和试验,对于工程运行和调度方案的预演和研究,投资合理性评估,水质环境分析和引水线路沿岸环境变化的分析研究,调水区和受水区环境分析和经济效益的分析等做出了重大贡献。

8.1.3.5 防灾工程中的应用

长期以来,人类一直与洪水、火灾、地震等自然灾害进行着坚持不懈的斗争。由于自然灾害的原型重复实验几乎是不可能的,因而仿真与虚拟现实技术在这一领域的应用就更有意义。目前已有不少抗灾、防灾的模拟仿真系统制作成功,例如洪水泛滥淹没区的洪水发展过程演示系统。该系统预先存储了泛滥区的地形地貌和地物,有高程数据可确定等高线,只要输入洪水标准(如百年一遇的洪水)及预定河堤决口位置,计算机就可根据水量、流速区域面积及高程数据算出不同时刻的淹没地区,并在显示器和大型屏幕上显示出来。人们从屏幕上可以看到水势从低处向高处逐渐淹没的过程,这样对防洪规划以及遭遇洪水时指导人员疏散是很有作用的。又如在火灾方面,对森林火灾的蔓延,建筑物中火灾的传播均已开发出相应的模拟仿真系统,这对消防工程起到了很好的指导作用。

8.1.4 应急疏散的产生与发展

人员疏散研究最早见于英国,在二战结束后,人员疏散的近代研究拉开了帷幕。从20世纪年代起,国内外学者对人员疏散就进行了大量的研究,提出了许多重要的疏散模型。21世纪初,多采用观察、描述及访问研究等人员疏散定性分析的方法。20世纪70年代,开始研究火灾中人员行为起,到1977年NBS出版的《建筑中紧急疏散评估的技术手册》止,通常认为是该问题研究的初期阶段。从20世纪70年代开始,人员疏散逐渐受到各国政府的重视、支持和资助,主要的研究方向集中在群集恐慌行为研究、人的疏散行动能力研究等。80年代以后,借助消防演习等实验手段,研究人员继续深入进行火灾的动力学研究及计算机模拟,建立了多种有关建筑物火灾时人员有计划疏散行为规律的数学模型,并开始涉及人员的随机疏散行为规律的研究领域,以Center为代表的用计算模拟的方法在研究火灾后人员的疏散问题中得到广泛应用,人在紧急状况下的行为规律研究逐步深入。从20世纪90年代初至今,由于城市功能日益复杂和多样化,现有的人员疏散行为规范已不能适应现代城市公共安全的需求,城市公共安全中的人员疏散行为研究日益引起国际学术界的重视,尤其是人的疏散行为规律的研究,即从有计划疏散行为模型的进一步完善、定性分析,逐渐发展到随机行为规律的定量研究。1998年在爱尔兰Belfast召开第一届国际火灾中人员疏散问题研讨会后,进一步加深了人员疏散问题的研究。

近年来,国际上多次举办相关学术会议。例如,国际人群安全工程会议(Internationalcon-ference on engineering for crowd safety),人群疏散动态学会议(Conference on pedestrian and Evacuation Dynamics),尤其是2003年《Pedestrian and Evacuation Dynamics》的出版标志着对人群、行为及疏散动态的研究正式成为一门独立的学科,成为国际上安全研究的一个新的热点。当前的研究主要集中在紧急状态下人员疏散软件的开发,但由于紧急疏散状况下的数据积累不足,还没有一个模型可以完全模拟人在疏散中的各种行为。同时,并不是所有行为都可以被充分认识或完全量化。在未来的发展中,仍需提出新的模型或理论来解决这一问题,引入人工智能技术进行模拟应用将成为这一领域的新热点。人工智能技术需要进一步处理人作为独立个体所具有的决策行为能力。

人员疏散行为特征汇总分析将是未来几年首先需要尽快开展的研究工作。一般而言,紧急情况下的人员疏散行为特征主要受事故现场物理环境、建筑物空间结构特点、疏散人员的分布及生理心理特征等因素的影响。这些复杂因素可以进一步归纳为目标、运动以及约束3个互相作用的变量,并遵循下述3个方面的规则: ①目标规则,即疏散人员可以根据事故状态的变化,克服疏散行动过程中所遇到的各种障碍性约束,选择或改变自己的行动目标,不断尝试并努力保持最优的疏散运动方式,向疏散空间网络系统的终点移动。因此,系统是自包含的。②约束规则,即对疏散行为的约束或障碍。包括疏散人员彼此之间最小的间距空间,疏散人员与静物或疏散运动个体之间的相互碰撞、互相约束和制约等。③运动规则,即疏散人员会根据疏散过程中所接受的各种信息,不断调整自己的疏散行为,以最优的疏散速度和最佳的疏散路线,向安全的疏散目的地疏散。根据上述行为规则,可以建立人员应急疏散行为规则知识库,以及建立基于规则的搜索机制和推理机,实现对人的疏散行为的模拟。

8.1.5 应急疏散模拟仿真的意义

大型商场、大型体育馆、大型会展中心、地铁站等各种各样复杂的建筑物内通常都有大量的人员出入或者逗留,人员的安全、快速的疏散不但是建筑设计所必须考虑和研究的事情,也是紧急情况应对预案所必须考虑的问题。大量的建筑物火灾表明: 在许多群死群伤的火灾事故中,很多情况下都是由于火灾发生后,人员的不当疏散行为所导致的,因此对火灾中人员疏散行为以及疏散情况的研究具有十分重要的理论意义。

传统的应急疏散研究方法包括问卷调查、事后访问、疏散演习等。这些方法不仅牵扯面广,组织实施困难,耗费大量的人力、物力,而且不具直观性,难以让人信服。运用计算机仿真的方法,我们可以轻松地得到大量的数据,而且直观性好,可以重复使用,不仅可以可视化模拟过程,提供直观的评价依据; 它可以代替费时费力费钱的真实试验,应用在某些实际试验不现实或不可能的场合,还可以发现一些无法预测的在真实应急疏散场景下人员的行为,完善人的行为知识库,为性能化的疏散设计以及性能化的防火设计提供更加准确和直观的信息。同时可以生成更加真实的突发事件疏散场景,让用户能够亲身体验火灾发生后,人员疏散过程中的感受。消防部门也可以用仿真软件对各种各样建筑形式的建筑物进行疏散性能的评价,进行消防培训等。因此,计算机仿真技术用于对人员疏散的研究具有十分重要的现实意义。

为了充分保障人员的人身和财产安全,围绕当前我国火灾等紧急情况下人员心理和行为特点进行人员疏散研究,建立符合中国国情的人员疏散模型,对模型的准确性和适用性进行验证,研究人员疏散的不确定性,根据模型进行人员疏散的预测和建筑安全性能化评估,并指导相应的应急疏散预案的制定,对于加强火灾安全管理,提高我国的公共安全水平有着重要的现实意义。

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