仿真软件发展的四个阶段

数字仿真软件泛指一类面向仿真用途的应用软件。它的特点是面向问题和面向用户。它的功能包括模型描述的规范及处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的分析与演示、模型和数据的存储与检索。根据功能划分,仿真软件可以分为仿真程序包、仿真语言及仿真环境三大类。仿真软件的发展是离不开计算机软件尤其是计算机程序设计语言的发展的。随着计算机从电子管到晶体管再到大规模集成电路不断地发展和进步,计算机的运算速度和存储能力都有显著的提高,因此也就有了计算机程序设计语言从机器语言到汇编语言再到高级程序设计语言的发展历程,而这一切又为仿真软件的产生与发展提供了必要的条件。

历史上第一个仿真软件是由塞尔弗里奇在1955年开发的。他完成了利用辛普森方法进行数值积分的仿真程序设计工作。从那之后,仿真软件的发展大致经历了四个阶段。

1.第一阶段:20世纪50年代到60年代初期

该阶段是以Fortran语言为代表的通用程序设计语言阶段。Fortran语言是第一种成熟的高级程序设计语言。当时几乎所有用于求解数学表达式的程序都是用Fortran语言编写成的,即使在目前,也有许多大型的通用仿真语言是基于Fortran语言编制的。

2.第二阶段:20世纪60年代到70年代

该阶段出现了多种仿真程序包及初级仿真语言。这个时期仿真软件主要解决的问题是利用数字仿真方法求解常微分方程组。例如,1961年由贝尔实验室开发的用于实现数据采集系统仿真的面向框图的程序BLODI(Block Diagram Compiler);1962年为了工业动力学系统仿真专门开发的语言DYNAMO(DYNAmic Model);1983年发表的用于求解常微分方程组的仿真程序MIDAS(Modified Integration Digital Analog Simulator);等等。

直到1967年,为了促进已有的几十种数字仿真语言的标准化,美国计算机仿真学会提出了CSSL(Continuous System Simulation Language)标准,后来开发的仿真语言大都遵循这个标准。在此阶段的仿真语言中,比较典型的还有1964年由IBM公司的戈登开发的高度结构化的利用进程交互法进行排队问题仿真的通用仿真语言GPSS(General Purpose Simulation System)。

3.第三阶段:20世纪70年代到80年代初期

该阶段出现了高级完善的商品化仿真语言。这个阶段仿真语言的特点是在以下几个方面比早期的仿真语言更加成熟和全面:①模型的表达能力;②数值性能和算法;③语言的结构特征;④模型验证;⑤程序执行方式;⑥数据管理和处理能力;⑦输入输出特性。

这一阶段仿真软件主要有:20世纪70年代中期推出的算法全面、功能强大的求解常微分方程和差分方程问题的仿真语言CSSL-IV和ACSL(Advanced Continuous Simulation Language);1971 年推出的用于离散事件仿真的可以用类似自然语言自由格式描述系统模型的仿真语言Simscript 1.5和应用广泛的随机网络建模的SLAM仿真语言。

4.第四阶段:20世纪80年代中期开始的一体化建模与仿真环境研究

该阶段的背景是:①随着建模与仿真工作要求的提高,已开发的各种仿真软件经常不能协调地工作;②对仿真语言的要求越来越复杂;③存在大量的数据处理及文档化工作;④不同的用户(建模者、仿真实验人员、决策者)对仿真工具有不同的要求;⑤计算机网络技术和数据库技术有较大的发展。

一体化建模与仿真环境的主要性能表现在:①支持建模与仿真的全寿命周期活动;②集成化程度高;③方便友好的用户接口;④初步的知识处理能力;⑤模型与仿真的质量保证措施;⑥开放性。

在当今市面上,仿真可采用专用软件来实现。下面列举了一些仿真软件:20-Sim、Arena、AutoMod、Awesim、Easy5、Idef、Intrax、Manufacturing Engineering、Matlab、Modsim、Promodel、Service Model、Medmodel、Prosolvia、Quest、Flexsim、SDI Supply Chain以及Witness等。