现代系统仿真技术及其应用

2022-10-17

1 系统仿真技术的概念

系统仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础, 以计算机系统与应用相关的物理效应设备及仿真设备为工具, 利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科的综合性技术。

2 系统仿真技术与虚拟现实技术的关系

谈系统仿真技术, 不得不谈谈虚拟现实技术。虚拟现实技术是系统仿真的关键支撑技术。通过虚拟现实技术在仿真系统中的应用, 能使整个仿真过程可视化;能使人们实时监控仿真过程, 体会仿真的真实性, 确信结果的可靠性;能使用户直接进入虚拟世界内部观察事物的内在变化, 并且直接参与到事物的相互作用中去, 成为虚拟世界的一部分。

3 仿真分类

3.1 逻辑仿真

仿真系统只包括计算机软硬件设备, 无需做模拟的各种物理设备。这类仿真主要建立系统的逻辑模型 (包括数学模型) , 在计算机上反复做实验, 再现和评价系统或分析系统的特性。逻辑仿真适用于研究开发、方案论证和产品设计。

1990年美国某城一幢大楼失火, 为追究事故责任, 做出正确的判决, 必须根据失火前的初始状态 (整个大楼的原始状态) 和灭火后的终止状态 (留下的断垣残壁) , 火势, 火和烟的运动规律, 归纳出大楼失火的逻辑模型, 然后根据各种线索找出一个起火点, 把初始状态、起火地点和模型输入计算机做仿真验证, 计算机动态演示了大楼失火的全过程, 最后画面显示的终止状态和现场一模一样, 法官看了仿真的全过程, 做出了令人信服的判决。这种论证只能用仿真技术解决。

3.2 实物仿真或半实物仿真

实物仿真是指仿真系统除了计算机外, 还要求有相应的物理设备与计算机连接起来构成回路进行仿真实验。这种仿真必须在实际运行时进行。

导弹打飞机的仿真就是半实物仿真。其主要功能是在雷达跟踪上目标以后, 导弹的发射、跟踪拦截的全过程仿真。

以前评定导弹武器系统性能好坏主要依靠靶场试验, 就是正式到外场飞行打靶。依据打靶结果评定武器系统性能是否达到了预定要求。整个研制过程, 不同研制阶段打靶次数很多, 花费很大。例如, 美国从1 9 5 3-1959年, 6年中研制的导弹“警犬”, 做了大小实验500余次。我国还没有仿真系统时, 第一代低空导弹武器系统测试, 靶场飞行实验22次, 打了77发导弹。建立仿真系统后则可大大节省经费。

3.3 人员操作系统仿真

这是操作人员或培训人员在系统回路中进行操纵的仿真试验。被控对象的动态特性仍通过建立的数学模型在计算机上运行。这种仿真试验能对模拟器性能, 回路中的操作人员的技能和素质, 或对人-机系统做出评价。

1986年, 前苏联的切尔诺贝利核电站发生重大事故, 烧毁了反应堆堆芯, 引起大爆炸, 导致大量放射性元素向全球释放, 造成极大灾难。经分析主要原因都是操作员的一系列误操作引起的。

为此, 核电站操作员培训模拟器应运而生, 它由主控制室多种设备和计算机网组成。主控制室有一个和核电站主控制室完全一样的模拟主控制室, 其中, 各种盘台仪表、指示灯和控制室的文字颜色、尺寸大小、操作手感、动态响应都和真实控制室完全一样。操作员按教学计划的进度, 循序渐进地在模拟器上培训。

4 系统仿真技术的应用

4.1 列车驾驶仿真

铁路运输作为我国主要的交通运输工具, 国民经济的发展对其运输能力提出了更高的要求。提高铁路运输能力的途径有两个:一是加快列车运行速度, 提高线路的通过能力;二是增加列车长度, 提高载重量。但是列车速度的增加受到线路的坡度和弯道大小、路面的质量、机车和车辆的构造速度、牵引能力和制动机的制动能力等因素的影响和限制;而列车长度的增加, 除了受到线路条件的限制外, 列车的冲量将明显增加, 将对列车的车钩、缓冲器等带来破坏性的影响。发展铁路运输, 一方面是要对铁路工程和运输设备进行现代化装备和改造, 另一方面要对列车编组结构、列车的优化操纵方式进行研究。列车驾驶防真器实际上就是利用现代化的计算机防真技术进行操纵方式研究而发展的必然产物。

在国外, 从20世纪70年代初开始, 美国、澳大利亚、前苏联、南非等许多国家都进行了开发重载列车的研究, 美国、澳大利亚、英国等国家开发出了列车驾驶防真器。

我国目前大约有将近100套列车驾驶防真器在全国各地运行, 参与机车司机的培训和铁路工程的研究。新型的列车驾驶防真器功能越来越完善, 可与现场电器屏柜、制动机系统等实物有机结合起来, 使得培训周期更短, 质量更高。

列车驾驶防真器不仅可以替代真实机车来培训司机, 而且可以进行各种各样的工程应用研究, 从而起到驾驶培训防真器及工程防真器两方面的作用。

4.2 电力系统防真

电力生产系统具有高危性、复杂性, 要求操作人员必须具备较高的技能素质。

如何来培训、考核电力系统值班人员呢?以前, 曾经发生过给参观者讲解时, 误碰开关, 引起跳闸, 电力中断的事故。因此, 培训人员只能“纸上谈兵”, 或者, 师傅带徒弟, 口说心记, 培训时间长, 效果极差。而电力系统防真机可以弥补这种遗憾。

首先, 防真机可以模拟电力生产的全过程, 不论是冷态、温态、热态、绝热态启动, 在控制盘上仪表的指示与火电厂现场仪表指示一样, 便于培训人员操作练习, 即使操作不对, 可以根据防真机给出信号, 重新操作, 直到熟练掌握。另外, 发电机组的运行、停役, 都可以模拟得十分逼真。

其次, 使用防真机还可以模仿电力生产过程的各种各样事故, 是培训人员学习处理电力系统故障的最好办法。电力系统运行技术很复杂, 某一部分的微小缺陷, 会影响电力生产的整体;而且, 故障是千奇百怪的, 具有随机性和突发性, 防真机可以把所有的故障做在机器里, 随时调用。这种方法既经济又实用, 十分逼真。经过重复这样的训练, 能提高电力系统值班人员判断、排除故障的能力。

4.3 服装设计系统仿真

随着计算机技术的发展, 把穿在模特身上的时装用计算机逼真而精确地模拟出来, 精确的进行服装设计、裁剪, 即用计算机为人们量体裁衣, 这是人们多年来梦寐以求的愿望, 这就是服装“试衣系统”。

用“试衣系统”可以为某一个女士或者一个男士设计出合身的、独特的服装, 且不必制作成衣, 计算机既可模拟出其穿着的效果:尺寸是否合身, 式样是否满意, 色彩搭配调整等。又可将输出的服装尺寸数据, 直接用于裁剪、制作。

试衣系统”若联入网络, 用户在家里便可选定或设计自己满意的服装, 并通过网络定做。那时, “网络裁缝店”将大行其道, 商家由于省去了存储、销售服装的场地和人员费用, 服装的价格也会降低。“试衣系统”将会对现在的服装生产、销售模式进行挑战。“试衣系统”将会带来一个更加张扬个性、更加五彩缤纷的着装新时代。

摘要：系统仿真技术是利用计算机对各种复杂系统进行分析、设计的有力工具, 其应用和影响已遍及众多的科学研究、工程领域和非工程领域。本文介绍了计算机仿真技术的概念、分类以及在国民经济中的应用。

关键词：仿真,计算机,系统