东华理工大学信息工程学院课程论文课程：计算机仿真技术基础题目：仿真技术的应用与发展学生姓名：学号：班级：10204102专业：计算机科学与技术指导教师：***二零一三年六月四日摘要作为信息技术核心的计算机技术自其诞生之日起经历了60多年的发展，已广泛应用于国民经济和社会生活中。

并与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术这一新的研究方法。

计算机仿真作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。

近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。

本文系统全面地介绍了计算机仿真技术，阐述了计算机仿真技术的概念、原理、优点，简要介绍了计算机仿真技术的发展历程，文章最后重点探讨了现代仿真技术的研究热点，即计算机仿真技术在社会各个领域中的应用：面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真等。

关键词：计算机仿真、发展、应用、模拟目录摘要 (2)第一章前言 (4)第二章计算机仿真技术概述 (4)2.1计算机仿真技术简介 (4)2.2计算机仿真技术原理 (5)2.2.1模型的建立 (6)2.2.2模型的转换 (6)2.2.3模型的仿真实验 (6)第三章计算机仿真技术发展 (6)3.1发展趋势 (7)3.2 现代仿真技术 (8)3.3计算机仿真技术发展方向 (10)3.3.1．网络化仿真 (10)3.3.2．虚拟制造技术 (10)第四章计算机仿真技术的应用 (11)4.1.交通领域 (11)4.2.制造领域 (11)4.3.教育领域 (12)结语 (13)参考文献 (14)第一章前言计算机仿真(Computr Simulation) (或称系统仿真—System simulation) 作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。

近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。

本文根据作者的研究体会, 试图从仿真的含义入手, 讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等, 为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。

仿真技术(simulation Technology)已有半个多世纪的发展史了，在这半个多世纪里，仿真技术的发展从简单到复杂、从理论到实践、从辅助学科到解决重大工程问题的必要手段。

仿真技术在计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体技术、软件工程、信息处理技术、控制论、系统工程等相关技术和理论的支持、交叉、融合下，逐渐形成了一门交叉科学，成为认识客观世界的一种重要的方法。

仿真技术最早主要应用于军事方面，比如航天器、航海模拟、高能武器等。

随着国民经济的发展，仿真技术被迅速地推广应用到国民经济的每个领域，成为系统工程中的科学方法和有力工具。

第二章计算机仿真技术概述2.1计算机仿真技术简介计算机仿真技术是一门崭新的综合性信息技术，它通过专用软件，整合图像、声音、动画等，将三维的现实环境、物体模拟成多维表现形式的计算机仿真，再由数字媒介作为载体传播给人们。

当人们通过该媒体浏览观赏时就如身临其境一般。

并且可以选择任意角度，观看任意范围内的场景或选择观看物体的任意角度。

正是由于对身临其境的真实感和对超越现实的虚拟性，以及建立个人能够沉浸其中、超越其上、进出自如、具有交互作用的多维信息系统的追求，推动了计算机仿真技术在安全领域中的应用与发展。

计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真很大程度上指的就是计算机仿真。

计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。

一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。

计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。

2.2计算机仿真技术原理“仿真是一种基于模型的活动”, 它涉及多学科、多领域的知识和经验。

成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动。

这里的“各类活动”, 就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”, 而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。

其中:系统是研究的对象, 模型是系统的抽象, 仿真是通过对模型的实验来达到研究的的。

要素与活动的关系如图所示：图1 仿真的三要素和三项基本活动数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。

由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。

通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。

通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。

从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。

2.2.1模型的建立对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。

在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。

这个模型是进行计算机仿真的核心。

系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。

2.2.2模型的转换所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。

这个模型是进行计算机仿真的关键。

实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件。

2.2.3模型的仿真实验将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。

第三章计算机仿真技术发展根据国际标准化组织(ISO)标准中的《数据处理词汇》部分的名次解释，“模拟”（Simulation）与“仿真”（Emulation）两词含义分别为：“模拟”即选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征，用另一系统来表示它们的过程。

“仿真”即用另一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分地模仿处理系统，以至于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。

目前“模拟”和“仿真”两者所包含的内容都归于“仿真”的范畴，用“Simulation”来代表。

计算机仿真早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。

其原理可追溯到1773年法国自然学家Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。

根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。

20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。

现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

3.1发展趋势近年来, 由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展, 系统仿真方法学致力于更自然地抽取事物的属性特征, 寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法, 等等。

在这些探索的推动下, 生长了一批新的研究热点:( 1) 面向对象仿真(Object oriented Simulation OOS): 从人类认识世界模式出发, 使问题空间和求解空间相一致, 提供更自然直观, 且具可维护性和可重用性的系统仿真框架。

(2) 定性仿真(Q ualitatuve Simulation Q S): 用于复杂系统的研究, 由于传统的定量数字仿真的局限, 仿真领域引入定性研究方法将拓展其应用。

定性仿真力求非数字化, 以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出, 通过定性模型推导系统定性行为描述。

(3) 智能仿真( Intelligence Simulation IS): 是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术, 引入整个建模与仿真过程, 构造各处基本知识的仿真系统(Know ledge Based Simu2lation System KBSS) , 即智能仿真平台。

智能仿真技术的开发途径是人工智能(如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等) 与仿真技术(如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等) 的集成化。

因此, 近年来各种智能算法, 如模糊算法、神经算法、遗传算法的探索也形成了智能建模与仿真中的一些研究热点。

(4) 分布交互仿真(D istributed Interactive Simulation D IS (是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连, 构成时间与空间互相偶合的虚拟仿真环境。

实现分布交互仿真的关键技术是: 网络技术、支撑环境技术、组织和管理。

其中网络技术是实现分布交互仿真的基础, 支撑环境技术是分布交互仿真的核心, 组织和管理是完善分布交互仿真的信号。

(5) 可视化仿真(V isual Simulation V S): 用以为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图象、动画表现, 使仿真过程更加直观, 结果更容易理解, 并能验证仿真过程是否正确。

近年来还提出了动画仿真(A nimated Simulation A S) , 主要用于系统仿真模型建立之后动画显示, 所以原则上仍属于可视化仿真。

( 6) 多媒体仿真(M ultimedia Simulation M S): 它是在可视化仿真的基础上再加入声音, 就可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。

(7) 虚拟现实仿真(V irtual Reality Simulation VRS): 是在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功能, 支持触、嗅、味知觉, 就得到了VR 仿真系统。

3.2 现代仿真技术现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面, 并将其统一到同环境中。

Oren将上述思想加以总结, 提出了现代仿真方法的概念框架, 如图2 所示：图2 现代仿真的概念示意图比较图1, 概念框架图中的“仿真问题描述”对应于“仿真建模”；“行为产生”对应于“仿真实验”, 只是将仿真输出独立于行为产生；“模型行为及其处理”相应于输出处理。