仿真科學的發(fā)展1一、概述仿真技術(shù)已經(jīng)成為認識客觀世界的第三種方法在現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展形式下，將仿真作為一門科學來討論、認識它的內(nèi)容、研究它的理論基礎(chǔ)，技術(shù)手段，對于推動仿真技術(shù)的發(fā)展是非常必要的。234概述系統(tǒng)仿真的支撐技術(shù)計算機技術(shù)信息處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)圖形圖像技術(shù)多媒體技術(shù)軟件工程自動控制系統(tǒng)工程5二、發(fā)展過程1、發(fā)展階段：

二戰(zhàn)末期到60年代，仿真技術(shù)在洲際導彈、阿波羅登月舵上的應(yīng)用，電子模擬計算機、混合計算機的誕生。678

2、成熟階段：

在軍事需求推動下，70年代，仿真技術(shù)不但在軍用領(lǐng)域迅速發(fā)展，而且擴展到許多領(lǐng)域，出現(xiàn)了飛行模擬器、電站模擬器、機車模擬器等。9101112

3、高級階段：美國建成了先進的半實物仿真系統(tǒng)、紅外成像尋地制導半實物仿真系統(tǒng)的、大型毫米波仿真系統(tǒng)（MSS-2），復合制導仿真系統(tǒng)（共孔徑毫米波和紅外雙模制導半實物仿真系統(tǒng)）分布交互仿真系統(tǒng)1314人在回路中的仿真15實況仿真16實況仿真17分布交互仿真的產(chǎn)生軍事領(lǐng)域中訓練的需求國防領(lǐng)域的需求聯(lián)網(wǎng)仿真思想的提出節(jié)約經(jīng)費典型例子:使用仿真器進行飛行員的訓練。主要用于替代訓練訓練目的:單兵技能訓練，未涉及一個戰(zhàn)術(shù)背景下多架飛機的訓練。需求：群體協(xié)同訓練因此，迫切需要將單武器平臺訓練仿真器聯(lián)接起來構(gòu)成逼真的作戰(zhàn)環(huán)境進行訓練。武器系統(tǒng)的評估：系統(tǒng)性能評估作戰(zhàn)效能：武器裝備體系與體系的對抗作戰(zhàn)環(huán)境的影響 使分散在各地的單武器平臺仿真系統(tǒng)或仿真實驗室能夠連在一起組成網(wǎng)絡(luò)，將武器系統(tǒng)和威脅環(huán)境聯(lián)接起來進行評價。1978年，美國空軍基地上尉Thorpe發(fā)表了文章“FutureViews：AircrewTraining1980-2000”，提出了聯(lián)網(wǎng)仿真的思想，希望受訓人員在分布式虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中分辨不出訓練系統(tǒng)與真實系統(tǒng)的真假。18分布交互仿真的產(chǎn)生微處理器：相對廉價的計算機，運算速度快。局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)：經(jīng)濟上可行。實時計算機圖像生成器：好的性能價格比。仿真器設(shè)計方法的改進：以用戶為中心的設(shè)計思想，訓練仿真器的價格開始下降。19202122DIS1989年~至今DIS的定義

DIS采用一致的結(jié)構(gòu)、標準和算法，通過網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置的不同類型的仿真應(yīng)用和真實世界互聯(lián)、互操作，建立一種人可以參與交互的綜合環(huán)境。DIS具有時空一致性、互操作性和可伸縮性。

23DIS存在的問題應(yīng)用范圍：應(yīng)用于平臺級連續(xù)、實時、人在回路的仿真交互與通信方式：廣播方式協(xié)議的擴展：難于擴展數(shù)據(jù)描述方式：缺乏靈活性通信的有效性：信息傳輸冗余，帶寬有限24ALSP的產(chǎn)生與發(fā)展80年代末：DARPA發(fā)起了一個聚合級分布式作戰(zhàn)仿真的實驗并委托Mitre公司對實驗進行分析研究。Mitre公司對照SIMNET對實驗進行了技術(shù)分析1990年1月，DARPA提出了聚合級仿真協(xié)議——ALSP(AggregateLevelSimulationProtocol)的概念，主要研究聚合級的分布構(gòu)造仿真系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、標準和相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)并將基于ALSP標準的分布交互仿真系統(tǒng)應(yīng)用于美軍的軍事演習中1992年，“中心堡壘92”、“回師德國92”、“聚焦鏡頭92”三次主要軍事演習都使用了ALSP技術(shù)，使ALSP得到了改進和完善25HLA的提出內(nèi)在動力：仿真可重用性交互性26C++JavaAda-95CORBAIDLSimulationsLiveParticipantsRuntimeInfrastructure(RTI)FederationManagement DeclarationManagementObjectManagement OwnershipManagementLogicalTimeManagement DataDistributionManagementInterfaceSpecificationFOMFederationSimulationSurrogatesDataCollectors,PassiveViewers,etc.FEDFederationExecutionDataFederationsRules5FederatesRules5在HLA中，將用于達到某一特定仿真目的分布仿真系統(tǒng)稱為聯(lián)邦(Federation)聯(lián)邦由若干個相互作用的聯(lián)邦成員(Federate，或簡稱成員)構(gòu)成。最主要的一種聯(lián)邦成員是仿真應(yīng)用(Simulation)，仿真應(yīng)用使用實體的模型來產(chǎn)生聯(lián)邦中某一實體的動態(tài)行為。其它類型的聯(lián)邦成員有聯(lián)邦管理器、數(shù)據(jù)收集器、數(shù)據(jù)監(jiān)視器等。規(guī)則HLA接口規(guī)范—HLAInterfaceSpecification對象模型模板—ObjectModelTemplates核心:運行支撐框架—RunTimeInfrastructure(RTI)27HLAisanIndustryHLAisacceptedasastandardbyIEEEaswellasOMGCommercialimplementationsoftheRuntimeInfrastructureareavailablecommerciallyPitchAB,SwedenMitsubishiSpaceSoftware,JapanMaKTechnologies,USSAIC,USToolsforbuildingdistributedsimulationsDataloggersSystem&simmanagementSimulationconstructionObjectmodeladaptersTraining28

4、新階段：復雜大系統(tǒng)仿真

29三、仿真技術(shù)的應(yīng)用真實仿真虛擬仿真構(gòu)造仿真人在回路中仿真硬件在回路中仿真軍事操作301、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

系統(tǒng)裝備研制工作武器研制過程中，仿真系統(tǒng)能使新武器計劃開始研制前能夠充分檢驗武器系統(tǒng)的設(shè)計方案和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的合理性，避免在實際研制過程中出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象，縮短研制周期，并支持技術(shù)評估、系統(tǒng)更新、樣機研制，可以以較低的代價提高武器系統(tǒng)的性能。3132仿真技術(shù)應(yīng)用軍事領(lǐng)域：33仿真技術(shù)應(yīng)用軍事領(lǐng)域：34仿真技術(shù)應(yīng)用軍事領(lǐng)域：35軍事訓練中的應(yīng)用3637作戰(zhàn)背景：以德國和歐洲中部的一個50km*70km的戰(zhàn)場環(huán)境為背景目的：不是以提高受訓人員操作武器系統(tǒng)的熟練性為目的將分散在各地的多個地面車輛（如坦克、裝甲車）仿真器用計算機網(wǎng)絡(luò)連接起來，進行各種復雜任務(wù)的訓練演示驗證實時聯(lián)網(wǎng)的人在回路中作戰(zhàn)仿真和作戰(zhàn)演習的可行性最終達到降低訓練成本，提高訓練的安全性及減小對環(huán)境的不良影響的目的SIMNET：1983年-1989年38可選逼真度:采用多層次精度的模型異步信息流程:按需要交流信息商用網(wǎng)絡(luò)技術(shù):采用以太網(wǎng)和衛(wèi)星專線擴展了被復制狀態(tài)信息:某個仿真器可存其它仿真器的狀態(tài)信息應(yīng)用:連接11個城市260個訓練仿真器SIMNET：1983年-1989年39SIMNET的發(fā)展歷程：1984.12:第一次概念演示1985.11:第一次演示，涉及實時圖像1986.4:第一次排級演示1987:引入直升機仿真器

1989年SIMNET計劃結(jié)束，它已包含約260個仿真器(包括主戰(zhàn)坦克、裝甲車、雷達車、A-10對地攻擊機等武器裝備、步兵戰(zhàn)車、直升飛機、定翼飛機、指揮所等)，這些仿真器分布在九個訓練場所(其中四個位于歐洲)和兩個研究場所。在演練過程中SIMNET中實體數(shù)最多可達約850個。SIMNET：1983年-1989年4041424344DIS應(yīng)用軍事:STOW(SynthetictheaterofWar)計劃

1997年10月舉行STOW97的聯(lián)合演練，參演節(jié)點分布于美、英兩國5個不同地點，通過ATM互聯(lián)，有370多個參演平臺，8000多人參加，使用了500×750km2的合成地形環(huán)境，演示了天氣變化、球形地面、自動化合成兵力指揮、動態(tài)目標、智能傳感器以及與真實的C4I系統(tǒng)聯(lián)接等多項功能。民航空中交通管制、高速公路交通管理、飛船的交會和對接、娛樂行業(yè)45ALSP的應(yīng)用應(yīng)用范圍：主要針對離散事件和邏輯時間的仿真系統(tǒng)局限于軍事演習領(lǐng)域的構(gòu)造仿真不能實現(xiàn)與其他兩類仿真（實物仿真和虛擬仿真）間的互操作46分布式任務(wù)培訓47NTMRC135RivetJointDSP/SBIRSGlobalHawkUAVDD963TLAMF16HTSHARMSA2ScudSA6SA10E3AWACSCTOCF15EJAOCE8JSTARSFLOTJSOWATACMSClutter分析與實驗48分布式學習環(huán)境49分布式虛擬環(huán)境50分布式游戲應(yīng)用51仿真技術(shù)應(yīng)用軍事訓練戰(zhàn)斗場景仿真武器裝備研制作戰(zhàn)效能評估軍事領(lǐng)域：52JointModelingandSimulationSystem

(J-MASS)53J-MASS：JointModelingandSimulationSystemJMASS的起源起源于1983年美國空軍電子戰(zhàn)分析領(lǐng)域?qū)﹄娮討?zhàn)的通用建模系統(tǒng)的需求開發(fā)了電子戰(zhàn)數(shù)字評估系統(tǒng)（ECDES）以及相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)和標準在國防部長辦公室下屬CROSSBOW委員會的資助下，成立了三軍數(shù)字仿真指導小組，下設(shè)5個技術(shù)小組，分別是體系結(jié)構(gòu)、導彈、雷達、VV&A以及C31991年3月建立了聯(lián)合電子戰(zhàn)數(shù)字仿真體系結(jié)構(gòu)(JECDSA）同年9月更名為JMASS。54J-MASS：JointModelingandSimulationSystemJMASS的發(fā)展1998年以前是由空軍負責開發(fā)，主要針對空軍的需求進行研制1998年以后，由國防部牽頭、空軍為主來開發(fā)面向多軍種應(yīng)用的系統(tǒng)1998年10月14日在俄亥俄州的懷特-帕特森空軍基地成立了JMASS項目辦公室1999年6月，JMASS項目辦公室發(fā)布了它的需求建議1999年10月開始下發(fā)合同。55J-MASS：JointModelingandSimulationSystemJMASS的發(fā)展1993年1月JMASS1.0版1993年10月JMASS2.0版1996年9月JMASS3.0版1997年12月JMASS3.2版2000年1月JMASS981.2版2001年6月JMASS5.1版2001年6月JMASS5.1版2002年9月JMASS6.0版它提供了對先期系統(tǒng)設(shè)計功能（IOC）的演示，而且包含對HLA的兼容性的支持56J-MASS：JointModelingandSimulationSystem針對底層的工程設(shè)計與戰(zhàn)術(shù)級系統(tǒng)的分析JMASS不是一個仿真應(yīng)用可以視為仿真系統(tǒng)的軟件支撐環(huán)境，具有良好定義的建模接口標準。包括一組工具集，以幫助建模人員建立、配置模型，將這些模型集成到仿真系統(tǒng)執(zhí)行以及對仿真結(jié)果進行處理JMASS為戰(zhàn)術(shù)一級的建模提供了公共的作戰(zhàn)仿真結(jié)構(gòu)基于JMASS的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)包括JSIMS系統(tǒng)和JWARS系統(tǒng)57Joint

Simulation

System

58產(chǎn)生背景：HLA標準建立之前，支持不同應(yīng)用的仿真系統(tǒng)各成體系、標準不一、互操作性差難以滿足各軍（兵）種聯(lián)合訓練的需求執(zhí)行HLA標準JSIMS聯(lián)合仿真系統(tǒng)JointSimulationSystem59目的：通過提供不同類型使命任務(wù)個執(zhí)行階段逼真的聯(lián)合訓練來支持現(xiàn)役部隊的訓練/教育通過提供戰(zhàn)場空間的通用環(huán)境視圖和作戰(zhàn)視圖，創(chuàng)造了一個無縫的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)空間它和戰(zhàn)場空間范圍內(nèi)的C4I系統(tǒng)以及其他裝備相互連接，為受訓者提供一體化聯(lián)合作戰(zhàn)空間之間的交互提供一個近似實戰(zhàn)的聯(lián)合訓練環(huán)境，用于國家戰(zhàn)略、聯(lián)合作戰(zhàn)乃至戰(zhàn)術(shù)層次內(nèi)容包括兵力機動、部署、作戰(zhàn)、補給等任務(wù)的訓練JointSimulationSystem60應(yīng)用領(lǐng)域：總司令/聯(lián)合部隊指揮機構(gòu)訓練軍種/部門（局）訓練規(guī)劃和分析成員演習職業(yè)軍事教育軍官教育條令制定等JointSimulationSystem61受訓人員：全譜訓練國家統(tǒng)帥部參聯(lián)會的指揮官聯(lián)合任務(wù)部隊的指揮官聯(lián)合部隊的各軍種指揮官相應(yīng)的參謀人員JointSimulationSystem62仿真技術(shù)應(yīng)用先進概念與需求分析射頻仿真系統(tǒng)剖面圖632、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用64仿真技術(shù)應(yīng)用電站仿真系統(tǒng)虛擬制造工業(yè)領(lǐng)域：65仿真技術(shù)應(yīng)用電站仿真系統(tǒng)虛擬制造工業(yè)領(lǐng)域：

66仿真技術(shù)應(yīng)用電站仿真系統(tǒng)虛擬制造工業(yè)領(lǐng)域：

67仿真技術(shù)應(yīng)用

3、其它應(yīng)用領(lǐng)域：

交通、教育、通訊、社會、經(jīng)濟、娛樂等。68四、國內(nèi)外現(xiàn)狀1、國際現(xiàn)狀共孔徑的毫米波和紅外雙模半實物仿真系統(tǒng)MS-2692、國內(nèi)現(xiàn)狀空間（衛(wèi)星）半實物仿真系統(tǒng)戰(zhàn)略武器半實物仿真系統(tǒng)射頻尋的半實物仿真系統(tǒng)紅外尋的半實物仿真系統(tǒng)成像制導武器半實物仿真系統(tǒng)反坦克導彈半實物仿真系統(tǒng)航空武器半實物仿真系統(tǒng)水下武器半實物仿真系統(tǒng)綜合防空多武器平臺仿真示范系統(tǒng)70綜合防空多武器平臺仿真示范系統(tǒng)電子劇情電子預警電子通信電子戰(zhàn)電子引導電子指控飛機小白方仿真管理

HQ7導彈飛機三維觀察HQ9導彈二維顯示飛機小紅方ROUTE高速以太網(wǎng)蘭方CGF蘭方CGF蘭方CGF蘭方CGF蘭方網(wǎng)管及小白方高速以太網(wǎng)電子交戰(zhàn)電子總控高速以太網(wǎng)SGI工作站

3D戰(zhàn)場態(tài)勢投影儀高炮小白方高炮一營高炮二營高炮三營高炮團指揮中心高炮團顯示高炮警戒雷達高炮虛擬仿真器高炮虛擬仿真器高炮虛擬仿真器

高炮二維顯示遠程二維態(tài)勢演示HQ9(HLA)7172737475VV&A計劃VV&A文檔管理團隊協(xié)同支持信息發(fā)布VV&A設(shè)置VV&A工作多項目管理767778798081五、仿真科學的基本理論1.模型論模型是對系統(tǒng)及其性質(zhì)進行定量描述的最直接最清晰的科學方法之一，也是系統(tǒng)論倡導的方法論。822.仿真的科學方法

系統(tǒng)論的研究路線是基于模型對系統(tǒng)及其運行行為進行定量描述，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性。在系統(tǒng)論的指導下，可以有各種不同的方法，需要我們?nèi)パ芯块_發(fā)更