仿真軟件技術(shù)SimulationSoftwareTechnology談到仿真，大家首先想到…教學(xué)目標(biāo)①理解仿真與仿真軟件基本概念②掌握仿真軟件開發(fā)的基本方法③掌握仿真軟件運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)

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③課程內(nèi)容研究對象仿真評估建模①仿真②評估③仿真實(shí)驗(yàn)仿真模型設(shè)計、優(yōu)化、驗(yàn)證……仿真基本活動仿真系統(tǒng)仿真軟件技術(shù)第1章仿真概述SimulationSoftwareTechnology第一專題仿真軟件概述第1章仿真概述①了解為什么要仿真②能夠描述仿真的基本概念③掌握仿真的分類與應(yīng)用領(lǐng)域

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③本講目標(biāo)

第1章仿真概述1.1為何仿真1.2何為仿真1.3仿真的分類1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域本講內(nèi)容1.1為何仿真開普勒（十五、德國）第谷?布拉赫20多年觀測行星運(yùn)動的開普勒三定律伽利略（十六、意大利）多年的假設(shè)論證與初步實(shí)驗(yàn)感受到引力的物體并不呈勻速運(yùn)動，而呈加速運(yùn)動物體只要不受外力作用，就會保持靜止或勻速狀態(tài)從“科學(xué)方法”說起1.1為何仿真華人的驕傲楊振寧、李政道提出宇稱不守恒理論（1956），得到吳健雄實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1957），因而獲諾貝爾物理學(xué)獎。從“科學(xué)方法”說起1.1為何仿真實(shí)驗(yàn)是科學(xué)方法的組成部分科學(xué)理論應(yīng)被觀察所檢驗(yàn)，并通過可重復(fù)的受控實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。相比于被動觀測，實(shí)驗(yàn)有效地提高了科學(xué)研究的效率。從“科學(xué)方法”說起是否所有的研究都可以有效地開展“真實(shí)”實(shí)驗(yàn)?zāi)?？下列不能或難以有效開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)的有病毒傳播生物進(jìn)化聯(lián)合作戰(zhàn)核實(shí)驗(yàn)ABCD提交多選題3分1.1為何仿真核實(shí)驗(yàn)如何實(shí)驗(yàn)？禁1.1為何仿真如何實(shí)驗(yàn)？疾病傳播1.1為何仿真生物進(jìn)化國家明令禁止以生殖為目的的人類胚胎基因編輯活動2019年1月21日，南方科技大學(xué)副教授賀建奎，因這個事情被依法追究刑事責(zé)任1.1為何仿真聯(lián)合作戰(zhàn)1991年海灣戰(zhàn)爭中的多國部隊聯(lián)合作戰(zhàn)海灣戰(zhàn)爭中被摧毀的伊軍坦克1.1為何仿真實(shí)驗(yàn)的困難核實(shí)驗(yàn)：代價高，危險，環(huán)境污染，被禁止飛機(jī)試飛：危險研制中的武器系統(tǒng)：因系統(tǒng)尚不存在而無法實(shí)驗(yàn)生物進(jìn)化理論、股市理論、聯(lián)合作戰(zhàn)理論：不允許通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證基于模型實(shí)驗(yàn)——使不能的實(shí)驗(yàn)成為可能1.1為何仿真系統(tǒng)存在危險實(shí)驗(yàn)條件人時間模型不存在有有無不能能不能保證一致影響實(shí)驗(yàn)太長昂貴基于模型的實(shí)驗(yàn)仿真費(fèi)用復(fù)原1.1為何仿真美國國家科學(xué)基金會前主任RitaColwell美國能源部科學(xué)辦公室前主任Dr.Orbach“過去認(rèn)為科學(xué)通常包含理論和實(shí)驗(yàn)兩方面；現(xiàn)在科學(xué)還包含第3個方面的內(nèi)容，即計算機(jī)仿真，并由計算機(jī)仿真將理論和實(shí)驗(yàn)兩方面連接起來”“在21世紀(jì)的科學(xué)中，仿真和高性能計算是理論和實(shí)驗(yàn)科學(xué)的平等伙伴”“仿真是一種與實(shí)驗(yàn)和理論對等的方法論”1.1為何仿真李伯虎院士：“仿真被認(rèn)為是繼理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)之后的第三種認(rèn)識世界和改造世界的手段，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用”第1章仿真概述1.1為何仿真1.2何為仿真1.3仿真的分類1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域本講內(nèi)容1.2何為仿真

從不同的視角理解仿真非科學(xué)視角科學(xué)視角軍事視角1.2何為仿真非科學(xué)視角仿造、虛假對象或贗品

比如仿制皮革、仿制珍珠等與模仿的混淆

“努力比得上或超出”

小女孩模仿父母，不能理解為仿真父母1.2何為仿真科學(xué)視角有目的地利用動態(tài)模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)不能或不應(yīng)該在真實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行時，可以建立動態(tài)模型來針對研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)來看，系統(tǒng)包括輸入、輸出和狀態(tài)變量三大要素，倘若其中兩個變量已知，可以通過仿真來獲取第三變量值，相應(yīng)的仿真可被用于分析、控制和設(shè)計。與模擬（emulation）的區(qū)別？

通常是指用一個系統(tǒng)代替另一個系統(tǒng)

“硬件模擬”VS“硬件仿真”

1.2何為仿真軍事視角“除了戰(zhàn)爭之外的一切都是仿真”

真實(shí)仿真（livesimulation）虛擬仿真（virtualsimulation）

構(gòu)造仿真（constructsimulation）++構(gòu)造仿真計算機(jī)+虛擬武器真人+模擬器真人+真實(shí)武器真實(shí)仿真虛擬仿真+1.2何為仿真仿真對系統(tǒng)隨時間的運(yùn)行過程進(jìn)行計算實(shí)驗(yàn)。基于系統(tǒng)的模型（一般在計算機(jī)上運(yùn)行）產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)(ArtificialHistory)。目的觀察運(yùn)行過程數(shù)據(jù)(ArtificialHistory)以得到有關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行性能的結(jié)論(DrawInferences)。1.2何為仿真來自Shannon的經(jīng)典定義：Theprocessofdesigningacomputerizedmodelofasystemorprocessandconductingexperimentswiththismodelforthepurposeeitherofunderstandingthebehaviorofthesystemorofevaluatingvariousstrategiesfortheoperationofthesystem.仿真的三要素系統(tǒng)(System)模型(ComputerizedModel)實(shí)驗(yàn)(VirtualExperimentation)Shannon,R.E.,SystemSimulation:TheArtandScience,Prentice-Hall,1975第1章仿真概述1.1為何仿真1.2何為仿真1.3仿真的分類1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域本講內(nèi)容1.3仿真的分類不同的角度對仿真加以分類模型的種類時鐘的比例系統(tǒng)的性質(zhì)軍事領(lǐng)域中仿真系統(tǒng)用途1.3仿真的分類按模型的種類分類物理仿真數(shù)字仿真半實(shí)物仿真人在回路仿真1.3仿真的分類物理仿真（模擬）按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象、可信度高缺點(diǎn)：模型改變困難，實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大物理仿真示例－風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)完全用實(shí)物替代1.3仿真的分類物理仿真示例－風(fēng)洞吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)1.3仿真的分類數(shù)字仿真（計算機(jī)仿真）對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：方便、靈活、經(jīng)濟(jì)缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)模型不易建立數(shù)字仿真示例完全用計算機(jī)計算數(shù)學(xué)模型1.3仿真的分類半實(shí)物仿真（硬件在回路仿真）數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原因：其數(shù)學(xué)模型的建立困難比較簡單的部分規(guī)律比較清楚的部分建立數(shù)學(xué)模型，在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的部分規(guī)律尚不十分清楚采用物理模型或?qū)嵨锵到y(tǒng)1.3仿真的分類半實(shí)物仿真示例舵負(fù)載模擬器D/A或D/D

A/D舵機(jī)綜合放大器

D/A或D/D三軸轉(zhuǎn)臺陀螺與網(wǎng)絡(luò)

D/A加速表校正網(wǎng)絡(luò)飛行動力學(xué)和加速表動力學(xué)模型

數(shù)字模型物理模型實(shí)物1.3仿真的分類三類仿真的比較物理仿真半實(shí)物仿真數(shù)學(xué)仿真可信度建模難度費(fèi)用采用順序先后1.3仿真的分類人在回路仿真（模擬訓(xùn)練系統(tǒng)）有真實(shí)系統(tǒng)中的人員參與的仿真為參與人員提供身臨其境的逼真感覺視覺、聽覺、觸覺、動感、力反饋等人在回路仿真示例1.3仿真的分類仿真時鐘墻鐘時鐘：仿真系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際時間仿真時鐘：仿真時模型所采用的時鐘物理時間：被模擬的物理系統(tǒng)的時間1.3仿真的分類仿真時鐘墻鐘時鐘：仿真系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行時間仿真時鐘：仿真時模型所采用的時鐘墻鐘時鐘實(shí)時的含義仿真時鐘018點(diǎn)1分8點(diǎn)

仿真時鐘與墻鐘時鐘完全一致，即模型仿真的速度與實(shí)際仿真系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同。1.3仿真的分類按時鐘比例分類實(shí)時仿真仿真時鐘與墻鐘時鐘完全一致，即仿真中模型推算的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同仿真系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r，必須進(jìn)行實(shí)時仿真，例如，各種訓(xùn)練仿真器等超實(shí)時仿真仿真時鐘比墻鐘時鐘快例如，大氣環(huán)流的仿真、戰(zhàn)時決策仿真等亞（欠）實(shí)時仿真仿真時鐘比墻鐘時鐘慢例如，部分復(fù)雜系統(tǒng)等1.3仿真的分類系統(tǒng)的性質(zhì)連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的狀態(tài)變量值隨時間連續(xù)變化模型特性是連續(xù)的、動態(tài)的、確定的離散事件仿真系統(tǒng)的狀態(tài)變量值改變僅發(fā)生在離散的時間點(diǎn)上模型特性是離散的、動態(tài)的、隨機(jī)的1230t隊列中等待顧客數(shù)量時間飛行器飛行傾角時間1.3仿真的分類系統(tǒng)的性質(zhì)連續(xù)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的狀態(tài)變量值隨時間連續(xù)變化模型特性是連續(xù)的、動態(tài)的、確定的離散事件仿真系統(tǒng)的狀態(tài)變量值改變僅發(fā)生在離散的時間點(diǎn)上模型特性是離散的、動態(tài)的、隨機(jī)的連續(xù)/離散（事件）混合仿真如：作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域軍事領(lǐng)域中仿真系統(tǒng)的用途訓(xùn)練仿真裝備的操作技能訓(xùn)練、參謀作業(yè)訓(xùn)練和各級指揮員進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢感知、決策和指揮訓(xùn)練等作戰(zhàn)仿真新概念武器戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用研究、ZZ理論研究、部隊?wèi)?zhàn)斗力評估、作戰(zhàn)方案優(yōu)化與作戰(zhàn)計劃評估和改進(jìn)等裝備仿真武器裝備論證、設(shè)計制造、鑒定定型第1章仿真概述1.1為何仿真1.2何為仿真1.3仿真的分類1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域本講內(nèi)容1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域作戰(zhàn)仿真:論證設(shè)計、測試驗(yàn)收、作戰(zhàn)運(yùn)籌、訓(xùn)練模擬等交通系統(tǒng)：智能出行、城市規(guī)劃計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)：協(xié)議設(shè)計并行計算機(jī)系統(tǒng)：開發(fā)可伸縮軟件加工制造后勤保障交通系統(tǒng)醫(yī)藥衛(wèi)生通信網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)系統(tǒng)軍事應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)天氣預(yù)報…1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域例1：飛行模擬訓(xùn)練利用在地面的飛行訓(xùn)練模擬器訓(xùn)練飛行員安全、經(jīng)濟(jì)、高效視景系統(tǒng)運(yùn)動基座計算機(jī)系統(tǒng)模擬機(jī)艙作戰(zhàn)技能訓(xùn)練1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域例2：作戰(zhàn)決策仿真美國蘭德公司（RAND）20世紀(jì)70年代，利用計算機(jī)仿真，證實(shí)當(dāng)時的H戰(zhàn)略足以構(gòu)成對蘇聯(lián)的威脅20世紀(jì)80-90年代，開發(fā)“蘭德戰(zhàn)略決策評估系統(tǒng)”，用以評估政治態(tài)勢，確定國家目標(biāo)與相應(yīng)戰(zhàn)略，建立全球范圍作戰(zhàn)指導(dǎo)原則1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域例3：在產(chǎn)品開發(fā)及制造過程中的應(yīng)用“虛擬產(chǎn)品開發(fā)”技術(shù)

(virtualproductdevelopment)虛擬制造(virtualmanufacturing)波音777飛機(jī)研制中虛擬樣機(jī)技術(shù)的成功應(yīng)用

整機(jī)設(shè)計部件測試整機(jī)裝配各種環(huán)境下的試飛在計算機(jī)上完成開發(fā)周期8年5年縮短到1.4仿真的應(yīng)用領(lǐng)域例3：在產(chǎn)品開發(fā)及制造過程中的應(yīng)用波音777飛機(jī)研制中虛擬樣機(jī)技術(shù)的成功應(yīng)用全數(shù)字化定義——300萬個零件，無紙生產(chǎn)數(shù)字化預(yù)裝配——無金屬樣機(jī)的生產(chǎn)（虛擬制造的一部分）廣域網(wǎng)上的異地設(shè)計、異地制造協(xié)同工作小組Teamwork238個設(shè)計制造周期大大縮短（4.5年，而波音757、767約9-10年）；設(shè)計費(fèi)用↓94％；