建模与仿真技术的发展及其展望

卞雪卡

“仿真”一词最早出现于20 世纪50 年代，并与计算机一词共同使用，当时被称为计算机仿真。 90 年代初，美国国防部将“计算机仿真”更新为“建模与仿真”来强调建模的重要性。经过几十年的发展，仿真技术已经日渐成熟，并经常用于解决各个学科中比较复杂的问题。 建模与仿真作为一种应用愈加广泛的技术，对社会经济及各行业的发展具有重要意义。

一、建模与仿真的概念

IEEE 建模与仿真术语汇编标准将仿真定义为一种给定输入下表现为既定系统的模型。 军事仿真术语中对仿真的定义如下：按时间实现一个模型的方法，习惯上特指运行模型以展现被表示系统特性时域变化的方法、过程或系统。 军事仿真术语中定义了建模与仿真的概念如下：建立模型并通过静态地域随时间的运行模型(包括仿真器、样机、模拟器、激励器)产生数据，以此支持训练、研究和管理或技术决策的活动。是一种分析问题与解决问题的途径。 术语“建模”“仿真”通常可交换使用。

二、建模与仿真的分类及其工具

(一)分类

建模与仿真技术大致可分为离散事件仿真、连续事件仿真、基于Agent 的仿真这三大类。

IEEE 建模与仿真术语汇编标准对离散事件仿真的定义如下：离散事件仿真是利用离散事件模型的仿真。 而离散事件模型主要满足以下两个条件：首先，数学模型或者概念模型的输出变量只取离散的值，即从一个值变为另一个值，中间没有中间值。 另外，系统模型是以离散行为运行的。 连续事件仿真则与其相反，连续事件仿真是基于连续事件模型的，它的数学模型或者概念模型是以连续行为运行的，且输出变量的取值是连续的。 Agent 意为主体，基于Agent 的建模与仿真(agent based modeling and simulation，ABMS)起源于 20 世纪 60～90 年代Holland 的生物学思想，在其后续著作中将ABMS 深化为复杂适应性系统理论。 基于多 Agent 的建模仿真方式通过计算机技术，在多主体仿真平台上模拟出复杂适应系统的演化方程，给系统的研究提供了直观和可视性的实现方式。

(二)工具

随着建模与仿真技术的发展，相应的仿真工具应运而生。根据研究的对象系统的不同，需要选择不同的仿真软件。 下面对已有的仿真软件进行了整理，可供仿真人员选择和参考。

1.Auto Mod

Auto Mod 是一款3D 仿真软件，适用于离散事件系统，需要仿真人员具有一定的编程基础。 主要应用行业为：钢铁与铝材、航空航天、汽车、仓储与配送、制造、机场/行李处理、运输、半导体、物流、包裹与信件处理等。

2.Extend

Extend 支持2D/3D，是一款比较容易上手的软件，支持连续事件系统的仿真。 主要应用行业为钢铁物流运输调度；供应链库存管理；港口运输；生产设备效能分析；生产线效率优化等。

3.AnyLogic

AnyLogic 操作界面简单明了，自带标准库、行人库、轨道库、物料搬运库；支持自行设计，支持连续事件仿真，主要应用行业为供应链、交通运输、仓储运作、铁路物流、矿业、石油＆天然气、道路交通、客运枢纽、生产制造、医疗等。

4.Flexsim

Flexsim 直观易学，二次开发需要编程基础，适用于离散事件仿真，主要应用行业为制造业、物流业、交通运输、汽车、烟草、港口等。

除上述几款仿真软件外，还有 Demo3D、Witness、eMPlant、Arena、RALC 等，仿真人员需要根据对象系统的不同，选择合适的仿真软件，才能事半功倍。

三、建模与仿真的发展趋势

(一)大数据、数据驱动的仿真

20 世纪80 年代，Frederica Darema 博士通过仿真以及测量技术在石油开采的辐射计算中最早产生了动态数据驱动的应用系统(dynamic data driven application system，DDDAS)思想。随着大数据的快速发展，应用DDDAS 思想的仿真将成为未来仿真发展的一大趋势。

许正昊等学者在研究DDDAS 时，总结了DDDAS 仿真的几大优势。 DDDAS 仿真的精度更高，这是其相较于传统仿真的一大优势，对于一些复杂的、参数较多的、非线性系统，DDDAS 仿真能够提高仿真的精度，进而提升仿真的分析与预测能力；DDDAS 的范围更广，一是时间范围，能够实时控制，二是涉及多种学科；DDDAS 仿真的结构不同，与传统仿真的开环结构不一样的是DDDAS 仿真将仿真系统和真实系统连接成一个闭环系统，真实系统与仿真系统之间相互影响，能够动态控制真实系统；DDDAS 仿真的效果不同，传统仿真是仿真系统的结果分析影响真实系统，而DDDAS 仿真的效果是双向的。

DDDAS 仿真符合仿真的发展方向的应用需求，在非线性、复杂的动态系统中有很广阔的应用前景。

(二)混合仿真

IEEE 建模与仿真术语汇编标准对混合仿真的定义如下：一种部分设计为在仿真系统上执行，部分设计为在数字系统上执行，两部分之间的交互可以在执行期间发生的仿真。 在混合仿真中，关键问题是对两类不同的计算机合理地分配任务和恰当地选择帧速。

任务的分配主要取决于任务的性质和对精度、速度的要求。 帧速的选择原则是：①根据采样定理，包含干扰在内的信号最高有效频率必须小于采样频率的一半；②由于时间延迟和零阶保持造成的幅度和相位误差必须限制在允许范围之内；③数值计算的截断误差对被仿真的系统来说应减小到可以忽略的程度。 混合仿真方法在航天、航空、核能、电力、化工等复杂的动力学系统仿真中获得广泛的应用。 它比模拟仿真具有更高的精度，比数字仿真具有更高的速度；不仅可实现实时仿真，而且可以完成超实时仿真。 混合仿真方法主要用于实现数字控制系统混合仿真、连续系统参数寻优和连续系统混合仿真。

(三)数字孪生

2002 年格里夫斯(Grieves)首次提出“PLM 的概念畅想”，之后提出“镜像空间模型”“信息镜像模型”并在《虚拟完美：通过产品生命周期管理推动创新和精益产品》中提出数字孪生的概念。 林雪萍学者在研究数字孪生时提出数字孪生是现实世界中物理实体的配对虚拟体。 数字孪生是基于高保真的三维CAD 模型，它被赋予了各种属性和功能定义，包括材料、感知系统、机器运动机理等。 它一般储存在图形数据库，而不是关系型数据库中。 最值得期待的是，数字孪生也许可能取代昂贵的原型。 因为它在前期就可以识别异常功能，从而在尚未生产的时候，就可以消除产品缺陷。

四、建模与仿真面临的挑战

虽然建模与仿真技术发展迅速，但其工程应用质量参差不齐，与发达国家仍存在一定的差距。 Joseph 指出仿真分析失败的七个原因，导致了没有实现高质量仿真工作的目标。Stewart 探讨了通过质量方法降低仿真项目失败的风险。Michael 也提出在建筑设计上仿真方式存在的各种问题降低了预测与现实之间关系的清晰度。 因此，建模与仿真实施质量在仿真研究中至关重要。 未来建模与仿真面临的挑战之一就是建立一个规范的仿真管理体系，来提高仿真工程实践质量。

五、结束语

建模与仿真技术的发展给各行业带来利益的同时，其本身的发展也存在诸多问题，这就需要建立一个规范的仿真质量管理体系，约束仿真人员的行为，便于管理者的管理，以全面提高建模与仿真工程实践质量。