仿真有什么意义

1. 仿真有什么意义

系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真（Simulation）就是通过建立实际系统模型并利用所见模型对实际系统进行实验研究的过程[2]。最初，仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。 
1．系统仿真及其分类 
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。从广义而言，系统仿真的方法适用于任何的领域，无论是工程系统（机械、化工、电力、电子等）或是非工程系统（交通、管理、经济、政治等）。 
系统仿真根据模型不同，可以分为物理仿真、数学仿真和物理—数学仿真（半实物仿真）；根据计算机的类别，可以分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真；根据系统的特性；可以分为连续系统仿真、离散时间系统（采样系统）仿真和离散事件系统仿真；根据仿真时钟与实际时钟的关系，可以分为实时仿真、欠实时仿真和超实时仿真等。 
2．系统仿真的一般步骤 
对于每一个成功的仿真研究项目,其应用都包含着特定的步骤，见图9-2。不论仿真项目的类型和研究目的又何不同，仿真的基本过程是保持不变的，要进行如下9步： 
问题定义 
制定目标 
描述系统并对所有假设列表 
罗列出所有可能替代方案 
收集数据和信息 
建立计算机模型 
校验和确认模型 
运行模型 
分析输出 
下面对这九步作简单的定义和说明。它不是为了引出详细的讨论，仅仅起到抛砖引玉的作用。注意仿真研究不能简单遵循这九步的排序，有些项目在获得系统的内在细节之后，可能要返回到先前的步骤中去。同时，验证和确认需要贯穿于仿真工程的每一个步骤当中。 
（1）问题的定义 
一个模型不可能呈现被模拟的现实系统的所有方面，有时是因为太昂贵。另外，假如一个表现真实系统所有细节的模型也常常是非常差的模型，因为它将过于复杂和难于理解。因此，明智的做法是：先定义问题，再制定目标，再构建一个能够完全解决问题的模型。在问题定义阶段，对于假设要小心谨慎，不要做出错误的假设。例如，假设叉车等待时间较长，比假设没有足够的接收码头要好。作为仿真纲领，定义问题的陈述越通用越好，详细考虑引起问题的可能原因。 
（2）制定目标和定义系统效能测度 
没有目标的仿真研究是毫无用途的。目标是仿真项目所有步骤的导向。系统的定义也是基于系统目标的。目标决定了应该做出怎样的假设、应该收集那些信息和数据；模型的建立和确认考虑到能否达到研究的目标。目标需要清楚、明确和切实可行。目标经常被描述成像这样的问题“通过添加机器或延长工时，能够获得更多的利润吗？”等。在定义目标时，详细说明那些将要被用来决定目标是否实现的性能测度是非常必要的。每小时的产出率、工人利用率、平均排队时间、以及最大队列长度是最常见的系统性能测度。 
最后，列出仿真结果的先决条件。如：必须通过利用现有设备来实现目标，或最高投资额要在限度内，或产品订货提前期不能延长等。 
（3）描述系统和列出假设 
简单点说，仿真模型降低完成工作的时间。系统中的时间被划分成处理时间、运输时间和排队时间。不论模型是一个物流系统、制造工厂、或服务机构，清楚明了的定义如下建模要素都是非常必要的：资源、流动项目（产品、顾客或信息）、路径、项目运输、流程控制、加工时间，资源故障时间。 
仿真将现实系统资源分成四类：处理器，队列，运输，和共享资源如操作员。流动项目的到达和预载的必要条件必须定义，如：到达时间、到达模式和该项目的类型等属性。在定义流动路径时，合并和转移需要详细的描述。项目的转变包括属性变化、装配操作（项目和并）、拆卸操作（项目分离）。在系统中，常常有必要控制项目的流动。如：一个项目只有在某种条件或某一时刻到来时才能移动，以及一些特定的规则。所有的处理时间都要被定义，并且要清楚表明那些操作是机器自动完成，哪些操作是人工独立完成，哪些操作需要人机协同完成。资源可能有计划故障时间和意外故障时间。计划故障时间通常指午餐时间，中场休息，和预防性维护等。意外故障时间是随机发生的故障所需的时间，包括失效平均间隔时间和维修平均间隔时间。 
在这些工作完成之后，需要将现实系统作模型描述，它远比模型描述向计算机模型转化困难。现实向模型的转化意味着你已经对现实有了非常彻底的理解，并且能将其完美的描述出来。这一阶段，将此转换过程中所作的所有假设作详细说明非常有必要。事实上，在整个仿真研究过程中，所有假设列表保持在可获得状态是个很好的主意，因为这个假设列表随着仿真的递进还要逐步增长。假如描述系统这一步做得非常好，建立计算机模型这一阶段将非常简便。 
注意，获得足够的，能够体现特定仿真目的的系统本质的材料是必要的，但是不需要获得与真实系统一一对应的模型的描述。正如爱因斯坦所说“做到不能再简单为止”。 
（4）列举可能的替代方案 
在仿真研究中，确定模型早期运行的可置换方案是很重要的。它将影响着模型的建立。在初期阶段考虑替代方案，模型可能被设计成可以非常容易的转换到替换系统。 
（5）收集数据和信息 
收集数据和信息，除了为模型参数输入数据外，在验证模型阶段，还可以提供实际数据与模型的性能测度数据进行比较。数据可以通过历史纪录、经验、和计算得到。这些粗糙的数据将为模型输入参数提供基础，同时将有助于一些需要较精确输入参数数据的收集。 
有些数据可能没有现成的记录，而通过测量来收集数据可能要费时、费钱。除了在模型分析中,模型参数需要极为精确的输入数据外,同对系统的每个参数的数据进行调查、测量的收集方式相比，采用估计方法来产生输入数据更为高效。估计值可以通过少数快速测量或者通过咨询熟悉系统的系统专家来得到。即使是使用较为粗糙的数据，根据最小值、最大值和最可能取值定义一个三角分布，要比仅仅采用平均值仿真效果都要好得多。有时候采用估计值也能够很好的满足仿真研究的目的。例如，仿真可能被简单的用来指导人员了解系统中特定的因果关系。在这种情况下，估计值就可以满足要求。 
当需要可靠数据时，花费较多时间收集和统计大量数据，以定义出能够准确反映现实的概率分布函数就是非常必要的。需要的数据量的大小取决于变量的变异程度，但是也有通用的规则，大拇指法指出至少需要三十甚至上百的数据。假如要获得随机停机时间的输入参数，必须要在一个较长时间段内捕获足够多的数据。 
（6）建立计算机模型 
构建计算机模型的过程中，首先构建小的测试模型来证明复杂部件的建模是合适的。一般建模过程是呈阶段性的，在进行下一阶段建模之前，验证本阶段的模型工作正常，在建模过程中运行和调试每一阶段的模型。不会直接将整个系统模型构建起来，然后点击“运行”按钮来进行系统的仿真。抽象模型有助于定义系统的重要部分，并可以引导为后续模型的详细化而进行的数据收集活动。我们可能想对同一现实系统构建多个计算机模型，每个模型的抽象程度都不相同。 
（7）验证和确认模型 
验证是确认模型的功能是否同设想的系统功能相符合。模型是否同我们想构建的模型相吻合，产品的处理时间、流向是否正确等。确认范围更广泛。它包括：确认模型是否能够正确反映现实系统，评估模型仿真结果的可信度有多大等。 
（8）验证 
现在有很多技术可以用来验证模型。最最重要的、首要的是在仿真低速运行时，观看动画和仿真钟是否同步运行，它可以发现物料流程及其处理时间方面的差异。 
另一种验证技术是在模型运行过程中，通过交互命令窗口，显示动态图表来询问资源和流动项目的属性和状态。 
通过“步进”方式运行模型和动态查看轨迹文件可以帮助人们调试模型。运行仿真时，通过输入多组仿真输入参数值，来验证仿真结果是否合理也是一种很好的方法。在某些情况下，对系统性能的一些简单测量可以通过手工或使用对比而来获得。对模型中特定区域要素的使用率和产出率通常是非常容易计算出来的。 
在调试模型中是否存在着某种特定问题时，推荐使用同一随机数流，这样可以保证仿真结果的变化是由对模型所做的修改引起的，同时对随机数流不做改动，有时对于模型运行在一些简单化假设下，非常有帮助，这些假设是为了更加简便的计算或预测系统性能。 
（9）确认 
模型确认建立模型的可信度。但是，现在还没有哪一种确认技术可以对模型的结果作出100%的确定。我们永远不可能证明模型的行为就是现实的真实行为。如果我们能够做到这一步，可能就不需要进行仿真研究的第一步（问题的定义）了。我们尽力去做的，最多只能是保证模型的行为同现实不会相互抵触罢了。 
通过确认，试着判断模型的有效程度。假如一个模型在得到我们提供的相关正确数据之后，其输出满足我们的目标，那么它就是好的。模型只要在必要范围内有效就可以了，而不需要尽可能的有效。在模型结果的正确性同获得这些结果所需要的费用之间总存在着权衡。 
判断模型的有效性需要从如下几方面着手： 
①模型性能测度是否同真实系统性能测度匹配？ 
②如果没有现实系统来对比，可以将仿真结果同相近现实系统的仿真模型的相关运行结果作对比。 
③利用系统专家的经验和直觉来假设复杂系统特定部分模型的运行状况。 
对每一主要任务，在确认模型的输入和假设都是正确的，模型的性能测度都是可以测量的之前，需要对模型各部分进行随机测试。 
④模型的行为是否同理论相一致？确定结果的理论最大值和最小值，然后验证模型结果是否落入两值之间。 
为了了解模型在改变输入值后，其输出性能测度的变化方向，可以通过逐渐增大或减小其输入参数，来验证模型的一致性。 
⑤模型是否能够准确的预测结果？这项技术用来对正在运行中的模型进行连续的有效性验证。 
⑥是否有其他仿真模拟器模拟了这个模型？要是有的话那就再好不过了，可以将已有模型的模拟结果同现在设计的模型的运行结果进行对比。 
（10）运行可替代实验 
当系统具有随机性时，就需要对实验做多次运行。因为，随机输入导致随机输出。如果可能，在第二步中应当计算出已经定义的每一性能测度的置信区间。可替代环境能够单独构建，并可以通过使用WITNESS软件中的“Optimizer”模块来设置并自动运行仿真优化。 
WITNESS软件的“Optimizer”模块为了执行优化操作，通过选择目标函数的最大化或最小化，定义需要实验的许多决策变量，需要达到的条件变量，需要满足的约束等，然后让优化模块负责搜索变量的可替换数字，来运行模型。最终得出决策变量集的优化解决方案，和最大化或最小化的模型目标函数。“Optimizer”模块设置了一套优化方法，包括遗传算法、仿真处理、禁忌搜索、分散搜索和其他的混合法来得出模型的优化配置方案。 
在选择仿真运行长度时，考虑启动时间，资源失效可能间隔时间，处理时间或到达时间的时间或季节性差异，或其他需要系统运行足够长时间才能出现效果的系统特征变量，是非常重要的。 
（11）输出分析 
报表、图形和表格常常被用于进行输出结果分析。同时需要于今年用统计技术来分析不同方案的模拟结果。一旦通过分析结果并得出结论，要能够根据模拟的目标来解释这些结果，并提出实施或优化方案。使用结果和方案的矩阵图进行比较分析也是非常有帮助的。

2. 仿真实验与实际操作实验的区别是什么?

二者的区别：
仿真实验最基本的步骤是建模，建模的过程就涉及到很多理论工作和经验结论，同时，仿真的结果是在一个特定模型下的计算结果。所以：从这一点来看，仿真不能完全代替实际实验。从另一个哲学的观点来看，“实践是检验真理的唯一标准”，仿真也不能完全代替实践。
但是也不能因此就否认仿真的合理性。基于模型的假设，我们承认仿真的结果，并以此进行分析，通过模型来理解实际的情况，甚至于外推到我们尚不能进行实验的区域进行预测。



仿真实验分类
vcm仿真实验
是学生自主地获取知识和技能、体验和了解科学探究的过程和方法、形成和提高创新意识、树立科学的价值观和活动过程。理化实验是学生理化学习中的能动的实践活动形式。
实验为学生创设了亲身参与实践的情境，具有获知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。实验的功能和探究性学习的特征决定了实验必然是探究性学习的重要途径。
CER卓信365仿真实验
CER卓信365仿真实验是面向中学师生设计的，仿真度高、能模拟完成理、化学科教材中涉及的各个实验的一套开放式教学平台。操作者可以根据提供的器材,任意搭建实验,改变各项参数，不管操作正确与否，均可以获得与实际相似的现象和结果，对错误的操作，会提出纠正。
是一个真正意义的探究式学习平台，有助于激发学生的学习兴趣、有助于学生创新思维和科研素养的培养。
智天下虚拟实验
智天下虚拟实验室仿真实验是最新研发的一款高效理化学习法，它不仅有高真实度的实验器材与实验步骤，模拟与实际操作高贴合度的实验场景，给学生、老师以身临其境之感。它更有游戏场景界面迎合学生心理，吸引注意力。配以原创试题，杜绝千篇一律。
还覆盖近几年中高考实验试题。切实感受考题难点、思路以及技巧，积累丰富实战经验。是学生对理化生学习产生浓厚兴趣。
同步虚拟仿真实验
同步虚拟仿真实验系统,是把互联网技术应用到中学化学、物理、生物实验课程中，旨在提高学生的实验操作能力和实验探究能力。通过虚拟实验平台，学生可以预习和复习实验原理，实验的用品、实验的步骤，实验的注意事项；可以实现实验的仿真操作。

3. 仿真的意义与作用是怎样的呢

仿真，即使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。
在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。

4. 仿真的意义与作用

随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。海湾战争期间“爱国者”导弹和“飞毛腿”导弹之间的较量，也反映出了仿真模拟的参与。现代战略导弹的进攻威力很大，射程很远，更要命的是常常装有多个真真假假的弹头，用来迷惑敌方，以便顺利突破敌方强大的防空网。一般说来，最先进的反导弹系统的雷达预警时间只有短短的几分钟。为了不让敌方的攻击得逞，己方必须在这短短的几分钟里迅速而正确地作出反应，识别真假弹头，算出飞行轨道，动员力量进行拦截，以确保敌弹在到达目标之前就被摧毁掉。要做到这一切，不得不发挥超大规模科学计算的能力，否则己方只能处于被动挨打的地位。在海湾战争期间，“爱国者”导弹智斗“飞毛腿”导弹，形成战争史上的奇观。“飞毛腿”导弹的水平也不一般，它的飞行速度可达 2638米/秒。

5. 仿真实验的介绍

仿真实验没有普通意义上实验的必备器材，而是在计算机上用仿真软件模拟现实的效果,用软件模拟实验条件是一条可行性非常高的路。事实上，很多仿真实验软件早就开发出来了，在很多大学、全国重点高中、初中也已经应用开来。仿真软件通过图形化界面联系理论条件与实验过程，同时运用一定的编程达到模拟现实的效果。目前主要包括物理仿真实验和化学仿真实验和生物仿真实验三种。

6. 物理仿真实验与实际操作的实验各有什么特点？有什么区别？

仿真实验可以说是实际实验的的前提，而实际的操作又是对仿真实验的验证。二者的关系是相辅相成的。
二者的区别：
仿真实验最基本的步骤是建模，建模的过程就涉及到很多理论工作和经验结论，同时，仿真的结果是在一个特定模型下的计算结果。所以：从这一点来看，仿真不能完全代替实际实验。从另一个哲学的观点来看，“实践是检验真理的唯一标准”，仿真也不能完全代替实践。
但是也不能因此就否认仿真的合理性。基于模型的假设，我们承认仿真的结果，并以此进行分析，通过模型来理解实际的情况，甚至于外推到我们尚不能进行实验的区域进行预测。

7. 物理仿真实验与实际操作的实验各有什么特点？有什么区别？

仿真实验可以说是实际实验的的前提，而实际的操作又是对仿真实验的验证。二者的关系是相辅相成的。
二者的区别：
仿真实验最基本的步骤是建模，建模的过程就涉及到很多理论工作和经验结论，同时，仿真的结果是在一个特定模型下的计算结果。所以：从这一点来看，仿真不能完全代替实际实验。从另一个哲学的观点来看，“实践是检验真理的唯一标准”，仿真也不能完全代替实践。
但是也不能因此就否认仿真的合理性。基于模型的假设，我们承认仿真的结果，并以此进行分析，通过模型来理解实际的情况，甚至于外推到我们尚不能进行实验的区域进行预测。

8. 物理仿真实验的仿真实验优点

1．通过对实验环境的模拟，使未做过实验的学生通过仿真软件对实验的整体环境、所用仪器的整体结构能建立起直观的认识。仪器的关键部位可拆卸，可解剖进行调整并实时观察仪器的各种指标和内部结构的动作，增强了熟悉仪器功能和使用方法的训练。2．在实验中仪器实现了模块化，学生可对提供的仪器进行选择和组合，用不同的方法完成同一实验目标，培养学生的设计思考能力和对不同实验方法的优劣、误差大小的比较、判断能力。3．通过深入解剖教学过程，设计上充分体现教学思想的指导，使学生必须在理解的基础上认真思考才能正确操作，克服了实际实验中出现的盲目操作和实验走过场现象的缺点，使学生切实受益。4．对实验的相关理论进行了演示和讲解，对实验的历史背景和意义，现代应用等方面都作了介绍，使仿真实验成为连接理论教学与实验教学，培养学生理论与实践相结合思维的一种崭新教学模式，可使实验教学的内涵在时间和空间上得到延伸。5．实验中待测的物理量可以随机产生，以适应同时实验的不同学生和同一学生的不同次操作。对实验误差也进行了模拟，以评价实验质量的优劣。6．具有多媒体配音解说和操作指导，易于使用。目前，由中国科学技术大学研制、高等教育出版社出版的《大学物理仿真实验Ⅱ》教学软件，相关实验可网上下载（或向实验指导教师索取），方便学生利用仿真实验对相应的实验内容进行预习与拓展训练。典型成果：中国科技大学人工智能与计算机应用研究室由王晓蒲教授、霍剑青教授负责，93年从事大学教学软件的研究与开发，1995年由高等教育出版社出版大学物理计算机仿真实验软件，该软件是国际上第一套虚拟现实型的教学软件，在国际和国内都产生了较大影响。该项目96年获中国科学院教学成果一等奖，97年获国家级教学成果一等奖，同年列入国家九五重点科技攻关计划。97年受英国国家教委邀请作为英中交流项目赴英国八个著名大学巡回展示交流，98年代表中国教育技术最新成果赴联合国教科文组织大会展示，99年受日本应用物理学会邀请赴日本学会大会展示，98~2001年受邀请赴美国、英国、日本、澳大利亚等地交流展示，2001年再次获得国家级教学成果一等奖。目前在国内400多所大学应用了这套软件。英文版本在香港大学、香港中文大学、香港城市大学、香港理工大学、台湾大学等著名高校获得应用。教育部、中科院都非常关心研究室的发展，教育部部长陈至立、中科院院长路涌祥等都来研究室指导工作。教育部领导评价我们的研究工作时说：“这是推动物理实验教学改革迈出的重大步伐，并取得显著效果，在全国起了示范作用。”。1、 近几年获得省部级以上教学成果奖奖项7项(1) 1997年，“大学物理仿真实验 (for dos)”获中国科学院教学成果一等奖(2) 1997年“大学物理仿真实验 (for windows第一部分)”获教育部全国优秀教学软件二等奖(3) 1997年，“大学物理仿真实验 (for dos)”获国家级教学成果二等奖(4) 1999年，“大学物理仿真实验 (for windows 第二部分)”获安徽省优秀CAI成果一等奖(5) 1999年，“物理学CAI”获安徽省优秀CAI成果一等奖(6) 2000年，“大学物理实验的改革与实践”获安徽省优秀教学成果特等奖(7) 2001年，“大学物理实验教学的改革与实践”获国家级教学成果一等奖2、 作为我们的教学成果近几年研制开发的教学软件有17部(1) “大学物理仿真实验for windows ”（第一部分）(2) “大学物理仿真实验for windows ”（第二部分）(3) “大学物理”(4) “基础物理学CAI”(5) “大学物理仿真实验for DOS”(6) “大学物理仿真实验2010版” （包含40个常见大学物理实验） 在学校“九五”经费支持下，研究室96年创建了国内外第一个物理仿真虚拟实验室。包括香港地区的香港大学，香港中文大学，香港城市大学等以及内地400多所大学应用了“大学物理仿真实验for Windows”，相继建立了物理仿真教学实验室。99年我们又推出了《大学物理虚拟实验远程教学系统》，香港大学、香港中文大学、北京邮电大学、北京航天大学等近二十所大学在Internet网上开设了远程物理实验教学课，并被列为教育部远程教学试点课程。《大学物理实验》98年被评为教育部首批创名牌课程，与新体系配套的物理实验教材作为教育部面向21世纪教材和国家“九五”重点教材于2000年由高等教育出版社出版。采用基于组件技术开发的“大学物理仿真实验2010版”可让学生自由组合操作实验仪器搭建设计性实验方案，在实际教学中得到广泛应用 。