計算機仿真作為剖析和研究系統(tǒng)運行行為、揭示系統(tǒng)動態(tài)過程和運動規(guī)律的一種重要手段和方式，隨著系統(tǒng)科學研究的深入、控制理論、計算技術、計算機科學與技術的發(fā)展而產(chǎn)生的一門新興學科。近些年來，隨著信息處理技術的突飛猛進，使仿真技術得到迅速發(fā)展。本文按照作者的研究體會，企圖從仿真的涵義入手，討論現(xiàn)代仿真方式、建模方式、仿真算法、可效度研究等，為在系統(tǒng)仿真中合理、有效地運行仿真新技巧和新技術做一些探求。
仿真技術是借助計算機并通過構建模型進行科學實驗的一門多學科綜合性技術。它是它具有經(jīng)濟、可靠、實用、安全、可多次重用的優(yōu)點。
仿真是對現(xiàn)實系統(tǒng)的某一層次具象屬性的模仿。人們借助這樣的模型進行試驗，從中得到所需的信息，之后幫助人們對現(xiàn)實世界的某一層次的問題作出決策。仿真是一個相對概念，任何逼真的仿真都只能是對真實系統(tǒng)個別屬性的迫近。仿真是有層次的，既要針對所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對提出處理者的需求層次，否則很難評價一個仿真系統(tǒng)的好壞。
傳統(tǒng)的仿真方式是一個迭代過程，即針對實際系統(tǒng)某一層次的特點（過程），具象出一個模型，之后假定態(tài)勢（輸入），進行試驗，由試驗者判讀輸出結果和驗證模型，依據(jù)判定的情況來更改模型和有關的參數(shù)。這么迭代地進行仿真物理實驗室電腦，直至覺得這個模型已滿足試驗者對客觀系統(tǒng)的某一層次的仿真目的為止。
計算機仿真技術原理
“仿真是一種基于模型的活動”，它涉及多學科、多領域的知識和經(jīng)驗。成功進行仿真研究的關鍵是有機、協(xié)調(diào)地組織施行仿真全生命周期的各種活動。這兒的“各類活動”，就是“系統(tǒng)建模”、“仿真建模”、“仿真實驗”，而聯(lián)系那些活動的要素是“系統(tǒng)”、“模型”、“計算機”。其中：系統(tǒng)是研究的對象，模型是系統(tǒng)的具象，仿真是通過對模型的實驗來達到研究的的。要素與活動的關系如圖所示：
物理模型將研究對象的實質(zhì)具象下來，計算機再來處理那些經(jīng)過具象的物理模型，并通過輸出這種模型的相關數(shù)據(jù)來詮釋研究對象的個別特質(zhì)，其實，這些詮釋可以是三維立體的。因為三維顯示愈發(fā)清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這種輸出量的剖析，就可以愈發(fā)清楚的認識研究對象。通過這個關系還可以看出，物理建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵誘因。
從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的構建、模型的轉換和模型的仿真實驗。
模型的構建
對于所研究的對象或問題，首先須要依照仿真所要達到的目的具象出一個確定的系統(tǒng)，而且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這以后，須要借助各類相關學科的知識，把所具象下來的系統(tǒng)用物理的表達式描述下來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。
系統(tǒng)的物理模型按照時間關系可界定為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混和時間動態(tài)模型;按照系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化形式可界定為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散風波系統(tǒng)模型。
模型的轉換
所謂模型的轉換，即是對上一步具象下來的物理表達式通過各類適當?shù)乃惴ê陀嬎銠C語言轉換成為計算機才能處理的方式，這些方式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)今市場上已有的仿真軟件。
模型的仿真實驗
將上一步得到的仿真模型載入計算機，根據(jù)預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。
仿真技術發(fā)展歷程
作為一種非常有效的研究手段，20世紀初仿真技術已得到應用。諸如在實驗室中建立水利模型，進行水利學方面的研究。
40～50年代民航、航天和原子能技術的發(fā)展帶動了仿真技術的進步。60年代計算機技術的突飛猛進，為仿真技術提供了先進的工具，加速了仿真技術的發(fā)展。借助計算機實現(xiàn)對于系統(tǒng)的仿真研究除了便捷、靈活，并且也是經(jīng)濟的。因而計算機仿真在仿真技術中占有重要地位。
50年代初，連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計算機上進行的。50年代中期，人們開始借助數(shù)字計算機實現(xiàn)數(shù)字仿真。計算機仿真技術遂向模擬計算機仿真和數(shù)字計算機仿真兩個方向發(fā)展。在模擬計算機仿真中降低邏輯控制和模擬儲存功能以后，又出現(xiàn)了混和模擬計算機仿真，以及把混合模擬計算機和數(shù)字計算機聯(lián)合在一起的混和計算機仿真。在發(fā)展仿真技術的過程中已研發(fā)出大量仿真程序包和仿真語言。
70年代后期，還研發(fā)成功專用的全數(shù)字并行仿真計算機。仿真技術來自于軍事領域，但它除了用于軍事領域，在許多非軍事領域也到了廣泛的應用。諸如：在軍事領域中的訓練仿真;商業(yè)領域中的商業(yè)活動預測、決策、規(guī)劃、評估;工業(yè)領域中的工業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估及模擬訓練;農(nóng)業(yè)領域中的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃、研制、評估，洪災預報、環(huán)境保護;在交通領域中的駕駛模擬訓練和交通管理中的應用;醫(yī)學領域中的臨床確診及醫(yī)用圖象辨識等。
仿真技術的種類
仿真建模
仿真建模是一門構建仿真模型并進行仿真實驗的技術。建模活動是在忽視次要誘因及不可檢測變量的基礎上，用化學或物理的方式對實際系統(tǒng)進行描述，因而獲得實際系統(tǒng)的簡化或近似反映。
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面向?qū)ο蠓抡媸钱斍胺抡嫜芯款I域中最引人關注的研究方向之一，面向?qū)ο蠓抡婢褪菍⒚嫦驅(qū)ο蟮姆绞綉玫接嬎銠C仿真領域中，以形成面向?qū)ο蟮姆抡嫦到y(tǒng)。
智能仿真
智能仿真是把以知識為核心、人類思維行為作背景的智能技術引入整個建模與仿真過程，構造智能仿真平臺。智能仿真技術的開發(fā)途徑是人工智能與仿真技術的集成化。仿真技術與人工智能技術的結合，即所謂的智能化仿真;仿真模型中知識的抒發(fā)。
虛擬現(xiàn)實技術是現(xiàn)代仿真技術的一個重要研究領域，是在綜合仿真技術、計算機圖形技術、傳感技術等多種學科技術的基礎之上發(fā)展上去的，其核心是建模與仿真，通過構建模型，對人、物、環(huán)境及其互相關系進行本質(zhì)的描述，并在計算機上實現(xiàn)。
分布仿真技術
分布仿真技術作為仿真技術的最新發(fā)展成果，它在高層體系結構上（HLA，highlevel），構建了一個在廣泛的應用領域內(nèi)分布在不同地域上的各類仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)互操作和重用的框架及規(guī)范。HLA的基本思想就是使用面向?qū)ο蟮姆绞皆O計，開發(fā)及實現(xiàn)系統(tǒng)不同層次和細度的對象模型，來獲得仿真部件和仿真系統(tǒng)高層次上的互操作性與可重用性。
云仿真技術
云仿真的概念是按照“云估算”的理念提出來的。云估算是指服務的交付和使用模式，指通過網(wǎng)路以按需、易擴充的形式獲得所需的服務。這些服務可以是與軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關的，也可以是其他任意的服務，包括仿真服務，它具有超大規(guī)模、虛擬化、可靠安全等特點。云仿真指通過網(wǎng)路以按需、易擴充的形式獲得所需的仿真服務。
云仿真平臺是一種新型的網(wǎng)路化建模與仿真平臺，是仿真網(wǎng)格的進一步發(fā)展。它以應用領域的需求為背景，基于云估算理念，綜合應用各種技術，包括復雜系統(tǒng)模型技術、高性能估算技術等，實現(xiàn)系統(tǒng)中各種資源安全地按需共享與重用，實現(xiàn)網(wǎng)上資源多用戶按需協(xié)同互操作，從而支持工程與非工程領域內(nèi)的仿真系統(tǒng)工程。
仿真技術新熱點
近些年來，因為問題域的擴充和仿真支持技術的發(fā)展，系統(tǒng)仿真方式學旨在于更自然地抽取事物的屬性特點，尋求使模型研究者更自然地參與仿真活動的方式，等等。在這種探求的促進下，生長了一批新的研究熱點：
1、面向?qū)ο蠓抡妫簭娜祟愓J識世界模式出發(fā)，使問題空間和求解空間相一致，提供更自然直觀，且具可維護性和可重用性的系統(tǒng)仿真框架。
2、定性仿真：用于復雜系統(tǒng)的研究，因為傳統(tǒng)的定量數(shù)字仿真的局限，仿真領域引入定性研究方式將拓展其應用。定性仿真力求非數(shù)字化，以非數(shù)字手段處理信息輸入、建模、行為剖析和結果輸出，通過定性模型推論系統(tǒng)定性行為描述。
3、智能仿真：是以知識為核心和人類思維行為作背景的智能技術，引入整個建模與仿真過程，構造各處基本知識的仿真系統(tǒng)（KnowledgeBasedKBSS）,即智能仿真平臺。智能仿真技術的開發(fā)途徑是人工智能（如專家系統(tǒng)、知識工程、模式辨識、神經(jīng)網(wǎng)路等）與仿真技術（如仿真模型、仿真算法、仿真語言、仿真軟件等）的集成化。為此，近些年來各類智能算法，如模糊算法、神經(jīng)算法、遺傳算法的探求也產(chǎn)生了智能建模與仿真中的一些研究熱點。
4、分布交互仿真：是通過計算機網(wǎng)路將分散在各地的仿真設備互連，構成時間與空間相互偶合的虛擬仿真環(huán)境。實現(xiàn)分布交互仿真的關鍵技術是：網(wǎng)路技術、支撐環(huán)境技術、組織和管理。其中網(wǎng)路技術是實現(xiàn)分布交互仿真的基礎，支撐環(huán)境技術是分布交互仿真的核心，組織和管理是建立分布交互仿真的訊號。
5、可視化仿真：用以為數(shù)值仿真過程及結果降低文本提示、圖形、圖象、動畫表現(xiàn)，使仿真過程愈發(fā)直觀，結果更容易理解，并能驗證仿真過程是否正確。近些年來還提出了動漫仿真（AAS）,主要用于系統(tǒng)仿真模型構建以后動漫顯示，所以原則上仍屬于可視化仿真。
6、多媒體仿真：它是在可視化仿真的基礎上再加入聲音，就可以得到視覺和觸覺媒體組合的多媒體仿真。
7、虛擬現(xiàn)實仿真：是在多媒體仿真的基礎上指出三維動漫、交互功能，支持觸、嗅、味知覺，就得到了VR仿真系統(tǒng)。
現(xiàn)代仿真技術
現(xiàn)代仿真技術的一個重要進展是將仿真活動擴充到上述三個方面，并將其統(tǒng)一到同環(huán)境中。Oren將上述思想加以總結，提出了現(xiàn)代仿真方式的概念框架。
概念框架圖中的“仿真問題描述”對應于“仿真建模”;“行為形成”對應于“仿真實驗”，只是將仿真輸出獨立于行為形成;“模型行為及其處理”相應于輸出處理。
現(xiàn)代仿真技術的重要進展主要彰顯
1、系統(tǒng)建模方面
傳統(tǒng)上，多通過實驗辯識來構建系統(tǒng)模型。近十幾年來，系統(tǒng)辯識技術得到急速發(fā)展。在辯識方式上有頻域法、頻域法、相關剖析法、最小二除法等;在技術手段上有系統(tǒng)辯識設計、系統(tǒng)模型結構辯識、系統(tǒng)模型參數(shù)辯識、系統(tǒng)模型檢驗等。除此之外，近些年來還提出了用仿真方式確定實際系統(tǒng)模型的方式;基于模型庫的結構化建模方式：面向?qū)ο蠼７绞降取７浅Ｊ菍ο蠼＃稍诜盒突A上實現(xiàn)模型的拼合與重用。
2、仿真建模方面
不僅適應計算機軟、硬件環(huán)境的發(fā)展而不斷研究新算法和開發(fā)新軟件外，現(xiàn)代仿真技術采用模型與實驗分離技術，即模型數(shù)據(jù)驅(qū)動（data）。將模型分為參數(shù)模型和參數(shù)值，便于增強仿真的靈活性和運行效率。
3、仿真實驗方面
現(xiàn)代仿真技術將實驗框架與仿真運行控制區(qū)分開。其中，實驗架拿來定義條件，包括模型參數(shù)、輸入變量、觀測變量、初始條件、輸出說明。這樣，當須要不同方式的輸出時，毋須重新更改仿真模型，甚至毋須重新仿真運行。正是因為現(xiàn)代仿真方式學的完善，非常是模擬可重用性（）、面向?qū)ο蠓绞剑ǎ┖蛻眉桑ˋpp）等新技術的應用，促使仿真、建模與實驗統(tǒng)一到一個集成環(huán)境這中，構成一個和諧的人機交互界面。
計算機仿真技術發(fā)展方向
隨著計算機應用技術和網(wǎng)路技術的發(fā)展，計算機仿真技術也在不斷的發(fā)展之中。如借助網(wǎng)路技術實現(xiàn)異地仿真、應用虛擬現(xiàn)實技術進行的虛擬制造等。
網(wǎng)路化仿真
如今早已開發(fā)下來的仿真系統(tǒng)，多數(shù)不能互相兼容，可移植性差，實現(xiàn)共享困難。較之于開發(fā)的高成本和長時間，實在物未盡其用。解決這種問題，第一就是采用兼容性好的計算機語言編撰仿真系統(tǒng)，第二就是采用網(wǎng)路化技術實現(xiàn)仿真系統(tǒng)共享。尤其是前者，在將來的仿真系統(tǒng)開發(fā)中有著重要地位。實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的網(wǎng)路共享，既可以在一定程度上防止重復開發(fā)以節(jié)省社會資源，又可以通過適當收費以補償部份開發(fā)成本。
虛擬制造技術
計算機仿真技術發(fā)展的另一大方向就是在虛擬制造技術領域的深入應用。虛擬制造技術是20世紀90年代發(fā)展上去的一種先進制造技術。它借助計算機仿真技術與虛擬現(xiàn)實技術，在計算機上實現(xiàn)從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品出廠以及企業(yè)各級過程的管理與控制等制造的本質(zhì)。這促使制造技術不再主要依靠經(jīng)驗，并可以實現(xiàn)對制造的全方位預測，為機械制造領域開辟了一個寬廣的新天地。
計算機仿真技術的應用
計算機仿真的用途十分廣泛早已滲透到社會的各個領域，不斷推動了各行各業(yè)的發(fā)展，為各行各業(yè)注入了一股新的活力。
交通領域
交通是由人、車、路和環(huán)境構成的一個復雜人機系統(tǒng)，車禍的誘發(fā)誘因是多方面誘因的綜合。交通安全的評價，應當充分考慮人、車、路和環(huán)境諸方面誘因的作用和影響。本交通安全仿真是基于虛擬現(xiàn)實技術的方式。該評價體系是通過構建虛擬環(huán)境，并在這個虛擬環(huán)境中設計各類車禍誘發(fā)誘因，并對某區(qū)域和某路段的交通安全水平進行全過程（設計后，施工中，營運后）的跟蹤和評價。
交通安全仿真及評價系統(tǒng)的核心部份就是計算機的仿真。該仿真過程不同與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真，它是一種可視化的仿真。比如，對某路段的交通安全評價，不僅使用傳統(tǒng)的絕對數(shù)法和車禍率法來評價外，再將交通參與者的感知和行為也考慮進去。在該虛擬環(huán)境中，可以選擇不同的運載工具，設置不同的交通環(huán)境，以交通參與者或第二者的角度來進行車禍的可能性試驗與剖析，進而實現(xiàn)了對路段的安全性的評價。同時為交通沒施的建設和改進提供了根據(jù)，為交通車禍剖析提供了一種新的方式。
制造領域
車輛制造是機械行業(yè)的一個重要組成部份。它有好多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機仿真技術的引入，有效的減輕了這一方面的問題。如底盤方面，裝甲兵工程大學機械系的畢小平院士等完善了多缸汽油機起動過程的計算機仿真模型，其仿真結果與實際檢測值比較吻合，可用于多缸汽油機的起動性能仿真。四川理工學院的蔡憶昔實現(xiàn)了對進食道內(nèi)二氧化碳流動的動態(tài)仿真，直觀描述了瞬態(tài)過程，為多缸底盤換氣過程的研究提供了有效的技巧。車輛紊流方面，華南理工學院信息大學的呂明忠博士等成功的模擬出了車輛尾紊流的氣流分離和拖曳渦現(xiàn)象，完善了兩種車型的車輛外紊流空氣動熱學模型，并進行了仿真實驗，取得了滿意結果。碰撞實驗方面，杭州學院動力機械及汽車工程研究所的詹樟松博士依據(jù)車輛碰撞的車禍形態(tài)與乘員傷害之間的規(guī)律，構建了乘員動力學響應的物理模型，并開發(fā)出了相應的仿真軟件，該系統(tǒng)可部份取代實車碰撞實驗進行車輛被動安全性能的研究。其他方面，比如，車輛工程大學的熊堅對車輛的剎車過程進行了仿真研究，一汽大眾車輛有限公司的姚革等通過仿真研究了車輛轉向的輕便性問題等
教育領域
計算機模擬實驗又稱計算機仿真實驗或計算機虛擬實驗，是近幾年在計算機多媒體教學中開辟的新領域。它通過計算機把實驗設備、教學內(nèi)容、教師指導和中學生的操作有機地融合為一體，產(chǎn)生了一部活的、可操作的化學實驗教科書和按照須要在頓時構建的模擬實驗室。
計算機模擬化學實驗的出現(xiàn)打破了教與學、理論與實驗、課內(nèi)與課外的界限，它更加大調(diào)實驗的設計思想和實驗方式，更指出實驗者的主動學習;通過計算機模擬實驗，中學生對化學思想、方法、儀器的結構和設計原理的理解，都可以達到訓練實驗技能、學習數(shù)學知識的目的，提高了中學生對化學實驗的興趣，增強了化學實驗的水平。目前，模擬實驗已成為現(xiàn)代化化學實驗的重要手段。
計算機模擬實驗系統(tǒng)運用了人工智能、控制理論和班主任專家系統(tǒng)對化學實驗和數(shù)學儀器完善其內(nèi)在模型，用計算機可操作的仿真方法，實現(xiàn)了化學實驗教學的各個環(huán)節(jié)。
計算機仿真的發(fā)展，經(jīng)歷了簡單原型、物理模型、通用編程語言、仿真專用語言、仿真結果的動態(tài)顯示及可視化交互式仿真等一系列階段。計算機仿真發(fā)展與應用的歷程仿真物理實驗室電腦，就是在實際應用需求的牽引下，在不斷涌現(xiàn)出與發(fā)展的相關新技術的促進下，融合新的建模與仿真方式學而不斷發(fā)展起來的。
目前，無論在科學研究還是技術開發(fā)甚或工業(yè)設計中，計算機仿真方式都顯示出強悍的威力。隨著計算機科學技術的急速發(fā)展，多媒體技術、虛擬現(xiàn)實、人工智能、面向?qū)ο蠓绞健⒖梢暬c圖形界面等方面皆取得了巨大進展，對系統(tǒng)建模與仿真技術的發(fā)展亦相應地形成了廣泛與深刻的影響。
虛擬現(xiàn)實技術與計算機仿真技術的區(qū)別？
虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等覺得，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置聯(lián)通時，筆記本可以立刻進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回形成臨場感。該技術集成了計算機圖形(CG)技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網(wǎng)絡并行處理等技術的最新發(fā)展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統(tǒng)。
概括地說，虛擬現(xiàn)實是人們通過計算機對復雜數(shù)據(jù)進行可視化操作與交互的一種全新形式，與傳統(tǒng)的人機界面以及流行的視窗操作相比，虛擬現(xiàn)實在技術思想上有了質(zhì)的飛越。
虛擬現(xiàn)實中的“現(xiàn)實”是泛稱在數(shù)學意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現(xiàn)的，也可以是實際上無法實現(xiàn)的或根本難以實現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。為此，虛擬現(xiàn)實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各類特殊裝置將自己“投射”這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的，即人是這些環(huán)境的主宰。