计算机仿真(第2章-仿真技术)

COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY第2章仿真技术•仿真技术是高科技发展的前沿，是可对各种问题进行多学科综合研究的边缘科学。•“仿真”研究具有投资少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点。•它可以避免一般研究方法由于难于考虑各种因素相互间的动态影响，使研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成人力、资金的浪费。•为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技术。本资料由-校园大学生创业网-提供在线代理提供部分资料减肥药排行榜提供部分资料COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.1定性仿真•定性仿真(QualitativeSimulation)：以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。•定性仿真是系统仿真的一个分支，是系统仿真与人工智能理论交叉产生的新领域。•特点：相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独到之处：①这种仿真能处理多种形式的信息。②有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式。③人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY•三种理论方法：模糊仿真方法、基于归纳学习的方法、朴素物理学方法。•模糊数学方法：可以解决模型信息与测量数据的不确定性，所以在定性理论中一般用来作为一种描述手段。•归纳推理法：定性仿真的一个新方向，起源于通用系统理论，主要利用其中的通用系统问题求解技术。输入尽可能多的行为，通过归纳学习的方式，构造系统的定性模型，进行仿真研究。归纳推理法最突出的优势在于它完全不需要对象系统的结构信息，不需要预先提供任何模型。但是，这种方法需要采集大量的数据并处理和维护；而且，由于现实条件的限制，不能保证归纳的完备性。•朴素物理方法：在理论和应用上发展得最为成熟，它兴起于一些人工智能专家对朴素物理系统的定性推理研究。定性仿真的三种理论方法COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY定性仿真的应用•定性仿真技术与物理、化工、生态、生物、社会等学科相互渗透、结合，在系统监测、故障诊断、系统行为分析、解释以及预测等方面发挥着越来越大的作用。•国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.2分布交互仿真•分布交互仿真(DIS,distributedinteractivesimulation)：“采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。”•作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台与环境之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY①分布。地域上分布在各地或一个地区的不同单元，各个单元之间通过网络连接，以达到共享一个综合系统。②交互。首先是人在回路仿真的互操作性，交互性还表现在各个平台之间、平台与环境之间的交互作用，并有协调一致的结构标准和协议。③仿真。包括构造仿真、虚拟仿真和实况仿真。分布交互仿真的特点COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY分布式仿真的系统结构视景运动音响仿真器仿真器计算机策略数据库生成环境仿真器网络接口单元（NIU）NIUNIU网桥、网关网关网关NIUNIUNIUNIULANLAN1LAN2LAN3WAN接口COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（1）网络结构的选定：一般采用多个局域网、广域网互连，利用现有的网关、网桥、路由器，主干网选择光纤分布数据接口（FDDI）（2）数据交换标准化（3）满足实时性要求（4）建立分布式数据库（5）面向对象的建模与工具开发（6）动态场景的实时生成与显示（7）控制策略与建模（8）模型的验证、确认、认可（9）实验控制与反馈分布式仿真的技术关键COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.3虚拟仿真•虚拟现实（virtualreality）是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息。•如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY虚拟现实系统框架（1）领域知识库领域数据库建模推理学习规划计算三维动画情感机制音响制作机械控制显示头盔触觉手套音效卡传动装置主机控制COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY虚拟现实系统框架（2）COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY•高性能计算机系统；•三维视觉图像生成和立体显示系统；•立体音响生成与扬声系统；•力反馈触觉系统；•人体姿态、头、手的位置测量跟踪系统，典型设备有头盔式跟踪显示器、数据手套等。虚拟现实系统的构成部分COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY虚拟现实系统的特点（1）多感知性：感知视、听、触、嗅、味等多种信息能力（2）沉浸感：使用户与现实暂时脱离（3）交互性：用户可通过三维交互设备与系统实时对话（4）自主性：系统中的仿真体可以按照各种模型和规则自主运动COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（1）动态环境建模技术：虚拟环境的建立，动态环境的建立，视觉建模技术，行为特征建模（2）快速三维图形生成技术：提高刷新效率（3）立体显示和传感器技术：头盔重量，分辩率，延迟时间，跟踪精度，力觉、触觉传感器（4）人机交互技术：三维手势识别，语言识别与合成，用户视线跟踪技术，表情识别与合成（智能技术）（5）系统集成与开发工具：虚拟世界数据库，三维人机交互界面虚拟现实的关键技术COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY虚拟现实三要素•虚拟现实三要素：沉浸、交互、构想•以虚拟现实技术创建的虚拟环境，强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识，从而深化概念和建造新的构想和创意。•虚拟技术是客观事物在计算机上的本质实现。客观事物包括人、物、环境以及它们之间的关系。例如，人的决策行为和响应特性，物体的几何形状与物理特性（动力学、反射特性、声学特性、光照模型、物理约束）以及地形地貌、气象条件、背景干扰等环境。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY虚拟技术应用•传统上，新型号、新产品的研制，都要先制造出几台样机，进行性能试验或试飞，周期长、耗资大。•采用虚拟样机的概念，可以在虚拟环境中进行设计、性能测试与检验。•传统上，部队的训练依靠实弹演习和打靶，成本高.•采用虚拟战场的概念，可以将分布在各地的部队通过联网仿真，构成同一时间同一地点的多武器平台作战环境，用于训练部队。•虚拟制造通过计算机虚拟模型对产品的设计、工艺规程、加工制造、装配、调试以及生产过程的管理等进行仿真。•采用虚拟技术还可构成“虚拟工厂”、“虚拟企业”、“虚拟商业网”等等。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY2.4并发仿真工程•并发仿真工程：是为一体化实现物理系统的动态模型而设计的一种系统性工作模式。•该模式是在仿真工程的整个生命周期中实现子过程与人的并发工作。•它将经典的串行，交错实现的仿真工程变为有机、并发、交叉、优化实现的并发仿真工程，使效率提高，成本降低，质量改善。•并发性表现在：子过程内部并发性（子模型并发建模），子过程并发性。COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY（1）协同作业；突出“人”的作用，强调人的协同工作，各小组一同工作。（2）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和仿真实验，尤其是早期建模。（3）重视用户需求。并发仿真工程工作原理COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY并发仿真工程实现要素（1）一体化、有层次的行政指挥系统：规划、方案制定、机构调整、组织、实施、运行、维护（2）任务小组群（3）信息管理：各类信息获取、表示、表现（4）支持环境：支持并发运行（5）网络技术：协议、网络管理、数据安全、网络测试工具（6）数据库集成技术：工程数据库、面向对象数据库技术（7）知识处理能力：专家系统、神经网络、符号处理COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY知识处理中的专家系统结构•黑板：各模块共享的数据库，可与其他模块交换信息，存放当前问题的解决信息、结果与假设。•推理机制：调度器启发知识，根据问题与规划求解解题关系，定义问题优先级，推理器使用知识库规划执行待议事件。•知识库：记录规划，框架等信息，不同的知识表示方法组成不同的知识库。•真值维护系统：维护系统假设与结果的一致性，避免推理过程重复和错误。•解释器：向用户解释系统的行为，并记录推理轨道。•学习机制：从黑板中积累的中间结果进行学习，改进知识库和数据库。知识获取总控用户接口用户推理机制推理器调度器黑板数据库管理数据库解释器学习机制真值维护系统知识库管理规划、语义网框架、典例（知识库）COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY并发仿真工程研究方向（1）体系结构：人的集成、项目功能集成、知识集成、工具集成（2）基础技术：组织机制、决策支持系统、计算机辅助建模（3）仿真模型标准化（4）知识处理技术COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY•网络仿真是一种新的网络规划和设计技术。•它以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。2.5网络仿真COMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGYCOMPUTERSCIENCEANDTECHNOLOGY•传统网络设计方法：经验、试验和计算。•经验方法最为简便，不过其成效在很大程度上依赖于规划设计者具有的网络设计经验，设计结果中的主观性成分比较突出。•当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络流量不大的时候，以经验为主、辅之以试验和