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液壓技術論文——液壓與氣動仿真
1 概述
從一般意義上講，系統仿真可以理解為對一個已經存在或尚不存在但正在開發的系統進行系統特性研究的綜合科學。對于實際系統不存在或已經存在但無法在現有系統上直接進行研究的情況，只能設法構造既能反映系統特征又能符合系統研究要求的系統模型，并在該系統模型上進行所關心的問題研究，揭示已有系統和未來系統的內在特性、運行規律、分系統之間的關系并預測未來。
系統仿真是以建模理論、計算方法、評估理論為基本理論，以計算機技術、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體技術、軟件工程、信息處理、自動控制及系統工程等相關技術為支撐的綜合性交*科學。
仿真技術的應用一般是以仿真系統的形式來體現的。
2 仿真技術的發展
仿真技術經過半個多世紀的發展，從研究簡單系統到現在已經成為人們研究復雜系統的有力工具，大致經歷了三個階段 1)發展階段 二次大戰末期，火炮控制與飛行控制動力學系統的研究促進了仿真技術的發展，20世紀40年代研制成功第一臺通用電子模擬計算機。50年代末期到60年代，導彈和宇宙飛船的姿態及軌道動力學的研究、仿真技術在阿波羅登月計劃及核電站的廣泛應用、以及50年代末第一臺混合計算機系統用于洲際導彈的仿真，促進了仿真技術的發展。這是仿真技術的發展階段。
2)成熟階段 在軍事需求推動下，70年代中期，仿真技術不但在軍事領域迅速發展，而且擴展到許多領域。在這個時期出現了用于培訓民航客機駕駛員和軍用飛機飛行員的飛行訓練模擬器和培訓復雜工業系統操作人員的仿真系統等產品。相繼出現了一些從事仿真設備和仿真系統生產的專業化公司。例如美國的GSE公司、E＆S公司、ABB公司、Dynetics公司等，使仿真技術達到了產業化階段。這標志著仿真技術進入了成熟階段。
70年代末，國際政治軍事格局的改變，為仿真技術的發展創造了新的機遇。一方面，隨著世界范圍內冷戰狀態的緩和，各國政府紛紛把投資重點轉向了本國的經濟建設，并開始大規模地削減常規軍隊，大規模的軍事演習不僅受到政治環境的約束，同時也受到經濟狀況的制約，與之相矛盾的是現代戰爭越來越強調部隊聯合作戰能力的培訓以及戰略戰術的運用；另一方面，現代武器系統裝備越來越復雜，武器系統研制的費用越來越高，研制周期越來越長，培訓使用操作人員的時間也越來越長，必須找到研制開發新武器系統的更加有效的途徑和方法，形成一個新武器的決策者、開發者與使用者協調配合、共同參與的武器研制體系，縮短武器系統研制開發的周期和成本，這成為各國軍方都在探索的問題。仿真技術為解決這些問題提供了一條有效的技術途徑。
同樣，隨著技術進步，工業生產設備越來越復雜，操作水平要求越來越高，面臨著與武器系統裝備同樣的問題。
這種技術需求推動了仿真技術快速發展。
3)高級階段 20世紀80年代初以美國國防高級研究計劃局(DARPA)和美國陸軍共同制定和執行的SIMNET(SimMlators Network)研究計劃和美國三軍建立先進的半實物仿真試驗室為標志，標志著仿真技術發展到了一個新的高級階段。
SIMNET計劃是分布交互仿真的初型和開始。到90年代，各個部門相繼建設分布交互仿真系統、并行分布交互仿真系統、聚合級仿真系統。這些仿真系統絕大多數是針對某領域的具體需求而建立的，它們之間不能互操作，其應用和各組件也不能在新的仿真應用和開發中得到重用。隨著國防工業和工業系統的發展，被仿真的系統日益復雜，規模越來越大，若各應用部門根據各自的需要完全從頭開始開發大型仿真系統，工作效率低，財力人力浪費大，且模型和仿真結果的準確性、可信度難以保證。為了更好的實現信息、資源共享，促進仿真系統的互操作和重用，到90年代，以美國為代表的發達國家在分布交互仿真、先進的并行分布交互仿真以及聚合級仿真的基礎上，仿真技術開始向仿真的高層體系結構(HLA)發展。HLA是促進所有類型仿真之間互操作、仿真模型組件重用的高級協議。
3 仿真技術應用
隨著仿真技術的發展，仿真技術應用目的趨于多樣化、全面化。最初仿真技術是作為對實際系統進行試驗的輔助工具而應用的，而后又用于訓練目的，現在仿真系統的應用包括：系統概念研究、系統的可行性研究、系統的分析與設計、系統開發、系統測試與評估、系統操作人員的培訓、系統預測、系統的使用與維護等各個方面。它的應用領域已經發展到軍用以及與國民經濟相關的各個重要領域。
3．1 軍事領域
3．1．1 武器裝備研制 仿真技術在武器裝備研制過程中，使得在新武器研制計劃開始前，能夠充分利用仿真系統檢驗武器系統的設計方案和戰術、技術性能的合理性，避免在實際研制過程中出現的方案的不合理現象，縮短研制周期，并支持技術評估、系統更新、樣機研制，使得能夠以較低的代價提高武器裝備的戰術性能。各用戶(包括武器裝備的研制部門、采購部門、訓練部門和軍事使用部門)可在合成環境中按需要綜合應用各種仿真手段進行演習、訓練和試驗，鑒定現有的和研制中的武器裝備的性能、戰術部署和后勤保障。現在，在武器裝備研制生產過程中，已規定將仿真系統列為必需的裝備。
3．1．2 軍事訓練 分布式仿真系統通過聯網技術將分散在各地的人在回路中的仿真器、計算機生成的兵力以及其他設備聯結為一個整體，形成一個可以在時間和空間上互相鍋合的虛擬戰場合成環境，參與者可以自由地交互作用。這樣，使過去主要依*野戰演習完成的任務可以利用計算機、仿真器和人工合成的虛擬環境來進行。技術的進一步發展還將把野外演習的部隊和這種仿真器聯系起來進行演習。利用仿真器產生動態的、直觀的環境，配合仿真的地形、煙霧和“敵人”的武器裝備，使部隊能夠進行生動逼真的軍事演習。
3．1．3 先進概念與軍事需求分析 在先進概念與軍事需求分析方面(例如使用新概念與先進技術的試驗)，對于未來軍事行動中在條令、訓練、指揮人員培養、組織、裝備和士兵發展等方面的需求上，可以通過仿真和使用真實部隊的士兵體驗來評估技術綜合集成的影響。
3．2 工業領域
同軍事領域的需求和推動一樣，由于工業系統的復雜性、大型化，出于安全性、經濟性考慮，仿真技術廣泛應用于工業領域的各個部門。在大型復雜工程系統(項目)建設之前的概念研究與系統的需求分析過程中，都發揮著越來越重要的作用。
電力工業中，隨著單元發電機組容量越來越大，系統越來越復雜，對它的經濟運行、安全生產提出了更高的要求，仿真系統是實現這個目的的最佳途徑。通過仿真系統可以優化運行過程，可以培訓操作人員。電站仿真系統己成為電站建設與運行中必須配套的裝備。
核電站的運行必須安全，操作人員的技術素質、技能是保證安全運行的前提，培訓提高操作人員素質、技能的有效手段是仿真培訓系統。
在經濟全球化、貿易自由化和社會信息化的今天，在技術更新速度加快的新形勢下，制造業的經營戰略發生了很大變化。如何在最短的時間內，以最經濟的手段開發出用戶能夠接受的產品，己成為今天市場競爭的焦點。虛擬制造是解決這個焦點問題的有效技術途徑。虛擬制造是采用建模技術在計算機及高速網絡支持下，在計算機群組協同工作下，通過三維模型及動畫實現產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗以及企業各級過程的管理與控制的仿真產品制造過程。虛擬制造是對已有的或未來的制造活動進行的仿真過程，所進行的過程是仿真的，所生產的產品也是仿真的。仿真技術將在制造企業中發揮重要的作用。
3．3 其他應用領域
在為武器系統研制作戰訓練和工業過程服務的同時，仿真技術的應用正不斷向交通、教育、通訊、社會、經濟、娛樂等多個領域擴展。近年來，國內研制了能夠表述交通流特征和交通流質量的交通仿真軟件平臺，可以對交通規劃、交通控制設計、交通工程建設方案等進行預評估。在引黃入晉輸水工程中，建立了全系統運行仿真系統。利用仿真系統驗證了工程設計，提出了現有工程設計中影響運行的重大問題，尋找調度運行最佳模式等。
在醫學仿真方面，建立了有關人體的生物學模型和三維視覺模型，為深入開展人體生命機理研究和遠程醫療工作提供了有力的工具。為了滿足大容量、高速度通訊網絡研究的需要，對通訊仿真的方法和軟件開展了廣泛的研究，為提高通訊網絡的性能和網絡方案的優化提供了重要的分析和驗證工具。此外，仿真技術和虛擬現實技術在娛樂業中亦顯示出廣闊的發展前景。
4 國內外現狀及展望
4．1 國外現狀
以美國為代表的發達國家高度重視仿真技術的發展和應用。10多年來美國國防部一直將仿真和建模技術列為國防關鍵技術。1997年度的“美國國防技術領域計劃”，將建模與仿真列為提高軍事能力的四大支柱(戰備、現代化、部隊結構、支持能力)的重要技術。
美國三軍先后建成了：為滿足紅外成像制導武器仿真需要的紅外制導半實物仿真系統。為滿足雷達尋的制導的毫米波半實物仿真系統MSS—2，它是當今世界上規模最大、技術最先進的射頻仿真系統。可以滿足地空導彈毫米波精確制導仿真的需要。目前，用于愛國者PAC—2和PAC—3型導引頭半實物仿真。
復合制導是精確打擊武器裝備的標志性發展，支持復合制導武器的仿真技術，成為當今最具挑戰性的仿真技術。美國于1995年研制成功共孔徑的毫米波和紅外雙模制導半實物仿真系統。
1983年，美國國防部國防高級研究計劃局(DARPA)和美國陸軍共同制定了SIMNET研究計劃，此計劃是將分散在多個地點的地面車輛(如坦克、裝甲車等)仿真器用計算機網絡聯結起來，進行各種復雜任務的策劃和訓練，以演示、驗證實時聯網的人在回路中的作戰仿真和作戰演習的可行性，最終達到降低訓練成本、實現作戰想定、提高訓練安全性及減小對環境的不良影響的目的。1989年，SIMNET最終移交給美國陸軍時，已經聯結了9個操作性仿真結點(5個分布在美國、4個在歐洲)和2個開發仿真結點，大約250臺套地面車輛模擬器和飛機飛行模擬器。SIMNET作為一套訓練系統， 目前仍在發揮作用。SIMNET計劃的完成，標志著仿真技術進入了分布交互仿真階段，為分布交互仿真的發展奠定了基礎。此后，在90年代，美國在HLA基礎上相繼建立了JADS(Joint Advanced Distributed Simulation)、 JWARS (Joint Warfare System)、HLA的應用系統、JSIMS(Joint Simulation System)和ALSP應用系統等。
歐洲對于仿真技術的研究也十分重視。北大西洋公約組織(NATO)對應于美國分布交互仿真工作組成立了相應的研究機構進行跟蹤研究，并制定了建模與仿真的計劃。
美國等西方國家除軍事用途外的其他行業中的仿真技術及應用都居于世界領先水平，如飛機模擬器、車輛運輸仿真、電力系統、石化工業仿真系統等。
4．2 國內狀況
通過幾個五年計劃的努力，我國仿真技術得到了快速發展，并取得了突破性成果。
在國防工業領域，建成了不同類型的半實物仿真系統。半實物仿真系統的應用在國防工業產品研制、生產、使用、維護過程中發揮了巨大作用。
在軍事領域建立了指揮、作戰、訓練的仿真系統及半實物仿真試驗室。仿真技術的應用為我軍部隊指揮、作戰、訓練提供了有效的工具，為我軍現代化建設做出了重要貢獻。
在先進分布交互仿真技術方面，我國初步建成了分布交互綜合仿真系統14J。該系統是一個含有靈境技術的、開放的、支持分布交互仿真的支撐環境，支持復雜系統設計、運行和評估，并開始應用于實際系統的研制和開發工作。
在民用工業中，我國已自行研制生產電力工業的大型電站(200MW，300MW，600MW)仿真系統、交通運輸仿真系統、石油化工過程仿真系統等U51。
我國仿真技術經過“七五”、“八五”、“九五”期間的努力，已有長足發展。在某些方面達到了國際先進水平。但總的技術水平，特別是應用水平與發達國家比較還有差距，需要進一步努力，加速發展仿真技術以縮小差距。
系統仿真技術的優良特性和巨大效益，可能將成為今后人們特別重視和大力發展的綜合技術。仿真系統將應用于人類生產實踐的全過程，這樣可以避免決策失誤，可以預測可能發生的問題，達到避免故障、安全控制的目的。
4．3 展望
建模理論和方法，仍然是推動仿真技術進步發展的重點研究方向。它是系統仿真可持續發展的基礎。美國等發達國家在仿真領域一直是將建模理論和方法的研究工作列為重中之重。另外，無論是武器系統還是工業系統，都向大型化、復雜化方向發展，相應的必須開展支持復雜大系統建模的理論和方法研究。
仿真系統將是支持研究各類復雜大系統全生命周期的必要手段。大型復雜工業系統，都需要預估其安全性，從安全性出發設計實施。仿真系統是預估其安全性的有效工具，因此仿真系統自身的可信度就變得非常重要。從理論上建立仿真系統的評估體系及相應的方法、工具是推動仿真技術應用的重要研究方向。
先進的分布式仿真技術的發展，在2l世紀，可能將分布在各個應用領域的人員和資源集成為一個大型仿真環境。它將打破各個領域的界限，使人們在仿真環境里對擬定的設想和任務進行研究、分析。現代建模技術、計算機技術、網絡技術、虛擬現實技術等技術的發展，為建立這種跨行業具有虛擬環境的仿真系統提供了強有力的技術支撐。這種仿真系統的建成，將會幫助人們解決難度更大的問題，將對經濟或社會帶來更大影響。應該努力去實現這個目標。
支持這個發展的關鍵技術是分布式協同技術。它可以幫助處于不同地理位置的人們共享和交換數據、信息、知識和行為狀態，完成特定的任務，并為實現交*學科信息共享以及決策支持服務。虛擬世界所需要的轉換技術也是建立跨行業具有虛擬環境仿真系統的有挑戰性的研究發展方向。
仿真技術是極具挑戰性的新興技術之一，它將廣泛的應用在軍事、工業、生物、醫療、人類行為、生態環境、農林、牧業、城市規劃、空間探測等領域。在2l世紀，它的發展將對經濟、社會以及人們的觀念產生巨大影響。
5 結語
仿真作為一門綜合性科學，將隨著其相關領域技術的深入發展，繼續向縱深快速發展，同時將擴大其綜合應用的領域，在國防建設和國民經濟建設中發揮更大的作用。但是，作為一門綜合性技術學科，仿真技術還有許多理論及技術問題需要繼續進行深入的研究探討。
我國應大力開展仿真技術的理論研究和技術應用研究，盡快縮短與先進發達國家在技術上的差距。系統仿真技術的發展，必將推動我國科學技術水平的進一步提高。
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發表于 2006-6-1 11:00:50
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