1.3 计算机仿真的发展与展望

1.3.1 计算机仿真技术的发展

计算机与数学科学的相互作用促进了计算机仿真技术的发展，在本质上，数学是计算机的灵魂，反之，计算机的发展又使数学的发展产生了革命性的变化。不仅使数学科学应用的范围和能力得到极大的扩大，而且进一步促使了数学科学自身的发展。通过在计算机上进行巨量计算，解决了许多困难的数学问题，并猜测和发现了新的事实和定理，促进了离散数学等新的数学理论的诞生，把人类的演绎思维机械化，实现了机器证明，开创了自动推理等新领域。

随着仿真技术发展对计算机仿真应用又有以下新的需求：

①减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模，包括研究结构化建模的环境与工具，建立模型库及模型开发的专家系统；

②改进精度，包括改进模型建立的精度和试验的精度，比如，研究模型结构特征化的新方法——模式识别法和人工智能法、连续动力学系统的数值解法、随机数产生的方法等；

③改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信，如：研究模型的统一描述形式，图形输入与动画输出，仿真结果的统计、分析等。

针对上述需求，提出了一系列有意义的技术方案。

1.改善建模环境

采用模块化、结构化建模技术。根据不同的实际系统的组成，对系统进行分解，抽象出它们的基本成分及组合关系，确定各种基本成分及其连接的描述形式并开发一种非过程编程语言（模型描述语言），根据应用领域的不同建立相应的模型库并使它们与模型试验有机地结合起来。采用这种技术不仅可以使仿真软件直接面向工程师，而且能大大缩短建模的时间。

采用图形建模技术。利用鼠标器在计算机屏幕上将模型库中已有的系统元件拼合成系统的模型；利用数字化仪将系统图形输入到计算机中；利用图形扫描仪将系统图读到计算机中；通过网络将由CAD软件产生的系统图传给计算机仿真软件（需要有一个共同的图形转换标准）。

利用专家系统来确定系统模型的特征（模型的形式、线性、非线性、阶次）；开发一个自然语言接口来辅助用户建模；开发一个智能接口通过对话获得有关系统的知识，然后直接产生仿真模型等。

2.一体化仿真

根据仿真的基本概念，可以认为仿真是一种基于模型的活动，即建立模型、对模型进行试验（行为产生）、对实验所产生的模型行为进行分析处理、修改模型、再试验、分析……不断反复的过程。因此，仿真的全过程涉及很多的功能软件，且各个功能软件之间存在着密切的信息联系。为了提高仿真效率，必须将它们集成起来，即开发一体化的仿真环境，这是20世纪80年代后期仿真软件的一个发展趋势。根据一体化的程度，可以分三个层次：

①不同功能软件通过一个管理软件利用数据转换接口实现一体化；

②重新划分功能块，建立模型库、参数库、试验框架库，然后通过数据库实现一体化；

③在仿真操作系统的支持下，实现对仿真关联资源的有效管理，并支持这些资源的匹配与运行，实现整个仿真软件系统的高度一体化。

3.计算机仿真数据库

计算机仿真数据库是实现一体化的关键技术之一。由于计算机仿真中所涉及的“数据”比较复杂，除一般的结构化数据外，还有大量的非结构化数据，如：图形（流程图、肖像图及表达式）、模型、算法、试验框架等。因此，现在比较流行的关系型数据库并不十分适合这样的应用环境。通常它只能管理模型目录、算法目录，而模型与算法本身仍另外存放，这就很难保证数据的一致性。另外，关系数据库查询比较慢，也是一个缺点。因此，开发一个面向计算机仿真的数据库管理系统是很有意义的。

4.动画

图形图像技术在计算机仿真中越来越显示出它的重要性。图形图像技术在计算机仿真中的应用主要反映在两个主要方面：辅助建模、显示仿真结果（实验过程中或实验后）。其中动画在实验过程中显示系统的活动及其特征，是非常重要的。动画一般要与图形建模相配合，并保持一致性，另外，还要处理好动画与仿真钟的匹配关系。

5.实现计算机仿真结果分析到建模的自动反馈

目前，绝大多数计算机仿真软件或仿真器都不能提供这种功能，而是由用户自己根据仿真结果做出决策，并修改建模。少数情况，如连续系统仿真，当系统目标能写成函数形式，修改模型仅限于模型中部分参数或结果时，已可以自动完成从仿真结果分析到建模的反馈。当前研究的重点是对离散时间系统如何实现自动反馈，专家系统可能是解决这一问题的途径之一。

6.基于信息处理的计算机仿真

在传统的计算机仿真软件中，模型最终将用一段程序代码来表示，执行仿真实验则是将这一段程序代码与其他代码（如算法）连接起来，并加以执行。而在基于信息处理的计算机仿真中，模型是以信息链的形式表示，并被存储于计算机仿真数据库中，再进行计算机仿真。首先根据问题的要求选取各种所需要的建模元件，并在主存中重新构造一个数据库的子集，然后跟踪在数据库中定义的信息关系以便控制它们，最后将计算机仿真结果存放回数据库。这是一种十分新颖的结构。

另外，计算机仿真软件的开发环境也在不断地发展，双处理器、四处理器的工作站和PC已开始投入使用，可以预见，在未来几年内，基于共享存储器的并行计算机将成为普及型机种。在并行软件的开发环境中，并行语言是用户与复杂的并行机之间的重要接口，具有使用方便且运行高效的特点。典型的高性能语言有高性能Fortran（HPF），高性能C++（HPC++）和Tread Mark。由于计算机网络的进步，将Internet和Web转变成为功能强大的计算机系统（Metacomputing System）和工具的条件已经成熟。当前的计算机仿真技术系统采用的显示设备仍以个人使用的CRT光栅扫描显示器为主流，几年来投影式显示器随着虚拟环境技术的发展日益成熟，并越来越引起人们的兴趣。这类投影显示设备通常具有屏幕大和沉浸式的特点，从而允许多人介入，并给予身临其境的感觉。因此，很多高档的计算机仿真应用系统已经采用此类投影式显示设备，以得到更加逼真的效果。

1.3.2 计算机仿真技术的展望

1.分布式计算机仿真技术

计算机仿真技术的分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示的重要手段。这里所指的分布式计算平台由联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC群系统，与高性能图形处理机集成在一起构成实时的计算机仿真计算环境。目前的困难在于，缺乏高效的、使用方便的并行软件开发工具和分布式软件开发工具。

2.协同式计算机仿真技术

随着高速主干网投入使用，采用多媒体技术支持下的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。事实上，要做到真正、方便地协同工作，还有许多的困难要解决，例如：如果要求不同研究组的成员之间在空间上和时间上做到应用共享、上下文共享，则要求用户能记录结论及交互操作的历史，并对虚拟表示和行为做出评价等。

3.沉浸式计算机仿真技术

计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境技术所专用的投影式和沉浸式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。传统上，由于沉浸式显示设备特别是CAVE的价格高，对计算机图形绘制性能的要求也高，因而无法普及。随着虚拟环境技术的发展和高性能计算机软硬件平台的发展，人们将越来越愿意采用沉浸式显示设备。

4.基于网络环境的计算机仿真技术

网络为王、网络经济、网络时代、互联网络正在造就有史以来最为奇特的人文景观，信息共享正在把地球变成一个小小的村落。19世纪是铁路时代；20世纪是高速公路时代；21世纪是网络时代。什么是信息社会的未来，那就是虚拟环境和网络。分布式虚拟环境（Distributed Virtual Environment，DVE）就是把这两项技术结合在一起，在一组以网络互连的计算机上同时运行虚拟环境系统技术，在21世纪，基于虚拟环境技术的计算机仿真技术将会得到普及。

5.计算机仿真理论、仿真技术、仿真对象三者有机地结合在一起

目前从事计算机仿真技术研究的人员主要由三部分组成，第一部分是从事自动控制与应用数学的人员，第二部分是从事计算机技术的人员，第三部分是从事仿真对象（应用专业）的人员。实际上很多科技人员是肩负着三副重担。只有注重这三者的有机结合，相互渗透，才会使应用数学中的相似理论、同态理论更加丰富，计算机仿真的软硬件更加先进，各种各样的仿真对象的仿真模型更加逼真。

6.计算机科学技术与通信科学技术紧密融合，相互渗透，大大加速人类社会信息化进程

随着世界各国信息基础设施的建立与发展，计算机科学技术与通信科学技术更加紧密融合，相互渗透，全球性的计算机联网促进了信息资源的开发利用。计算机进入千家万户，已经成为人类工作和生活的必需品。计算机科学技术成为人类必须学习的基础知识。特别是计算机网络技术、多媒体技术、虚拟现实技术、面向对象技术、并行处理技术，以及分布式处理与集群式处理技术的有机结合与综合应用，展示出计算机与计算机科学技术的宏伟前景，从而，必将大大加速人类社会信息化的进程。在这种大的背景下，作为计算机应用一个重要分支的计算机仿真技术将得到快速的发展。

7.新型元器件的发展，体系结构的发展，以及实现技术的发展，大大提高了计算机仿真系统的性能价格比，促进了计算机仿真技术的发展

随着纳米微细加工技术趋于成熟，微电子集成器件将得到进一步发展，同时光电子集成器件与生物器件一旦成为现实，计算机的运算速度便可以提高几个数量级。随着冯·诺依曼式计算机的研究与发展、新型计算机体系机构的出现、计算机辅助技术和新型工艺的应用，使得计算机的性能价格比大幅度提高，计算机仿真技术将获得长足的发展。

8.新技术将大大提高计算机仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发中的软件瓶颈问题

随着对以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化，以及自然化为标志的计算机仿真软件的深入研究、开发和利用，不但使仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实际，探讨软件理论，有可能从理论上弄清软件开发的复杂程度，从而采取有效的措施进行控制，从理论与实践两个方面来解决计算机仿真系统开发中的软件瓶颈问题。

9.信息安全保密成为计算机仿真技术领域的重大课题

在全球联网的趋势下，为保证信息资源的共享，计算机系统与网络的互操作性、开放性和标准化将受到高度重视。同时由于计算机进入千家万户，成为人人可以利用的设施，使用的简明化、自然化和信息安全保密将成为计算机仿真技术领域的重大课题。计算机仿真技术已经应用于各行各业，但应用于军事部门、军工部门、关键部门更多一些，因此信息安全保密显得更为重要。

10.计算机仿真技术产业化

计算机仿真技术的研究开发成果只有通过产业的商品转化进入市场，才能产生价值与经济效益。同时反馈市场需求与资源，促进计算机仿真技术的更大发展。而计算机仿真产业也只有紧密依靠计算机仿真技术提供新思想、新方法、新工艺，以更新产品、拓宽市场、加强竞争力。两者相辅相成，从而构成整个计算机仿真事业发展的良性循环。

计算机是20世纪40年代人类的伟大创造。半个多世纪以来，计算机、计算机科学技术、计算机产业在世界范围内蓬勃发展，规模空前。它的诞生和发展对人类社会作用巨大，影响深远。计算机仿真技术是计算机应用最活跃的领域之一，计算机仿真技术必将在21世纪异彩纷呈、绚丽夺目。