半实物仿真

半实物仿真系统、系统模型和计算机。而联系这三项要素的基本活动则是：模型建立、仿真模型建立和仿真试验，如图1．1所示。 图1．1仿真三要素 系统仿真技术作为分析和研究系统行为、揭示系统运动规律的一种重要的手段，随着20世纪40年代第一台计算机的诞生而迅速发展。特别是近些年来，随着系统科学研究的深入，控制理论、计算技术、信息处理技术的发展，计算机软件、硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究、工程应用、仿真工程和工具开发环境等许多方面都取得令人瞩目的成就，形成了--I'-I独立发展的综合性科学。 综合国内外仿真界学者对系统仿真的定义，可以对系统仿真做如下的定义： 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技术等理论基础之上的，以计算机和其它物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的学科。 上述定义中的计算技术，除了包含通常意义下的计算理论和技术，还应该包括现代运筹学的绝大部分内容。对信息理论、控制理论、运筹学等概念和术语，其它一些有关系统科学和系统工程的著作都给予了明确的解释。定义中模型可以是定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是数学的，或者是它们的综合。要对某一系统进行研究，其“白色”部分，可以建立定量的解析模型；“灰色”部分则可以通过实验、观测和归纳推理获得其模型结构，并根据专家经验和知识来辨识其参数；而对于“黑色”部分则只能借助于各种信息知识(感性的、理性的、经验的、意念的、行为的等)给予定性描述。1．1．2系统仿真技术的历史与现状 仿真技术的发展主要源于军事领域的研究和应用。最初阶段它主要应用于对实弹打靶的模拟仿真，以减少因多次打靶而消耗的研制费用。在进入20世纪90年代以来，仿真技术迅猛发展，它综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。作为一种研究、发展新产品、新技术的科学手段，它在航天、航空、船舶、兵器等与国防科研相关的行业中逐步发展起来，并显示出了巨大的社会效益和经济效益。以美国为首的发达国家非常重视仿真在军事上的研究和发展，1986年一1990年间，美国用于仿真技术研究的年平均投资为1．62亿美元。而且，在“冷战”结束之后，更呈逐步增长的趋势。在未来高技术条件下的局部战争中，武器装备系统是由多个武器平台、电子战装备、C4ISR系统等有机构成的体系，单件武器系统作战效能的发挥，依赖于整个武器装备体系的正常运作。20世纪80年代初，随着军事需求与 第1章半实物仿真基本概念技术的发展，单项武器系统的仿真已不能满足武器装备发展的需要。军事部门开始考虑将已建成的、分散在各地的单武器平台仿真系统或仿真实验室，通过信息互联构成多武器平台的仿真系统，进行武器系统作战效能的研究。1983年，美国国防高级研究计划局(DARPA)首先提出并与陆军共同制定了一项合作研究计划——仿真组网(SIMNET)计划。该计划是将分散在各地的坦克仿真器同计算机网络联结起来，进行各种复杂作战任务的训练和演习。80年代末，SIMNET计划结束时，已形成了约260个地面装甲车辆仿真器以及通信网络、指挥所和数据处理设备等互联的网络，结点分布在美国和德国的11个城市。为了大幅度增加仿真器的数量，逐步发展了异构型网络互联的分布交互仿真(DIS)系统，美国在20世纪80年代末专设软件与仿真专委会，负责管理军用仿真。20世纪90年代，针对扩展防空体系概念，美国陆军战略防御司令部及陆军导弹司令部，合作进行了“扩展的防空仿真系统”(EADSIM)研制计划。EADSIM是一个能用于攻防体系对抗研究的作战仿真系统，它连接美国本土、北约、英国、以色列等地100多个军事、工业部门，可给用户提供一个逼真的环境，用以分析准备建立的战术导弹防御系统，评估系统性能参数、作战过程及战术导弹防御系统的构成。海湾战争验证EADSIM是评估作战的一个有力工具，但EADSIM仍是一个纯数字仿真系统，为了更好地评估武器系统，在此基础上，现正在研制硬件与人在回路中的EADTB仿真系统。科索沃战争中各种现代化武器装备联结成一个有机体系，呈现出信息化、智能化、一体化的发展趋势，战争形态、作战样式也随之在发生一系列新变化，如远程攻击能力大大增强，打击精度空前提高，杀伤力成倍增长。其中，争夺信息优势，取得战争制信息权已成为现代作战的重心之一，利用计算机仿真技术研究和探索信息战的特点和规律，也成为人们关注的热点和焦点。 国际上，仿真技术在高科技中所处的地位日益提高。在美国的国家关键技术和国防关键技术计划中，建模与仿真都排名于前列，海湾战争结束后不久，美国国防部建立了“国防建模与仿真办公室”并提出了新的建模与仿真投资战略。1992年美国国防部对关键技术项目进行了调整，确定了七个优先发展的技术领域，仿真技术仍为其中的一项。欧洲共同体在1989年制定的“欧几里德”计划中，也将建模与仿真列为11项优先发展的合作发展技术领域之一。由于各国都预测，在今后的lO年一15年内，爆发世界大战的可能性不大，因此，大型的武器试验和大批量的武器生产计划将受到限制。于是，发达国家欲在军事上保持领先地位，都把目光转向仿真技术，实行“多研制，少生产”的武器系统发展和采办方针。仿真技术便成为研制和鉴定现代武器系统的既经济又有效的必要手段，成为国防科技战略的关键性的推动力。 在我国，仿真技术的研究与应用发展迅速，并且越来越受到国家的重视。20世纪50年代开始，自动控制领域就首先使用了仿真技术，面向方程建模和采用模拟计算机的数学仿真获得较普遍的应用，同时采用自行研制的三轴模拟转台的自动飞行控制系统的半实物仿真试验已经开始应用于飞机、导弹的工程型号研制中。60年代，在开展连续系统仿真的同时，已开始了对离散事件系统(例如交通管理、企业管理)的仿真进行研究。70年代，我国的训练仿真器获得迅速发展，我国自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、火电机组仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、坦克模拟器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成了一定市场，在操作人员培训中发挥了很大的作用。80年代，我国建设 3 单家元，孟秀云，丁艳编著.半实物仿真.国防工业出版社,2008.4. 半实物仿真了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如各种类型的导弹半实物仿真系统、歼击机半实物仿真系统、驱逐舰半实物仿真系统等，它们在武器型号研制中发挥了重大的作用。90年代，我国开始对分布式交互仿真、虚拟现实等先进仿真技术及其应用进行研究，开展了较大规模的复杂系统仿真，由单个武器平台的性能仿真发展为多武器平台在作战环境下的对抗仿真。同时，仿真技术在国民经济的各个领域，如发电工程、化工过程等方面都得到了应用和发展。 目前，在武器系统研制过程中，用得最多的是数学仿真和半实物仿真技术。半实物仿真又称为“数学一物理”仿真，是20世纪70年代在混合计算机和高速数字计算机技术蓬勃发展的环境下发展起来的。半实物仿真与全数字仿真相比较，有两个最大的优点：一个是可以通过可建造的目标／环境(包括背景与人工干扰)模拟器，逼真地生成实战空间的目标／环境场景，提供给导弹的制导控制系统进行仿真试验；另一个是可以把导弹制导系统中某些非线性比较高的关键部件实物(如导引头、自动驾驶仪等)引入仿真回路，这样就避免了全数字仿真中，由于非线性部件建立数学模型的正确定性所带人的误差，从而可以大大提高仿真的可信度，这是全数字仿真所无法比拟的。 总之，随着计算机科学的发展，仿真技术已经渗透到各个领域，如航空、航天、生物工程、石油、化工、环境保护、农业、商业等。并且，仿真技术不仅仅应用于简单的单个系统，也应用于多个系统综合构成的复杂系统。当前仿真研究的前沿课主要有：仿真与人工智能技术的结合；分布交互仿真模型的并行处理；实时仿真与半实物仿真系统的实现；图形与动画等可视化仿真、建模环境与仿真支持系统，人在回路仿真，随机作战仿真，高层体系结构(HLA)等。1。1．3系统仿真的一般过程 系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术科学。对于任何一个系统的仿真研究都是一项或简或繁的系统工程，特别是对复杂系统或综合系统的总体仿真研究是一件难度很大的工作。诸如系统仿真实验总体方案设计，仿真系统的集成，仿真试验规范和的制定，各类模型的建立、校核、验证及确认，仿真系统的可靠性和精度分析与评估，仿真结果的认可和置信水平分析等，涉及面十分广泛。为了使仿真试验顺利进行并获得预期效果，必须把针对某一实际系统的仿真试验切切实实作为一项系统工程来抓。通常系统仿真试验是为特定目的而设计的，是为仿真用户服务的，因此，复杂的系统仿真试验需要仿真工作者与仿真用户共同参与，从这个意义上讲，仿真试验过程包括这样几个工作阶段： ‘ (1)建模阶段。在这一阶段中，通常是先分块建立子系统的模型。若为数学模型则需要进行模型变换，即把数学模型变为可以在计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验；若为物理模型，它需在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。 (2)模型实验阶段。在这一阶段中，首先要根据实验目的制定实验计划和实验大纲，在计划和大纲的指导下，设计一个好的，选定待测量变量和相应的测量点，以及适当的测量仪表。之后转入模型运行，即进行仿真实验并记录结果。 (3)结果分析阶段。结果分析在仿真过程中占有重要地位。在这一阶段中需要对实4 单家元，孟秀云，丁艳编著.半实物仿真.国防工业出版社,2008.4.