面向二十一世紀-發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)

面向二十一世紀-發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)面向二十一世紀-發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)面向二十一世紀-發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)xxx公司面向二十一世紀-發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度面向二十一世紀，發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)王行仁摘要：介紹了我國仿真技術(shù)的發(fā)展過程及美國科學局為建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)歸納的五個層次的使能技術(shù)。著重探討了模型的校核，驗證與確認，環(huán)境仿真，分布交互仿真和虛擬技術(shù)等關鍵技術(shù)，最后，結(jié)合國外應用仿真技術(shù)要解決的難題和我國目前的實際情況，提出了發(fā)展系統(tǒng)仿真技術(shù)的幾點看法。

關鍵詞：模型校核；建模；驗模；環(huán)境仿真；分布交互方真；虛擬技術(shù)1概述在紀念中國科協(xié)成立40周年大會的主報告中指出：“人類距離新的世紀和新的千年越來越近，新世紀的曙光已經(jīng)在全球顯現(xiàn)，這個曙光就是以空前速度和巨大規(guī)模發(fā)展的世界科學技術(shù)與人類社會對科學技術(shù)需求的結(jié)合和統(tǒng)一。當各國政治家、科學家用信息時代、生命科學世紀、知識經(jīng)濟等名詞來描繪21世紀的根本特征時，無不意味著對科學技術(shù)在未來經(jīng)濟社會發(fā)展和人類文明進步中所處關鍵地位的戰(zhàn)略思考。在自然科學、技術(shù)科學、工程技術(shù)的領域里，各門學科在繼續(xù)向微觀和縱深發(fā)展的同時，也將從宏觀、全局的角度加以綜合；在科學與技術(shù)之間，各門學科及其分支學科之間，相互交叉、滲透、融合將成為發(fā)展的主流，從而使整個自然科學、技術(shù)科學、工程技術(shù)向綜合集成和整體化方向發(fā)展，在認識自然界和人的思維規(guī)律上達到前所未有的高度”。仿真技術(shù)綜合集成了計算機、網(wǎng)絡技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領域的知識。仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應用領域有關的專業(yè)技術(shù)為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。仿真技術(shù)的應用已不僅僅限于產(chǎn)品或系統(tǒng)生產(chǎn)集成后的性能測試試驗，仿真技術(shù)已擴大為可應用于產(chǎn)品型號研制的全過程，包括方案論證、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標論證、設計分析、生產(chǎn)制造、試驗、維護、訓練等各個階段。仿真技術(shù)不僅僅應用于簡單的單個系統(tǒng)，也應用于由多個系統(tǒng)綜合構(gòu)成的復雜系統(tǒng)。我國仿真技術(shù)的研究與應用開展較早，發(fā)展迅速。自50年代開始，在自動控制領域首先采用仿真技術(shù)，面向方程建模和采用模擬計算機的數(shù)學仿真獲得較普遍的應用，同時采用自行研制的三軸模擬轉(zhuǎn)臺的自動飛行控制系統(tǒng)的半實物仿真試驗已開始應用于飛機、導彈的工程型號研制中。60年代，在開展連續(xù)系統(tǒng)仿真的同時，已開始對離散事件系統(tǒng)(例如交通管理、企業(yè)管理)的仿真進行研究。70年代，我國訓練仿真器獲得迅速發(fā)展，我國自行設計的飛行模擬器、艦艇模擬器、火電機組培訓仿真系統(tǒng)、化工過程培訓仿真系統(tǒng)、機車培訓仿真器、坦克模擬器、汽車模擬器等相繼研制成功，并形成一定市場，在操作人員培訓中起了很大作用。80年代，我國建設了一批水平高、規(guī)模大的半實物仿真系統(tǒng)，如射頻制導導彈半實物仿真系統(tǒng)、紅外制導導彈半實物仿真系統(tǒng)、殲擊機工程飛行模擬器、殲擊機半實物仿真系統(tǒng)、驅(qū)逐艦半實物仿真系統(tǒng)等，這些半實物仿真系統(tǒng)在武器型號研制中發(fā)揮了重大作用。90年代，我國開始對分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實等先進仿真技術(shù)及其應用進行研究，開展了較大規(guī)模的復雜系統(tǒng)仿真，由單個武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰(zhàn)環(huán)境下的對抗仿真。對于國外仿真技術(shù)的發(fā)展和應用，本文擬引用九十年代初美國國防科學局(DefenseScienceBoard)對建模與仿真的使能技術(shù)(EnablingTechnologies)(即應能解決實現(xiàn)的技術(shù))作出的歸納，可以作為我們思考問題的參考。美國國防科學局認為建立集成的綜合仿真環(huán)境和仿真系統(tǒng)，應解決實現(xiàn)以下五個層次的使能技術(shù)。第一層次——基礎技術(shù)包括：光纖通訊，集成電路，軟件工程工具，人的行為模型，環(huán)境模型。第二層次——元、部件級技術(shù)包括：內(nèi)存，海量存貯器，顯示器，局域網(wǎng)，微處理器，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)/模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，建模與仿真構(gòu)建工具，測試設備。第三層次——系統(tǒng)級技術(shù)包括：微計算機系統(tǒng)，遠距離通訊/廣域網(wǎng)，人-機界面，計算機圖像生成系統(tǒng)，高性能計算機系統(tǒng)，儀器裝備系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫，協(xié)議/標準/保密。第四層次——應用級技術(shù)包括：制造過程仿真工程設計建模與仿真，含人仿真系統(tǒng)，隨機作戰(zhàn)仿真，半自動兵力。第五層次——集成綜合環(huán)境和建模與仿真工具包括：需求定義，原型機，規(guī)劃，設計與制造，訓練與備戰(zhàn)，測試與評估。上述使能技術(shù)有些由商業(yè)市場解決，有些主要由美國國防部組織解決，如下表所示：商業(yè)驅(qū)動美國國防部驅(qū)動.微計算機系統(tǒng)

.遠距離通訊/廣域網(wǎng)

.人-機界面

.計算機圖像生成系統(tǒng)

.高性能計算系統(tǒng)

.內(nèi)存

.微處理器

.海量存貯器

.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

.顯示器

.A/D/A轉(zhuǎn)換器

.局域網(wǎng)

.光纖通訊

.集成電路

.軟件工程工具.制造過程仿真

.工程設計建模與仿真

.含人仿真器

.隨機作戰(zhàn)仿真

.半自動兵力

.儀器裝備系統(tǒng)

.數(shù)據(jù)庫

.協(xié)議標準

.VVA

.多級保密

.建模與仿真構(gòu)建工具

.測試設備

.人的行為描述模型

.環(huán)境模型

由上表可見，商業(yè)產(chǎn)品將提供大部分的硬件和網(wǎng)絡能力。為滿足軍用仿真需求，美國國防部組織解決實現(xiàn)的技術(shù)如下表所示：第四層次(應用級)

第三層次(系統(tǒng)級)

第二層次(元/部件級)

第一層次(基礎技術(shù))

2仿真技術(shù)發(fā)展和應用中的幾個問題探討

下面對發(fā)展仿真技術(shù)的幾個問題，作一些剖析和探討。

1.建模與驗模

數(shù)學模型是仿真的基礎。對被仿真的對象或系統(tǒng)，應根據(jù)其運動定律、約束條件和物理特性建立數(shù)學模型。數(shù)學模型是客觀世界中客觀事物(包括實體、過程、自然現(xiàn)象)的數(shù)學抽象和數(shù)學描述。數(shù)學模型有定性和定量的，可采用微分方程、代數(shù)方程、邏輯關系式等表達形式來描述連續(xù)系統(tǒng)、離散事件系統(tǒng)或混合系統(tǒng)。數(shù)學模型中含有數(shù)據(jù)(Data)，數(shù)學模型中的數(shù)據(jù)有多種表示形式，例如飛機的飛行速度可以用具體數(shù)值表示(如：V=200米/秒)，可以用定性的模糊表示(如：快、中等速度、慢)，可以用數(shù)值表格表示(如：飛行速度隨發(fā)動機推力變化的數(shù)據(jù)表格)，還可以用單變量或多變量函數(shù)表示(如：(V=f(x1,x2,…))。圖1數(shù)據(jù)的表示形式數(shù)學模型的正確與否和精確度直接影響到仿真的置信度(Fidelity)。驗模過程是對模型的評估過程，有時統(tǒng)稱為VVA，它們的含義如下：校核(Verification)——對模型是否正確符合設計要求、算法、內(nèi)部關系和其它技術(shù)說明的一種確定過程。驗證(Validation)——根據(jù)模型預期的使用目的，對模型是否精確表示了真實世界中客觀事物的一種確定過程。確認(Accreditation)——由管理部門根據(jù)專家評審和經(jīng)驗，證明模型在特定的應用領域使用是可接受的一種過程。可見，數(shù)學模型的建立必須針對特定的應用領域和預期的使用目的。同一客觀事物的描述可以建立不同形式和不同精度的數(shù)學模型。模型和仿真的評估過程的一般形式如下圖所示。圖2模型和仿真的評估過程2.仿真系統(tǒng)的分類經(jīng)常見到不同的仿真系統(tǒng)名稱，從不同的角度可以有不同的分類名稱。按被仿真對象的性質(zhì)劃分，可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散事件系統(tǒng)仿真、混合系統(tǒng)仿真；按仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)手段不同可分為數(shù)學仿真、硬件在回路仿真(半實物仿真)、人在回路仿真、軟件在回路仿真；按仿真應用可分為訓練仿真和工程仿真；根據(jù)虛實結(jié)合的程序又可分為構(gòu)造仿真、虛擬仿真、實況仿真。還可以有其他一些分類方法。其間相對的關系如下表。構(gòu)造仿真數(shù)學仿真連續(xù)系統(tǒng)仿真離散事件系統(tǒng)仿真訓練仿真工程仿真虛擬仿真硬件在回路仿真人在回路仿真軟件在回路仿真實況仿真硬件(包括對象)在回路仿真人在回路仿真軟件在回路仿真

3.環(huán)境仿真我們都熟悉產(chǎn)品要經(jīng)過高/低溫、振動、濕度等環(huán)境試驗，測試在特定環(huán)境下的產(chǎn)品性能。但是仿真系統(tǒng)所要解決的環(huán)境仿真有其不同的內(nèi)容和含義。在半實物仿真系統(tǒng)中，應解決各種探測器、傳感器的探測、測量環(huán)境的仿真生成技術(shù)(圖3)，其中包括模擬姿態(tài)運動的三軸轉(zhuǎn)臺，導引頭所需要的目標模擬器，模擬氣壓變化的動/靜壓模擬器等。圖3半實物仿真系統(tǒng)人在回路仿真系統(tǒng)，要著重解決人的感覺環(huán)境的仿真生成技術(shù)，其中包括視覺、聽覺、動感、力反饋等仿真環(huán)境(圖4)。圖4人在回路仿真系統(tǒng)對于多武器平臺對抗仿真系統(tǒng)，戰(zhàn)場環(huán)境的綜合仿真更為復雜，它包括地形地貌、海洋、氣象條件、大氣、電磁干擾等環(huán)境的仿真，這種環(huán)境的變化將對能量的傳播、圖像的成形、武器系統(tǒng)的性能、武器平臺的性能、傳感器/探測器的性能、指戰(zhàn)員的決策和行動等產(chǎn)生影響。綜合仿真環(huán)境的內(nèi)容如圖5所示。圖5綜合仿真環(huán)境環(huán)境仿真應解決兩方面的問題：

(1)環(huán)境仿真模型的建立——環(huán)境仿真可以用數(shù)值或參數(shù)模型來描述，也可以是專門設計的數(shù)據(jù)庫。

一般情況下，環(huán)境模型是不變的，其數(shù)值，或參數(shù)，或數(shù)據(jù)庫是預先計算好的。隨著實體所在位置的變化，或視點和聽點的變化，所感受到的環(huán)境是不同的，但環(huán)境模型的數(shù)值、參數(shù)或數(shù)據(jù)庫是固定不變的。有些情況下，例如虛擬戰(zhàn)場中的橋梁和建筑物的被毀壞，油田中彈后燃燒形成的濃煙等等，固定的環(huán)境模型就不適用了，可以采用動態(tài)數(shù)據(jù)庫或動態(tài)過程的描述模型來解決。

武器平臺對抗仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)將采用多節(jié)點聯(lián)網(wǎng)的方式，在目前，環(huán)境信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)蕉鄠€節(jié)點是不現(xiàn)實的，因此環(huán)境仿真模型不能僅僅放在一個節(jié)點上，而必須將相同的環(huán)境仿真模型分布地放在各個節(jié)點上，各個節(jié)點上的實體狀態(tài)、視點聽點位置不盡相同，在多個節(jié)點表現(xiàn)出的環(huán)境應有所不同(但總體上是一個時空一致性的仿真環(huán)境。)

仿真環(huán)境的表現(xiàn)形式有以下幾種：

.單點/單時——仿真環(huán)境固定不變

.多點/時序——仿真環(huán)境隨時序改變

.動態(tài)變化——仿真環(huán)境動態(tài)改變

環(huán)境仿真模型的建立是相當復雜的。它與實體仿真模型一樣，要求有一定的置信度。以大氣環(huán)境仿真為例，其置信度取決于以下因素：

.時間分辯率(分、秒)

.空間分辯率(米、千米)

(2)環(huán)境效應——環(huán)境的變化應對仿真過程和仿真系統(tǒng)中的某些部分產(chǎn)生影響。環(huán)境與實體之間的作用是交互的。實體對環(huán)境有影響，例如飛機、導彈對機場、橋梁、建筑物的攻擊毀壞，推土機挖土后對地形的改變等等。環(huán)境對實體同樣有影響，例如煙霧將影響能見度和激光波束的衰減，氣流將改變飛行器的航跡等等。環(huán)境效應是指環(huán)境產(chǎn)生的影響，它分以下幾種情況：

.對能量傳播、圖像傳播的影響

.對武器系統(tǒng)性能、武器平臺性能、傳感器、探測器性能的影響

.對環(huán)境中其它部分的影響，例如對道路的交通流通量的影響，對地形的影響

.對作戰(zhàn)人員、操作人員的影響

4.分布交互仿真

1983年美國國防部的國防高級研究計劃局(DARPA)啟動了SIMNET(SimulatorNetworking)計劃，開始了分布交互仿真技術(shù)的研究和應用，當時，主要應用于任務演練、訓練、武器評估等軍事領域。如今，分布交互仿真技術(shù)已應用于交通運輸、醫(yī)療、娛樂、互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)、制造業(yè)等其他領域。

在SIMNET計劃之前，已經(jīng)有許多類型的訓練仿真器，用于訓練飛行員、駕駛員、操作員、射擊手等的技能，這些訓練仿真器性能很好、逼真度高，但造價也很昂貴，而且只能用于單人、單兵訓練，解決人-機之間的關系。這些仿真器根據(jù)其性能高低，每臺價格在100萬美元至5000萬美元之間。以一臺1000萬美元的仿真器為例，若按10年運動、每年工作200天，每天工作8小時計算，則每小時的成本將是625美元(其中還沒有計算運行費用和維修費用)。而SIMNET網(wǎng)絡上的一臺仿真器，每訓練1小時僅需成本美元。聯(lián)網(wǎng)仿真的SIMNET更能訓練多兵、團組的協(xié)同作戰(zhàn)，不僅解決人-機之間的關系，更要解決人-人之間的協(xié)同關系。聯(lián)網(wǎng)仿真演練比起實戰(zhàn)演習來，其成本低、損傷少、安全保密、演練次數(shù)增加、演練方案多變、準備時間短。分布交互仿真(DIS，DistributedInteractiveSimulation)是“采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構(gòu)、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，通過局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)將分散在各地的仿真設備互聯(lián)交互作用，并可人參與交互作用的一種綜合環(huán)境?！狈植冀换シ抡媸欠抡嫫髀?lián)網(wǎng)的發(fā)展。分布交互仿真以網(wǎng)絡為基礎。通過聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散在各地的人在回路仿真器、計算機生成兵力以及其他仿真設備聯(lián)接為一個整體，形成一個在時間和空間上一致的綜合環(huán)境，實現(xiàn)平臺(飛機、導彈、艦艇、坦克)與環(huán)境(地形、大氣、海洋)之間、平臺與平臺之間、環(huán)境與環(huán)境之間的交互作用和相互影響，在DIS的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通訊等方面IEEE已提出一系列標準：IEEE1278-1PDUStandardIEEE1278-2CommunicationsServicesIEEE1278-3ExerciseManagementandFeedbackIEEE1278-4Verification,ValidationandAccreditationIEEE1278-5FidelityTaxonomyforUsewithDIS按DIS標準構(gòu)成的仿真系統(tǒng)用于平臺級實時連續(xù)系統(tǒng)的描述，聚合級仿真協(xié)議ALSP(AggregateLevelSimulationProtocol)用于分布的聚合級以離散事件為主的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)，它實質(zhì)上是“構(gòu)造仿真”(Constructivesimulation)。構(gòu)造仿真的時間管理不同于DIS系統(tǒng)，它可采用時間步長、事件驅(qū)動等方法，它不一定與實時鐘直接聯(lián)系，它只要保證聚合級仿真系統(tǒng)中時間對所有仿真應用是一致的，而且保證事件的因果關系正確。在DIS和ALSP的基礎上，發(fā)展了新的分布交互仿真體系結(jié)構(gòu)HLA(HighLevelArchitecture)，它能提供更大規(guī)模的、將構(gòu)造仿真/虛擬仿真/實況仿真集成在一起的綜合環(huán)境，實現(xiàn)各類仿真系統(tǒng)間的互操作、動態(tài)管理一點對多點的通訊、系統(tǒng)和部件的重用、以及建立不同層次和不同粒度的對象模型。DIS、ALSP和HLA的比較如下頁表：DISALSPHLA平臺級建模(以連續(xù)系統(tǒng)為主)聚合級建模(以離散事件為主)包括平臺級建模與聚合級建模虛擬仿真/實況仿真構(gòu)造仿真構(gòu)造仿真/虛擬仿真/實況仿真廣播式通訊/點對點通訊廣播式通訊一點對多點通訊數(shù)據(jù)通訊PDU規(guī)范(IEEE1278-1)規(guī)定聯(lián)合體(confederation)的數(shù)據(jù)交換，在接口控制文件中說明，但沒有標準格式在SOM和FOM中定義數(shù)據(jù)通訊格式網(wǎng)絡接口按IEEE1278-2標準由AIS(ALSPInfrastructureSoftware)提供網(wǎng)絡接口由RTI(Run-TimeInfrastructure)提供網(wǎng)絡接口實時仿真守恒的時間管理模式多種時間的管理服務

5.虛擬技術(shù)宇宙間客觀事物繁雜多樣，有的是自然形成客觀存在的，例如天體、地理環(huán)境、氣象等等，有的是人工創(chuàng)造的實體，例如飛行器、工業(yè)過程、電力系統(tǒng)、武器平臺等等。人工創(chuàng)造的實體在自然環(huán)境中，人們可以根據(jù)環(huán)境條件和實體狀態(tài)作出決策對實體進行操縱、控制和管理，以達到規(guī)定的任務要求和技術(shù)指標要求?？陀^世界包含著自然環(huán)境、人造實體和人，以及它們之間的符合客觀規(guī)律的相互影響、約束和交互作用的關系。

自七十年代以來，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、信息處理技術(shù)等的飛速發(fā)展，使人們思考通過建模與仿真的方法，在計算機系統(tǒng)中描述和建立客觀世界中的客觀事物以及它們之間的關系。

八十年代初正式提出了“virtualreality”(虛擬現(xiàn)實)一詞。虛擬現(xiàn)實是一種由計算機全部或部分生成的多維感覺環(huán)境，給參與者產(chǎn)生各種感官信息，如視覺、聽覺、觸覺等，使參與者有身臨其境的感覺，能體驗、接受和認識客觀世界中的客觀事物。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有以下部分構(gòu)成：

.高性能計算機系統(tǒng)

.三維視覺圖像生成和立體顯示系統(tǒng)

.立體音響生成與揚聲系統(tǒng)

.力反饋觸覺系統(tǒng)

.人體姿態(tài)、頭、手的位置測量跟蹤系統(tǒng)上述的典型設備有頭盔式跟蹤顯示器、數(shù)據(jù)手套等。虛擬實現(xiàn)系統(tǒng)具有沉浸-交互-構(gòu)想(immersion,Interaction,Imagination)三個基本特征。以虛現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境，特別強調(diào)人參與其中的身臨其境的沉浸感，同時人與虛擬環(huán)境之間可以進行多維信息的交互作用，參與者從定性和定量綜合集成的虛擬環(huán)境中可以獲得對客觀世界中客觀事物的感性和理性的認識，從而深化概念和建造新的構(gòu)想和創(chuàng)意。近年來，在許多應用場合，并不特別強調(diào)虛擬環(huán)境中的沉浸感，使“虛擬”(virtual)概念和技術(shù)獲得更廣泛的應用。虛擬技術(shù)(virtualtechnology)是客觀世界的客觀事物在計算機上的本制質(zhì)實現(xiàn)。具體點講，客觀事物包括人、物、環(huán)境以及它們之間的關系。例如，人的決策行為和響應特性，物體的幾何形狀與物理特性(動力學、反射特性、聲學特性、光照模型、物理約束)以及地形地貌、氣象條件、背影干擾等環(huán)境。虛擬技術(shù)的核心是建模與仿真。通過建立數(shù)學模型對人、物、環(huán)境及其相互關系進行本質(zhì)的描述，在計算機上實現(xiàn)。虛擬技術(shù)有著廣泛的用途。傳統(tǒng)上，新形號、新產(chǎn)品的研制，都要先制造出幾臺樣機，進行性能試驗或試飛，周期長、耗資大。采用虛擬樣機的概念，可以在計算機上進行設計、性能測試與檢驗。傳統(tǒng)上，部隊的訓練依靠實彈演習和打靶，一枚炮彈幾十萬，一枚導彈上千萬，非常昂貴，采用虛擬戰(zhàn)場的概念，可以將分布在各地的部隊通過聯(lián)網(wǎng)仿真，構(gòu)成同一時間同一地點的多武器作戰(zhàn)環(huán)境，在這種虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中可以訓練部隊。虛擬制造通過計算機虛擬模型對產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)程、加工制造、裝配、調(diào)試，以及生產(chǎn)過程的管理等進行仿真。采用虛擬技術(shù)還可以構(gòu)成“虛擬工廠”、“虛擬企業(yè)”、“虛擬商業(yè)網(wǎng)”等等。虛擬技術(shù)具有良好的可控制、可多次重復、安全、經(jīng)濟、節(jié)能降污、不受外界環(huán)境限制等突出優(yōu)點。采用虛擬技術(shù)建立的系統(tǒng)，其虛擬程度可以有所不同，有虛有實，虛實結(jié)合。虛擬系統(tǒng)，人直接參與其中是一大特征，因此，要求虛擬系統(tǒng)具有良好的人-機界面。人的參與分兩種情況：一種是人根據(jù)虛擬環(huán)境要作出實時的操縱和控制決策響應的，一種是人對虛擬系統(tǒng)仿真結(jié)果進行觀察分析和調(diào)試修改的。虛擬技術(shù)的應用廣泛，下面討論幾種典型應用：(1)飛行模擬器現(xiàn)代飛機具有高性能的動力裝置、精確的導航系統(tǒng)、可靠的自動飛行和自動著陸系統(tǒng)及復雜的航空電子系統(tǒng)。飛行員應具備精湛的駕駛技術(shù)，但在真實飛機上訓練飛行員的駕駛技術(shù)，耗資太大，且受到空域和場地的限制，有些特殊情況(如發(fā)動機停車、大迎角失速)危險性大，難于在真實飛機上實現(xiàn)。因此，通過飛行模擬器是訓練飛行員的一條可行、有效途徑。飛行模擬器由仿真計算機、視景系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、操縱負載系統(tǒng)、音響系統(tǒng)和模擬座艙組成。仿真計算機解算描述飛行動力學和機載系統(tǒng)特性的數(shù)學模型。視景系統(tǒng)利用計算機圖像實時生成技術(shù)，產(chǎn)生座艙外的景象，包括機場與跑道、燈光、建筑物、田野、河流、道路、地形地貌等，視景系統(tǒng)應模擬能見度、云、霧、雨、雪等氣象條件，以及白天、黃昏、夜間的景象，視景系統(tǒng)使飛行員有身臨其境的感覺。運動系統(tǒng)給飛行員提供加速、過載等感覺。音響系統(tǒng)模擬發(fā)動機噪聲、氣流噪聲等音響效果。模擬座艙具有與真飛機座艙一樣的布局，其中儀表顯示系統(tǒng)實時顯示飛機的各種飛行參數(shù)和機載系統(tǒng)的運行狀態(tài)。飛行員在模擬座艙內(nèi)根據(jù)窗外景象信息、艙內(nèi)儀表顯示信息等作出決策，通過駕駛桿、舵對飛機進行操縱，操縱量經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸入仿真計算機，解算飛行動力學數(shù)學模型，獲得相應的飛行高度、飛行速度、飛機姿態(tài)等飛行參數(shù)，更新窗外視景和儀表顯示。(2)虛擬戰(zhàn)場各個國家在傳統(tǒng)上習慣于通過舉行實戰(zhàn)演習來訓練軍事人員和士兵，但是這種實戰(zhàn)演練，特別是大規(guī)模的軍事演習，將耗費大量資金和軍用物資，安全性保密性差。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，加上各國政府軍費的裁減，使得軍事演習在概念上和方法上有了一個新的飛躍，即通過建立虛擬戰(zhàn)場環(huán)境來訓練軍事人員，同時通過虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以檢驗和評估武器系統(tǒng)的性能。在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，參與者可以看到在地面行進的坦克和裝甲車，在空中飛行的直升機、殲擊機和導彈，在水面游弋的艦艇；可以看到坦克前進時后面場起的塵土和被擊中坦克的燃燒濃煙；可以聽到飛機或坦克的隆隆聲由遠而近，從聲音辨別目標的來向和速度。從人員訓練的角度來看，需要由單個人員的訓練發(fā)展為團組的群體訓練；從武器系統(tǒng)的研制角度來看，需要由單個武器平臺的性能仿真發(fā)展為多武器平臺在作戰(zhàn)環(huán)境下的體系對抗仿真。這種多武器平臺的綜合仿真環(huán)境只有通過聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)。在虛擬戰(zhàn)場環(huán)境中，武器平臺(坦克、裝甲車、殲擊機、直升機、異彈等)分別屬于紅、蘭交戰(zhàn)雙方。這些武器平臺由仿真器實現(xiàn)，它們可以分布在不同地區(qū)，通過廣域網(wǎng)聯(lián)接進行數(shù)據(jù)通訊。雖然武器平臺不在同一地區(qū)，距離相隔很遠，但虛擬戰(zhàn)場環(huán)境描述的是在同一個空間、同一個地域和同一個時間。武器平臺仿真器有兩種形式，其一是人在回路中的仿真系統(tǒng)，如坦克模擬器、飛行模擬器，人參與其中；一種武器平臺仿真器是計算機生成兵力(CGF，ComputerGeneratedForces)，它由仿真數(shù)學模型和軟件實現(xiàn)，是虛擬的人(人工智能決策)操作虛擬的武器平臺。(3)虛擬樣機按照型號和產(chǎn)品傳統(tǒng)的設計方法，為獲得較好的設計方案，在定型生產(chǎn)之前，必須制造物理樣機，通過對物理樣機的試驗測試，對原設計方案修改和確定。這種傳統(tǒng)的設計方法費時費錢。虛擬樣機是一種基于仿真的設計(simulation-baseddesign)，包括幾何外形、傳動和聯(lián)接關系、物理特性和動力學特性的建模與仿真。

采用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)的新型飛機電子座艙，使設計周期從二年半縮短為二個半月。美國波音777飛機采用了虛擬技術(shù)獲得了無圖紙設計和生產(chǎn)的成功，是近年來引起科技界、企業(yè)界矚目的一次重大突破，SGI計算機系統(tǒng)使波音公司成功地建創(chuàng)了波音777飛機的虛擬樣機，使設計師、工程師們能穿行于這個虛擬飛機中，審視飛機的各項設計。波音777飛機由300萬個零件組成，計算機系統(tǒng)能夠調(diào)出其中任何一個零件，進行修改設計。

采用虛擬技術(shù)建立的虛擬樣機，易于改變和優(yōu)化設計方案，使產(chǎn)品設計滿足高質(zhì)量、低成本、周期短的要求，提高產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度和市場的競爭力。

虛擬樣機技術(shù)將對產(chǎn)品的傳統(tǒng)設計方法產(chǎn)生變革。

在新武器系統(tǒng)研制開始之前，可利用分布交互仿真技術(shù)進行概念研究，對新的武器系統(tǒng)提出科學的作戰(zhàn)需求。在新武器系統(tǒng)研制的方案論證和設計階段，可利用分布交互仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)，建立虛擬樣機和虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，進行先期技術(shù)驗證，檢驗武器系統(tǒng)的設計方案和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標。分布交互仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)將是21世紀武器系統(tǒng)研制和軍隊建設的重要手段。

(4)虛擬制造

八十年代初，先進制造技術(shù)出現(xiàn)以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)CIMS。九十年代，先進制造技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)虛擬制造、虛擬企業(yè)等新概念和新系統(tǒng)。虛擬制造引起了人們的廣泛關注，許多國家都著力于虛擬制造的研究和應用。

虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機仿真與虛擬技術(shù)，通過仿真模型，在計算機上仿真生產(chǎn)全過程，實現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)程、加工制造、裝配和調(diào)試，預估產(chǎn)品的功能、性能和可加工性等方面可能存在的問題。

如果將實際制造系統(tǒng)抽象成實際物理系統(tǒng)(如機床、工夾具、機器人、加工件等)、實際信息系統(tǒng)(如計算、調(diào)度、管理、數(shù)據(jù)、報表)和實際控制系統(tǒng)(如各種控制器、控制計算機)組成，則虛擬制造系統(tǒng)應由虛擬物理系統(tǒng)、虛擬信息系統(tǒng)和虛擬