計(jì)算機(jī)仿真關(guān)于面向?qū)ο蠼７椒ǖ难芯?/h1>
2014-12-31 00:00:00張璐璐
電子世界 2014年10期
【摘要】本文描述了計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)和建模方法。提出了一種新的面向?qū)ο蠼７椒ā?/p>
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)仿真； 建模；面向?qū)ο?/p>
1.引言
計(jì)算機(jī)仿真是利用一個(gè)模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)所發(fā)生的運(yùn)動過程并進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)。工程上的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，社會經(jīng)濟(jì)中的一種規(guī)劃，都可以通過仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證方案或規(guī)劃能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。如果達(dá)不到目標(biāo)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，修改方案或規(guī)劃。這樣既省時(shí)又安全。例如在飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，從方案論證開始，到元部件選擇、系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)生產(chǎn)各個(gè)階段，都可以應(yīng)用仿真技術(shù)通過仿真試驗(yàn)達(dá)到以下目的。
2.計(jì)算機(jī)仿真過程
計(jì)算機(jī)仿真是在計(jì)算機(jī)上建立仿真模型，模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化過程。通過對仿真試驗(yàn)過程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。由此看出，計(jì)算機(jī)仿真是一種有效的試驗(yàn)手段，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種計(jì)算機(jī)試驗(yàn)環(huán)境，使系統(tǒng)的性能和長期的動態(tài)特性能在極短的時(shí)間內(nèi)由計(jì)算機(jī)得到全面的實(shí)現(xiàn)。
利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真一般需要經(jīng)過下列各個(gè)階段：
（l）確定對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的目的和基本要求，即弄清楚仿真所要解決的間題，并給出明確的說明。
（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將被仿真的系統(tǒng)表示成微分方程組，差分方程組，傳遞函數(shù)，結(jié)構(gòu)圖，信號流圖或其它的數(shù)學(xué)表示式。這一過程稱為一次建模過程，它是數(shù)學(xué)仿真的重要依據(jù)。
（3）將原始的數(shù)學(xué)模型通過一定的方式變換成能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，即仿真模型。通常把仿真模型稱作二次化模型，它通常是離散系統(tǒng)方框圖或差分方程（離散方程）的形式。
（4）編制仿真模型的程序并進(jìn)行調(diào)試。
（5）仿真模型的校驗(yàn)和確認(rèn)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真模型校驗(yàn)是指仿真模型與數(shù)學(xué)或物理模型的一致性檢驗(yàn)，而仿真模型的確認(rèn)是指仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)一致性的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)它是否真實(shí)地反映了實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程的特性。
3.面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點(diǎn)
面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法基于Parnas的信息隱藏和Cuttag的抽象數(shù)據(jù)類型等思想和概念，它追求問題求解空間和問題空間的直接模擬。一個(gè)問題由一些事物組成，這些事物之間必然會有聯(lián)系，為了描述不同的事物及其聯(lián)系，引入如下概念。
（1）對象
在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，對象是基本的運(yùn)行時(shí)實(shí)體，既包括數(shù)據(jù)（屬性），又包括作用于數(shù)據(jù)的的操作（行為），所以一個(gè)對象把屬性和行為密封成一個(gè)整體。
（2）類
一個(gè)類定義了一組大體上相似的對象。一個(gè)類所包含的方法和數(shù)據(jù)描述一組對象的共同行為和屬性。
（3）消息
對象之間進(jìn)行通信的一種構(gòu)造叫消息。
（4）繼承
不同層次類之間共享數(shù)據(jù)和操作的機(jī)制叫繼承。一切事物以對象為唯一模型，對象間除了互相傳送消息外，沒有別的聯(lián)系。開發(fā)任何面向?qū)ο笙到y(tǒng)的第一步必須決定可用來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的類的集合。構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的類，以及這些類之間的相互作用成了一個(gè)面向?qū)ο笙到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。面向?qū)ο蟮拈_發(fā)通常含下面幾步：標(biāo)識系統(tǒng)中的對象及對象類（即類）；抽取每個(gè)對象的行為特征；確定對象之間的關(guān)系；類的實(shí)現(xiàn)。面向?qū)ο蠓椒ǜ鶕?jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的表現(xiàn)，通過上述過程，將問題空間同態(tài)映射到解空間，獲得系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
4.面向?qū)ο蟮姆抡娼＿^程
在確定了仿真的目的，即想通過仿真所獲取的系統(tǒng)性能指標(biāo)后，需要作的工作就是對系統(tǒng)狀態(tài)及輸入、輸出進(jìn)行描述，從而形成仿真模型。一般情況下，可按下面4個(gè)方面對系統(tǒng)進(jìn)行描述：
4.1 系統(tǒng)的組成部分
系統(tǒng)的組成部分是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體，應(yīng)該首先概括說明各組成成分及其與真實(shí)系統(tǒng)相應(yīng)部分的對應(yīng)關(guān)系。
4.2 描述變量
描述變量是系統(tǒng)各實(shí)體的屬性，包括取值范圍、符號及其作用。
4.3 參數(shù)
參數(shù)也是系統(tǒng)屬性，不過這種屬性不隨仿真的進(jìn)行而發(fā)生變化。還應(yīng)說明其取值范圍、符號及其作用。
4.4 相互關(guān)系
相互關(guān)系規(guī)定各不同變量值間是如何相互關(guān)聯(lián)的，用數(shù)學(xué)或邏輯語言表示出相互作用關(guān)系。由上可知，仿真建模的一般過程與面向?qū)ο笏枷胧禽^為吻合的，探討面向?qū)ο蟮姆抡娼Ｓ衅湔J(rèn)識論依據(jù)。系統(tǒng)的組成成分可由類，對象描述，描述變量和參數(shù)對應(yīng)數(shù)據(jù)（屬性），可由操作實(shí)現(xiàn)成分內(nèi)的變量關(guān)系，由消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)各成分之間的關(guān)系。上面定義一個(gè)Simulation Object類作為所有有關(guān)仿真描述的基本類，由此可獲得其變種，派生出子類，進(jìn)而構(gòu)造仿真模型框架。將面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（其實(shí)可從更為廣泛的“面向?qū)ο蠹夹g(shù)”這個(gè)意義上進(jìn)行討論——拙按）的思維活動本身就看作一種建?；顒印Ｔ诒荒M的系統(tǒng)中，現(xiàn)象（它們被感知成表象這樣的感性具體）和概念都是重要的，通過建?；顒印成?，在模型系統(tǒng)里，通過建?；顒印成?，在模型系統(tǒng)里，從被模擬的系統(tǒng)中，找到用來模擬表象（針對問題的）概念的元素。也就是“感性具體”建模成“對象”的活動。對面向?qū)ο蟮慕Ｗ髁溯^為全面、深入的討論。該文從3個(gè)不同的但又相關(guān)的角度（對象建模、動態(tài)建模和功能鍵模）討論系統(tǒng)建模，這三個(gè)角度各自從不同的角度抓住了系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，全面地反映了系統(tǒng)的要求。對象模型表示了靜態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)”性質(zhì)，動態(tài)模型表示了瞬時(shí)的、行為化的系統(tǒng)的“控制”性質(zhì)；功能模型表示了變化的系統(tǒng)的“功能”性質(zhì)。各模型之間的實(shí)體可相互聯(lián)系。但是，盡管該文作者指出面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種有普遍意義的方法學(xué)，其討論的中心仍限于軟件開發(fā)的生命周期中，側(cè)重點(diǎn)在軟件功能范疇內(nèi)。
5.結(jié)論
計(jì)算機(jī)仿真與面向?qū)ο蠹夹g(shù)均尋求問題求解空間針對問題空間的一種模擬與直接映射，它們的本質(zhì)是一致的。計(jì)算機(jī)仿真直接針對現(xiàn)實(shí)世界的某一具體系統(tǒng)建模，而面向?qū)ο蠹夹g(shù)則提供了一種良好的建模方式，將它們結(jié)合起來，無疑是有益的。這種方法描述方便，結(jié)構(gòu)清晰。但是面向?qū)ο蠓椒ㄔ趩栴}空間很復(fù)雜時(shí)，難以尋找合適的對象。要完善這種方法，尚需做很多工作，包括它們之間深層的思維科學(xué)關(guān)系，形式化描述，等等。
參考文獻(xiàn)
[1]王惠剛.計(jì)算機(jī)仿真原理及應(yīng)用，國防科技大學(xué)出版社，1994，10：6-7，256-258.
[2]蔡希堯等.面向?qū)ο蠹夹g(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1993，10：3.
[3]江明德等.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思維科學(xué)基礎(chǔ)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1992，13（5）.
【摘要】本文描述了計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)和建模方法。提出了一種新的面向?qū)ο蠼７椒ā?/p>
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)仿真； 建模；面向?qū)ο?/p>
1.引言
計(jì)算機(jī)仿真是利用一個(gè)模型來模仿實(shí)際系統(tǒng)所發(fā)生的運(yùn)動過程并進(jìn)行試驗(yàn)的技術(shù)。工程上的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，社會經(jīng)濟(jì)中的一種規(guī)劃，都可以通過仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證方案或規(guī)劃能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。如果達(dá)不到目標(biāo)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，修改方案或規(guī)劃。這樣既省時(shí)又安全。例如在飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，從方案論證開始，到元部件選擇、系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)生產(chǎn)各個(gè)階段，都可以應(yīng)用仿真技術(shù)通過仿真試驗(yàn)達(dá)到以下目的。
2.計(jì)算機(jī)仿真過程
計(jì)算機(jī)仿真是在計(jì)算機(jī)上建立仿真模型，模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化過程。通過對仿真試驗(yàn)過程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特性，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。由此看出，計(jì)算機(jī)仿真是一種有效的試驗(yàn)手段，它為一些復(fù)雜系統(tǒng)創(chuàng)造了一種計(jì)算機(jī)試驗(yàn)環(huán)境，使系統(tǒng)的性能和長期的動態(tài)特性能在極短的時(shí)間內(nèi)由計(jì)算機(jī)得到全面的實(shí)現(xiàn)。
利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真一般需要經(jīng)過下列各個(gè)階段：
（l）確定對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的目的和基本要求，即弄清楚仿真所要解決的間題，并給出明確的說明。
（2）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將被仿真的系統(tǒng)表示成微分方程組，差分方程組，傳遞函數(shù)，結(jié)構(gòu)圖，信號流圖或其它的數(shù)學(xué)表示式。這一過程稱為一次建模過程，它是數(shù)學(xué)仿真的重要依據(jù)。
（3）將原始的數(shù)學(xué)模型通過一定的方式變換成能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，即仿真模型。通常把仿真模型稱作二次化模型，它通常是離散系統(tǒng)方框圖或差分方程（離散方程）的形式。
（4）編制仿真模型的程序并進(jìn)行調(diào)試。
（5）仿真模型的校驗(yàn)和確認(rèn)，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真模型校驗(yàn)是指仿真模型與數(shù)學(xué)或物理模型的一致性檢驗(yàn)，而仿真模型的確認(rèn)是指仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)一致性的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)它是否真實(shí)地反映了實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程的特性。
3.面向?qū)ο蠹夹g(shù)的特點(diǎn)
面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法基于Parnas的信息隱藏和Cuttag的抽象數(shù)據(jù)類型等思想和概念，它追求問題求解空間和問題空間的直接模擬。一個(gè)問題由一些事物組成，這些事物之間必然會有聯(lián)系，為了描述不同的事物及其聯(lián)系，引入如下概念。
（1）對象
在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中，對象是基本的運(yùn)行時(shí)實(shí)體，既包括數(shù)據(jù)（屬性），又包括作用于數(shù)據(jù)的的操作（行為），所以一個(gè)對象把屬性和行為密封成一個(gè)整體。
（2）類
一個(gè)類定義了一組大體上相似的對象。一個(gè)類所包含的方法和數(shù)據(jù)描述一組對象的共同行為和屬性。
（3）消息
對象之間進(jìn)行通信的一種構(gòu)造叫消息。
（4）繼承
不同層次類之間共享數(shù)據(jù)和操作的機(jī)制叫繼承。一切事物以對象為唯一模型，對象間除了互相傳送消息外，沒有別的聯(lián)系。開發(fā)任何面向?qū)ο笙到y(tǒng)的第一步必須決定可用來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的類的集合。構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)的類，以及這些類之間的相互作用成了一個(gè)面向?qū)ο笙到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。面向?qū)ο蟮拈_發(fā)通常含下面幾步：標(biāo)識系統(tǒng)中的對象及對象類（即類）；抽取每個(gè)對象的行為特征；確定對象之間的關(guān)系；類的實(shí)現(xiàn)。面向?qū)ο蠓椒ǜ鶕?jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的表現(xiàn)，通過上述過程，將問題空間同態(tài)映射到解空間，獲得系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
4.面向?qū)ο蟮姆抡娼＿^程
在確定了仿真的目的，即想通過仿真所獲取的系統(tǒng)性能指標(biāo)后，需要作的工作就是對系統(tǒng)狀態(tài)及輸入、輸出進(jìn)行描述，從而形成仿真模型。一般情況下，可按下面4個(gè)方面對系統(tǒng)進(jìn)行描述：
4.1 系統(tǒng)的組成部分
系統(tǒng)的組成部分是構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)體，應(yīng)該首先概括說明各組成成分及其與真實(shí)系統(tǒng)相應(yīng)部分的對應(yīng)關(guān)系。
4.2 描述變量
描述變量是系統(tǒng)各實(shí)體的屬性，包括取值范圍、符號及其作用。
4.3 參數(shù)
參數(shù)也是系統(tǒng)屬性，不過這種屬性不隨仿真的進(jìn)行而發(fā)生變化。還應(yīng)說明其取值范圍、符號及其作用。
4.4 相互關(guān)系
相互關(guān)系規(guī)定各不同變量值間是如何相互關(guān)聯(lián)的，用數(shù)學(xué)或邏輯語言表示出相互作用關(guān)系。由上可知，仿真建模的一般過程與面向?qū)ο笏枷胧禽^為吻合的，探討面向?qū)ο蟮姆抡娼Ｓ衅湔J(rèn)識論依據(jù)。系統(tǒng)的組成成分可由類，對象描述，描述變量和參數(shù)對應(yīng)數(shù)據(jù)（屬性），可由操作實(shí)現(xiàn)成分內(nèi)的變量關(guān)系，由消息傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)各成分之間的關(guān)系。上面定義一個(gè)Simulation Object類作為所有有關(guān)仿真描述的基本類，由此可獲得其變種，派生出子類，進(jìn)而構(gòu)造仿真模型框架。將面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（其實(shí)可從更為廣泛的“面向?qū)ο蠹夹g(shù)”這個(gè)意義上進(jìn)行討論——拙按）的思維活動本身就看作一種建?；顒印Ｔ诒荒M的系統(tǒng)中，現(xiàn)象（它們被感知成表象這樣的感性具體）和概念都是重要的，通過建?；顒印成?，在模型系統(tǒng)里，通過建?；顒印成?，在模型系統(tǒng)里，從被模擬的系統(tǒng)中，找到用來模擬表象（針對問題的）概念的元素。也就是“感性具體”建模成“對象”的活動。對面向?qū)ο蟮慕Ｗ髁溯^為全面、深入的討論。該文從3個(gè)不同的但又相關(guān)的角度（對象建模、動態(tài)建模和功能鍵模）討論系統(tǒng)建模，這三個(gè)角度各自從不同的角度抓住了系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)，全面地反映了系統(tǒng)的要求。對象模型表示了靜態(tài)的、結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)”性質(zhì)，動態(tài)模型表示了瞬時(shí)的、行為化的系統(tǒng)的“控制”性質(zhì)；功能模型表示了變化的系統(tǒng)的“功能”性質(zhì)。各模型之間的實(shí)體可相互聯(lián)系。但是，盡管該文作者指出面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種有普遍意義的方法學(xué)，其討論的中心仍限于軟件開發(fā)的生命周期中，側(cè)重點(diǎn)在軟件功能范疇內(nèi)。
5.結(jié)論
計(jì)算機(jī)仿真與面向?qū)ο蠹夹g(shù)均尋求問題求解空間針對問題空間的一種模擬與直接映射，它們的本質(zhì)是一致的。計(jì)算機(jī)仿真直接針對現(xiàn)實(shí)世界的某一具體系統(tǒng)建模，而面向?qū)ο蠹夹g(shù)則提供了一種良好的建模方式，將它們結(jié)合起來，無疑是有益的。這種方法描述方便，結(jié)構(gòu)清晰。但是面向?qū)ο蠓椒ㄔ趩栴}空間很復(fù)雜時(shí)，難以尋找合適的對象。要完善這種方法，尚需做很多工作，包括它們之間深層的思維科學(xué)關(guān)系，形式化描述，等等。
參考文獻(xiàn)
[1]王惠剛.計(jì)算機(jī)仿真原理及應(yīng)用，國防科技大學(xué)出版社，1994，10：6-7，256-258.
[2]蔡希堯等.面向?qū)ο蠹夹g(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1993，10：3.
[3]江明德等.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思維科學(xué)基礎(chǔ)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，1992，13（5）.
