計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性及其限度

唐國梅

摘要：計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是一種新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方式，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比有著自己的優(yōu)越性和獨(dú)特性，可以突破實(shí)驗(yàn)主體的認(rèn)知限度和時(shí)空條件的約束，規(guī)避自然規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對科學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)張。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)也存在不足，該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行必須依賴數(shù)學(xué)模型的建立，驗(yàn)證過程具有不確定性。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)研究的范圍。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)；優(yōu)越性；獨(dú)特性；限度

計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)也在不斷進(jìn)步。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的不足，讓社會得以更快地發(fā)展，也引發(fā)了哲學(xué)家們對二者之間的關(guān)系對比研究?，F(xiàn)階段學(xué)者們對于計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的哲學(xué)思考研究還比較薄弱，仍處在進(jìn)一步探索中，從不同角度探索與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之間的差異。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)有著自身的特點(diǎn)和局限性，本文將以更深入的視角對計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行剖析和探討。

一、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生及其原理

科學(xué)實(shí)驗(yàn)推動著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在觀察對象得不到滿足的情況下，人們通常以自然條件為工具對被研究對象進(jìn)行干預(yù)，是人們使用一定手段和工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡囊环N實(shí)踐活動，包括實(shí)驗(yàn)主體、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)工具三個(gè)基本要素[1]?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)方法種類日益增多。在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)以前，主要有實(shí)物實(shí)驗(yàn)、思想實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)等幾種實(shí)驗(yàn)方式。[2]

實(shí)物實(shí)驗(yàn)，即實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)主體、實(shí)驗(yàn)對象和使用的實(shí)驗(yàn)工具等在實(shí)際場所中以實(shí)物為基礎(chǔ)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方式；思想實(shí)驗(yàn)則是依靠人腦，借助人的邏輯思維能力，在頭腦中架構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、推斷?shí)驗(yàn)結(jié)果的一種實(shí)驗(yàn)方式；模型實(shí)驗(yàn)的對象是被研究對象的模擬物，把原型的最基本特征和屬性用模型體現(xiàn)出來，通過研究模型得出實(shí)驗(yàn)原型的性質(zhì)特征，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫2]。三種實(shí)驗(yàn)方式有著共同之處。第一，具備實(shí)驗(yàn)的三個(gè)基本要素，有著明確的目標(biāo)，具有實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)；第二，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)建立相應(yīng)的模型，對模型進(jìn)行研究來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。[3]以上是研究者較為重視且使用較多的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的基礎(chǔ)，它們是對現(xiàn)存問題的一種研究方式，一種解決方法。

然而，在面對一些復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)值模擬問題和危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法可能達(dá)不到理想的結(jié)果，而且還需付出大量的人力物力。[4]因此，需要建構(gòu)一種模型作為研究對象，由此產(chǎn)生了一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新的實(shí)驗(yàn)方式——計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。從19世紀(jì)四十年代第一臺電子計(jì)算機(jī)誕生開始，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)經(jīng)歷了模擬階段、串行處理階段、模擬——數(shù)字混合機(jī)階段和并行處理階段四個(gè)發(fā)展歷程。[5]計(jì)算機(jī)模擬又可以稱為計(jì)算機(jī)仿真或計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，[6]是指“在計(jì)算機(jī)上對實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從而達(dá)到研究一個(gè)已存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)的目的”[2]。

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)主要包括以下過程[5-8]：（1）系統(tǒng)分析。盡可能收集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)的不足，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?）確定實(shí)際系統(tǒng)。即根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拇_定實(shí)驗(yàn)研究對象。（3）建立數(shù)學(xué)模型。依據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，分析確定實(shí)際系統(tǒng)所涉及的變量和參數(shù)，找到各個(gè)變量和參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，用一系列數(shù)學(xué)方法和邏輯表達(dá)式描述參數(shù)與變量之間的函數(shù)關(guān)系的過程。（4）建立仿真模型。將建立好的數(shù)學(xué)模型之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的指令，編寫相應(yīng)程序。（5）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行程序，仿真得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析?？捶抡娼Y(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是否相符合，反復(fù)修改程序中的參數(shù)變量得出最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。[6][8]無論是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，還是計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，都是人借助不同的模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行模擬，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。了解計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生和原理，可以更好地研究計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和不足。

二、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的超越

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為基礎(chǔ)形成的一種新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)形式，它的產(chǎn)生為后來的科學(xué)研究提供了極其重要的技術(shù)指導(dǎo)。它改變了人們傳統(tǒng)的思維方式，擴(kuò)展了人們的思維能力，在一定程度上改善了實(shí)驗(yàn)主體的認(rèn)知局限，不再受制于真實(shí)物質(zhì)世界的限制，研究對象范圍更廣泛，人們可以接觸許多沒有見過的新事物。

（一）突破時(shí)空條件的約束

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)依附于真實(shí)存在的物體，當(dāng)研究對象結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易操作時(shí)，會耗費(fèi)大量的人力、物力，但還不能確保實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生改變了這種尷尬的局面，使得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不再受制于真實(shí)的物理世界，不再受時(shí)間和空間的限制。只需要建立一個(gè)模型來模擬實(shí)際系統(tǒng)，對模型進(jìn)行研究，便可解決上述問題。

在現(xiàn)代社會，人們出行會選擇不同的交通工具，然而也面臨著一個(gè)讓人頭疼的問題，那就是交通擁堵，遇到高峰期可能讓你寸步難行。工程師們需要根據(jù)道路情況做出總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，對道路交通流量進(jìn)行分析假設(shè)。然而工程師們不可能邊試驗(yàn)邊進(jìn)行道路交通建設(shè)，不可能站在道路上用肉眼進(jìn)行觀察，這樣無疑會造成交通癱瘓。而是需要一個(gè)合適的虛擬實(shí)驗(yàn)室將各種因素結(jié)合在一起，合理規(guī)劃交通燈、人行道、各種車道以及高架橋等之間正確的組合方式，讓人們可以暢通無阻的出行。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，工程師們可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬的道路交通電子世界，根據(jù)需求對局部交通區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)大，任意觀察某條道路交通擁擠情況。用不同的顏色對道路情況進(jìn)行標(biāo)記，可以看到任意一條路線在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的交通情況，有針對性的對某一個(gè)區(qū)域存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。[9]141-153

對于這種具有復(fù)雜性的研究對象，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法根據(jù)肉眼完成這么龐大的任務(wù)。而在通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)創(chuàng)建的電子世界中，可以把實(shí)物轉(zhuǎn)化為電子模型，實(shí)現(xiàn)對研究對象的任意放大或縮小，不用再局限于有著固定場所的附著于實(shí)物的實(shí)驗(yàn)室中，突破了時(shí)空條件的約束。

（二）突破主體認(rèn)知的局限

無論是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)還是思想實(shí)驗(yàn)，它們的實(shí)驗(yàn)主體是人，實(shí)驗(yàn)的起始需要人利用自己的思維去去思考和建構(gòu)模型，否則實(shí)驗(yàn)無法自己完成。人作為現(xiàn)實(shí)世界的存在物，必然存在認(rèn)知上的局限。然而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它具有快速且強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)解決不了的復(fù)雜性計(jì)算問題，人類在認(rèn)知能力上的缺陷得以突破。

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的電子世界，可以包含城市的地理結(jié)構(gòu)、道路等，將實(shí)物用數(shù)學(xué)符號表示，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行計(jì)算。工程師便可在計(jì)算機(jī)上對交通狀況進(jìn)行調(diào)整，再應(yīng)用到實(shí)踐中，節(jié)省了資源。整個(gè)計(jì)算過程精細(xì)而復(fù)雜，需要極大的運(yùn)算量，而人的精力和認(rèn)知都很有限，靠人的數(shù)學(xué)計(jì)算能力無法完成這么大的工作量，不能理清各種參數(shù)之間繁瑣的數(shù)學(xué)關(guān)系。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是對人腦的擴(kuò)充，延展了人的思維，在一定程度上突破了人類的認(rèn)知局限，帶來更多的可能性。[2]

三、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特性

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)是對已建立的數(shù)學(xué)模型用計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行仿真運(yùn)行的過程，無需大的空間，該過程在計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬空間里即可操作完成，這是它自身具備的獨(dú)特的特點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。

（一）對自然規(guī)律的規(guī)避

古時(shí)候人們只能根據(jù)自然規(guī)律預(yù)測天氣，而這種預(yù)測的可信度是不精確的。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立一個(gè)虛擬環(huán)境，形成一種人機(jī)交互界面，研究者們可對即將要發(fā)生的結(jié)果進(jìn)行推測。氣象學(xué)家們可以通過氣象儀觀測風(fēng)速、溫度、氣壓和水汽等變量，建立求解大氣的復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行計(jì)算，使得這些變量涉及的方程式具有最新的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新天氣情況。[9]63-66利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)創(chuàng)建的獨(dú)特的環(huán)境，無需出門，只需要建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，對這些數(shù)值進(jìn)行分析、評估，即可對未來幾天的天氣進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào)，給人們的出行帶來了極大的便利。通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的使用可以不再受限于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，獲得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法獲得的經(jīng)驗(yàn)材料，在避開自然規(guī)律的情況下達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（二）對科學(xué)領(lǐng)域的拓張

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有著自身的局限性，對于復(fù)雜性、帶有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，僅依靠人借助實(shí)物是無法完成的。而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以讓我們在未知的領(lǐng)域探索出無限多種可能，如實(shí)現(xiàn)對天氣的實(shí)時(shí)更新研究。我們實(shí)現(xiàn)了中長期天氣的預(yù)測，然而這個(gè)計(jì)算過程極其復(fù)雜，必須借助計(jì)算機(jī)技術(shù)超強(qiáng)的計(jì)算能力。氣象學(xué)家研究天氣時(shí)，將區(qū)域內(nèi)附加網(wǎng)格并對其進(jìn)行劃分，網(wǎng)格中包括溫度、風(fēng)速、氣壓等變量，通過衛(wèi)星、氣象船等方式觀測實(shí)地天氣獲得初始時(shí)刻這些變量的數(shù)值，再根據(jù)獲得的這些數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)關(guān)系推斷這些變量的數(shù)值將發(fā)生的變化，建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式，形成對未來天氣預(yù)測的模型，預(yù)報(bào)天氣。[9]63這個(gè)領(lǐng)域傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法介入，不可能用人工去探測、去計(jì)算。而利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對提前建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以讓我們預(yù)知未來的天氣，拓張了科學(xué)研究領(lǐng)域，為科技的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。

四、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的限度

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)有著獨(dú)特的性質(zhì)，它能夠超越傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的不足?？梢詫?shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)語言，可以利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力得出精確的數(shù)值解，但也有著自身的局限性，對研究主體和研究對象都有極高的要求。

（一）對數(shù)學(xué)模型的依賴

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，必須根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是指借助于數(shù)學(xué)符號，針對實(shí)際系統(tǒng)的特征和數(shù)量依存關(guān)系，運(yùn)用數(shù)理邏輯方法和數(shù)學(xué)語言建構(gòu)的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了系統(tǒng)各要素以及它所表征的變量、參數(shù)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系。需要抓住實(shí)際模型的主要矛盾對其進(jìn)行簡化，并且該數(shù)學(xué)模型必須是可推導(dǎo)的，否則沒有意義。[10]

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型有著密切的關(guān)系，前者為后者提供便利，后者為前者提供基礎(chǔ)。然而，數(shù)學(xué)模型的建立要求工作人員必須熟練地掌握數(shù)學(xué)知識，使用數(shù)學(xué)知識。研究人員需要具備數(shù)學(xué)知識和計(jì)算機(jī)知識，才能更好地將二者結(jié)合起來，將實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)建模以人為主體，通過人的主體性以實(shí)際系統(tǒng)為原型，探索研究對象中存在的規(guī)律，確定目標(biāo)之后再建立研究對象之間的邏輯關(guān)系。然而人對事物的認(rèn)識水平、技術(shù)的掌握有限，其自身的數(shù)學(xué)水平也有限，各種局限性使得某些實(shí)際問題無法設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。而且某些領(lǐng)域至今還沒有發(fā)展到用建模方法尋求事物規(guī)律的階段，超出了人類認(rèn)識的范圍。比如說我們國家的中醫(yī)診斷過程，更符合只可意會不可言傳的一種境界，目前還無法用數(shù)學(xué)關(guān)系去尋求一種普遍的規(guī)律，無法建立起數(shù)學(xué)模型，當(dāng)前還存在一定的難度。

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對象是抽象的數(shù)學(xué)模型，即便是最簡單的實(shí)驗(yàn)，只有將數(shù)學(xué)模型翻譯為計(jì)算機(jī)識別的語言才能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，否則實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行。因此對計(jì)算機(jī)模擬的使用僅限于我們能夠考察的范圍，可以找到邏輯關(guān)系和規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型的依賴導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)存在局限性，需要我們進(jìn)一步去開拓和完善。

（二）驗(yàn)證的不確定性

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以實(shí)物為模型，可以直觀觀察到實(shí)驗(yàn)的變化過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)可以直接判斷哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯(cuò)，有針對性的對實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)物進(jìn)行調(diào)整，直觀便捷，目標(biāo)明確。計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)則不同，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)需要經(jīng)過數(shù)學(xué)模型和仿真模型兩個(gè)階段。首先根據(jù)研究對象之間的邏輯關(guān)系，用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行描述，利用參數(shù)和變量確定數(shù)學(xué)模型，再將模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠讀取的機(jī)器語言，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行調(diào)試。該過程可以看到仿真結(jié)果，但不能直接觀察實(shí)驗(yàn)的仿真過程。當(dāng)我們調(diào)試運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期的系統(tǒng)目標(biāo)不一致時(shí)，對于一些隱藏的錯(cuò)誤無法直接發(fā)現(xiàn)，是不確定的，需要對仿真結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，數(shù)學(xué)模型或是仿真程序出現(xiàn)錯(cuò)誤都會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的失敗，因此需要從起點(diǎn)開始檢查，通過一次次調(diào)試運(yùn)行來排除可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，無法像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢又苯訉?shí)物進(jìn)行修改。驗(yàn)證的不確定性增加了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的難度，一次次的調(diào)試直到運(yùn)行結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，運(yùn)行結(jié)果沒有顯示錯(cuò)誤，與設(shè)計(jì)中的實(shí)際模型達(dá)到高度相似，實(shí)驗(yàn)才算完成。

小結(jié)

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際相結(jié)合，不受時(shí)間和空間的約束，擴(kuò)展了科學(xué)研究的領(lǐng)域，獲得傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法獲得的經(jīng)驗(yàn)材料，在一定程度上是人腦思維的擴(kuò)充，突破以人為主體的認(rèn)知局限，是研究者們不可或缺的實(shí)驗(yàn)工具。但是對數(shù)學(xué)模型的依賴和驗(yàn)證的不確定性使得該實(shí)驗(yàn)方式存在著局限性。目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，在各實(shí)驗(yàn)方法中起著舉足輕重的作用，它的產(chǎn)生給我們的生活帶來了極大的便利，讓我們的生活越來越智能化，足不出戶也可以吃飽穿暖，可以學(xué)習(xí)工作，可以瀏覽天下事，智能時(shí)代的到來離不開計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，未來的發(fā)展和改變會更加出乎意料，也會給我們帶來更多的美好事物和便利。

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