計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用研究

汪 洋

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430050）

1 引言

隨著社會不斷發(fā)展，我們渴望計(jì)算機(jī)能進(jìn)一步改變?nèi)藗兊纳罘绞剑瑸榇藢τ?jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行不斷嘗試研究。近年來提出了利用計(jì)算機(jī)與其他領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合創(chuàng)造出高程度的仿真技術(shù)，以此解決人類發(fā)展過程中遇到的一系列問題[1]。

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概念及意義

早在20世紀(jì)中期，就有國家提出了發(fā)展仿真技術(shù)的構(gòu)想，但是當(dāng)時(shí)無論是生產(chǎn)力還是硬件設(shè)備都不足以支持發(fā)展仿真技術(shù)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展革新，已經(jīng)初步具備了發(fā)展仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，為了進(jìn)一步帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動人類發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)與其他領(lǐng)域的高科技產(chǎn)物進(jìn)行有效結(jié)合，推動仿真技術(shù)實(shí)踐。

2.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的概念

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是利用現(xiàn)實(shí)世界的各種數(shù)據(jù)及人類思維方式進(jìn)行計(jì)算，形成一種逼真的計(jì)算結(jié)果，在使用中可以是人類通過建模了解到現(xiàn)實(shí)中各類事情的發(fā)展進(jìn)程及結(jié)果，還可以讓人進(jìn)入虛擬空間，獲得身臨其境的感受。

2.2 發(fā)展仿真技術(shù)的意義

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)自提出以來，就是為了解決人類發(fā)展過程中的一系列難題，優(yōu)化我們的生活環(huán)境，進(jìn)一步推動人類發(fā)展進(jìn)程?，F(xiàn)階段計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，為了計(jì)算機(jī)能夠更大程度上為人類發(fā)展提供動力，要進(jìn)一步創(chuàng)新技術(shù)，尋找更適合計(jì)算機(jī)發(fā)展的方向。仿真技術(shù)概念一經(jīng)提出就引起了人們的高度關(guān)注，如果計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠進(jìn)行不斷突破及創(chuàng)新，無疑對人類發(fā)展有著巨大幫助[2]。

3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

在現(xiàn)代人類發(fā)展進(jìn)程中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，經(jīng)過研究表明，在各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，都可以有效推動這項(xiàng)領(lǐng)域的發(fā)展，并解決其中存在的一系列問題。

3.1 在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

改革開放以來，我國工業(yè)制造水平有了顯著提升，但是由于我國在工業(yè)領(lǐng)域相較發(fā)達(dá)國家起步較晚，就目前而言，我國工業(yè)水平還存在很多不足。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的問世，可以利用這項(xiàng)技術(shù)解決更多工業(yè)制造中存在的問題。

工業(yè)領(lǐng)域相對來說，要求制造工業(yè)精細(xì)、設(shè)備流水線完善等，這就需要有較高的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)取代人類進(jìn)行工業(yè)制造生產(chǎn)。相對來說，計(jì)算機(jī)的精密程度更高，出錯(cuò)率也更小，可以有效地降低由人工操作出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格，或是產(chǎn)品生產(chǎn)周期太長的問題，為生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)大收益的同時(shí)，帶動我國工業(yè)水平的不斷提高。

3.2 在工程施工中的應(yīng)用

隨著國家建設(shè)力度的不斷提高，我國的建設(shè)也越來越好，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了在施工過程中存在的一系列安全問題。安全問題對于項(xiàng)目施工來說，一直備受關(guān)注，其不僅影響著企業(yè)收益、企業(yè)聲譽(yù)，對于參與現(xiàn)場施工的工作人員來說，更是關(guān)乎其人身安全。在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不斷成熟的今天，為了有效降低工程施工中存在的安全問題，開始嘗試?yán)眠@項(xiàng)技術(shù)，為的工程施工提供安全保障[3]。

工程可視化就是通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，所模擬出來的工程現(xiàn)場的可視圖。一般來說，工程的施工環(huán)境都比較復(fù)雜，其中存在的很多問題，都沒有辦法在開始施工之前就做到心中有數(shù)，對于前期的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)來說，也有著較大的阻礙。但是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以有效解決這個(gè)問題，通過分析計(jì)算，可以對那些隱藏的環(huán)境進(jìn)行可視化，將工程數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為圖形或圖像，實(shí)現(xiàn)更加高效的建模，為工程施工提供保障。

3.3 在消防科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

火災(zāi)作為公共災(zāi)害之一，其危險(xiǎn)系數(shù)極高，近年來在我國各地也都出現(xiàn)了很多大面積火災(zāi)，每一次火災(zāi)的背后，都對人員經(jīng)濟(jì)造成了相當(dāng)大的損害。隨著我國科技的不斷進(jìn)步，開始利用新型計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，提高防范火災(zāi)措施，減少火災(zāi)帶來的損失。

在火災(zāi)燃燒方面，大多數(shù)火災(zāi)都是意料之外的安全事故，在之前對火災(zāi)的了解還是有所欠缺。為了實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)燃燒的進(jìn)一步了解，可以通過模擬火災(zāi)現(xiàn)場來進(jìn)行分析火災(zāi)燃燒過程，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行縮小比例的火災(zāi)仿真模擬，在較短的時(shí)間及較小的空間內(nèi)模仿火災(zāi)燃燒。這樣一來，不僅不用大量的經(jīng)費(fèi)投入，就可以直接觀測到火災(zāi)的燃燒過程，對于之后的防火災(zāi)措施，有著重要的參考意義。

對于每一次火災(zāi)來說，都是在火災(zāi)爆發(fā)之前就有著安全隱患，但是由于種種原因?qū)е氯藗儧]有提前發(fā)現(xiàn)，以至于出了問題，且在問題發(fā)生之后，火災(zāi)原因調(diào)查手段也存在欠缺，經(jīng)常調(diào)查的原因不夠細(xì)致。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以采用三維反向追蹤的辦法進(jìn)行火災(zāi)原因調(diào)查，模擬火災(zāi)的著火及燃燒的全過程，這樣一來火災(zāi)事故調(diào)查就變得更加清晰明了，對于之后消除火災(zāi)安全隱患也有了更科學(xué)的依據(jù)。

消防器材作為消除火災(zāi)的最有力武器，其質(zhì)量的可靠程度及技術(shù)好壞直接決定了消防人員的滅火效率。經(jīng)過長時(shí)間的嘗試及研究發(fā)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以對現(xiàn)有的消防器材起到革新的作用，充分挖掘各種消防器材的戰(zhàn)斗潛力，提高其防火滅火效率，只有防火器材不斷革新，救援效率才會更高，更能降低火災(zāi)帶來的損失。

3.4 在規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著社會的不斷發(fā)展，人們越來越重視規(guī)劃的重要性，幾乎所有領(lǐng)域要想保證積極健康可持續(xù)發(fā)展，都需要科學(xué)合理的發(fā)展規(guī)劃。在這里以比較明顯的城市建設(shè)來作為參考。

一個(gè)城市的建設(shè)往往需要進(jìn)行合理規(guī)劃，規(guī)劃到每一處細(xì)節(jié)，并且在規(guī)劃時(shí)還要進(jìn)行長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，為城市建設(shè)提供更合理的發(fā)展方向。在城市建設(shè)中，要考慮電纜及各種管道的鋪設(shè)、各類建筑的建設(shè)、防災(zāi)害措施等眾多復(fù)雜的基礎(chǔ)建設(shè)工程。在我國傳統(tǒng)的城市建設(shè)中，需要依靠專業(yè)的技術(shù)人員，對城市進(jìn)行全面勘測，然后通過人力進(jìn)行不斷計(jì)算，才能保證城市發(fā)展規(guī)劃的合理性，這種建設(shè)方式盡管付出了諸多努力及心血，但是人力計(jì)算中難免會存在誤差，且在實(shí)際建設(shè)過程中也難以保證全面按照規(guī)劃執(zhí)行，所以說傳統(tǒng)的城市建設(shè)規(guī)劃方式經(jīng)常會導(dǎo)致城市建設(shè)過程中出現(xiàn)一系列問題，導(dǎo)致城市建設(shè)達(dá)不到建設(shè)目標(biāo)。

在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸成熟的今天，開始在城市建設(shè)中應(yīng)用這類技術(shù)，把城市的綜合信息及地理勘測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上之后，在計(jì)算機(jī)上就形成了一個(gè)城市沙盤，可以直觀地了解到這個(gè)城市的地貌、環(huán)境及綜合信息，為城市規(guī)劃提供基礎(chǔ)幫助。除此之外，還可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬建設(shè)，通過模擬建設(shè)發(fā)現(xiàn)建設(shè)中存在的問題，并及時(shí)解決，這樣就很大程度上減少了實(shí)際建設(shè)過程中可能存在的問題，為城市建設(shè)節(jié)約成本，提高城市建設(shè)的合理性。

3.5 在交通領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著社會的不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平的提升，我國各類型的交通工具數(shù)量都在呈直線上升，其中最明顯的就是以汽車為主的交通工具。在交通工具不斷增多的同時(shí)，隨之而來的問題就是交通阻塞以及交通事故，這兩個(gè)問題對出行人的安全及便利都造成了較大的影響，我國也立志改善此類問題。由于交通系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，在進(jìn)行仿真模擬的過程中需要考慮的因素也就多，如行人、機(jī)動車、非機(jī)動車等，只有充分考慮，我們的交通系統(tǒng)的安全性才能得到保障。在交通領(lǐng)域中運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以使整個(gè)交通系統(tǒng)變的可視化，便于讓專業(yè)的工作人員發(fā)掘引發(fā)交通事故的誘因，如可以利用實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合道路具體情況以及實(shí)時(shí)天氣等因素，把這些因素輸入到電腦中，就可以幫助模擬出比較貼合實(shí)際的交通運(yùn)行情況，這樣一來就可以有效減少交通事故，并且減少交通阻塞，提高交通運(yùn)行效率，為人們出行提供極大的便利。

3.6 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療技術(shù)一直以來備受人們關(guān)注，一項(xiàng)醫(yī)療技術(shù)的創(chuàng)造往往能引起世界性的轟動。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在醫(yī)療中大有作為，比如在我們常見的外科手術(shù)中，經(jīng)常會遇到難以解決的問題，但是做手術(shù)的機(jī)會往往只有一次，不能把人體當(dāng)做實(shí)驗(yàn)的標(biāo)本去進(jìn)行，這個(gè)時(shí)候就可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合病人的實(shí)際進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)找出最適合該病人的手術(shù)方式，為病人提供最優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療方式[4]。由此可見在醫(yī)療領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也有著非同尋常的優(yōu)勢。

4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 網(wǎng)絡(luò)化

目前掌握的基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還沒有完全實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，這一點(diǎn)主要體現(xiàn)在通過該技術(shù)建立的模型難以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播和共享，很多時(shí)候由于網(wǎng)絡(luò)達(dá)不到要求，出現(xiàn)難以兼容的問題。但是眾所周知，互聯(lián)網(wǎng)及計(jì)算機(jī)的核心內(nèi)容就是共享及傳播，所以說目前還沒有發(fā)揮出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的最大優(yōu)勢。但是近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷完善創(chuàng)新，5G技術(shù)的實(shí)現(xiàn)就為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)創(chuàng)造了更為廣闊的應(yīng)用空間，應(yīng)當(dāng)積極發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)，為計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)突破打下更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 虛擬制造

在剛開始提出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)時(shí)，虛擬制造就是核心發(fā)展方向，但是現(xiàn)在才初步實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行建模，利用數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真推演，還沒有實(shí)現(xiàn)虛擬制造技術(shù)。應(yīng)當(dāng)在虛擬建模的基礎(chǔ)之上，利用建好的模型進(jìn)行直接制造，這對工業(yè)技術(shù)來說將會是一場全面革新，只有掌握了虛擬制造的技術(shù)，才可以使工業(yè)制造水平上到一個(gè)全新的臺階。

4.3 多維度仿真

預(yù)期的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)當(dāng)具有多維度仿真的作用，現(xiàn)階段已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了視覺仿真，在未來期望可以利用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)嗅覺、聽覺等多維度的仿真效果，以便于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，為改善人們的生活提供更大的可能，也可以為人類提供更好的虛擬仿真體驗(yàn)[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，可以清楚地了解到計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展意義及廣闊應(yīng)用空間，這是人類科技發(fā)展歷程上的里程碑。就目前而言，發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成了世界各國計(jì)算機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展方向，雖然在發(fā)展過程中，存在很多的困難和挑戰(zhàn)，但是為了突破這項(xiàng)技術(shù)，為我國各領(lǐng)域的發(fā)展注入新的動力，應(yīng)當(dāng)大膽進(jìn)行嘗試，用現(xiàn)有的技術(shù)手段，創(chuàng)造無限的可能。