计算机仿真(第2章 仿真技术)ppt课件.ppt

第2章 仿真技术,仿真技术是高科技发展的前沿，是可对各种问题进行多学科综合研究的边缘科学。 “仿真”研究具有投资少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点。它可以避免一般研究方法由于难于考虑各种因素相互间的动态影响，使研究结果与实际情况相距甚远的缺点，而且可以减少投资风险和避免造成人力、资金的浪费。为此，发达国家在众多领域中广泛采用了仿真技术。,本资料由-校园大学生创业网-提供http:/,2.1 定性仿真,定性仿真(Qualitative Simulation)：以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。定性仿真是系统仿真的一个分支，是系统仿真与人工智能理论交叉产生的新领域。特点：相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独到之处：这种仿真能处理多种形式的信息。有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式。人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。,三种理论方法：模糊仿真方法、基于归纳学习的方法、朴素物理学方法。模糊数学方法：可以解决模型信息与测量数据的不确定性，所以在定性理论中一般用来作为一种描述手段。归纳推理法：定性仿真的一个新方向，起源于通用系统理论，主要利用其中的通用系统问题求解技术。输入尽可能多的行为，通过归纳学习的方式，构造系统的定性模型，进行仿真研究。归纳推理法最突出的优势在于它完全不需要对象系统的结构信息，不需要预先提供任何模型。但是，这种方法需要采集大量的数据并处理和维护；而且，由于现实条件的限制，不能保证归纳的完备性。朴素物理方法：在理论和应用上发展得最为成熟，它兴起于一些人工智能专家对朴素物理系统的定性推理研究。,定性仿真的三种理论方法,定性仿真的应用,定性仿真技术与物理、化工、生态、生物、社会等学科相互渗透、结合，在系统监测、故障诊断、系统行为分析、解释以及预测等方面发挥着越来越大的作用。国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。,2.2 分布交互仿真,分布交互仿真(DIS,distributed interactive simulation)：“采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分散在各地的仿真设备互联交互作用，并可人参与交互作用的一种综合环境。”作为仿真器联网的发展，分布交互仿真以网络为基础。通过联网技术将分散在各地的人在回路仿真器以及其他仿真设备连接为一个整体，形成一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台与环境之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互作用和相互影响。,分布。地域上分布在各地或一个地区的不同单元，各个单元之间通过网络连接，以达到共享一个综合系统。交互。首先是人在回路仿真的互操作性，交互性还表现在各个平台之间、平台与环境之间的交互作用，并有协调一致的结构标准和协议。仿真。包括构造仿真、虚拟仿真和实况仿真。,分布交互仿真的特点,分布式仿真的系统结构,（1）网络结构的选定：一般采用多个局域网、广域网互连，利用现有的网关、网桥、路由器 ，主干网选择光纤分布数据接口（FDDI）（2）数据交换标准化（3）满足实时性要求（4）建立分布式数据库（5）面向对象的建模与工具开发（6）动态场景的实时生成与显示（7）控制策略与建模（8）模型的验证、确认、认可（9）实验控制与反馈,分布式仿真的技术关键,2.3 虚拟仿真,虚拟现实（virtual reality）是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息。如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。,虚拟现实系统框架 （1）,虚拟现实系统框架 （2）,高性能计算机系统；三维视觉图像生成和立体显示系统；立体音响生成与扬声系统；力反馈触觉系统；人体姿态、头、手的位置测量跟踪系统，典型设备有头盔式跟踪显示器、数据手套等。,虚拟现实系统的构成部分,虚拟现实系统的特点,（1）多感知性：感知视、听、触、嗅、味等多种信息能力（2）沉浸感：使用户与现实暂时脱离（3）交互性：用户可通过三维交互设备与系统实时对话（4）自主性：系统中的仿真体可以按照各种模型和规则自主运动,（1）动态环境建模技术：虚拟环境的建立，动态环境的建立，视觉建模技术，行为特征建模（2）快速三维图形生成技术：提高刷新效率（3）立体显示和传感器技术：头盔重量，分辩率，延迟时间，跟踪精度，力觉、触觉传感器 （4）人机交互技术：三维手势识别，语言识别与合成，用户视线跟踪技术，表情识别与合成（智能技术）（5）系统集成与开发工具：虚拟世界数据库，三维人机交互界面,虚拟现实的关键技术,虚拟现实三要素,虚拟现实三要素：沉浸、交互、构想 以虚拟现实技术创建的虚拟环境，强调人参与其中的身临其境的沉浸感，同时人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者从定性和定量综合集成的虚拟环境中可以获得对客观世界中客观事物的感性和理性的认识，从而深化概念和建造新的构想和创意。虚拟技术是客观事物在计算机上的本质实现。客观事物包括人、物、环境以及它们之间的关系。例如，人的决策行为和响应特性，物体的几何形状与物理特性（动力学、反射特性、声学特性、光照模型、物理约束）以及地形地貌、气象条件、背景干扰等环境。,虚拟技术应用,传统上，新型号、新产品的研制，都要先制造出几台样机，进行性能试验或试飞，周期长、耗资大。采用虚拟样机的概念，可以在虚拟环境中进行设计、性能测试与检验。传统上，部队的训练依靠实弹演习和打靶，成本高.采用虚拟战场的概念，可以将分布在各地的部队通过联网仿真，构成同一时间同一地点的多武器平台作战环境，用于训练部队。虚拟制造通过计算机虚拟模型对产品的设计、工艺规程、加工制造、装配、调试以及生产过程的管理等进行仿真。采用虚拟技术还可构成“虚拟工厂”、“虚拟企业”、“虚拟商业网”等等。,2.4 并发仿真工程,并发仿真工程：是为一体化实现物理系统的动态模型而设计的一种系统性工作模式。该模式是在仿真工程的整个生命周期中实现子过程与人的并发工作。它将经典的串行，交错实现的仿真工程变为有机、并发、交叉、优化实现的并发仿真工程，使效率提高，成本降低，质量改善。并发性表现在：子过程内部并发性（子模型并发建模），子过程并发性。,（1）协同作业；突出“人”的作用，强调人的协同工作，各小组一同工作。（2）一体化和并发地工作：一体化、并发地建模和仿真实验，尤其是早期建模。（3）重视用户需求。,并发仿真工程工作原理,并发仿真工程实现要素,（1）一体化、有层次的行政指挥系统：规划、方案制定、机构调整、组织、实施、运行、维护（2）任务小组群（3）信息管理：各类信息获取、表示、表现（4）支持环境：支持并发运行（5）网络技术：协议、网络管理、数据安全、网络测试工具（6）数据库集成技术：工程数据库、面向对象数据库技术（7）知识处理能力：专家系统、神经网络、符号处理,知识处理中的专家系统结构,黑板：各模块共享的数据库，可与其他模块交换信息，存放当前问题的解决信息、结果与假设。推理机制：调度器启发知识，根据问题与规划求解解题关系，定义问题优先级，推理器使用知识库规划执行待议事件。知识库：记录规划，框架等信息，不同的知识表示方法组成不同的知识库。真值维护系统：维护系统假设与结果的一致性，避免推理过程重复和错误。解释器：向用户解释系统的行为，并记录推理轨道。学习机制：从黑板中积累的中间结果进行学习，改进知识库和数据库。,并发仿真工程研究方向,（1）体系结构：人的集成、项目功能集成、知识集成、工具集成（2）基础技术：组织机制、决策支持系统、计算机辅助建模（3）仿真模型标准化（4）知识处理技术,网络仿真是一种新的网络规划和设计技术。它以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险。,2.5 网络仿真,传统网络设计方法：经验、试验和计算。经验方法最为简便，不过其成效在很大程度上依赖于规划设计者具有的网络设计经验，设计结果中的主观性成分比较突出。当网络规模较小、网络拓扑结构比较简单、网络流量不大的时候，以经验为主、辅之以试验和数学计算等手段进行网络规划设计是可行的。这是因为网络设计者一般都具有比较丰富的中小型网络的设计经验和教训，而且网络较小时，网络试验和数学估算比较容易进行，其结果也比较可信。因此，以经验为主的网络设计方法被广泛地使用。,1产生背景,传统网络设计方法缺点,当网络规模越来越大时，网元类型不断增多、网络拓扑日趋复杂、网络流量也急剧增加，以经验为主的网络设计方法的弊端此时就显现出来了。网络规划设计者相对来说缺乏大型网络的设计经验，因此在设计过程中主观的成分更加突出；一般情况下，不可能在网络设计阶段进行拟建网络试验，从而无法获得设计所需的依据；数学计算和估算方法对于大型复杂网络的应用往往是非常困难的，所得结果的可信性比较低,特别是对于包交换、统计复用的数据网络，情况更是如此。因此，随着网络的不断扩充，越来越需要一种新的网络规划和设计手段来提高网络设计的客观性和设计结果的可靠性，降低网络建设的投资风险。网络仿真技术正是在这种需求拉动下应运而生的。,2网络仿真技术及其特点,定义：网络仿真是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为，从而获取特定的网络特性参数的技术。数学建模：包括网络建模（网络设备、通信链路等）和流量建模两个部分。模拟网络行为：是指模拟网络流量在实际网络中传输、交换和复用的过程。网络特性参数：包括网络全局性能统计量、网络节点的性能统计量、网络链路的流量和延迟等，由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某些特殊的参数的统计结果。,网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真技术能够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真，这使得网络仿真非常适合预测网络的性能，回答“如果那么”这样的问题。 网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案（网络拓扑结构、路由设计、业务配置等）。在网络规划设计过程中经常出现多个不同的设计方案，它们往往是各有优缺点，仅凭主观判断，很难作出正确的选择。网络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型，进行模拟，获取定量的网络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠的依据。,网络仿真技术特点,网络仿真技术与传统网络设计方法关系,经验、试验和计算作为三种传统的网络设计方法，都具有其局限性。网络仿真技术和这三种方法结合在一起使用，可以弥补它们的不足。网络仿真是一种介于试验和计算之间的技术，它通过建立实际系统的数学模型并按照相同的运行机理模拟物理系统的动态行为，可以说网络仿真是一种基于统计计算的模拟试验方法。,四种网络设计方法的比较,该表给出了经验方法、试验方法、理论计算和网络仿真四种方法在可靠性、实现成本、可实现性和适用的网络规模四个方面的比较。可以发现，网络仿真在以上四个方面基本上是经验方法、试验方法、理论计算三种方法的比较理想的折衷，特别是在大型网络的规划和设计方面有比较明显的优势。,网络设计基本原则,依据经验和计算进行初步的网络规划和设计;对于经验和计算难以确定的问题，建立网络的仿真模型，通过仿真获取必要的设计依据;如果需要且条件许可的话，可以搭建小型试验网络进行试验，对设计或仿真结果作进一步的验证；对于多个不同的设计方案，建立各自的网络模型进行必要的仿真，为方案的比较和选择提供依据。利用网络仿真手段对完整的设计方案进行验证，检查是否达到预定的技术指标。,网络仿真软件平台,网络仿真软件可以分为高端和低端两类产品。高端产品：一般具有复杂的建模机制、比较完备的模型库、完善的外部接口、强大的功能并能够得到比较可靠的仿真结果，主流产品基本上都来自美国公司，例如OPNET、COMNET等。低端产品：一般只有简单的建模机制、较小的模型库、简单的外部接口，功能单一且仿真结果的可靠性较差，比较知名的产品也大都产自美国。对于高端产品，不同产品的定位不同、采用的仿真技术也有很大差异，因此呈现出不同的特点，也有其各自不同的适用领域。主要有COMNET和OPNET。例如，COMNET采用数学分析模拟方法，仿真效率很高，但是无法得到有关网络和协议细节的结果。因此，COMNET适用于网络高层性能的仿真。而OPNET综合采用基于包的建模方法和数学分析的建模方法，既可以得到非常细节的模拟结果，也可以获得比较快的仿真计算速度。,OPNET网络仿真软件,OPNET网络仿真软件是目前世界上最先进的网络仿真开发和应用平台，近两年被第三方权威机构（如NETWORK WORLD等）评选为“世界级网络仿真软件”第一名。OPNET产品系列：OPNET网络仿真软件由麻省理工学院的几位教师在1986年创建，目前，该产品系列主要包括以下四个产品：网络规划设计工具。不具有网络节点和协议建模功能，仅限于基于基本模型库的网络建模和模拟。能够自动地读入网络的拓扑结构和流量数据。网络仿真平台。支持在网络各个层次的设备、链路和协议的精确建模，并提供丰富的外界开发接口。无线和移动网络仿真支持工具。目前包括移动电话、卫星、无线LAN等。辅助仿真工具。在模型网络环境中验证硬件的设计.,OPNET模型,三个层次：Network、Node和Process。Network模型：是最高层次的模型，由网络节点（Node）和连接网络节点的通信链路（link）组成，由该层模型可直接建立起仿真网络的拓扑结构。Node模型：由协议和连接元件组成。Process模型：由有限状态机来描述，有限状态机用C语言编程。用户可以在上述三个层次的任何地方切入编程，建立所需的Network、Node或Process模型。,OPNET建模机制,OPNET采用基于包的建模机制（Simulation on packet level），模拟实际物理网络中packet的流动，包括在网络设备间的流动和网络设备内部的处理过程，模拟实际网络协议中的组包和拆包的过程，可以生成、编辑任何标准的或自定义的packet格式，利用DEBUG功能，还可以在模拟过程中察看任何特定的packet的包头（Header）和净荷（Payload）的内容。,OPNET模拟机理,OPNET采用离散事件驱动的模拟机理（discrete event driven），其中“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只有网络状态发生变化时，模拟机才工作，网络状态不发生变化的时间段不执行任何模拟计算，即被跳过。因此，与时间驱动相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。OPNET具有丰富的统计量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，并有多种统计参数的采集和处理方法，还可以通过底层网络模型编程，收集特殊的网络参数。OPNET还有丰富的图表显示和编辑功能、模拟错误提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿真报告。,从应用层次，分两个方面：1）开发或评价新的网络协议和设备2）网络的规划和设计从网络类型，包括：1）LAN/WAN（局域网/广域网）2）Cellular Technologies（网元技术）3）Wireless package messaging service（无线包信息服务）4）Wireless LAN technologies（无线局域网技术）5）Tactical battlefield communication networks（战区通信网络）6）Satellite communication（卫星通信）,3网络仿真技术的主要应用,4OPNET应用的主要步骤,收集和消化网络工程设计文档。网络仿真必须基于对仿真网络的全面和深入的了解。主要包括：1）网络拓扑结构；2）网络协议和标准；3）网络设备；4）网络链路；5）网络应用及其流量特性。,4OPNET应用的主要步骤,建立网元模型。对于基本模型库中已有的网络设备，根据网络设备的接口配置对现有模型进行修改，优化网络设备模型；对于基本模型库中没有的网络设备，需要开发新的网络设备模型；有时还需要针对不同的仿真需要，建立一个网络设备的多个不同的模型版本。建立网络模型。建立网络模型就是在所需的网元模型建立好后，依据仿真网络，建立起网元模型之间的有机连接，从而将整个仿真网络系统映射为OPNET网络模型.,4OPNET应用的主要步骤,建立网络流量模型。OPNET中，网络流量分为背景路由流量、背景利用率流量和前景业务流量.背景路由流量：定义在一个源节点到一个或多个目的节点之间的流量。背景利用率流量：定义在链路上的流量，通常用百分比的形式来表现，表示网络中的流量占整条链路可承受的最大负载的比例。这种流量定义方法的优点是缩短了配置仿真网络流量的时间，使仿真运行速度加快。前景业务流量：定义在相关节点中的流量，通过节点的属性来定义，每种业务均可由用户定义相关参数，可指定其业务流量、所用服务器、服务类型等等。,4OPNET应用的主要步骤,仿真设计和仿真计算。1）选择仿真过程中要收集的网络性能统计参数。按统计参数的收集范围可将其分为全局统计量和对象统计量；按统计量的类型则可分为统计数据与动画数据。统计数据是一对数据值的集合，其中一项是自变量，另一项是因变量。通常情况下，自变量是仿真时间，因变量就是所要收集结果的统计量。动画数据记载了网络模型在仿真过程中的动态行为，如数据包在网络中的流动过程等等。2）设计仿真序列。选择适当的仿真参数，在不影响仿真结果可用性及可靠性的前提下，尽可能提高仿真计算效率。仿真参数包括仿真时间,统计量收集的数据个数，统计量原始数据的处理模式等。3）进行仿真计算。,4OPNET应用的主要步骤,查看、结果分析并提交仿真报告1）查看、分析仿真结果。2）比较仿真结果与实验或测量结果，验证模型和仿真方法的正确性；3）比较不同设计方案仿真结果；4）如果需要，改变网络模型或者仿真参数，重复仿真过程；5）整理仿真结果，撰写仿真报告。,5网络仿真技术在网络规划设计中的技术问题,涉及底层编程的网元建模。虽然各网络仿真软件厂家纷纷推出无需编程的网络规划设计仿真应用软件，但是由于种种原因，还需要进行一部分的涉及协议底层编程的建模工作。这些原因包括：1）厂家提供的模型库有限，因此某些特殊网络设备的建模必须依靠节点和过程层次的编程方能实现。2）网络仿真软件提供的标准的结果参数，往往不能满足实际用户的全部需要，如果用户需要收集网络设备的某些特殊参数时，必须通过过程层次上的编程来收集自己感兴趣的网络参数。3）厂家提供的网络协议模型一般是在标准颁布日期的几个月后，如果急需使用新协议、新标准，就只有通过编程的方法，开发自己的协议模型。4）对大型网络的仿真，有时需要根据实际情况，通过编程改变模型的某些特性来提高仿真计算效率。涉及底层编程的网元建模具有较高的技术难度，因为需要对协议和标准及其实现的细节有深入的了解、并掌握网络仿真软件复杂的建模机理。,5网络仿真技术在网络规划设计中的技术问题,快速、经济地建立大型网络的流量模型网络仿真软件能够自动建立现有网络的背景流量模型，这是大型网络流量建模的主要技术手段。但是，这种方法还存在较多的问题，比如流量监视探头成本，网络流量的预测等等。在保证仿真结果可用性的前提下，提高仿真计算效率网络仿真效率与很多因素有关，一般需要综合考虑多种因素，采取综合措施。这些因素包括：采用分层的建模方法，汇聚网络流量，简化网络模型；背景流量和前景流量相配合；流量比例压缩方法；优化调整仿真参数设计；路由流量的简化；结果分析；针对不同的统计参数，选择合适的结果收集和处理方法，等等。,6网络仿真技术的发展趋势,在国外，网络仿真技术的研究和应用已经有10多年的历史。过去网络仿真技术主要用于网络协议和网络设备的开发和研究，使用者一般是大学和研究所的研究人员。网络仿真软件的操作相当复杂，使用者一般需要半年的培训才能够掌握。近年来，由于网络规模日趋庞大，网络仿真技术应用于网络规划和设计的需求日渐强烈。于是，网络仿真软件厂商把应用和开发重点转向网络规划和设计方面，简化软件界面和操作流程，强化软件的工程应用能力，使得网络模型的建立逐步自动化，加快网络建模的速度。我国的网络仿真技术的研究1999年起步，北京邮电大学、邮电部规划设计院等单位先后引进了先进的OPNET网络仿真软件，开展网络协议开发、网络规划设计应用等方面的研究工作。,仿真系统的中心部分是仿真计算机系统，其灵魂是仿真软件，仿真研究的许多活动要通过仿真软件来实现。所以很多人认为，仿真技术的重点是开发仿真软件。前面介绍了一些仿真应用软件，本节从仿真软件的语言方法角度来看仿真软件的发展及功能。仿真软件是专用软件，从80年代起，仿真领域开始将建模技术，人工智能，知识工程，图形图像技术和程序设计自动化技术结合起来，产生了各种形式的仿真支持系统和仿真环境。,2.6 仿真软件,1955年第一个数字仿真软件问世，此后仿真软件的发展分为六个阶段：（1）通用程序设计语言。（2）仿真程序包及初级仿真语言。（3）高级完善的商品化仿真语言。（4）一体化（局部智能化）建模与仿真环境。（5）智能化建模与仿真环境。（6）支持分布交互式仿真的综合仿真环境。,仿真软件的发展阶段,通用或专用仿真语言,（1）程序设计语言：FORTRAN、BASIC、C、MATLAB、VB、VC+、JAVA等。（2）连续系统仿真语言：CSMP、ACSL等。（3）离散系统仿真语言：GPSS、SIMULA等。（4）专业仿真语言：VRML、UML等。传统的仿真语言侧重于对系统模型的实现，主要是计算机数值求解，当然也提供一些应用编程接口（API），用于结果分析，但功能较弱，只能对数据简单处理和二维显示。随着人工智能的发展与完善，人们构想着新一代仿真软件，它将建模方法学、仿真方法学、应用领域的知识带入软件，构成专家系统，具有机器学习能力，自然语言，图形图象技术构成人机智能接口，从而构成智能化的面向用户，面向试验，面向问题，面向对象的建模和仿真环境。,经典的和新一代的仿真软件系统区别,软件开发环境功能,仿真软件的开发与集成，工作量庞大，为提高效率，缩短周期，保证软件系统可靠性，提高重用性，必需建立一个好的开发环境。软件开发环境功能：（1）具有实时运行、并行开发和无缝集成的功能.（2）使仿真软件具有良好的重用性，可维护性.（3）采用面向对象技术开发系统架构。（4）兼容已有成熟软件模块。（5）具有通用性，又有针对性，特别便于用户使用。（6）拥有友好的人机界面和可视化工作环境。,仿真软件发展方向,（1）一体化建模与仿真环境。该环境可对仿真中涉及的各种资源，如模型算法，实验框架，行为数据等进行统一的有效管理。一般的集成工具有：模型开发工具、组件开发工具、仿真定义工具、仿真建立工具、仿真运行数据创建工具、仿真运行工具等。（2）可共享的软件框架。利用软件框架提供的通用服务，或扩展框架，可以实现具体应用所需的特定功能。（3）分布式虚拟环境。用于高速专用网或国际互联网，使用虚拟现实建模语言VRML。,仿真软件发展方向,（4）多智能体系统。当一个智能体要完成一个任务时，如果需要处理的信息量大，或不具备解决全部问题的知识及有关信息，它就需要其它智能体的合作，一种有效的处理方法叫合同网（Contract Net）法，它是在分布的多智能体系统中传递控制的一种介质。合同网可以是多层次的。它是典型的任务共担系统，多智能体系统中有三类智能体。管理者、投标者、合同者。合同网中解题过程：1.管理者广播招标广告;2.闲置智能体发出投标信文成投标者;3.管理体制者对投标者评价;4.向选中者发出中标通告，使其成为合同者。于是管理体制者与合同者之间就建立了合同关系;5.合同完成者将结果回报管理者;6.管理体制者发出中止信文，合同终结。智能体之间能过动态数据交换机制完成数据交换.,目前，建模与仿真技术正向“数字化、网络化、智能化、集成化、协同化”（六化）方向发展，但现有的仿真系统在资源共享，协同操作，优化调度等方面还存在不足（资源包括：模型、计算、存贮、数据、信息、知识、设备等）。网格技术是目前信息领域研究的热点，网格是一个集成的资源与计算环境，它能够充分吸收各种计算资源，并将它们转换成一种随处可得的可靠的标准的经济的计算能力，它具有网上资源跨地域、跨组织、全面动态、安全共享、集成与优化调度等特点，将网格技术与仿真技术相结合，就形成了仿真网格。仿真网格是基于网格技术，可视化技术，以及建模/仿真技术等，以仿真服务方式实现仿真资源的共享与互操作。,2.7 仿真网格,1网格定义,定义：以应用领域仿真的需求为背景，综合应用复杂系统模型技术，先进分布仿真技术/VR技术，网格技术，管理技术，系统工程技术及其应用领域有关的专业技术，实现仿真网格/联邦中各类资源（模型、计算、存贮、数据、信息等资源、与应用相关的物理效应设备及仿真器等）安全地共享与应用，协同互操作，动态优化调度运行，从而对工程与非工程领域内已有或设想的复杂系统/项目进行论证、研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护和报废（全生命周期）活动的一门多学科的综合性技术与重要工具。仿真网格技术是军民两用技术，它将对建模/仿真的应用模式、管理模式和支撑技术带来变革和创新，并产生效益。,2仿真网格相关技能技术,（1）网格技术（网络底层支撑技术、核心管理技术、编程技术、应用技术）（2）分布建模与仿真技术（3）中间件技术（4）Web Service技术（5）VR/可视化技术（6）虚拟样机技术（7）管理技术,3仿真网格技术特征,（1）实现仿真网格/联邦中各类资源安全地共享与重用，动态调度与优化运行。（2）实现仿真网格/联邦中各类模型/模拟器/仿真仪器/实物设备/人的安全实时互操作和协同仿真。（3）提供面向仿真应用领域的，可重用的各类模型资源，支持复杂仿真网格工程系统的快速构造和开发。,3仿真网格技术特征,（4）支持虚拟团体/组织、过程、仿真网格模型资源和仿真网格应用工作项目的管理与优化。（5）提供面向应用的，用户友好的各类网格门户和基于网格的VR/可视化显示环境。（6）提供面向仿真应用领域的，支持仿真网格工程全生命周期协同开发应用的各类支撑工具和建模仿真工具集。（7）具有分布性、开放性、动态性、可扩展性和灵活性。,通用层次化的仿真网格体系结构包括5个部分： 应用层； 面向仿真网格用户的应用门户层； 面向仿真应用的核心服务层； 网格核心服务层 面向各类应用的资源层。（1）应用层：最终用户。支持分布、异地、虚拟组织中的各类仿真网格应用人员安全、协同、便捷地进行复杂仿真系统/项目的开发、运行与评估工作。 用户包括：管理机关用户、应用部门用户、维护部门用户、其他用户。,4仿真网格体系结构,4仿真网格体系结构,（2）面向仿真网格用户的应用门户层：性能管理。向仿真网格应用人员提供各类仿真网格应用门户。 包括：仿真网格应用门户，仿真网格测试门户，仿真网格性能分析与优化门户，仿真网格监控与评估门户，面向应用领域的仿真网格应用门户。（3）面向仿真应用的核心服务层：仿真管理。提供面向协同仿真建模/实验/运行/评估/可视化与管理等应用的各类核心服务。 包括：协同建模核心服务，协同管理核心服务，协同可视化核心服务，协同仿真核心服务、系统运行监控与调度核心服务。,4仿真网格体系结构,（4）网格核心服务层：网格底层。提供网格中间件运行所需的核心服务。涉及动态/灵活的资源共享和调度技术，高吞吐率资源管理技术，数据收集分析与可视化技术，安全技术等。 包括：调度代理服务，网格数据访问优化服务，网格监控服务，异地数据访问服务，网格数据复制管理服务，网格作业管理服务。（5）服务资源层：资源管理。提供网格动态调度使用服务的各类资源，比如象模型资源、仿真工具资源、网络、计算资源、存贮资源、数据资源、信息资源、知识资源、与应用相关的物理设备、仿真器等。 包括：网络资源、CPU、存储设备、科学仪器、VR设备、模拟器、物理效应设备、模型、数据访问优化工具、可视化工具、M&S工具等。,仿真网格与传统的协同环境有些不同，仿真网格基于广域网，可跨越不同操作系统平台，对仿真器、仿真设备以及各种实体/环境/几何外观模型，仿真算法等资源共享，同时仿真网格具有更大的开放性、动态性、灵活性、可扩展性。Globus项目是国际上最有影响的网格计算项目之一，它把美国17个不同地点的60多个组织的超级计算机和资源通过高性能网络联系起来，进行大规模科学模拟，协同工程，并行计算等科学研究，将Web Service技术融合在一起，对各种商业应用进行广泛的、基础性的网格环境支持，对信息安全，资源管理，信息服务，数据管理，开发环境等网格计算的关键理论和技术进行研究，提供一个网格计算工具包（Globus Toolkit）、可用来建立网格原形系统，建立应用平台。,5基于Globus的仿真网格框架,基于Globus的仿真网格框架,OGSA:Open Grid Services Architecture 开放网格服务结构DAI: Data Access and Integration 数据访问与集成GT3:Globus Toolkit 3.0 网格计算工具包3.0CGF:Computer Generated Force 计算机生成兵力VP:Virtual Protrotyping 虚拟样机SNE:Synthetic Natural Environment 综合自然环境RTI:Run Time Infrastructure 运行时间框架,SBA是美国国防部1998年提出的概念，其核心思想是协同仿真工作，用于武器装备、各种过程、人员组织、经费预算等复杂综合系统的仿真。许多系统的研制采用了SBA模式，建模与仿真贯穿于产品的全生命周期、评估、使用、维护、销毁。SBA已成为当前国内外军事部门和国民经济工业部门研究产品的热点课题，它代表了21世纪复杂产品研制采办的发展方向。,2.8 SBA协同环境,SBA：Simulation Based Acguisition 含义：仿真采办、虚拟采办，通过仿真技术支持研究、开发、测试、评估、生产制造、后勤保障。,1SBA含义,2SBA的关键技术,（1）协同环境。这是一个多领域的专家协同工作环境，主要包括互操作的工具和数据库，权威的信息资源，产品/过程模型等。（2）分布产品描述。是数字化产品信息的分布集合，通过Web 技术互联，对用户呈现单一的逻辑与统一的产品描述，包括产品数据，产品模型，过程模型等。（3）数据管理和时间管理。是SBA的核心问题，数据和模型是仿真的基础，时间管理要解决同步问题，仿真时间间隔可以是常值，也可是变值。（4）计算机生成技术。比如计算机生成图像，计算机生成兵力，计算机生成环境等，建模是计算机生成技术的基础，涉及的问题包括：系统的体系结构，多分辩率建模，细节等级，生成环境和工具，可视化技术等。,3SBA协同环境参考系统体系结构,模型库包括：元素模型、结构模型、行为模型、成员模型、项目模型、工作流模型、团队模型、资源模型、实体外观模型、环境模型、评估模型等。,4虚拟样机协同建模/仿真支撑平台,复杂产品虚拟样机的开发工作已经构成一个系统工程，虚拟样机协同建模/仿真支撑平台采用的就是SBA模式，支持并管理产品全生命周期虚拟化设计过程，以及性能评估等活动。虚拟样机协同建模/仿真支撑平台： 功能：建模、仿真、可视化、管理。 结构：（1） 技术支持层。 （2） 角色/权限管理层。 （3） 功能驱动层。 （4）用户接口界面层。,虚拟样机支撑平台结构框架,虚拟样机支撑平台技术特点,（1）支持建模与仿真技术在复杂产品全生命周期、采办活动全过程中的协同应用。（2）支持基于虚拟样机技术的复杂产品全生命周期虚拟采办。（3）支持并行工程开发模式。（4）支持以项目管理为核心的产品采办全生命周期的技术，组织与过程的集成管理。（5）持各类仿真资源的管理、共享与重用。（6）支持跨地域、跨企业、跨组织、跨学科的协同与互操作。（7）支持应用各类先进的中间件/集成平台/集成框架技术、协同技术、可视化技术、各类工具引擎技术、模型技术等。（8）基于各类标准和规范，具有良好的开放性、安全性、可扩展性、通用性。,5基于仿真网格的SBA支撑环境关键技术,(1) 仿真网格总体技术开放仿真网格服务结构的框架结构设计；仿真网格开发、实施的标准与规范的制订；仿真网格应用模式、管理模式、运行模式研究；仿真网格的系统集成技术研究；仿真网格的运行管理技术研究；仿真网格的安全体系与服务质量保证体系的建立等。,5基于仿真网格的SBA支撑环境关键技术,(2) 仿真网格平台技术基于仿真网格的模型重用与互操作技术；基于HLA技术、PLM技术、网格中间件技术的仿真网格动态集成技术；仿真网格平台的实时、异地、协同仿真技术;仿真网格应用规范与标准技术；仿真网格中模型/资源的存储、管理、任务调度和共享技术；仿真网格服务/资源的动态集成技术；仿真网格的应用门户技术及其高效的编程模式和应用编程接口技术；仿真网格的安全机制等。,5基于仿真网格的SBA支撑环境关键技术,(3) 网格化建模与VVA技术研究仿真网格环境下的建模技术与网格化模型的VVA技术。各类仿真网格工程系统涉及的模型类型多，建模复杂，如军事领域武器样机仿真系统模型由作战模型、实体模型、环境模型和评估模型四类模型组成。同时，数学模型的正确与否和精确度直接影响到仿真的置信度，规范、标准的模型VV&A（校验、验证和确认）过程是保证仿真网格仿真置信度的关键技术。,5基于仿真网格的SBA支撑环境关键技术,(4) 基于仿真网格的SBA支撑环境应用技术基于仿真网格的SBA开发模式、管理模式、组织模式、运行模式的研究；SBA应用实施模式研究；SBA支撑环境中各类仿真应用支撑软件的网格化设计技术；SBA支撑环境中仿真应用系统模型的网格化设计技术的研究等。,2.9 基于知识的计算机仿真,基于知识的仿真：在系统仿真中引入知识工程的方法和面向对象的方法，能使模型更为丰富。我们将以知识工程为基础的仿真，称为基于知识的仿真。在仿真中引入知识工程的方法，可使模型表现能力更为丰富。在仿真中引入面向对象的方法，可提高建模的灵活性、模块的可重用性及可维护性。,目的：(1)提高仿真效率(建模支援；智能化人机接口；仿真过程的自动化)(2)扩大仿真应用范围(使仿真应用于复杂系统)基于知识的仿真的重要基础： 方法：知识工程中有关知识表达/利用/获取方面的理论与技术。 系统：具有仿真专家知识的知识库系统/专家系统方面的理论与技术。,仿真中引入知识工程的目的,由美国斯坦福大学计算机科学家费根鲍姆在第五届人工智能国际会议(1977年)上提出。是人工智能在知识信息处理方面的发展，是一门研究知识处理的学科。研究内容：有关知识的获取、表达、保存、交换及其应用的理论方法及实现技术。研究方法与实现手段：借鉴人的认知过程，运用人工智能、数据库、语言学、逻辑学等学科的理论与技术。以面向对象方法作为其在计算机上实现的手段。,知识工程概述,说明性知识(数据级)：一些概念的事实(百科辞典)。 过程性知识(知识库级)：是具体领域问题求解的知识，它通常是一种过程，说明怎样操纵数据去达到问题求解的目的。控制性知识(控制级)：用控制策略表示的如何利用问题求解知识的知识，常称为控制知识。,知识工程中的“知识”,2.10 建模与仿真校核、验证与确认原则,为了保证建模与仿真的质量，必需对建模与仿真的质量特性进行评测。校核、验证、测试、确认和可信度评估主要解决其中的精度评测问题。,模型校核,模型校核(verification)：指的是模型在从一种形式转换到另一种形式时，具有足够的精度。模型校核要解决的问题是：在模型的转换过程中，要保证转换的精度。在把求解的问题转化成模型描述，或把流程图形式的模型转化成可执行的计算机程序过程中，其精度的评估就是模型的校核问题。,模型验证,模型验证(validation)：指的是在适用的范围内，针对建模与仿真的对象，模型具有令人满意的精度。模型验证要解决的问题是：建立与对象相对应的正确模型。精度评估可看作是基于要回答下述问题的校核或验证：在精度评估过程中，模型行为经过了与相应系统行为