1、仿真与计算2009-11-11,仿真技术和学科框架介绍基于HPC的工程仿真军用仿真技术发展简介人群仿真-奥运和国庆项目介绍,仿真的历史作用和哲学意义 1、仿真是从需求中发展来的； 2、符号-公式-模型-系统-大、巨、超巨系统； 3、物质-能量-信息； 4、自然科学的四大基本问题； 5、21世纪的科学发展特点； 6、环境、安全、生命、航天等领域发展； 7、常规武器、核武器的仿真模拟； 8、实-虚，有-无，不可能-可能,二战以来,核武器的研制、航天设备研制、信息技术和系统控制等技术的大发展等，在军备竞赛的背景下，使得仿真技术与计算机技术同时发展起来。已经形成“综合性的专业技术体系”，正发展为一项“
2、通用性、战略性技术”。（美国国家关键技术16/22，国防关键技术6/21，现在将“合成仿真环境”列为国防七大科技之一）现代认识世界、改造世界的三种重要手段：理论研究、实验研究、仿真技术+高性能计算。 “数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”,仿真的对象：航空、航天、信息、生物、材料、能源、先进制造等高新技术； 工业、农业、商业、教育、军事、交通、社会、经济、医学、娱乐、生活服务等领域。基本需求： 1、模型的建立周期、成本、交互 2、结果的精度 3、复杂系统（包括多物理）的一体化 4、通信功能 5、分布式并行环境 6、多用途（论证、研发、验证、评估、训练）,二大观点：仿真科学与技术、建
3、模与仿真技术（M&S）。新趋势：先进仿真与计算（ASC）中国系统仿真学会、计算机仿真学会人员：自动控制、计算机、航天和核能源、其他国防领域占70%以上，“总装仿真技术专业组”（二炮局）科工委仿真专业组办公室（航天二院、三院）国防科大、哈工大、北航、北理工、装工院、航天二院、核九院、各兵种装备研究院、总装直属论证所、各试验基地等,系统仿真学会的专业委员会： 仿真方法与建模；系统仿真技术应用； 仿真器；航空航天系统仿真； 仿真计算机与软件；仿真算法； 虚拟技术及应用；离散系统仿真； 生命系统建模仿真；体育系统仿真； 数字娱乐仿真；教育与科普,仿真技术定义：以相似理论、模型理论、系统技术、信息技术以
4、及仿真应用领域的相关专业技术为基础，以计算机系统和仿真器为工具，利用模型对系统进行研究、分析、评估、决策并参与系统运行的一门多学科的综合性技术。技术地位：武器装备发展论证、型号研制、鉴定定型、性能评估、作战训练、编配优化、技术保障、作战使用等的不可缺少的关键支撑技术。,仿真科学与技术是以建模与仿真理论为基础，以计算机系统、物理效应设备及仿真器为工具，根据研究目标，建立并运行模型，对研究对象进行认识与改造的一门综合性、交叉性学科。 仿真学科的研究对象是已有的或设想的世界；模型是对研究对象及其包含的实体、现象、过程和工作环境的数学、物理、逻辑或语义等的抽象；仿真是基于模型的活动，利用共性或专用支撑
5、技术，建立仿真系统，对研究对象进行试验、分析、评估。仿真由三类基本活动构成，即：建立研究对象模型，构造与运行仿真系统，分析与评估仿真结果。仿真科学与技术学科是研究这三类基本活动的共性知识的一门学科。,数学科学，物理科学，计算机科学，控制科学，系统科学及各应用领域的科学,仿真质量控制理论仿真方法论相似理论,仿真应用理论,仿真系统理论,仿真建模理论,仿真科学与技术,仿真科学与技术学科的发展方向是：网络化、虚拟化、智能化、协同化、普适化。 研究的重点包括：基于现代网络技术的分布建模与仿真的研究与应用；智能系统建模及智能系统的研究与应用；综合自然环境的建模、仿真研究与应用；复杂巨系统/开放系统的建模、
6、仿真研究与应用；协同设计、建模、仿真、优化一体化技术的研究；异地、协同、多学科虚拟样机开发平台；嵌入式仿真研究与应用等。 仿真应用正向服务于系统的全寿命、全系统和管理的全方位方向迅速发展。,以仿真为基础的工程科学（SBES）,以仿真为基础的工程科学是对工程系统的计算模拟提供科学和数学基础。计算机仿真已成为有力的工具，在21世纪引领科学和工程走上革命性的道路。仿真计算将工程问题的科学理论建立数学模型并进行物理的预测，为传统的工程设计提供知识和技术，使工程师有能力预测或优化其系统。仿真计算广泛应用于电气、机械、土木、化学、航天、核、生物医学和材料科学，乃至城市设计、环境分析、油田、气象、地震、社会
7、科学、国家安全、人口发展、金融、市场等领域。,工程科学的计算和仿真是国家安全和国家竞争力的基础。当今世界，计算机仿真进入了一个新的历史时代，数学建模，计算算法，计算机速度，计算数据压缩技术达到了空前的水平。美国国家基金会（NSF）的蓝带讨论小组向NSF提交了“仿真为基础的工程科学”的建议报告。ASC计划。,航空复合材料跨尺度的仿真设计,模拟工具直接与测量装置结合进行仿真和计算机预测的实时控制。美国国家基金委支持下，开发了“动态数据驱动应用系统（DDDAS）”采用“共生反馈控制系统”将仿真和实验（或现场数据）实时相互作用，大大提高仿真工具的保真度，精确度和可靠性。DDDAS的目标是发展“能动态接
8、受和反应在线现场数据，测量和/或控制这些数据”的应用仿真。,动态模拟系统,DDDAS的基本模块包括（1）不同仿真模型分层（2）从档案和动态资源中采集数据的系统（3）结合仿真模型和数据分析预测系统行为的算法（4）用于指挥和控制数据采集和模型实证过程的算法。（5）支持模型执行，数据采集，分析预测和控制算法的软件。DDDAS把大规模数字计算与密集的数据计算、传感器、成像、网格计算和其他测量装置集成在一起。结合千万亿次的HPC和并行软件，这就是虚拟试验场！,需要专业领域的科学家、数学家和计算机科学家共事努力，任务太大，太复杂，任何机构不能独立完成。ASC计划（投资为SciDAC的十倍）的软件开发在大学
9、里建立了五个研究中心，组成开发ASC 计算科学的联盟。软件开发新范例：以定义可计算性为特征，组成任务小组，主要实践工程师将对需要突破的工程问题提出定义和模拟方法，确定试验数据界面和界面的计算任务，数学家和计算科学家将抽象的需求开发连接目标体系结构（大规模并行分布式存储计算机）的软件部件，同时进行每个算法的前沿研究。,“仿真与计算”面临的重大工程需求复杂系统研究、开发与使用；人群仿真；虚拟试验场；先进个人作战模拟器；工业化与信息化融合,两化融合六条实现途径 一、 制造业与物流业对接、联动。实现精益生产与精益物流，从而使制造业与现代服务业对接，加速供应链企业群体的发展，并将带动第三方物流产业的形成
10、，从整体上提升我国制造业的效益。 二、 加快从生产型制造向服务型制造转变。主要内容可概括为：设计、研发、管理咨询以及各类中介等制造的前端活动；围绕制造过程的下料配送、维修、检测、备件配件供应、生产线的上线物流、供应链管理、设备改造等；从单机提供到设备成套、工程总承包、交钥匙工程，以及提供整体解决方案；还包括从产品全生命周期着眼，废旧产品的回收等服务活动。三、转变生产模式、制造模式。借助于网络技术，制造企业的结构变为扁平结构，并进而实现网络制造模式，由技术集成而转为企业集成，从而减少重复建设，最大限度地有效利用社会资源。四、产品与装备中融入信息技术。不断提高信息化水平、实现产品升级换代。 产品和
11、装备实现数字化，是向国民经济各部门提供智能化工具，从而提高我国社会生产力水平、提高我国装备制造业国际竞争力。 五、设计、制造过程实现数字化。为了实现快速响应市场和生产的柔性化，制造过程(工艺)同样要自动化、数字化，在产品中融入信息技术，在设计、制造过程实现数字化的基础上，整合、集成企业内各方面的信息化，构建信息化企业，这应是制造业两化融合的一个目标和具体体现。 六、绿色制造、节能减排。绿色制造需要信息化，还要大力采用节能技术、积极开发节能产品,军用仿真技术：武器装备仿真、作战仿真（“需求牵引系统，系统带动技术，技术促进系统，系统服务于应用”）在军用领域，仿真技术已经成为一项实用性、战略性技术。
12、仿真技术具有明显的安全性、可重用性、经济性等特点，已成为武器装备发展论证、型号研制、鉴定定型、性能评估、使用训练、编配优化、技术保障等全生命周期不可缺少的关键支撑技术。现代仿真技术已嵌入武器装备运用环节和军事作战序列，已成为战略、战役、战术决策和增强武器装备战斗力的重要手段。,按照美国陆军模型与仿真管理纲要，根据仿真系统的最终用户来划分，军用仿真系统可以分为五种： 研究与开发仿真系统； 试验与评估仿真系统； 生产与后勤仿真系统； 作战分析仿真系统； 教育和训练仿真系统。,研究与开发仿真系统：包括用于武器和装备系统设计和开发的系统，也包括纯粹用于科学研究目的的仿真系统。试验与评估仿真系统：在试验
13、和评估的各个阶段用于获取试验和评估对象相关特性的仿真系统。包括：工程类、开发试验类和操作类。工程类：用于研究工程背景下与仿真对象相关的电力、物理和机械的现象开发试验类：用于仿真测试在开发过程某一环境中最终项目的功能。操作试验类：用于增强在正式操作性测试下进行的最终测试的仿真系统。,生产与后勤仿真系统：用于帮助确定后勤需求、系统生产率评估和工业基地估价的一类应用，支持军需、军运、人员保障以及物质、设备的维护。作战分析仿真系统：包括两个子类，作战支持和评价仿真系统。作战支持仿真系统：用于控制日常的作战行动，包括作战过程中战略、战术的决策支持，以及后勤和行政领域进行的决策支持过程。评价仿真系统：可分
14、为两类，作战能力与需求类，战争研究类。作战能力与需求，包括作战效能研究，武装力量结构和设计分析，费用分析，综合作战能力评估，与资源分配和资源规划有关的行动路线评估,教育和训练仿真系统：用于教室、研讨会会场或训练演习。两类最基本的教育和训练仿真系统：技能训练和演习训练仿真。演习训练仿真系统用于训练战场组织机构和参谋机构，主要训练从连到军以上作战部队的指挥员和参谋人员。对训练仿真的要求：1、真实性（系统逼真程度、实时、压力）2、公正性3、自由对抗演习4、其他：透明，远程，分项，灵活性，适应性等。,军用仿真技术发展趋势1、综合性2、快速性3、环境复杂性4、灵活性5、规范化 虚拟战场-利用虚拟现实技术
15、生成虚拟作战环境，并在保证一致性的基础上，通过计算机网络，将分布在不同地域的虚拟武器仿真平台连入该自然环境中，进行战略、战役、战术演练的仿真应用环境,美军用仿真技术的发展重点复杂、动态和自适应系统的建模与仿真能力，以评估军事战略；近年来正发展的技术主要有多重分辨率建模、基于智能体的建模、遗传算法建模、多智能体建模等建模技术。嵌入式系统的建模与仿真能力，需要新的可追踪性、向系统提供检查点的新途径，也需要新的自我监视和自我分析能力；行为建模与仿真技术，是对单个人员或人群的活动（包括心理、社会等行为）进行建模的技术。为了使预测性作战空间感知更加容易和实现决策优势，为了支持先进的指挥控制能力，为了获得
16、主宰机动、精确交战、全维防护以及聚焦后勤的全部潜能，需要利用行为建模技术等来对作战空间中敌我双方的预期行为进行建模与仿真。网络中心战的建模与仿真能力,军事游戏 近年来，美军着眼军事转型的需要，充分利用电脑游戏逼真的三维动画效果、强大的实时互动功能和特有的寓教于乐功效，把电脑游戏与教育训练有机地结合起来，作为培育新型军事人才和作战仿真的新平台，取得了良好的成效。目前，美军开发的美国陆军、全光谱战士、三角洲部队、美国海豹特遣队、使命召唤、荣誉勋章等游戏，已经成为美军培训转型人才的新平台，广泛地应用于陆军“陆地勇士”、海军“卓越特遣部队”、空军“航空航天领导者”等转型培训计划。 为了加强和规范电脑游
17、戏的开发与应用，美陆军在北卡罗来纳州组建了“陆军政府应用办公室”，成立了军方专属的“电脑游戏开发公司”；美海军也成立了“战争游戏研究实验室”；美空军更是围绕战略转型需求，积极与好莱坞和硅谷的电脑游戏商合作，联合开发了用于推进“航空航天领导者培训计划”的游戏软件。 通过电脑游戏，可以培养军队人员的装备操控技能、作战指挥能力、战役战术素养、团队协作意识、思想价值观念、语言文化认知力等。这种创新做法，已引起了英、日、俄等国军队的广泛关注，他们也相继开发出了专门用于本国军事人员培训的军用版电脑游戏。,“数字表演与仿真技术”是按照文艺表演的生产服务流程，将数字化表演与现代仿真技术相结合，从而全面提升文艺
18、演出创意、编排、演出、推广等创新能力的新型交叉学科。 存在重大需求 重大历史机遇 国内唯一 学校多学科实力 合作渠道丰富,数字表演与仿真技术,数字表演基础,表演内容建模技术,数字表演与仿真支撑技术,数字表演应用技术,学科的理论基础数字表演艺术基础数字表演技术基础数字表演特征社会学意义,仿真建模：表演空间建模技术表演实体建模技术表演行为建模技术,支撑技术：制作支撑技术实施支撑技术呈现支撑技术,应用系统：广场表演仿真技术室内表演仿真技术远程剧场技术数字表演评估技术,人才-复合；科研-交叉；平台-合作,北京奥运会开闭幕式全景式智能仿真编排系统,“倒计时”,“文字”,“太极”,“星光”,“梦想”,“仪
19、式”,国庆项目内容国庆联欢晚会数字仿真设计、编排与现场服务；国庆游行仿真设计、训练和指挥辅助系统；国庆游行20万人集结疏散仿真分析推演；国庆游行背景表演辅助训练与信息管理平台等。,“针对群众游行活动的实际需求，利用数字表演和计算机仿真等技术手段完成游行的队形队容设计、集结疏散部署及队伍行进表演的智能辅助策划，并紧密围绕方阵训练及现场指挥调度等任务建立有效的训练辅助系统和指挥保障系统，确保指挥员在训练中和活动现场能看到、能听到、能指挥到。”,48,群众游行设计训练与指挥智能仿真系统，包括：游行队列队容仿真设计系统游行方阵定位辅助系统现场视频监控辅助指挥系统数字化方阵辅助排练系统20万人集结疏散流量仿真系统,
