第1章 基本概念

1.1 建模与仿真

1.1.1 基本定义

1.仿真模型

仿真模型是研究对象在仿真空间中的映射，是对研究对象的一种近似表示。该研究对象可以是一个实体、现象或过程，表示的方法可以是数学模型、物理模型、逻辑模型、语义或其他。它本质上是对真实世界的近似，同时也是对研究对象的简化描述，通常仅需考虑研究对象中与研究目标相关的方面。仿真模型依据仿真研究目标，从某些方面反映研究对象的特性，一般不是全部特性。当研究目的改变后，同一研究对象需建立不同的模型。

由于仿真试验和仿真分析工作主要围绕模型展开，因此，仿真模型是建模与仿真技术研究的核心，也是仿真系统有效运行的关键。

人们心目中的理想模型是该模型能够适应所有的应用领域和应用问题，而实际上只有所研究的系统本身才能达到这种要求。有些建模人员在仿真研究中追求高分辨率模型，希望建立的模型越细越好，这样与实际研究对象的行为越接近，得出的仿真结论也越可信。如果包含全部属性，一是工作量太大；二是没必要；三是干扰分析（如较多的维数要求大量的额外运算），经常出现次要因素干扰主要因素的现象。

2.仿真

2007年，美国国防部给出了仿真的定义：仿真是以模型为基础，模拟真实世界过程或系统随时间的运行，以进行管理或技术决策。仿真通常利用共性或专用支撑技术，建立仿真应用系统，对研究对象进行实验、分析、评估。

2014年，中国仿真学会也给出了仿真的定义：仿真又称模拟，指基于模型的活动，即利用模型来复现实际系统中发生的某些本质过程，并通过对系统模型的实验来研究、分析、改进实际中存在或设计中的系统。

在本书中，仿真是指综合应用多种类型的仿真资源（包括实兵实装、模拟器、数学模型等）进行模拟实验，依据特定的研究目标和想定输入，反映或再现研究对象行为或过程的实验技术，是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法，目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据，反映物理世界的特性和参数。

建模与仿真的基本过程如图1-1所示。通常而言，实物实验不是仿真，因为没有模型；解析计算也不是仿真，因为没有实验。从实际应用的角度来看，依据相似原理，建立真实研究对象（或其一部分）的模型，并将其（或与真实研究对象的其他部分一起）实现为一个系统，基于该系统进行实验研究/训练体验，这个过程就是仿真。

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。

3.仿真的地位

“系统仿真”与“理论研究”和“科学实验”并称为三大认识和改造世界的工具，在社会经济和国防军事等众多领域得到越来越广泛的应用。仿真已成为人类认识与改造世界的重要方法，在国民经济和国家安全中发挥着重要的作用。

早在2005年，美国国会众议院就成立了国会建模与仿真专门小组（Congressional Modeling and Simulation Caucus），核心小组大约有40名成员。美国国会众议院于2007年6月通过第487号决议，宣布“建模仿真”为“国家核心技术”（National Critical Technology）。2018年，美国将“建模仿真”纳入新修订的《美国高等教育法》（Higher Education Act of 1965）。

仿真的重要性集中体现在以下三个方面：

（1）建模与仿真是科学研究与工程实践的重要方法。建模与仿真技术极大地拓展了人类认识和改造客观世界的能力。它可以不受时空的限制，观察和研究已发生或尚未发生的现象及在各种假想条件下现象发生和发展的过程。建模与仿真技术可以深入一般科学及人类生理活动难以到达的宏观或微观世界进行研究和探索，从而为人类认识世界和改造世界提供全新的方法和手段。

（2）建模与仿真具有普适性及广泛且重大的应用需求。建模与仿真技术与应用领域紧密结合，几乎应用于当今社会的各行各业。在工业、农业、国防、商业、经济、社会服务和娱乐等众多领域，仿真在系统论证、试验、设计、分析、维护、人员训练等应用层次成为重要的科学技术。

（3）建模与仿真技术将对科技发展起到重大推动作用。随着建模与仿真理论体系的完善、技术体系的深入、应用的推广，与高性能计算技术相结合，仿真科学与技术解决各行业领域问题的能力日益增强，将对科技发展产生革命性的影响。

从军事领域的角度出发，仿真的地位与作用主要体现在以下两个方面：

（1）仿真是战斗力生成的必由之路。目前，世界军事强国都在探索使用建模与仿真技术来有力、有效地全面支持军事管理与作战模拟。从广义上来看，除战争之外的一切军事活动都是仿真，仿真贯穿军事领域的方方面面。

（2）仿真是着眼未来的超前智能较量。从实验室中学习战争、从未来中学习战争已经成为军事理论研究的重要手段。虚拟战争和虚拟战例已经成为和平时期产生和验证未来军事理论的重要手段，是提升军队战斗力、国防建设、军事改革重大决策过程中必不可少的环节。