1.3 仿真的应用

今天仿真已经应用于几乎所有的应用领域，日益成为一门与不同专业交叉的基础技术。当前模型的开发部门既包括面向民用的大学、公司、实验室，也包括面向军事研究的作战实验室、作战训练部门和国防工业部门。在航天工业中，仿真是运载火箭、卫星、飞船等复杂大系统分析、设计、验证和操作训练的重要手段。例如，在美国的阿波罗登月计划中成功运用仿真手段，对飞船的空间飞行、月球着陆等过程进行了分析评估和训练模拟，为登月计划的成功实现提供了重要的保证。我国的“神舟”载人飞船工程中，也在飞船的轨道设计、航天员的救生逃逸系统等许多方面采用了仿真技术。

仿真在航空工业中的应用非常广泛，飞机的设计制造和驾驶训练都离不开仿真技术的支持。例如由英、法联合研制的“协和”喷气式超音速客机，在整个设计过程中均采用了计算机仿真技术，使得其研制周期缩短、研制费用下降。又如，飞行模拟器被广泛用于飞行训练，由计算机系统、六自由度运动系统、视景系统等构成的模拟驾驶装置，其成本远低于飞机及其飞行的成本，且安全性高。据统计，利用波音747飞行仿真器训练飞行员，每天按飞行20架次/小时计算，仅燃油一年就至少可以节约30万吨。

武器工业是仿真技术应用的重要领域，而且发展迅速。随着科学技术的不断发展，武器装备的高新技术含量大大增加，信息化程度不断提高。面对未来体系对体系的信息化战场环境，传统的武器装备研制方法已不能适应新形势的需要，仿真在武器装备研制的各个阶段都发挥着越来越重要的作用，各类武器装备仿真方法和仿真系统也应运而生。例如，采用不同层次的仿真方法，可以在给定的作战需求背景下，从工程研制的角度分析和评估单个武器装备（或其分系统和部件）的设计性能及与性能有关的其他技术指标；也可以在战术行动背景下分析、评估某一型号武器系统对特定目标的作战效能，或在战役行动背景下分析、评估使用多种武器系统完成特定作战任务的整体效能，乃至在战区行动条件下分析、评估协同使用多兵种武器装备完成联合作战任务的综合效能等。

仿真在核工业领域的应用非常成功。在能源日趋紧张的今天，核能备受青睐，核电站得到很大的发展和普及。但由于核电站特殊的安全性要求，其操作人员的培训不能直接在运行中的核电站上进行，只能用核电仿真器来训练操作人员，研究异常现象处理和故障排除等方法。核电仿真器的控制台操作面板与真实系统的操作面板完全一致，只是反应堆、涡轮发电机等装置的工作过程和响应输出是用计算机仿真实现的。

机械制造工业经历了从手工业到大机器再到大规模流水生产线的发展历程。柔性制造系统和计算机集成制造系统使得机械制造工业的自动化程度有了很大的提高。在自动化生产线上加工产品，其生产工艺流程安排是通过计算机仿真完成的。每个工件什么时候通过自动小车运送到机床上加工，什么时候送到哪一个缓冲站等候加工，其中存在着复杂的优化决策问题，通过计算机仿真可以寻找最佳控制方案。

此外，仿真也可以用于工程领域中某类特定系统的设计及其理论研究。例如在工业控制系统设计中大量应用计算机仿真技术，以便对控制器的性能进行验证，非线性控制系统的设计尤其依赖于仿真。在最佳控制、自适应控制、大系统分解协调等理论研究中，仿真还被用来验证理论成果的正确性。

社会、经济、军事作战等非工程领域问题有一个普遍的特点，就是系统状态的变化具有多重性和不确定性等复杂的性质，因此大都很难用解析方法求解。对于解决非工程领域中的预测、评价、优化和决策等问题，计算机仿真能够起到很大的作用。

军事作战领域历来都是仿真技术应用最活跃的领域之一。军事战略战术是否运用得当，将直接影响战役的成败甚至整个战争的结局。以往，指挥员们总是习惯在地图和沙盘上制定作战计划、指挥部队行动，而新的战术原则只能通过沙盘推演和实兵演习进行分析、设计和验证。计算机仿真的应用带来了新的变化。例如，可以利用作战仿真系统，分析战役组织的最佳兵力结构和兵力部署，研究兵力资源消耗、预备队使用、后勤支援保障等诸多问题，并通过对战役态势的权衡分析，辅助指挥员制定最佳的作战方案。利用指挥训练仿真系统，可以针对各级、各类指挥人员进行作战模拟训练。利用武器装备体系作战仿真推演系统，可以将军事作战指挥与武器装备运用有机地结合起来，对武器装备发展建设、作战运用和部队训练演习方案等进行科学的分析、论证、评估和决策，也可以对战争的胜负及武器装备的数量和作战能力需求进行合理的推算和研判。

计算机仿真在经济管理和营销决策方面有很多应用。例如世界上越来越多的商业公司开始建立其公司营销模型，用于市场预测、经营分析和策略评价等，同时也为公司业务人员培训提供支持。

计算机仿真在医学领域很有应用价值。例如在对肿瘤的放射性治疗方面，可以将肿瘤的位置、病变的程度及其他组织的相对位置输入到计算机中，通过仿真得到不同强度和不同方向照射下的各种可能结果，并且给出一个最佳的照射条件。用计算机仿真辅助进行疾病诊断和确定手术方案，既经济方便，又可以减轻患者的痛苦。

计算机仿真在通信和交通方面有着大量的应用。例如对航空公司的业务及其拥有的飞机和起落的机场进行仿真分析，可以分析、回答飞机起降时间安排、新飞机购置、新航线开辟、飞机维修保障等方面的问题。又如，对城市道路交通状况进行仿真分析，可以确定最佳的交通控制策略。再如，对电话通信系统进行仿真分析，可以确定各分局的容量及使用密度和频度，以便在最经济的水平上为顾客提供满意的服务。

计算机仿真还可用于社会、经济、生态等方面的宏观决策和政策研究。例如应用控制论的思想方法建立“系统动力学”模型，研究人口增长、环境污染、能源损耗等对社会经济的影响及其控制策略问题，辅助决策者制订规划和政策。在系统动力学仿真中，模型建立容易受到主观因素的影响，而且许多模型参数往往是通过估计和推测得到的，因此仿真结果与实际情况之间往往存在偏离，但是利用仿真结果进行一些定性的趋势分析还是有意义的。例如“世界模型”用于预测人类世界发展中的一些共同问题，模型中主要考虑了人口增长、工业发展、环境污染、资源消耗、食物供给5方面的因素及其相互制约关系，是系统动力学仿真应用的一个典型案例。