1.2 仿真的类型

“模型”一词会使人联想起不同的概念。人们可能会联想起一个飞机、汽车或舰船模型，这些模型一般由不同的部件装配起来，并可能喷涂不同的颜色；有些人可能会记起电影中军事演习或作战计划分析使用的地形沙盘；甚至有人可能联想起时装表演中的模特。在仿真中存在许多关于模型的不同描述和定义。美国国防部DoD 5000.59指令中在建模与仿真管理部分将模型定义为：一个模型是一个系统、现象或过程的物理、数学或逻辑的表示。而仿真是：模型随时间运行的实现方法；采用真实系统或由模型再现的概念系统支持测试、分析或训练的技术。仿真的基本特点是：要有一个对象系统，要有一个或一组模型，要在模型上做试验以获取所需的数据结果。由此可见，系统、模型、试验是仿真研究的基本要素，任何包含系统、模型和试验的科学活动，都可称之为仿真。系统是仿真的对象和问题的本源，试验是解决问题、达到研究目的的手段，而模型则是连接系统和试验（问题和手段）的桥梁。一般仿真类型可以根据仿真研究的基本要素进行分类。任何仿真都必须达到一定的研究目的，所以可以将仿真的定义补充为：根据研究目的，建立系统模型，并在模型上进行试验，从而更深入地认识系统并发现系统运行规律的过程。

根据仿真所用模型的性质，可以将仿真分为物理仿真（Physical Model）、数学仿真（Mathematical Model）和数学-物理混合仿真。物理仿真形象、直观、逼真，但仿真的代价较大；数学仿真的特点是经济、方便、灵活；数学-物理混合仿真将数学模型与系统的部分实物混合使用，也称为半实物仿真或硬件在回路仿真。类似地，也可以将用于控制、制导、导航等用途的计算机软件接入数学仿真回路，以测试这些软件在系统环境中的正确性，这就是软件在回路仿真。如果将驾驶员、飞行员、航天员或者其他装置的操作人员接入仿真回路进行操纵试验或训练，就形成人在回路仿真。将实物、软件或人员接入仿真回路后，一般会对仿真提出实时性要求。

根据仿真所用计算机的性质，可以将仿真分为模拟仿真（Analog Simulation）、数字仿真（Digital Simulation）和模拟-数字混合仿真。模拟仿真基于数学相似原理，仿真的工具是模拟计算机；模拟仿真的特点是直观、运算速度快，但精度较差。数字仿真基于数值计算原理，仿真的工具是数字计算机和软件；数字仿真自动化程度高，具有复杂逻辑判断能力，而且结果的精度相对较高。模拟-数字混合仿真将模拟仿真和数字仿真相结合，仿真的工具是混合计算机系统，这种混合仿真兼备模拟仿真和数字仿真的优点，可以快速地进行多次仿真研究，因此特别适用于参数寻优、统计分析等方面的应用，尤其是在复杂系统的实时仿真方面体现出较大的优越性。

根据被仿真系统的性质，可以将仿真分为连续系统仿真（Continuous System）、离散事件系统仿真（Discrete Event System）、连续与离散事件混合系统仿真。很多工程系统以连续系统为主要特征，其模型主要用描述物理、化学、生物等方面变化规律的数学关系来表达。反之，很多非工程系统以离散事件系统为主要特征，其模型主要用描述实体、事件、行为及其逻辑和时序关系的流程图及必要的数学公式和形式化描述规范来表达。需要指出的是，大量的系统以连续与离散事件混合的形式存在，其仿真方法是上述两种方法的有机结合，并且可以建立统一的描述规范。1992年，美国国防科学委员会根据仿真试验特点定义了如表1.1所示的模型和仿真的类型。

表1.1 模型和仿真的类型

其中模拟仿真系统包含各类计算机仿真模型、与作战有关的各种模型及各种仿真分析工具。武器装备论证、研究和作战运用中需要使用不同层次的、大量的模拟仿真模型，下至描述武器装备或其部件功能的单元工程模型，上至描述大型战役的集成模型。低层次的模拟仿真可以用于详细的工程设计和费用估算，以及系统和子系统的性能计算。高层次的模拟仿真可用于获取作战信息，分析、评估作战任务需求或后勤保障需求。模拟仿真可以在与人交互的情况下运行，也可以不与人交互。在前一种情况下，仿真常以作战模拟的形式出现，可用于军事人员训练或战术、条令研究。在后一种情况下，仿真常以性能/效能仿真的形式出现，可用于计算具有一定统计置信度的评估结果。

虚拟仿真通常是指在虚拟环境中进行的人在回路仿真。典型的人在回路仿真系统有三维虚拟仿真器、联网仿真器系统等。在虚拟仿真中，被仿真系统可以包括硬件，但其运行要受计算机仿真结果的驱动。例如，在武器系统训练模拟器中可以包含一个近乎真实的操作室，里面放置各种修正装置、显示设备和操作仪表盘。计算机生成的合成虚拟环境显示在操作人员前面的屏幕上，并反映在显示设备和操作仪表盘上。武器平台的运动受动力学仿真模型的驱动，仿真过程中发出的各种声响直接录自实际声源。在虚拟仿真环境中，操作人员看到的、感受到的和所做的与实际情况一样，从而产生一种沉浸感。在进行实战演习、试验或演练之前，人在回路中的仿真可以为军事人员提供一个训练平台。将多种武器系统模拟器互连，可以检验多武器平台之间的互联能力，支持战术和作战条令研究。虚拟仿真也为研制过程中武器系统硬件和软件的评估提供了强有力的支持。

实拟仿真是由实际的战斗人员操作使用实际的武器装备，在接近实际的作战环境中进行的武器装备试验和作战演练。实拟仿真系统与试验靶场配套使用，可以采集武器装备（系统）及其指挥控制软件在作战使用环境中的实际性能数据。与使用部队和现役武器装备在实战环境条件进行实战演习相比，实拟仿真更容易进行，并且耗费和损失较少；尽管如此，实拟仿真也要耗费大量人力、物理和财力，并花费大量的时间。从实拟仿真中采集的数据，可以用于评估未来武器装备的实战性能和作战使用原则，也有助于对用于武器装备虚拟管理的模型和仿真系统的结果进行确认和验证。在进行实拟仿真之前，可以先进行模拟仿真或虚拟仿真，对实拟仿真的试验或演练计划、方案和人员进行先期演练，发现需要研究的关键问题，实拟仿真可以印证虚拟仿真形成的重要结论，多武器平台实拟仿真还可以对武器装备之间的实际交互能力和互操作性进行更为客观的评价。

另外，依据不同模型的表示方法或采用的模型设计方法，也可以将仿真分为多种类型。由于不同的模型设计方法与仿真算法相关，而且这种基于模型设计方法的分类也是本书的重点，相关介绍请参照1.6节。仿真读者也不必执著于上述的仿真分类方法，因为不同类型的模型和仿真应用之间的界限正变得越来越模糊，人们谈到的仿真和模型通常也是跨越多种类型的混合仿真。