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数字孪生基础技术—建模仿真技术(Modeling and Simulation Technology)

_“利用数学的方法解决实际问题的第一步是将描述这些问题的数学模型建立起来。在建模过程中,或多或少地需要通过一些简化假设,忽略掉部分细节。而问题关键在于,被忽略的细节对于实际问题来说是否真的无关紧要。一…

_“利用数学的方法解决实际问题的第一步是将描述这些问题的数学模型建立起来。在建模过程中,或多或少地需要通过一些简化假设,忽略掉部分细节。而问题关键在于,被忽略的细节对于实际问题来说是否真的无关紧要。一个被过分简化的模型并无法很好地描述真实的问题,因此,即使对模型的求解是正确无误的,所求的结果也无法很好地解释实际问题。为防止这种情况的发生,必须对建立的模型进行验证——通过建立的模型推导出一系列的结果,然后将这些模型预计的结果与实际试验的观测数据进行比较,从而完成模型验证。”_[《贝叶斯可靠性》P11,国防工业出版社]

数字孪生的技术基础之一,其中就包括建模仿真技术。

模型大致可以分三类:

1)物理模型------指不以人的意志为转移的客观存在实体(如船舶模型,机床模型等)。

2)形式化模型------用某种规范表示方法建立的,对客观事物或过程一种表达,如数学模型。

3)仿真模型-----指依据形式化模型,用仿真语言转化为计算机可以 实施的模型。

模型建立都会有一套规范的建模体系,包括模型描述的语言(如数学就是建模语言)、模型描述方法和模型构建的方法。

建模是通过对实际系统观测和监测,在忽略次要因素和不可监测变量的基础上,用规范的表示方法进行描述,从而获得实际系统的简化的近视模型。

仿真(Simulation)就是建立系统模型并在模型上进行实验。模型包含数学模型,物理模型或数学物理模型。模拟就是选取一物理的或者抽象的系统的某些行为特征,用另一个系统来表示它们的过程。仿真用一数据处理系统,主要是用硬件来全部或部分模仿某一数据处理系统,使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。因此,在计算机上建立真实系统的模型并进行分析的过程,称为计算机模拟,亦就是大家所说计算机仿真。

所以,仿真是建立在相似理论、控制理论、模型理论、信息处理技术和计算机技术等理论的基础之上,以计算机和其他专用的物理效应设备及仿真器为工具,利用系统模型对真实的或假想的系统进行实验,并借助专家的经验知识、统计数据和资料对实验结果进行分析研究并作出决策的一门综合性、多学科和实验性的学科。

仿真主要研究计算机程序的实现与模型之间的关系,其程序能为计算机所接受并在计算机上运行。仿真研究就是把建立好的形式化模型放在计算机上运行求解。

仿真建模(仿真模型)就是把数学模型转化为计算机可以理解的模型,以及依据计算机语言和计算机运算的特点进行重新构造模型。依据仿真模型利用计算语言编写程序,再把编写好计算机程序在计算机上进行求解,并用数字或者图形等方式来表示结果,这就是计算机仿真的计算过程。

建模是仿真的基础,仿真是建模的目的。

仿真建模方法:静态建模和动态建模;连续建模和离散建模:随机性建模和确定性建模;系统动力学建模等方法。方法选择要根据所需模拟的系统以及建模的目的来决定。

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