段偉

1．國(guó)防科技大學(xué)軍事計(jì)算實(shí)驗(yàn)與平行系統(tǒng)技術(shù)研究中心 湖南 長(zhǎng)沙410073 2.國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院仿真系湖南長(zhǎng)沙410073

仿真科學(xué)與技術(shù)是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具,根據(jù)研究目標(biāo),建立并運(yùn)行模型,對(duì)已有的或設(shè)想的研究對(duì)象進(jìn)行認(rèn)識(shí)與改造的一門(mén)綜合性、交叉性學(xué)科[1].多年來(lái),仿真技術(shù)已經(jīng)在國(guó)防與軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)管理、工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域得以應(yīng)用,主要支撐系統(tǒng)概念研究,系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試與評(píng)估,系統(tǒng)分析與預(yù)測(cè),系統(tǒng)操作人員培訓(xùn)等方面的研究與應(yīng)用.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仿真技術(shù)也發(fā)展出了多種技術(shù)形態(tài)和計(jì)算模式,包括: 分布交互仿真、網(wǎng)格仿真、并行仿真、云仿真等,為滿(mǎn)足不同時(shí)代仿真應(yīng)用需求提供了解決方法.

然而,由于復(fù)雜系統(tǒng)具有不確定性、自適應(yīng)性,以及動(dòng)態(tài)演化機(jī)理,使得建模與仿真方法始終缺乏對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行精確描述的能力,即使相當(dāng)精細(xì)的系統(tǒng)仿真模型仍然不能正確地預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的行為.例如:隨著實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行,系統(tǒng)的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生了自適應(yīng)變化,使得預(yù)先定義的仿真模型、參數(shù)與實(shí)際系統(tǒng)的誤差不斷積累和擴(kuò)大.在這種情況下,面向復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真研究對(duì)仿真技術(shù)提出了更高要求,即實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)互動(dòng),通過(guò)數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)模型、參數(shù)的實(shí)時(shí)更新,從而實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的協(xié)同演化.復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真要求將仿真系統(tǒng)嵌入到實(shí)際系統(tǒng)中,參與和控制實(shí)際系統(tǒng)的執(zhí)行,從而將仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)有機(jī)高效地結(jié)合起來(lái).

1 平行仿真的發(fā)展歷程

平行仿真方法中要求仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程是相互平行的,且兩者之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互,以及協(xié)同演化和相互控制,而不再是傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的串行化執(zhí)行.平行仿真是平行系統(tǒng)方法在仿真學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用,也是對(duì)仿真技術(shù)的一種擴(kuò)展.在仿真技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,存在與平行仿真相似的技術(shù)方法,包括: 平行系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模仿真、數(shù)字孿生、在線(xiàn)仿真、共生仿真等.

1.1 平行系統(tǒng)

平行系統(tǒng)(Parallel Systems)的構(gòu)想起源于1994年智能系統(tǒng)的研究[2].王飛躍提出嵌入式協(xié)同仿真方法,即將協(xié)同仿真(Co-Simulation) 嵌入到實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的智能控制,并將其命名為影子系統(tǒng)(Shadow Systems)[2].2004年王飛躍思考復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域中的人工現(xiàn)象問(wèn)題[3],例如:人工生命、人工系統(tǒng)、人工社會(huì),并強(qiáng)調(diào)“虛” 空間的重要作用,同時(shí)從不同層面的理論、方法與應(yīng)用展開(kāi)了復(fù)雜系統(tǒng)與人工社會(huì)相互交叉融合的系統(tǒng)性研究[4],并開(kāi)展了基于人工社會(huì)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)理論與仿真研究[5],提出了利用平行系統(tǒng)方法解決復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制問(wèn)題[6].同年,王飛躍就如何利用計(jì)算方法來(lái)綜合解決復(fù)雜社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和城市綜合發(fā)展的科學(xué)問(wèn)題,正式提出了人工社會(huì)（Artificial Societies）、計(jì)算實(shí)驗(yàn)（Computational Experiments）與平行執(zhí)行（Parallel Execution）相結(jié)合的ACP 方法[7?8],系統(tǒng)闡述了這一方法的指導(dǎo)思想、基礎(chǔ)原理、應(yīng)用方向和解決方案,以解決復(fù)雜系統(tǒng)中不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、難以拆分還原、無(wú)法重復(fù)實(shí)驗(yàn)等復(fù)雜性問(wèn)題[9].ACP 方法的思想在于首先通過(guò)數(shù)據(jù)、算法、模型等在虛空間中構(gòu)建人工系統(tǒng);然后將人工系統(tǒng)作為虛空間的實(shí)驗(yàn)室,在其中采用計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法研究各種可能的現(xiàn)實(shí)情景,對(duì)影響復(fù)雜系統(tǒng)行為的各種可能因素進(jìn)行定量分析; 最后,通過(guò)多種數(shù)據(jù)感知與數(shù)據(jù)同化方法實(shí)現(xiàn)人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行,實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù),更新人工系統(tǒng)的模型、參數(shù)、算法,確保人工系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,并通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)分析支持實(shí)際系統(tǒng)的優(yōu)化管理與控制.平行系統(tǒng)的思想與方法已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得以研究和應(yīng)用,例如平行智能交通系統(tǒng)、平行應(yīng)急管理系統(tǒng),以及平行軍事體系的研討和應(yīng)用[10?13].

1.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用系統(tǒng)

2000年在Frederica Darema 的倡導(dǎo)下美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委舉行了一次專(zhuān)題學(xué)術(shù)討論會(huì),正式確立動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)概念,提出了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容,對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)的研究全面展開(kāi)[14].動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)是一種全新的系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測(cè)量模式,旨在將系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)測(cè)量有機(jī)結(jié)合起來(lái),使得系統(tǒng)應(yīng)用可以在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)地從系統(tǒng)測(cè)量中接收數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)[15].相反,系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果可以用來(lái)動(dòng)態(tài)地控制實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行,指導(dǎo)測(cè)量過(guò)程.應(yīng)用和測(cè)量之間構(gòu)成了一個(gè)相互協(xié)作的動(dòng)態(tài)反饋控制系統(tǒng).

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真[16]是一種辨識(shí)性的建模與適應(yīng)性的仿真方法,基于研究對(duì)象的所有數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法揭示實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)在行為規(guī)律,支撐建模過(guò)程,在仿真啟動(dòng)時(shí)使用實(shí)際數(shù)據(jù)初始化模型和參數(shù),或者動(dòng)態(tài)注入到仿真執(zhí)行過(guò)程中,以實(shí)現(xiàn)仿真的自動(dòng)化運(yùn)行、模型參數(shù)的校核、增強(qiáng)仿真結(jié)果可靠性.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真從數(shù)據(jù)時(shí)效性區(qū)分,可劃分為:靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模仿真和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模仿真.靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真是指在建模前或者仿真啟動(dòng)執(zhí)行時(shí),使用歷史數(shù)據(jù)來(lái)支持建模，以及對(duì)仿真模型和參數(shù)進(jìn)行初始化.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真是指根據(jù)建模與仿真需求，動(dòng)態(tài)地將數(shù)據(jù)注入到建模仿真過(guò)程,實(shí)現(xiàn)模型、參數(shù)的實(shí)時(shí)演化.

1.3 共生仿真

2002年Richard Fujimoto 等提出了共生仿真系統(tǒng)(Symbiotic Simulation System) 的概念: 共生仿真系統(tǒng)是一種與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行交互的仿真系統(tǒng)[17].共生仿真系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性,不僅可以執(zhí)行“What-if”實(shí)驗(yàn)分析,以控制物理系統(tǒng),而且可以接收物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)[18].物理系統(tǒng)可以獲得仿真優(yōu)化分析的執(zhí)行策略.仿真系統(tǒng)可以通過(guò)不斷注入的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)校核仿真模型參數(shù)和仿真結(jié)果.通過(guò)測(cè)量物理系統(tǒng)獲得最新數(shù)據(jù),控制模塊根據(jù)測(cè)量信息來(lái)決策,執(zhí)行多樣本的“What-if” 實(shí)驗(yàn).多樣本的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出到分析模塊,并選擇最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)樣本,指導(dǎo)物理系統(tǒng)的行為執(zhí)行.物理系統(tǒng)的行為執(zhí)行效果再通過(guò)測(cè)量反饋到控制模塊,以此不斷循環(huán)反饋控制,以?xún)?yōu)化物理系統(tǒng)行為[19].

1.4 數(shù)字孿生

2002年美國(guó)密西根大學(xué)教授Michael Grieves 首次提出了數(shù)字孿生的概念,通過(guò)物理設(shè)備數(shù)據(jù),在虛擬空間構(gòu)建一個(gè)可以表征物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng),并且兩者之間的聯(lián)系不是單向的和靜態(tài)的,而是與整個(gè)物理設(shè)備的生命周期都聯(lián)系在一起[20?21].由于當(dāng)時(shí)數(shù)字化技術(shù)有限,數(shù)字孿生的概念僅停留在物理設(shè)備的表征階段,沒(méi)有得到進(jìn)一步的應(yīng)用.最近5年,物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛發(fā)展和應(yīng)用,并擴(kuò)展到物理設(shè)備的全生命周期.目前，數(shù)字孿生的思想主要應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，例如：飛機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修保障的全生命周期,同時(shí)也延伸到城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理，例如數(shù)字孿生城市.

1.5 在線(xiàn)仿真

在線(xiàn)仿真旨在將仿真系統(tǒng)嵌入到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的在線(xiàn)運(yùn)行,與實(shí)際系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互,輔助實(shí)時(shí)在線(xiàn)決策[22?23].典型的應(yīng)用有: 2007年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提出的“深綠(Deep Green)” 計(jì)劃,將仿真系統(tǒng)嵌入到指揮控制系統(tǒng),支持作戰(zhàn)行動(dòng)的在線(xiàn)仿真評(píng)估分析,提高指揮員的作戰(zhàn)指揮能力[24].深綠計(jì)劃由“指揮員助手”、“閃電戰(zhàn)” 和“水晶球”3 個(gè)子系統(tǒng)組成.指揮員助手是深綠的人機(jī)接口,將指揮員的意圖和行動(dòng)草圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)行動(dòng)(Courses of Action,COA).閃電戰(zhàn)是深綠的仿真系統(tǒng),對(duì)可能的未來(lái)態(tài)勢(shì)進(jìn)行快速仿真,預(yù)測(cè)可能的結(jié)果范圍.水晶球是深綠的控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)收集各種計(jì)劃方案、更新戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、控制快速仿真運(yùn)行,剪裁未來(lái)態(tài)勢(shì)圖中的部分態(tài)勢(shì),推薦額外生成COA 的未來(lái)態(tài)勢(shì)[25?26].

深綠計(jì)劃使得仿真評(píng)估分析對(duì)作戰(zhàn)決策的支持模式,從基于仿真的離線(xiàn)作戰(zhàn)決策向基于仿真的在線(xiàn)作戰(zhàn)決策轉(zhuǎn)變[27].

2 平行仿真的內(nèi)涵

平行仿真是將仿真系統(tǒng)作為人工系統(tǒng),與實(shí)際系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行、虛實(shí)互動(dòng)、共同演化發(fā)展,及相互控制的一種仿真技術(shù)應(yīng)用方法.平行仿真以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)建模、參數(shù)估計(jì)、傳感器、數(shù)據(jù)同化算法、自適應(yīng)建模等技術(shù)方法為實(shí)現(xiàn)途徑,要求仿真系統(tǒng)不再與實(shí)際系統(tǒng)串行執(zhí)行,而是將仿真系統(tǒng)嵌入到實(shí)際系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的平行執(zhí)行.

平行仿真與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模仿真在含義和方法上具有一定相似性,但是平行仿真強(qiáng)調(diào)與實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程相結(jié)合,要求實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)注入,并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新仿真系統(tǒng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)模型和參數(shù)的演化調(diào)整.

平行仿真的作用在于提高建模仿真的可靠性.由于復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化,預(yù)先定義的模型和參數(shù)難于準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的狀態(tài)和行為.由于仿真模型的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行以及系統(tǒng)狀態(tài)的變化,模型和參數(shù)不斷積累誤差,因此,難于有效預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài),甚至可能偏離實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行軌跡,而造成錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)和判斷.通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,對(duì)模型和參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新,可以矯正仿真系統(tǒng)狀態(tài),以提高建模仿真的可靠性.

2.1 仿真系統(tǒng)與平行系統(tǒng)

目前仿真學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者和工程師普遍認(rèn)為平行系統(tǒng)就是仿真系統(tǒng),兩者的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)方法沒(méi)有明顯的區(qū)別.實(shí)際上,仿真系統(tǒng)和平行系統(tǒng)并非同一層次的兩個(gè)概念.

平行系統(tǒng)方法是人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)與平行執(zhí)行的一體化集成,強(qiáng)調(diào)人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)互動(dòng),協(xié)同演化.在概念上,仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)人工系統(tǒng),屬于人工系統(tǒng)的一種類(lèi)型.而人工系統(tǒng)的構(gòu)成不僅限于仿真系統(tǒng),還可以采用數(shù)學(xué)方程、運(yùn)籌算法、規(guī)劃算法、統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)等來(lái)構(gòu)建人工系統(tǒng).同理,在概念上,仿真對(duì)應(yīng)于計(jì)算實(shí)驗(yàn).當(dāng)采用仿真系統(tǒng)構(gòu)建人工系統(tǒng)時(shí),計(jì)算實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括仿真運(yùn)行或者仿真推演; 當(dāng)采用數(shù)學(xué)方程、運(yùn)籌算法、規(guī)劃算法、統(tǒng)計(jì)模型等構(gòu)建人工系統(tǒng)時(shí),計(jì)算實(shí)驗(yàn)可能是數(shù)學(xué)解析、算法尋優(yōu)、解空間搜索、模式匹配等計(jì)算過(guò)程.此外,平行系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)人工系統(tǒng)和實(shí)際系統(tǒng)的虛實(shí)互動(dòng)和協(xié)同演化,注重從實(shí)際系統(tǒng)中測(cè)量系統(tǒng)狀態(tài),采集數(shù)據(jù),并反饋到人工系統(tǒng)中更新系統(tǒng)狀態(tài)、模型和參數(shù),使得人工系統(tǒng)基于實(shí)際系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)開(kāi)展計(jì)算,提高對(duì)實(shí)際系統(tǒng)行為預(yù)測(cè)的正確性.

2.2 平行仿真框架

圖1 平行仿真方法框架

平行仿真方法的框架通常包括仿真系統(tǒng)、實(shí)際系統(tǒng)、測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)處理模塊,如圖1所示.測(cè)量功能模塊通過(guò)各種測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法,例如:傳感器組網(wǎng)等,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)、事件、活動(dòng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè),獲取測(cè)量數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)處理模塊接收測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,例如數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)同化,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為仿真系統(tǒng)可理解和接入的知識(shí).仿真系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)更新系統(tǒng)狀態(tài)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模型和參數(shù),同時(shí)根據(jù)仿真運(yùn)行或仿真推演需求,可向測(cè)量模塊提出數(shù)據(jù)采集和測(cè)量需求,控制傳感器獲取所需數(shù)據(jù).另外,仿真運(yùn)行和仿真推演的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可提供給實(shí)際系統(tǒng),支撐實(shí)際系統(tǒng)的管理控制決策輔助.

3 平行仿真的應(yīng)用

2015年平行仿真方法出現(xiàn)于部分學(xué)術(shù)期刊研究論文中[28],到目前僅有國(guó)內(nèi)少部分科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展平行仿真的研究和應(yīng)用,主要包括: 中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十八研究所信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇自動(dòng)化研究所、軍械工程學(xué)院、北京航天自動(dòng)控制研究所等單位.

信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要將平行仿真方法應(yīng)用到指揮與控制決策輔助系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)嵌入指揮控制系統(tǒng),在線(xiàn)仿真決策輔助[29?33].周芳等采用情報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法,研究了平行仿真方法中仿真實(shí)體動(dòng)態(tài)生成以及實(shí)體模型動(dòng)態(tài)匹配方法,對(duì)平行仿真具體實(shí)現(xiàn)方法開(kāi)展了探索研究[30?31].方冰等將平行仿真應(yīng)用于城市交通系統(tǒng)決策支持平臺(tái)[32].此外,江蘇自動(dòng)化研究所竇林濤等提出了平行仿真推演系統(tǒng)框架,并討論了實(shí)現(xiàn)平行仿真的關(guān)鍵技術(shù)[33].軍械裝備學(xué)院葛承壟將平行仿真方法應(yīng)用到裝備仿真和裝備保障,研究了裝備仿真和裝備保障的平行仿真方法基本理論和關(guān)鍵技術(shù)[34?36].

仿真學(xué)科領(lǐng)域的很多科研工作雖然沒(méi)有直接提出平行仿真方法,但是其采用的思想和方法與平行仿真方法相似,例如:動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真方法、在線(xiàn)仿真等[37?38].目前人們雖然開(kāi)展了平行仿真技術(shù)的應(yīng)用研究,但是部分學(xué)術(shù)論文對(duì)平行仿真的概念和內(nèi)涵并沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí),尤其混淆了平行仿真和平行系統(tǒng)的概念[39].平行仿真方法的發(fā)展還需要進(jìn)一步深刻理解其概念,更需要探索和研究其具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和方法.平行仿真方法的未來(lái)發(fā)展面臨具體以下幾方面的難題.

3.1 實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集

實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)測(cè)量和數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)平行仿真的一個(gè)重要步驟.傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)采用靜態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模與仿真方法,而沒(méi)有采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的建模仿真,與實(shí)際系統(tǒng)是串行化執(zhí)行的.除了系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用需求沒(méi)有達(dá)到之外,還包括實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集沒(méi)有得到很好的解決.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,實(shí)際系統(tǒng)的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集能力得到了提升,但是部分情況下依然存在仿真系統(tǒng)難于獲得實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的支持,例如:由于研發(fā)單位與應(yīng)用單位的協(xié)調(diào)問(wèn)題使得數(shù)據(jù)難于流通.

3.2 實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)注入

在獲得實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)之后,使用測(cè)量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模和仿真運(yùn)行,是實(shí)現(xiàn)平行仿真的關(guān)鍵一步.解決該問(wèn)題需要首先根據(jù)具體的模型、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等仿真系統(tǒng)特性來(lái)分析和設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)用和接入方法;其次需要采用數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化等技術(shù)和算法,例如:卡爾曼濾波算法、粒子濾波算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化建模、參數(shù)估計(jì)、數(shù)據(jù)擬合等.

4 結(jié)論

從仿真學(xué)科的發(fā)展出發(fā),論述了復(fù)雜系統(tǒng)研究對(duì)建模與仿真技術(shù)的嵌入式、虛實(shí)互動(dòng)、協(xié)同演化、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等更高需求,從而引出平行仿真方法的概念.從平行系統(tǒng),到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、共生仿真、數(shù)字孿生、在線(xiàn)仿真等整個(gè)過(guò)程論述平行仿真的由來(lái)、發(fā)展歷程.最后論述了平行仿真的應(yīng)用及其未來(lái)發(fā)展面臨的難題.

致謝

感謝中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王飛躍教授在論文研究中給予的研討和指導(dǎo).感謝王曉、李強(qiáng)在仿真系統(tǒng)與平行系統(tǒng)的關(guān)系和區(qū)別方面的研討和幫助.