吳興華

仿真是一種模仿行為,是將所研究的對(duì)象用其他手段進(jìn)行模仿的一種技術(shù).當(dāng)采用這種方法研究問(wèn)題時(shí),并不直接研究對(duì)象本身,而是先設(shè)計(jì)一個(gè)與研究對(duì)象相似的模型,然后通過(guò)模型來(lái)間接地研究對(duì)象。早在幾千年前,我國(guó)就有了系統(tǒng)仿真的思想,因此,軍事演習(xí)就是對(duì)實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程的模仿或仿真。

在建筑工程領(lǐng)域中,仿真的應(yīng)用由來(lái)已久且很廣泛。例如,古代的房屋屋頂多為桁架結(jié)構(gòu),為了滿足桁架結(jié)構(gòu)幾何形狀的要求,桁架中的每一根木料都要有確定的長(zhǎng)度要求。如何確定每根木料的長(zhǎng)度,對(duì)現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)這是非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題。但在古代科學(xué)尚不發(fā)達(dá)的情況下,解決的辦法是在地面上按實(shí)際尺寸的一定比例模擬制作一個(gè)屋頂,量出模擬屋頂上的一根木料的長(zhǎng)度,再按比例放大,即可得到實(shí)際木料所需的長(zhǎng)度。這是一個(gè)很典型的構(gòu)造模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)從而獲得系統(tǒng)特性的仿真實(shí)例。

物理仿真具有形象、直觀、便于類(lèi)比等優(yōu)點(diǎn),但由于其本質(zhì)上是用實(shí)物仿真,因而存在著速度慢、精度低、價(jià)格昂貴等致命弱點(diǎn)。如果這種仿真實(shí)驗(yàn)是破壞性的,那么每次仿真實(shí)驗(yàn)都要重新構(gòu)造實(shí)物模型,帶來(lái)很大的麻煩和浪費(fèi)。自從20世紀(jì)50年代以來(lái),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真理論與方法的發(fā)展,出現(xiàn)了一種新的科學(xué)方法——計(jì)算機(jī)仿真,把仿真技術(shù)推向了一個(gè)新的階段.

所謂系統(tǒng)仿真是根據(jù)研究的系統(tǒng)構(gòu)造一個(gè)能描述真實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為的、用邏輯流程圖的形式表示的仿真模型,然后用計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行仿真模型,模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行及其隨時(shí)間變化的過(guò)程,并通過(guò)對(duì)仿真運(yùn)行過(guò)程的觀察和統(tǒng)計(jì),得到被仿真系統(tǒng)的參數(shù)和基本特性,以此來(lái)測(cè)算實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和性能。例如某城市擬興建一個(gè)賓館,為了預(yù)測(cè)投資回收期,可對(duì)賓館建成后的經(jīng)營(yíng)條件建立相應(yīng)的仿真模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行,得到賓館實(shí)際經(jīng)營(yíng)的各項(xiàng)指標(biāo)和年稅利,從而預(yù)測(cè)出投資回收期,為有關(guān)部門(mén)提供投資興建的決策依據(jù)。

計(jì)算機(jī)仿真目前已在工程技術(shù)、科學(xué)試驗(yàn)、生產(chǎn)管理、軍事領(lǐng)域、財(cái)政金融甚至社會(huì)科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)仿真所以能得到越來(lái)越多的應(yīng)用,主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.對(duì)于復(fù)雜的、具有多個(gè)隨機(jī)因素的系統(tǒng),要用數(shù)學(xué)模型來(lái)作精確的描述往往是十分困難的.或者雖然能建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,但無(wú)法求解。但系統(tǒng)仿真則可以根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系,面向系統(tǒng)的實(shí)際過(guò)程和系統(tǒng)行為構(gòu)造仿真模型,從而能得到復(fù)雜隨機(jī)系統(tǒng)的解.這是系統(tǒng)仿真能得到廣泛應(yīng)用的最基本原因。

2.能模擬運(yùn)行無(wú)法實(shí)施的問(wèn)題。實(shí)際中有許多問(wèn)題無(wú)法通過(guò)付諸實(shí)施來(lái)進(jìn)行研究,如預(yù)測(cè)問(wèn)題就是這一類(lèi)問(wèn)題的代表性例子。如前述,要預(yù)測(cè)擬建賓館的投資回收期,我們無(wú)法對(duì)尚未興建的賓館實(shí)際經(jīng)營(yíng)一段時(shí)間,來(lái)取得確定投資回收期的有關(guān)參數(shù).但我們可以參考已建類(lèi)似賓館經(jīng)營(yíng)情況,建立一個(gè)仿真模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)行,獲得確定投資回收期的各項(xiàng)參數(shù)而預(yù)測(cè)出投資回收期。又如要研究某地區(qū)發(fā)生某地震烈度的地震時(shí),對(duì)建筑物的破壞程度等,也可以用計(jì)算機(jī)仿真地震烈度、仿真人工地震波來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)建筑物的影響.

3.可以進(jìn)行大量方案的比較和選優(yōu)。在一項(xiàng)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,由于各種設(shè)計(jì)參數(shù)的變化,會(huì)存在大量的備選方案,若用人工方法把全部方案都算出來(lái)進(jìn)行比較,其工作量之大將是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

4.可模擬有危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)象.在建筑業(yè)中主要有兩類(lèi)風(fēng)險(xiǎn),一類(lèi)是技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),如要延長(zhǎng)某建筑物的使用期限,風(fēng)險(xiǎn)有多大,另一類(lèi)是經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn),如工程項(xiàng)目的投資風(fēng)險(xiǎn)、工程投標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)、國(guó)際工程索賠風(fēng)險(xiǎn)等等.對(duì)一項(xiàng)大型工程項(xiàng)目的投資,一旦失敗,將會(huì)遭到巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)這一類(lèi)問(wèn)題,可構(gòu)造系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行仿真試驗(yàn),然后作出決策。在西方國(guó)家用計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行投資風(fēng)險(xiǎn)分析,已得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。

5.可模擬無(wú)法重復(fù)的現(xiàn)象。大型建設(shè)工程項(xiàng)目,如港口、鐵路、機(jī)場(chǎng)等,一旦建成后,若發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題,要再改建或重建,需花費(fèi)大量人力物力.對(duì)這類(lèi)問(wèn)題可用計(jì)算機(jī)仿真,使無(wú)法重復(fù)的現(xiàn)象在計(jì)算機(jī)上反復(fù)地重演,從而避免不可挽回的損失。

6.可模擬成本過(guò)高的現(xiàn)象。一個(gè)新產(chǎn)品的研制,往往要做大量的試驗(yàn)。建筑工程中設(shè)計(jì)一個(gè)新的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要做很多破壞試驗(yàn).如為研究一個(gè)新型結(jié)構(gòu)而做的抗震性能試驗(yàn),其工作量是很大的。如用計(jì)算機(jī)仿真去代替某些物理試驗(yàn),將會(huì)節(jié)省大量人力物力。

7.系統(tǒng)仿真直接面向問(wèn)題的特點(diǎn),使仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)具有形式上和內(nèi)容上的對(duì)應(yīng)性和直觀性,避免了建立抽象的數(shù)學(xué)模型,從而顯著簡(jiǎn)化了建模過(guò)程。

利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),敵我雙方不費(fèi)一槍一彈,可以展開(kāi)一場(chǎng)激烈的“戰(zhàn)斗”。房屋建造起來(lái)以前就可以使其經(jīng)受地震的考驗(yàn),一個(gè)賓館興建前就可以讓其經(jīng)營(yíng)一段未來(lái)的時(shí)間而預(yù)知年稅利有多少,建筑工程項(xiàng)目中標(biāo)后能預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)有多大等等。利用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),投資少、周期短.據(jù)統(tǒng)計(jì)可節(jié)省產(chǎn)品研制費(fèi)用40%左右,可縮短產(chǎn)品研制周期30%～40%。

仿真技術(shù)也并非無(wú)所不能,十全十美。從數(shù)學(xué)的角度看,計(jì)算機(jī)仿真是一種沒(méi)有辦法的辦法.如果某個(gè)問(wèn)題或系統(tǒng)能夠應(yīng)用解析的數(shù)學(xué)方法構(gòu)造出數(shù)學(xué)模型,那也就沒(méi)有必要應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真,而且仿真技術(shù)還存在一些固有的缺點(diǎn):1.系統(tǒng)仿真本身不具有優(yōu)化功能,每次仿真實(shí)驗(yàn)只能得出一個(gè)可行解,如要獲得問(wèn)題的最優(yōu)解或滿意解,往往要做多次仿真實(shí)驗(yàn),具有枚舉法的弱點(diǎn)。2.系統(tǒng)仿真往往需要對(duì)仿真模型進(jìn)行大量獨(dú)立、重復(fù)的仿真運(yùn)行,需要占用較大的內(nèi)存和耗費(fèi)較多機(jī)時(shí)。3.仿真構(gòu)模是直接面向問(wèn)題的建模過(guò)程,對(duì)于同一個(gè)實(shí)際問(wèn)題,由于構(gòu)模人員素質(zhì)的差異或?qū)?wèn)題的了解和理解不同,會(huì)構(gòu)造出不同的仿真模型,其仿真結(jié)果自然也就不同。

以上缺點(diǎn)雖然是仿真本身的性質(zhì)所造成的,但是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)(包括硬件和軟件)的發(fā)展和系統(tǒng)仿真理論的深入研究,這些問(wèn)題將得到不同程度的改善。隨著計(jì)算機(jī)內(nèi)存的擴(kuò)展和運(yùn)算速度的加快,仿真需用機(jī)時(shí)將會(huì)減少到可以接受的程度.由于近年來(lái)大量?jī)?yōu)秀仿真軟件相繼開(kāi)發(fā),把系統(tǒng)仿真與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)化軟件已經(jīng)出現(xiàn),從而可以在仿真的環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理.此外,由于仿真理論的發(fā)展,在仿真模型代表性方面,近年來(lái)已從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度提出了仿真模型確認(rèn)理論,從而使仿真模型從非精確性逐步向精確性過(guò)渡?！?/p>

(編輯/丹桔)