計算機模擬是指建立研究對象的數(shù)學(xué)模型或描述模型并在計算機上加以體現(xiàn)和試驗。
計算機模擬的研究對象包括各種類型的系統(tǒng)，它們的模型是指借助有關(guān)概念、變量、規(guī)則、邏輯關(guān)系、數(shù)學(xué)表達式、圖形和表格等對系統(tǒng)的一般描述。把這種數(shù)學(xué)模型或描述模型轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的計算機上可執(zhí)行的程序，給出系統(tǒng)參數(shù)、初始狀態(tài)和環(huán)境條件等輸入數(shù)據(jù)后，可在計算機上進行運算得出結(jié)果，并提供各種直觀形式的輸出，還可根據(jù)對結(jié)果的分析改變有關(guān)參數(shù)或系統(tǒng)模型的部分結(jié)構(gòu)，重新進行運算。
基本介紹
建立研究對象的數(shù)學(xué)模型或描述模型并在計算機上加以體現(xiàn)和試驗。研究對象包括各種類型的系統(tǒng)。
發(fā)展過程? 當(dāng)人們設(shè)計和構(gòu)造復(fù)雜的系統(tǒng)時，或研究自然界、人類社會中漫長的演變過程和不易重復(fù)試驗的事物時，若對研究對象本身進行試驗，從時間、人力、物力等因素考慮要付出昂貴的代價，甚至不可能進行。因此，需要制造一個模型來進行各種試驗。
為了對系統(tǒng)模擬，首先要確定或表達所要研究的系統(tǒng)。用數(shù)學(xué)模型能較方便地確定一個系統(tǒng)，全面地反映對系統(tǒng)的已有認識或需要驗證的假設(shè)，但缺乏直觀性，也不便于進行試驗。在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可進一步作出實物模型，它體現(xiàn)人們所要求的真實系統(tǒng)有關(guān)的性質(zhì)，但在形式和規(guī)模上不必與真實系統(tǒng)完全一致。用實物模型試驗比較直觀、可信，但仍不夠經(jīng)濟和方便。
可編程序的數(shù)字計算機出現(xiàn)以后，因它具有很強的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理能力，可把數(shù)學(xué)模型編制成計算機程序，提供新的、通用的試驗方法。計算機也可用于模擬與運籌有關(guān)的活動，例如，可以模擬參加競爭的雙方所采取的步驟和最終的結(jié)局。它的應(yīng)用領(lǐng)域很快就擴展到各種類型的系統(tǒng)，從規(guī)模巨大的系統(tǒng)一直到小型的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述常常非常復(fù)雜，要給出完全的解析解或精確的數(shù)值解非常困難。計算機模擬通過反復(fù)試驗，幫助人們了解系統(tǒng)的性能，檢驗預(yù)想的假設(shè)，進行系統(tǒng)分析、設(shè)計、預(yù)測或評估，還可提供相當(dāng)逼真的環(huán)境，借以培養(yǎng)和訓(xùn)練人員。計算機模擬已成為工程研制、自然學(xué)研究、經(jīng)濟和社會問題研究、教學(xué)訓(xùn)練活動、軍事研究、組織管理等許多領(lǐng)域中的一個有力的工具。
基本方法? 計算機模擬一般從形成問題到最后模型確認須經(jīng)過許多步驟。①形成問題，明確模擬的目的和要求。②盡可能收集和處理系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)。③形成數(shù)學(xué)模型，找出組成系統(tǒng)的各個部件，并描述它們在各時刻的狀態(tài)的有關(guān)變量（一般包括輸入變量、狀態(tài)變量和輸出變量）或參數(shù)；確定各部件之間相互作用和影響的規(guī)則，即這些描述變量之間的函數(shù)關(guān)系。選擇參數(shù)和變量的時候，還須考慮它們能否辨識或求解，以及模型最后是否適于根據(jù)真實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行檢驗。④根據(jù)收集的數(shù)據(jù)確定或估計模型中的參數(shù)，并選擇模型的初始狀態(tài)。⑤設(shè)計邏輯或信息的流程圖，直至編制出計算機程序。⑥程序驗證，檢驗程序與數(shù)學(xué)模型之間的一致性，以及輸入量的合理性。⑦進行模擬試驗，對給定的輸入在計算機上執(zhí)行程序。⑧結(jié)果數(shù)據(jù)分析，收集和整理試驗結(jié)果并作出解釋。必要時可改變輸入量或部分模型結(jié)構(gòu)，重新進行試驗。⑨模型確認，檢驗由模型所得的結(jié)果與真實系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)的一致性程度。這是關(guān)系到計算機模擬是否有效的關(guān)鍵問題，它依賴于對真實系統(tǒng)本身進行試驗的水平、能否獲得足夠的觀測數(shù)據(jù)和判別一致性的準(zhǔn)則。模型有效的級別可分為：重現(xiàn)有效的，即模型可重現(xiàn)真實系統(tǒng)的性能；預(yù)測有效的，即模型能有效地預(yù)測真實系統(tǒng)的未來性能；構(gòu)成有效的，即模型能反映真實系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)本身是隨時間變化的，或者具有隨機性，對真實系統(tǒng)數(shù)據(jù)和模型試驗結(jié)果的比較常常需要采用時間序列分析方法或統(tǒng)計分析的方法。
離散時間模型的模擬? 離散時間模型中的時間表示為整數(shù)序列（代表某一時間單位的整數(shù)倍），只考慮系統(tǒng)在這些時刻上的狀態(tài)變化。這種模型的一個典型模擬程序包括下列步驟：①置模擬時間T 的初始值為t0。②置狀態(tài)變量的初始值。③給出當(dāng)前模擬時間輸入變量的值后，根據(jù)模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，確定在下一時刻T=t＋h狀態(tài)變量的值。再根據(jù)模型中的輸出函數(shù)確定在該時刻輸出變量的值。 ④把模擬時間T 推進一個單位時間h。⑤檢查模擬時間T是否達到預(yù)定終止時刻。若已達到即停止；否則轉(zhuǎn)移到步驟③。
離散事件模型的模擬? 在離散事件模型中，系統(tǒng)的狀態(tài)改變只出現(xiàn)在離散的時刻，稱為離散事件。以排隊系統(tǒng)為例，建立這種模擬模型的基本步驟和方法是：①確定系統(tǒng)中包含的所有有關(guān)的“實體”及其屬性，系統(tǒng)狀態(tài)改變的一切“事件”及其前因后果。實體是系統(tǒng)的組成部件，每個實體的屬性由表示其性質(zhì)的數(shù)值表示，構(gòu)成系統(tǒng)的狀態(tài)。在排隊系統(tǒng)中最基本的實體是一定數(shù)量的“服務(wù)站”和要求服務(wù)的“顧客”，它們的屬性分別為“服務(wù)站”的“服務(wù)速率”和“顧客”的服務(wù)優(yōu)先級、到達服務(wù)系統(tǒng)的時刻等。基本的“事件”包括：新實體進入系統(tǒng)或現(xiàn)有實體離開系統(tǒng)、實體屬性發(fā)生變化、調(diào)度的時刻表變化等。②確定模擬時間推移的方法。如果把時間按等間隔劃分，順序考察在這些時刻系統(tǒng)是否出現(xiàn)事件，稱為固定時距方法；如果時間每次推移的長度以下一次事件發(fā)生的時刻為依據(jù)，稱為可變時距方法或“下一事件”方法。③由于系統(tǒng)中事件的出現(xiàn)常具有隨機性，服從一定的概率分布，因而在計算機上需要產(chǎn)生這些分布的隨機數(shù)。④為了靈活有效地記錄系統(tǒng)的狀態(tài)，進行事件的調(diào)度，積累有關(guān)性能數(shù)據(jù)并形成報表，保存和自動管理未來事件文件，在程序設(shè)計中采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)非常適宜。
連續(xù)系統(tǒng)模擬? 狀態(tài)隨時間連續(xù)地發(fā)生變化的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)，狀態(tài)變化的速率滿足一定的微分方程。在計算機上建立對應(yīng)的模擬模型，有賴于求解微分方程的有效的數(shù)值方法，并編制成標(biāo)準(zhǔn)子程序，以便能使用各種方程階數(shù)、系數(shù)、初值條件或邊值條件。對包含反饋和控制的系統(tǒng)的模擬是這種類型的典型例子。
模擬語言? 編制模擬程序時可采用匯編語言、通用編程語言（如Fortran，ALGOL等），還可采用各種模擬語言。計算機模擬語言是一種高級的描述系統(tǒng)模型的編程語言，它提供表示系統(tǒng)模型中許多基本單元、部件和調(diào)度操作的模塊。用戶用它可較方便地確定模型的基本結(jié)構(gòu)，只要再添加一些輔助的程序就可編出模擬程序。
模擬語言一般是在別的通用編程語言的基礎(chǔ)上建立的，它需要自己的編譯程序進行預(yù)編譯，把模擬語言程序轉(zhuǎn)換成通用編程語言程序，再經(jīng)過一次編譯，轉(zhuǎn)換成計算機上可執(zhí)行程序。模擬語言能減輕用戶的程序工作，但也不可避免地帶來一些限制，消耗更多的內(nèi)存和運算時間。
模擬語言可分為離散事件模擬語言（如GPSS及其各種改型、SIMSCRIPT、GASD、CSL、simula等）和連續(xù)系統(tǒng)模擬語言（如 DARE、ACSL、層疊樣式表、CSSL等）兩大類型。對于各種應(yīng)用領(lǐng)域還有專用的模擬語言。
計算機模擬與計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展關(guān)系非常密切。為便于建立模型和進行模型的有效性檢驗，人們企圖使模擬模型在時間和空間上與真正的系統(tǒng)有一定程度的相似關(guān)系。在模擬過程中，希望能方便地改變參數(shù)甚至改變模型的結(jié)構(gòu)，并能通過鍵盤命令隨時輸出數(shù)據(jù)和圖表。因此，計算機模擬要求計算機有很強的并行處理能力，有較高的運算速度，有人機交互能力和便于使用的模擬語言。
參考書目
G. Gordon, System Simulation,Prentice Hall,Englewood Cliffs, New Jersey, 1978.
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