仿真科学与技术篇1

【关键词】 仿真技术 高技术 产业化 知识经济

引言

尽管仿真技术已经很快发展,但在若干问题上仍然存在不同的见解。

比如,有人说仿真技术是要花费很多钱,所以它的成果只是荣誉性的。这种看法与当今把每台核电站仿真机以1000多万美金,飞机仿真机以1500~2000万美金的价格从美国、加拿大引进到中国的现实相矛盾,也具体说明了仿真技术的成果仍然形成了一个高价位的高科技产品和产业。

又如,有人说在市场经济的环境里,仿真技术的产值搞不大,相关的市场在萎缩;也有人认为仿真技术是21世纪战略性技术,仿真技术肯定会大发展。

当前,一场以高技术为中心的新的科技革命正在蓬勃发展,对整个社会经济发展将产生重大影响。世界的经济向知识(智力)经济过渡,信息技术迅猛发展与知识经济来临之际,对仿真技术将有什么作用,仿真技术将会有什么地位,如何迎接机遇,都应尽快考虑,这是业界的大事。

鉴于上述,作者经过几年的反复观察、研究、分析和思考写下本文。

1. 从仿真技术定义变化中考查

自从仿真概念出现以来,仿真的定义随着技术和应用的发展不断深化。

比如,牛津英文字典中初期的仿真定义是:"To imitate conditions of situation with a model for convenience or training"。后来变为:"The technique of imitating the

behavior of some situation or system (economic, mechanical, etc.) by means of an analogous model,

situation, or apparatus, either to gain information more conveniently or to train personnel"。

1993年7月,国内在《火炬计划基本概念及相关名词术语解释》中,对仿真技术作了很详细的定义,见参考文献[7]。关于仿真技术的定义,到目前为止,就很难用简单的语言描述。国内外学者从不同角度作了描述,可归纳如下几点:

仿真技术是出自对系统的研究,是通过用系统模型对真实系统或设计中的系统进行试验,以达到分析、研究和设计该系统的目的;

仿真技术是以计算机为基础,计算机能力提高了,仿真技术水平也提高,使之有能力去描述更复杂的系统;

仿真技术随需求发展,提出了大量共同性的理论、方法和技术问题,致使仿真逐步形成了一门独立的学科;

仿真技术已成为计算机应用的一个重要的领域;

仿真技术应用范围十分广泛,无孔不入的一门综合性学科,已广泛应用于航空、航天、通信、船舶、交通运输、军事、化工、生物 、医学、社会经济系统等自然科学与社会科学的各个领域,其重要性已广为人知;

仿真技术用于揭示已知对象和未知对象的内在特性、分系统之间的关系和运作规律,以研究已知和预测未知;

仿真技术是高技术领域中的关键技术之一。

2. 仿真技术主要研究的内容和成果分析

2.1 仿真技术主要研究的内容

仿真技术虽是计算机应用的一个重要的领域,但也有其自身作为一门专有技术的研究内容,有问题和难点,也有发展方向和规律,形成了仿真技术的主体技术。这些技术又在广泛而丰富的需求中深化和发展。仿真技术的研究内容最少应包括总体技术、仿真支撑软件技术与工具、建模技术和应用技术,表1归纳了这些仿真技术的研究内容:

表1:仿真技术的研究内容 总体技术 ①学科的理论研究;②仿真技术的发展与开拓;③仿真技术与支撑技术的关系;④系统的分析与划分;⑤仿真技术在信息技术和产业中的地位研究;⑥大型仿真系统研究

仿真支撑软件技术与工具 ①支撑软件理论与方法;②仿真支撑软件技术;③面向对象支撑技术;④面向各项领域的共性工具软件;⑤专用的工具软件;⑥软件系统结构;⑦实时数据库

建模技术 ①仿真对象与系统分析;②建模理论与方法;③仿真算法与语言;④验证方法与标准

应用技术 ①应用领域开拓研究;②应用软件系统;③应用的相关技术;④应用系统实现方法

2.2 从仿真技术的成果分析

近几年来,国内外仿真技术领域取得了丰硕的成果,体现出重大的社会效益和经济效益。主要的成果例举如下:

2.2.1 仿真支撑系统的发展

70年代末,国际上一些国家在实现仿真技术产业化过程中,强化了仿真支持系统的概念。因此,仿真支撑系统已经不仅是仿真领域关键的技术之一,而且是"解放"仿真系统开发者和使用者的最重要手段。它不仅赋予仿真系统以生命力,同时也是实现仿真技术产业化的基础。在应用过程中,它是实现仿真目标和解决问题的概括和总结,它支撑了仿真系统的整个生命周期,包括对仿真对象分析、仿真模型的表达、仿真模型的生成和运行、仿真过程的调试和修改、实时运行、仿真数据的存储、恢复及跨平台的联合运行。因此,近几年来,国内外已经十分重视对仿真支撑系统的研究,也出现了不少成果。从科技进步角度来分析,主要表现为:

(1)开放性和构件概念,包括:构件命名服务(Component Name Services)、构 件对象服务(Component Object Services)等为构件客户服务。

(2)提供通用数据表示方法,让集成工具之间共享信息。

(3)支撑范围扩大,表示在支撑仿真应用在网络上的实现。

(4)支撑多媒体技术的应用,使仿真系统的人机界面得以改善。

2.2.2 面向对象的仿真技术

近十几年来,面向对象仿真(Object Oriented Simulation,简称OOS)研究、开 发和应用有很大的进展,在广泛的领域里,各种各样的模型是由OOS语言(或称编程工具)和开发环境中出现。由于OOS为系统建模提供了灵活的方法,它的基本

特性使之不同于传统的仿真方法,而且适用于大型的更为复杂更分散的仿真系统,以及基于网络的仿真系统。而且,支撑OOS的工具已不少实现商品化了。例如:

(1)由于国际间多国合作的出现,对共享仿真环境的需求扩大,网络仿真技术被用在基于共享的仿真环境,如虚拟工厂教学系统,它允许学生单独工作或组成虚拟的队、建造工厂、预测产品需求、计划生产、制定日程进度等

(2)面向对象仿真在处理复杂系统模型时,是一个极好的工具。将这类模型分成几个子模型,做到仿真程序结构与真实系统结构相似。如解决互相联系的异步电动机组的仿真控制问题等。

3. 仿真技术应用领域的快速扩大

近几年世界上应用仿真技术去解决科技、生产、社会各方面问题的事例层出不穷,使仿真技术的应用能力拓展,渗透性增加,无处不在,无孔不入。例举几项:

(1)仿真技术在工业系统的多种应用取得了巨大的社会和经济效益;

(2)利用仿真技术来模拟人们不断增加对海港、船舶的到达方式,海港运作方式的变化需求,用于实现海港现代化管理或新建海港选择和投资考察;

(3)应用质量工程及仿真提高巨型计算机系统的性能。性能评估在计算机的设计、开发、配置、调节中是一个重要环节,应用质量工程和仿真技术来提高巨型计算机系统性能;

(4)应用仿真技术,开展语言系统研究,取得重要成果;

(5)仿真技术在制造业中应用和发展近几年来在国内也取得很好的成果,仿真技术在制造业的应用是从产品设计到制造,以至测试维护的整个生命周期中,计算机仿真技术贯穿始终;

(6)虚拟现实技术的应用范围扩大。它在医疗领域中开始应用,虚拟教学、虚拟会议系统等取得一定效果,虚拟现实技术与娱乐的结合更有广泛市场。

4. 从软科学技术发展展望仿真技术的作为

软科学技术是为管理和决策服务的科学技术,或者可以定义为帮助人更直接、有效、全面和系统地使用迅速发展的各类科学技术知识,并进行科学管理和科学决策的科学。从软科学技术的应用性表现来说,如果说科学的研究是基础研究的话,软科学技术则是应用研究,产生的专家系统则是技术开发。

医学和工程领域管理决策的专家系统的研究成果几年后将被投入使用。例如美国许多大公司都开始用人软件,帮助做许多种经营工作。这意味着类似"仿真脑"的系列产品将要出现,仿真技术在管理和决策方面的应用将推向各个领域。在仿真各种管理与决策系统的过程中,仿真技术将快速发展,产业化的步伐将加快。

软科学技术是有前途的。在人类知识每5年翻一番的情况下,任何人如果不*电脑处理事务,也就是说不*"看不见的头",是无法妥善、有效处理的。如果说软科学技术会成为21世纪的先导和骨干高科技,推动软科学技术发展的仿真技术也是分析复杂问题,提示相互关系,仿真人脑管理和决策的骨干高科技之一。5. 仿真技术发展的特点和趋势

近几年,以计算机技术、通讯技术与传感技术为主导的信息技术的飞快发展,为仿真技术的发展进入一个崭新的环境打下了良好基础。仿真技术的发展将出现新概念、新应用和新的地位。由目前发展情况分析,有如下值得注意的特点:

(1)仿真技术是一门独立的学科,但它离不开计算机技术。只要计算机技术在飞快地发展,仿真技术就一定随之快速发展;

(2)仿真技术作为信息技术族内的成员,它不仅自身发展快,而且与信息技术各项发展结合也快,它们永远面对新问题、组织新技术、形成新的系统工程。因此,仿真技术是不断研究新现象、分析新规律、揭示相关系统、找出解决方法的强有力工具;

(3)在知识经济来临、知识管理的形成和发展中,仿真技术是最好的工具。它将被更多人了解和掌握。美国很多大公司开始用"人软件"代替人类做多种经营工作。预计类同"仿真脑"系列的产品将会被成批生产,用以代替人们进行管理和决策;

(4)仿真技术的应用领域越来越广,在信息技术发展中,将出现独特的地位;

(5)目前,在全世界软件产业快速进展的环境中,仿真支撑软件,各种工具软件(包括专用仿真语言),乃至于通用的应用软件、商品化的周期缩短;

(6)面向对象的技术和应用发展较快,一方面推动仿真概念变化,另一方面适应复杂、非线性应用的能力增大;

(7)由于网络技术的发展,为异地、异国应用提供了可能,将对仿真技术提出新的挑战,也推动了发展。预计仿真技术和网络技术的结合,将出现新的概念,并扩大应用范围;

(8)仿真技术在培训领域中已有了丰硕的成果,比如:核电站、飞机的仿真机等都是培训所必需的仿真系统产品。

6. 知识经济的特征和仿真技术的地位

人类在经历了漫长的农业经济、工业经济时代后,正迎接着知识经济时代的来临。1997年,人们第一次提出知识经济的概念,大家认为它是建筑在知识和信息基础上的经济;以知识和信息的生产、分配和使用为直接依据的经济;知识是提高生产率和实现经济增长的驱动器。国内外学者对此也有各种说法。如:知识经济是以智力资源的占有、配置,以科学技术为主的知识生产、分配和使用为最重要因素的经济。又如:知识经济所要表述的是一种新的复杂的经济状态,它是指以现代科学技术为核心,建立在知识和信息的生产、存储、使用和消费之上的经济。它有丰富的内涵和明显的特征。只有通过对其内涵和特征的分析并与仿真技术及其应用、产业化社会效益、经济效益比较,才能充分看到仿真技术在知识经济环境中的地位。

(1) 知识经济特征与仿真技术特点的切合。

(2) 仿真技术是推动知识经济发展的关键技术。

(3) 仿真技术及其应用,形成知识产品和服务,以及产业化的效益推动知识经济的增长。

7. 结论

通过考察和分析,我们看到知识经济时代的来临给仿真业界带来了新的挑战和机遇,仿真技术将因自身的特点而在知识经济环境中快速发展,反之也推动知识经济的发展。仿真技术与软科学及其它相关技术的结合将加快高附加值产品的产业化进程,给整个社会带来新的经济增长点,仿真技术大有可为。

参考文献

[1] 游景玉,实时仿真技术及其应用,珠海出版社,1997年

[2] 游景玉,论文"论仿真技术及其产业化", 珠海出版社,1999年

[3] 游景玉 吴芳辉,论文"仿真支撑系统技术的研究与发展",珠海出版社,1999年

[4] 游景玉 吴芳辉,论文"新世纪仿真技术展望", 珠海出版社,1999年

[5] 游景玉,论文"论仿真技术在高技术发展中的地位", 珠海出版社,1999年

[6] 游景玉 周维长,论文"输运网络系统的仿真与应用", 珠海出版社,1999年

仿真科学与技术篇2

［关键词］仿真理论 仿真技术 仿真应用

随着计算机科学技术的高速发展，系统仿真技术和计算机技术紧密的融合在一起。目前，有的高校采用多媒体技术和虚拟现实技术进行系统仿真的教学。

仿真技术是利用计算机并通过建立模型进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点，是利用模型对系统进行研究的一门多学科综合性技术。

现代仿真技术的发展是与控制工程、系统工程及计算机技术的发展密切相关联的。控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机技术则为仿真提供了强有力的手段和工具。因此，计算机仿真在仿真中占有越来越重要的地位。

一、仿真学科的理论体系

1.相似理论

相似理论是研究事物之间相似规律及其应用的科学，是仿真科学的基本理论。其基本内容包括相似定义、相似定理、相似类型和相似方法。

2.模型论

模型论是以各应用领域内的科学理论为基础，建立符合仿真应用要求的、通用的、各领域专用的各种模型的理论和方法。

3.仿真系统理论

研究和论述构建符合应用需求的仿真系统理论和技术。包括仿真系统的体系结构和构成，仿真系统的设计及其公共关键技术，仿真系统的研制和运用仿真系统的规范、标准等。

4.仿真方法论

结合各应用领域的不同要求，研究仿真基本思想和方法，包括定量仿真方法和理论、面向对象仿真方法；智能仿真方法等。

5.仿真的可信性理论

表述仿真过程及结果评价、控制的概念和方法的基本理论、研究仿真环境和真实环境的相似性理论和方法，研究提高仿真可信性的各种方法、技术和规范。

6.仿真科学和技术的应用理论

论述仿真运行实验设计、仿真管理、仿真过程的可视化、仿真及其结果综合分析的理论。

二、几种主要的仿真技术

1. 仿真建模

仿真建模是一门建立仿真模型并进行仿真实验的技术。建模活动是在忽略次要因素及不可测量变量的基础上，用物理或数学的方法对实际系统进行描述，从而获得实际系统的简化或近似反映。

2.面向对象的仿真

面向对象仿真是当前仿真研究领域中最引人关注的研究方向之一，面向对象仿真就是将面向对象的方法应用到计算机仿真领域中，以产生面向对象的仿真系统。

3.智能仿真

智能仿真是把以知识为核心、人类思维行为作背景的智能技术引入整个建模与仿真过程，构造智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能与仿真技术的集成化。仿真技术与人工智能技术的结合，即所谓的智能化仿真；仿真模型中知识的表达。

4.虚拟现实技术

虚拟现实技术是现代仿真技术的一个重要研究领域，是在综合仿真技术、计算机图形技术、传感技术等多种学科技术的基础之上发展起来的，其核心是建模与仿真，通过建立模型，对人、物、环境及其相互关系进行本质的描述，并在计算机上实现。

5.分布仿真技术

分布仿真技术作为仿真技术的最新发展成果，它在高层体系结构上(HLA，high level architecture)，建立了一个在广泛的应用领域内分布在不同地域上的各种仿真系统之间实现互操作和重用的框架及规范。HLA的基本思想就是使用面向对象的方法设计，开发及实现系统不同层次和粒度的对象模型，来获得仿真部件和仿真系统高层次上的互操作性与可重用性。

三、仿真的一般步骤

仿真过程的三个主要活动是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”，而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中：系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型进行实验来达到研究的目的。

要对一个系统或对象实施计算机仿真，首先必须把握系统的基本特征，抓住主要的因素，引入必要的参量，提出合理的假设，进行科学的抽象，分析各参量间的相互关系，选择恰当的数学工具，然后在此基础上建立相应的数学模型。仿真建模的过程是在已有的一些先验知识的基础上，试探地写出研究对象所满足的或近似满足的数学规律，再结合实际的研究目的，对猜测性的数学关系进行反复修改和优化，从而得到既符合客观实际又易于在计算机上实现的数学模型。

四、仿真技术的应用及发展

仿真技术来自于军事领域，但它不仅用于军事领域，在许多非军事领域也到了广泛的应用。例如：在军事领域中的训练仿真；商业领域中的商业活动预测、决策、规划、评估；工业领域中的工业系统规划、研制、评估及模拟训练；农业领域中的农业系统规划、研制、评估，灾情预报、环境保护；在交通领域中的驾驶模拟训练和交通管理中的应用；医学领域中的临床诊断及医用图像识别等。

随着现代信息技术的高速发展，仿真技术也得到了飞速的发展，在军用和民用领域中更深更广的应用也促进了仿真技术的进步。分布仿真技术作为仿真技术发展的最新成果，在国民经济建设和国防建设中发挥了更大的作用。目前，国际上许多国家在“仿真是迄今为止最有效的综合集成方法，是推动科技进步的战略性技术”这一观点上已达成了共识。21世纪仿真技术的研究与应用将取得更大的发展。

参考文献:

［1]贾连兴:仿真技术与软件[M].北京:国防国业出版社,2006

［2]康凤举:现代仿真技术与应用[M].北京:国防国业出版社,2006

［3]周明:计算机仿真原理及其应用[M].武汉:华中理工大学出版社,2005

仿真科学与技术篇3

（一）计算机仿真技术的基本概念。

计算机仿真技术，是使用计算机技术和数学建模理论，以及相关的应用性工具共同建构的仿真性系统应用模型，并在一定的实验检验环境下，实现对已经建立的模型之综合性检验的实用技术。依照计算机设备的具体类型状况展开分析，可以将现有的计算机仿真技术划分为：模拟仿真、数字仿真，以及混合仿真三个基本的类型。伴随着当代计算机科学技术的客观发展，以及计算机设备在运算速度与运算能力方面的提升，建立在数字化技术背景下计算机仿真技术，已经对传统模式下的原始仿真技术模式是实现了较为完全的实质性替代，这种新式的仿真技术易于运作与修改。计算精度高且速度快，实验结果较为可靠等特征。

（二）计算机仿真技术的基本应用流程

第一，对问题进行描述。透过开展目标问题的描述实践，切实明确计算机仿真技术的对象、目的，以及相关的基础性要求，之后依照教学研究工作的目的和实践需求，具体确定计算机仿真技术的规模特征，以及约制条件。第二，初步建立原始化数学模型。数学模型是针对某种特定的事物系统或者是数量关系对象，使用规范化的数学语言，实现对数学结构的近似化或者是概括化描述目标。计算机仿真技术是一种基于模型技术的全新技术，其模型建构的准确性对仿真检验结果的准确性具有重要影响。第三，建构仿真系统数学模型。在原有的数学模型的建制基础上，引入计算机辅助科学技术模块，对之前已经建制完成的模型进行有针对性地补充完善，这个过程也可以简略性地描述为二次建模。第四，开展编程和调试行为。要将仿真技术系统前期建制过程中形成的数学模型，进行具体的编程和相应的调试行为。第五，进行仿真实验。应用计算机仿真技术系统，开展之前设定的实验内容，进而得到预期的实验结果。第六，对实验结果进行相应的验证。通过反复开展仿真实验，对已经建制的模型进行验证以及修正，实现对仿真技术应用模型的预期建设目标。

二、计算机仿真技术在体育学科实践领域的应用

（一）计算机仿真技术在当代体育学科教学中的应用。

伴随着现代多媒体技术的深化发展，这项实践技术在理论教学工作中的应用，有效实现了对课堂教学内容的丰富，以及对对象学生群体学习兴趣的有效激发，要逐步帮助学生加强对复杂知识项目的理解能力，切实实现教学质量实践水平的有效提升。与此同时，在现行的体育课程的教学实践过程中，在目前阶段，绝大多数的教师往往都是使用示范的模式来开展对教学内容的讲解，但是，伴随着教师年龄的增长，以及教师在体育运动技战术水平掌握层面的客观差别，有时可能很难在教学训练实践中，顺利完成对体育运动技战术知识的讲授，以及训练实践目标，在一定的考量角度上，不利于学生体育课程学习成绩的有效提高。在这样的背景下，我们可以逐步开展可视化仿真技术，以及多媒体仿真技术的开发实践，可以针对具体的体育运动项目，制定有针对性的仿真模拟化的运动过程技战术软件，之后指令学生在模拟化的运动环境中开展相应的教学与训练环节，有效实现学生成绩水平的有效提升。

（二）计算机仿真技术在开展运动训练指导实践中的应用。

计算机图形学本身具备着极其广阔的客观性应用范围，它在较大的程度上，能够实现对某些重要的系统，或者是重要的现象的模拟与仿真实践。将系统化的数学模型转换成系统化的仿真模型，之后，再依照计算机辅助程序获取到数学模型的解，以及相关的数据结果，并在科学的运作程序背景下，实现对已经获取到的数据对象的分析，以及验证目标，最大限度地，使用数据科学技术对运动员的技战术实践行为，进行科学化的实践指导。

结束语

当代计算机科学技术发展背景下产生的模拟仿真技术，想要在体育科目教学工作的开展进程中取得预期效果，就必须对相关技术的使用规程进行仔细的研究，以及充分地遵循，进而顺利实现预期实践目标。

仿真科学与技术篇4

计算机仿真主要是利用计算机技术和应用领域有关的专业技术，通过建立研究系统的数学模型，进而在计算机上对系统进行实验分析和研究的一门技术。因此，该门课程是一门解决实际问题、实践性强的课程。目前，大部分院校对该门课程的讲授主要围绕计算机仿真的概念、方法和技术来开展的，而在系统分析、系统建模、仿真计算、仿真结果分析等方面的讲解还存在薄弱环节。从教学内容来看，主要存在重理论分析，轻仿真实验；从教学过程来看，还存在重课堂教学，轻实践环节的现象。为此，应加强计算机仿真技术课程实验教学方法的研究，突出系统仿真建模分析实验，建立仿真实验的内容体系，强化仿真实验过程管理，以达到提高学生在计算机仿真技术领域的运用能力。仿真实验的内涵就是针对仿真实验对象，建立仿真实验模型，利用计算机技术，在计算机上开展仿真运算与结果分析的一种实践活动。单纯的课堂理论教学一般缺乏主动获取知识的能力，缺乏对所学知识的深入思考和实际动手能力的培养，缺乏发现问题、灵活运用已有知识解决实际问题的能力。而实验环节能在很大程度上弥补这种教学方式的不足，尤其是计算机仿真技术这门课程，具有系统针对性强与实际结合紧密的特点。因此，在计算机仿真技术课程的教学过程中，重视仿真实验课程建设，加强学生实验环节的教学和训练，已经成为本门课程改革和创新的一个重要内容。

1仿真技术实验课程的目的、分类及特点

计算机仿真实验课是掌握计算机仿真技术和仿真技能培养的重要环节，是开展科学实验、科学研究和工程应用领域能力培养的重要课程之一。开展计算机仿真实验课程改革，需要从实验内容设置、实验教学管理、实验课程评价等几方面入手，以达到实验课程提高学生实践能力和创新能力的目标。计算机仿真技术的教学内容通常分为连续系统仿真和离散系统仿真两个方面，因此，仿真技术实验可分为连续系统仿真实验和离散系统仿真实验。另一方面，按照仿真的作用和目的来分，仿真技术实验领域也可分为三种形式。一是系统设计仿真实验，即对尚不存在的假象系统开展仿真实验。通过仿真实验，来观察系统设计的各项性能参数。二是仿真对象的系统分析仿真实验，即对已有系统进行仿真实验。针对存在的已有系统，构建系统模型，通过仿真实验以观察和分析系统，来了解和掌握系统的变化规律。三是系统模拟训练仿真实验，利用现代虚拟现实技术或半实物仿真技术，构建训练系统的操作训练模型和模拟训练仿真环境，为系统的操作人员提供模拟训练的实验平台。根据仿真技术实验的目的结合计算机仿真技术课程要求，仿真技术实验课程具有以下特点：一是系统实验对象的针对性。仿真实验必须针对某个具体的对象或系统开展仿真实验活动。如一个控制系统的仿真实验，应从该系统的数学模型入手，明确数学模型中各参数的含义和参数之间的物理关系，以此开展仿真实验才具有针对性，而不能笼统地给出一个仿真计算的式子，不加分析就开始进行仿真计算。二是仿真实验模型的有效性。仿真实验模型是仿真实验系统的一种抽象，与实验系统和内容结合紧密，学生应从掌握仿真系统原理的基础上，建立有效的、可计算的仿真实验模型，以便开展仿真实验教学活动。三是仿真实验过程的完整性。仿真实验过程包括系统建模、仿真建模和仿真实验等过程。从仿真实验对象或系统入手，对仿真实验目的，建立仿真实验系统的数学模型，利用掌握的仿真软件或熟知的仿真实验环境，将数学模型转换成仿真计算模型，开展仿真实验，最后对仿真实验与仿真结果进行处理分析。四是仿真实验环境的可操作性。仿真实验依赖于仿真环境与仿真软件，不同的系统、不同的仿真模型，需要在不同的仿真环境下进行。仿真实验环境与仿真软件，有通用计算机程序设计语言，如C++、VB等；有数学计算能力较强应用软件，如Matlab；有针对离散事件系统仿真软件，如GPSS。还有针对不同领域的专业性仿真软件，如流体工程仿真计算软件Fluent，机械设计与虚拟样机仿真软件SolidWorks、Pro/E和UG等。因此，仿真实验的开展应根据仿真实验对象，仿真实验目的和要求，选择正确的仿真实验环境和仿真软件。

2仿真技术实验课教学体系建设

仿真技术实验课程教学改革涉及教学内容，教学体系、教学方法等多个方面。在教学内容上，应紧密配合仿真技术课堂教学要求，合理安排仿真实验项目。如在连续系统仿真方面，应针对仿真对象的微分方程、传递函数、状态空间和结构图等不同模型开展仿真实验，以了解不同模型表示方法的仿真技术。在仿真实验教学体系方面，要结合相关专业对不同仿真技术的要求，有针对性地选择仿真对象。即从建模表示、模型处理、仿真算法设计、仿真结果分析等方面，设置仿真实验案例。在实验教学方法方面，要加强仿真实验前学生的实验准备，以及熟悉仿真实验环境、做好仿真实验过程记录、仿真实验结果处理和分析等方面的工作。

2.1仿真实验课程体系建设

计算机仿真技术属于一门应用类型的课程，课程涉及大量的数学知识，理论性强，同时还蕴含着大量的工程性知识。因此，该门功课的建设与改革要突出工程性和应用性，要注重理论与实际的结合。作为一门实验课程教学体系的建设，主要涉及该门课程的教学目标、教学内容、教学管理与考评、教学过程实施等多个方面。另一方面，计算机仿真实验主要是在计算机上完成，在教学体系建设方面，还要注重学生计算机应用能力和软件编程能力的培养。

（1）实验课程教学目标计算机仿真技术课程的设置目的，是使学员掌握计算机仿真的有关概念、原理和方法，学会利用计算机仿真技术，针对各自研究方向与领域，培养学生开展系统分析、系统设计、系统运用的能力，以及能独立开展实验研究，解决科学研究和工程应用领域中出现的问题。培养学生的计算机仿真思维，提高学生使用计算机仿真理论和技术从事科学研究的能力。

（2）实验课程教学内容计算机仿真技术课程涉及的领域较为广泛，从仿真技术体系来看，课程内容主要包括相似理论、建模理论、建模方法、仿真算法、仿真语言、仿真工具，仿真实验、仿真数据处理与仿真VV&A等。从仿真知识体系来看，课程除涉及大量基础数学知识外，还涉及系统、模型与仿真的概念、方法及分类，连续系统建模与仿真方法，离散事件系统建模与仿真，分布式系统仿真、面向对象建模与仿真技术，虚拟现实技术与仿真等。这些都为如何确定仿真实验内容提出了挑战。为此实验课程内容安排上，我们提出了单项仿真实验与综合仿真实验的解决思路，围绕能力培养选择实验课程内容。通过单项仿真实验让学生掌握重要的知识点，通过综合仿真实验让学生掌握仿真技术的系统知识和仿真技术综合运用能力。其中，单项实验内容包括：系统建模实验，仿真工具运用实验，仿真系统运行实验，仿真数据处理与可信度评估实验等。综合仿真实验主要包括连续系统仿真实验，离散事件系统仿真实验，先进系统仿真实验，虚拟现实仿真实验等。

（3）实验组织实施与管理仿真实验教学过程的组织实施与管理，既要遵循实验课程教学规律，又要突出实验课实践能力和创新能力的培养。在给学生讲解熟悉实验环境、理解仿真对象和仿真目标的基础上，让学生参与实验前准备工作，参与实验方案与计划的制定。根据仿真实验特点，由学生独立或与实验小组完成整个仿真实验过程，重视实验过程中出现问题的分析与解释。让学生在完成实验的同时，还要对实验过程进行总结，提交仿真实验后的体会等。在实验安排方面，加强与相关课程内容的同步结合。在实验学时方面，突出课堂实验与课后拓展实验相结合，即单项仿真实验可在较短的时间内完成，主要安排在教学课程的学时内。对综合性仿真实验采用开放式实验，在制定完实验方案和计划后，可让学生灵活安排时间去完成实验。在实验课程的考核管理是实验过程也是教学过程的重要一环，应加强实验课程的过程考核，通过考核方式的改革，督促学生自觉开展实验活动，达到开设仿真实验课的目的。考核成绩可以按学生的仿真实验准备情况，实验完成质量，实验过程表现与实验报告质量等内容进行综合评定。

2.2实验课教学方法改革

实验教学既是教学活动，又是实践活动。要突出学生的能力培养，也要突出思维能力和科学精神的培养。实验课教学可以采用任务驱动、过程开发的教学模式进行，即在明确仿真实验任务的基础上，由学生自己制定仿真实验任务的计划和方法，编写如何做好仿真实验的准备工作条目，提出每项仿真实验的思路和注意事项，并将这些内容作为仿真实验课成绩的一部分。在这种教学模式下，还要注重以下三方面的工作。

（1）重视仿真实验准备工作仿真实验准备工作是开展仿真实验的前提。仿真实验准备工作包括仿真实验对象的认识和理解，仿真实验目的，制定实验工作步骤以及熟悉仿真实验环境、仿真语言和仿真工具等。要针对仿真实验的对象或系统，让学生查阅相关资料，了解对象和系统的特性，为下一步模型的建立奠定基础，同时，作好仿真实验前的数据收集与准备工作。

（2）强化仿真实验建模分析模型是研究对象或系统的抽象，也是仿真实验的基础。仿真模型的建立是按照一定的目的对所要研究的对象或系统进行抽象的过程。没有正确抽象和描述的仿真模型，就无法开展正确的仿真实验。对于连续系统或离散事件系统仿真建模来说，通常需要根据对象的物理特性，变量特征和仿真实验的目的等开展系统实验建模分析。模型分析主要包括模型的使用对象，模型假设条件，模型内部要素的作用机理，模型简化，模型的表示方式，以及输出结果形式等。建模分析不仅能锻炼和提高学生面向问题的解决能力，同时还可以培养学生逻辑推理能力和科学的思维方式。

（3）突出仿真实验技术应用仿真实验技术主要包括仿真实验设计，仿真算法设计，仿真实验数据处理与分析等。这些仿真技术的应用对提高学生的创新能力、实践能力和探索热情有着重要作用。仿真实验设计主要是制定仿真实验方案，包括编写实验目的，实验步骤，实验初始条件设定等。仿真实验算法设计是一项具有挑战性和创新性的工作，在这一方面要充分让学生去阅读相关文献，为仿真实验设计高效、正确的仿真算法。同时，在算法设计时还要考虑到仿真实验环境，仿真实验环境包括仿真所用的软件和硬件等。在此教师主要给学生以引导和提示，让学生熟悉相关的实验环境，摸索和掌握各种实验工具的应用。在此基础上，再让学生编写仿真实验程序、设计计算步长等相关仿真计算工作。仿真实验数据处理与分析是仿真实验的重要组成部分，让学生掌握常用的数理统计的方法进行实验数据处理与分析。同时，还要通过仿真实验，教会学生对仿真对象变化规律如何做出合理的估计和判断的方法，以达到实验的目的。

3仿真技术实验课教学案例

以连续系统仿真为例，对起重机吊运系统特性开展研究。利用起重机吊运系统仿真实验，进一步阐明仿真技术实验课程教学方法的运用。

3.1仿真实验前准备

在实验准备阶段，首先要认识仿真对象，弄清仿真对象的系统组成，即系统是有哪些实体对象构成的，系统中各个实体的参数属性，系统内部实体之间的作用机制等。在本案例中系统由起重机小车、钢丝绳和吊运的货物构成。其次，是要明确仿真实验的目的，即起重机小车的移动速度、吊绳长度和货物质量等相关参数，对吊运时货物摆角的影响。三是系统抽象，对系统中无关的因素进行简化，如忽略吊运时吊绳长度变化、风速和前后摇摆等影响，以降低系统建模的复杂性。四是收集实验所需数据，为系统建模做好准备，如货物的质量、吊绳长度等。

3.2实验模型建立

根据上述准备工作，利用运动学和动力学的相关知识，结合仿真目的建立仿真实验对象的数学模型。在建立模型时，首先考虑模型的初始状态，给出了初始条件下的参数和方程。其次，考虑货物吊运时的摆动，即在某一摆角下的系统状态，以此建立该状态下货物吊运摆动角度与货物质量、吊绳长度和吊运速度之间的计算关系。这样就为下一步的计算机的仿真计算奠定了基础。建立的起重机吊运货物时的数学模型。

3.3仿真实验

根据上述的实验模型，开展仿真计算。仿真计算可以采用通用程序设计语言，如C语言，也可采用数值计算和科学分析软件Matlab来完成。对于Matlab软件来说，即可采用M文件编程方式，也可利用SimLink方式进行交互式仿真。因此，在这一阶段要鼓励学生积极动手，独立思维，利用不同状态下的参数计算开展系统的仿真实验。

3.4仿真实验结果分析

仿真实验结果分析就是对仿真实验计算的数据进行综合分析，获取系统的相关信息和实验结论，达到仿真实验分析的目的。在计算结果分析时，要让学生观察多组输入输出数据对系统的影响，来进一步认识系统。如在吊运过程中，通过修改吊运货物的质量，吊绳的长度和水平运行速度，来计算和观察吊运摆角的变化，以此来达到认识起重机吊运系统的性能和变化规律。

4结束语

计算机仿真实验课作为一门应用类课程，涉及的理论性比较多，实践性强。在教学内容、教学方法和教学手段上要积极进行改革探索，寻找更好的教学和措施方法。通过仿真实验课程改革的深入，提高学生的动手能力和学习兴趣。让学生通过实验掌握系统建模、系统设计、系统优化和系统观察的方法。进一步激发和提高学生的实践能力和创新能力，提高学生计算机仿真技术方面解决实际问题的能力。

仿真科学与技术篇5

【关键词】仿真技术；电子产品；设计研究

随着我国仿真技术的水平不断提高，目前已经被各行各业广泛应用到科学研究的工作中，并且仿真技术水平已经成为了评价一个国家在计算机技术领域的硬性指标，仿真技术的发展在很大的程度上与国家发展密切相关，成为了国家安全的核心技术。在设计和开发电子产品的过程中，其设计非常复杂，对内容的要求也非常的精细，如果设计人员不小心就可能会导致整个线路的崩溃，因此必须要重新开始，然而，仿真技术的应用不但大大减少了设计研发的周期，并且还有效的减少了电子产品的研发成本。

1电子产品仿真技术

电子产品仿真技术的应用和操作的过程，主要就是通过一种现代技术进行的计算机模拟的手段模型理论及相关信息。人们可以通过仿真技术的应用更好的认识客观事物，彻底地打破了探索性实验和理论研究的束缚，进而使用仿真技术进行高度模仿事物进行展示。仿真技术的广泛应用，可以促使人们可以更清楚、更细致的去认识未知的一些事物。随着仿真技术的不断发展，在我国电子产品的科学研究中的应用更为广泛，并且应用领域呈不断扩大的趋势，有效的实现了我国电子产品科学研发成本低、更新换代的速度较快，并且能够有效保障电子产品的质量，进一步实现了我国电子产品科学技术产业可持续发展。

2仿真技术在电子产品中的应用

随着我国仿真技术的不断提高，功能日渐强大，各种电子产品的设计中仿真技术的应用越来越多，仿真技术的发展越来越受到我国电子产品研发机构的喜爱和信赖。当前有很多非常知名的电子产品公司都在使用仿真技术对电子产品进行设计，利用仿真技术设计开发制成的、并且应用比较广泛的电子产品有：自动扫地机器人、自动开盖垃圾桶、自动冲水马桶、防盗报警器、全自动洗衣机等，这些电子产品已经逐渐的应用到了人们的日常生活和生产当中。依据很多的电子产品的设计实践证明，在设计和开发电子产品的过程中利用仿真技术能够非常快速的设计和完成电子线路，而且还可以利用设计完成的电子线路，完成对电子产品的使用和模仿，很大程度上有效地提高了设计和开发电子产品的效率。在设计和开发电子产品的过程中，其设计非常复杂，对内容的要求也非常的精细，如果设计人员不小心就可能会导致整个线路的崩溃，因此必须要重新开始，然而，仿真技术的应用不但大大减少了设计研发的周期，并且还有效的减少了电子产品的研发成本。随着我国信息化技术的不断发展，在未来社会发展的过程中对仿真技术电子产品的应用会越来越广泛，并且会随着社会的发展越来越趋于智能化。当前很多的电子产品中MUC就是其核心部件和核心机构，电子产品的智能化发展迅速，正一步一步走进人们的生产和生活当中。

3仿真技术在应用中的实际作用

3.1操作简便

仿真技术在实际的应用中的操作极为简单。仿真技术的操作非常便捷，利用仿真技术可以在同一个条件下完成电子线路的仿真和设计的工作。通过仿真技术的编辑和设计对电子产品的线路进行设计，并且还可以使用预览模式对其设计的电路进行仿真和预览。其实简单地说就是整个设计过程中，只要通过鼠标点击就可以完成，这样就大大的简化了设计电子产品的过程。

3.2电子产品的程序设计

利用仿真技术中ISIS编辑区就可以完成电子产品软件程序的编辑工作，同时可以将所编辑的内容编汇成统一的目标代码，这一系列的程序操作在仿真技术中都可以通过特定的方法进行操作。对于那些出现问题的仿真技术编程软件还可以将其自动的生成错误信息报告，并且在错误信息报告中也可以根据错误源飞出的范围查找出错误原因。

3.3仿真和调试

根据以上的操作步骤完成之后，对电子产品要进行调试的内容进行加载，首先，要在仿真技术软件中找出Editcomponent对话框，然后，在这个对话框当中正确输入本次所要调试的目标，并且在软件中要先设置清楚晶振频率是，然后点击仿真就可以进行仿真了。例如：在纯水机的仿真技术操作中，在满水或强冲等情况下可以对纯水机的操作进行模拟，并且其仿真的效果非常真实。

3.4电路板设计

在仿真技术中具有较高的布线功能，可以通过ARES实现对电路板的更改、电线摆放等功能。在仿真技术中，对电路板的设计非常人性化，不仅可以有效实现自动布置和撤销的功能，还可以依据设计者的思路，手动操作进行电路板线路的布设。

3.5制板过程

在完成前期的仿真工作和设计工作之后，要对设计的电子产品进行PCB的制板工作。

3.6制作完成

电子产品研发与设计中，仿真样品制作额按成是最后一步，将样本安装并成功调试以后就可以用在电子产品的研发当中。只要在制作的过程中将样本的按照省却的设计要求进行安装，然后对接点进行焊接就可以完成制作了。

4结语

综上所述，仿真技术在设计的过程中应用非常灵活，并且可以非常快速的完成电子产品的调试和设计工作，在当今科学技术不断进步过程中实现了快速、高效完成电子产品的设计和研发工作，使电子产品的设计变得更加的精致和细腻。仿真技术的发展对电子产品的设计和研发具有积极的推动作用，在未来的发展中也会有更多的电子产品应用软件被研发出来，为我国电子产品设计产业的可持续发展做出贡献。

【参考文献】

[1]韩志科，王筱吟，包海波.工业仿真设计促进制造业升级的作用机制研究[J].科技与经济，2014，v.27；No.16105：54-58.

[2]李伯虎，柴旭东，熊光楞，朱文海，全春来，张和明，王行仁.复杂产品虚拟样机工程的研究与初步实践[J].系统仿真学报，2013，03:332-337.

[3]邱晓刚，段伟.DEVS研究进展及其对建模与仿真学科建立的作用[J].系统仿真学报，2015，v.21；No.20421：6697-6704+6709.

仿真科学与技术篇6

关键词：全宇宙，最优探索方法，物质系统反设计，并行-云-系统仿真工程，有止境的科学探索

中图分类号：N3文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

1. 引言

人类自然科学探索研究的最终目标是占领控制全部宇宙多维空间，并完全自由地应用全部宇宙物质[1-4]。为此，人类祖先与人类一直在探索宇宙物质中的无穷无尽的未知现象、无数的未解之谜，等等。所谓科学研究，是基于当时的物质环境、生存与发展条件与科学技术基础，研究者采用全部可能的各种科技手段，来探索宇宙物质世界的全部未知的各种客观现象及规律，希望探索出新发现，并且该新发现能够经过各个学科在不同环境条件下的长期实践检验，以及广泛实际工程应用等，以确认新发现的正确性[2-3]。从人类科学技术研究发展史可以看到[5-14]，人类祖先对未知物质及特性的探索从零开始，不断发展，自近代以来，人类的科学技术研究有了突飞猛进的、爆炸式的发展，但新的“未来科学问题”不断呈现[10]。值得指出：人类的祖先（如原始人、猴子、.....、微生物、.....）一直在进行科学探索研究，否则，人类不可能可以不断地生存、发展壮大而进化成今天的人类。科学探索研究并非（但包括）只是在实验室中由科技工作者进行......。

值得注意：对全宇宙系统，人类最优的科学探索方法是什么？人类通过什么科学探索研究的技术方法，可以付出最小的代价并最尽快地实现人类自然探索的最终目标？

基于宇宙物质原始自然运行的统一数值算法与数值仿真过程[1]，考虑到在人类的潜意识中对宇宙物质的科学探索研究的最终目标，本文提出人类科学探索研究的最优科学探索技术方法是基于系统数值仿真而对全宇宙物质系统的反设计；同时文中分析了该全宇宙物质的系统反设计方法，结论是该系统反设计可以尽快实现人类科学探索研究的最终目标：占领、控制与自由地使用全部的多维宇宙空间与全部的各种物质；而人类传统的自然探索研究方法需要人类付出无比巨大的代价、付出太长太长的时间才有可能（但不一定可以）实现人类科学探索研究的最终目标。因此，本文提出的科学探索全宇宙的最优的方法，可以回避掉人类传统自然探索科学的严重缺陷。

2. 科学探索全宇宙系统的最优化方法问题的描述

在人类生存的多维空间与现有科技储备条件下，现代人类对全宇宙系统的科学探索，需要寻找最优的探索方法 ，使得科学探索研究的成果与代价比 达到最大：

（1）

式中， --- 科学探索研究的成果； ---科学探索研究的代价比，包括付出的探索研究时间，人类生存的多位空间的损失； --- 科学探索研究的方法； 依次是时间、3维几何空间，NS是指空间的维数（NS>4）。

同时，需要满足以下约束条件：即人类的多维生存空间

（2）

即人类必须有足够大的NS维生存空间，使人类不仅保持生存状态，而且可以不断进行相关的科学探索研究而发展壮大自己。

， 如果 （3）

式中， 是宇宙物质系统的根基底（即全宇宙物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， ），是人类科学探索的最终目标； 是人类寻找宇宙物质系统的根基底过程中系统仿真（第k次迭代）产生的物质现象； 是（数字化的）人类积累的知识库； 是可以接受的系统仿真误差。

3. 全宇宙物质构成及运行过程与特性的数学模型

人类科学探索研究的对象是：完全彻底系统地、准确可靠地、高精度地掌握充满在全宇宙多维空间中的物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， 。因此，需要可以对全宇宙物质进行系统数值仿真，关于系统数值仿真的数学模型，即宇宙物质的构成、物质运行的统一基理及其运行过程的普适性数值算法[1]，现介绍如下：

3.1 宇宙物质的构成与运行过程

宇宙空间S是一个NS维的空间，其大小为： ，其中， Ai（i=1，2， ， NS）是第i维空间的大小（A1为时间，A2， A3， A4为三维几何物理空间，…）。宇宙由一系列（共NMax种）物质基素（物质最底层的基本元素）及其转变成的物质组合体构成，这些各物质基素单元与（各层次级别的各类）物质组合体之间，以及各层次级别的各类物质组合体之间，是在NS维空间中作不停的运动，并且相互不停地（分解与组合）转变，该相互转变如图1所示，各层次级别的各类物质组合体的NS维运动过程如图2所示，多维运动过程中物质体的逻辑关系如图3所示，前面的众多种类的大量现象是后面一个现象的条件，后面的一个现象是前面众多个种类的大量现象共同协同对抗产生的结果。

宇宙物质的NS维对抗运行过程与形成的构成，遵循宇宙物质运行的统一基理，详细运行过程的结果可由宇宙物质运行过程的普适性数值算法作数值仿真获得。

3.2 宇宙物质运行过程的普适性数值算法

基于宇宙物质运行统一基理体系[2][3]，在一个NS维空间区域 中，宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal为：

（4）

式中，宇宙物质普适性算法 Universal具有以下功能：输入宇宙空间维数与大小以及充满在其中的物质的基底参数，以及指定的一个宇宙子空间，等；经过 Universal的运行（即：全部宇宙物质的NS维对抗运行）。全部宇宙物质基素单元的NS维运动之后，输出在NS维全宇宙空间中，表现为无穷无尽（巨大数量）的、奥妙无穷的、无奇不有的、……现象。

宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal的具体详细的数学描述，数值仿真的数学表达，全程计算步骤，数值仿真计算流程图，等等，参见文献[1]。

具体的输入如下：

（1） 宇宙空间的维数为NS维。

（2） 各维宇宙空间大小：A1为时间，A2， A3， A4为三维几何空间，…，第NS维空间，构成NS维空间S。

（3） 宇宙物质基素信息：①在NS维空间全区域中，存在NMax种类（系列）的宇宙物质基素单元，各类具有不同的特征功能与数量，如第k类物质基素存在Nk，Max个单元（k=1，2， …， NMax）；②在宇宙空间全区域中总共存在 种类基素，全部种类基素单元总数 ；③内部参数： 是物质基素单元 的内部参数；④约束条件：各种类物质基素单元的内部参数约束函数 ；⑤各种类物质基素单元的功能运动方程 ，第k类物质基素，k=1，2， …， BMax，第i个物质基素单元；⑥物质基素控制量 ；⑦基素单元的性能指标 为追求掌控最大的NS维空间（及充满在其中的全部物质）。

（4） 指定一个NS维子空间区域 。

具体的输出如下（在全宇宙 维空间中）：

（1） 全部物质体的总体信息：①全部物质组合体级别的总数 。②全部物质组合体级别各种类的总数 。③全部各级别种类物质组合体的总数 。

（2） 各种物质体（基素单元与物质组合体）的详细信息：①全部各种类物质基素单元的状态 ，全部各级别种类物质组合体的状态 [在NS维空间中的参数，如时间、三维空间、…，（包括相互之间的导数，即速度，等等）]。② 物质组合体运动方程。③（所导出的）该物质体的一序列的概念及概念性参数【如：约束条件（物质基素单元或组合体的状态变量约束函数 、控制对策约束函数 、性能指标约束函数 ），运动方程，子性能指标，…】。④各种物质基素的不同单元、与各层次各种类的不同物质组合体的性能指标P= ，如物质体所占据的NS维空间，如（人类在不同条件下可以观测到的）物质体形状随着NS维空间的变化，以及这形状在不同条件下观测到的结果不一样，等等。⑤各种物质基素单元与物质组合体的控制量 。⑥ 是物质相互作用特性方程， 是（在该物质系统所在的 维宇宙空间 区域内）各级别各种类物质组合体对周围物质（如对物质基素单元 ）的作用特性现象，如物质体的各种特性：各种作用力，如“万有”引力、磁场力、电作用力、等等；物质体的形状；…。⑦各物质体所在更高级别的一些物质组合体，以及该物质体的组成（由较低级别物质体，…，物质基素单元）。⑧各物质体在 维运动过程中的分解与重新组合。⑨不同级别层次、不同种类的众多物质组合体分别采用各自的对策 追求各自的性能指标 达最优。

（3） 针对一个指定的 维子空间区域 ，存在的物质体，可观察的现象信息：①总共存在 种类（系列）宇宙物质基素，各种基素分别存在 个单元；②在该子空间 中，所存在的物质组合体级别的总数 ，物质组合体级别各种类的总数 ，各级别种类物质组合体的总数 ，各种类物质基素单元的状态 ，各级别种类物质组合体的状态 ，等等。

4. 人类科学探索全宇宙物质系统的最优方法是：基于超大系统-云-并行数字仿真的系统反设计

科学探索研究的方法 起源于人类祖先发源的地球及其附近的多维空间，“优化计算”到现在， 的选取是非常规的、“非科学的无稽之谈”，主要技术方法是超大系统数值仿真，最后获得宇宙物质最底层的基素时，再进行实物物理实验作验证，宇宙物质反设计的流程如图4所示。

人类探索到宇宙物质的最底层的基素及其各种特性，可以直接接近基素单元法：宇宙物质基底的系统反设计数值仿真方案，宇宙物质的系统反设计数值仿真优化计算方法与步骤是：

第0步：整理人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的、全部各种类学科领域中所知的全部现象、概念、原理等知识库 ，将该巨大知识库 全面系统地整理成数字化表达；

第1步：猜想而设立宇宙物质基素单元及其内部特性参数、运动方程等的初始方案 ，（k=0）；

第2步：采用 与宇宙物质的数学模型，进行超大系统-云-并行数值仿真，生成不同层次、不同种类、数量巨大的物质及其运动现象，该仿真结果 以数字化形式表达；

第3步：将仿真结果 与巨大知识库 进行比较，并计算比较误差，如果比较误差很大（不可接受），则进入以下第4步，否则（即仿真计算误差可以接受）进入以下第5步，这里指出，采用系统数值仿真方法进行宇宙物质系统的反设计仿真，如图3中从宇宙物质基底人类可以理解的现象的过程中，反设计仿真不考虑中间仿真结果（即物质结构及其运行的现象等）是否正确，而只考虑人类已经积累的膨大的知识库（即与该知识库作与比较，如图4所示）；

第4步：基于系统仿真结果误差，迭代修改物质基素单元及其运动方程的方案 ，再转入第2步；

第5步：已经获得最优的宇宙物质的系统反设计数值仿真结果 ，进行物理实验，作最终的验证。

基于本文提出的宇宙物质基素、宇宙物质运行的统一基理与物质自然运行的普适性数值算法，以及人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的学科原理等知识库（这些即是宇宙物质的系统数值仿真反设计的条件），采用图4所示的宇宙物质反设计方法，经过超大规模系统并行-云-仿真计算，直接探索发现宇宙物质的最底层的基素及其内部特性参数、运动方程等。最后进行物理实验，验证在反设计过程中生成的且人类无法想象猜测的物质现象：物质的组成结构、在宇宙的分布、各种物质形式、层次种类、各种类物质运动现象及其规律，等等，进行最终的验证。

5. 超大系统数字仿真进行全宇宙物质系统反设计的优点

宇宙物质的反设计的系统并行-云仿真研究方案与人类传统的传统自然探索科学方法相比，人类传统的自然探索科学方法不是探索全宇宙系统基底的最优科学探索方法[1-4]，而采用超大系统数字仿真避免了历时上亿年的人类传统自然探索科学方法的缺陷，是现在最优的方案，体现在：

5.1 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，所付出的成本代价很小，探索研究的速度很快

宇宙物质系统基底探索所需付出的代价很小，主要需要数以千计万计的计算机进行超大系统-云-并行数字仿真，以及各个专业的研发人员等将人类积累的知识库数值化；如果采用传统科学探索方法，只是从人类自身生存环境出发，“摸着石头过河”，想尽一切办法“获得一个历史性惊人重大突破的新发现，再更深入探索多步”地靠近宇宙物质系统基底，所付出的成本代价太大太大……太大。

显然，“一步一批物理实验室”将付出巨大巨大的代价，付出太长太长的时间，即 太大；而采用全宇宙物质系统的全局最高精度数值仿真反设计，需要成千上万台计算机与各个专业的研发者，这些成本代价是很微小，系统数值仿真几年就可能出一些结果，探索研究的速度是“快的离谱”，即 。避免了“人类沿着传统科学研究路径进行下去，人类可能不能满足约束条件（2）式”。

另外，由宇宙物质系统仿真产生的因果关系逻辑图（如文献[1]中图3）可知，采用物质反设计系统数值仿真方法可以“胡思乱想地”、“答非所问地”、……“不符合逻辑地”、“偷换概念地”假设宇宙物质的最底层根基 ，存在一定的可能性探索到全宇宙物质基底。

5.2 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，效率极高，探索不是无止境的，可行性很强：人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段

传统自然探索科学寻找宇宙物质基底过程中，付出无比巨大的多维代价，经过“无穷无尽的”探索，取得了大量的“历史性、惊人的重大新发现”等时，才探索向前走了一小步，并且大量的“一小步”在全局中都可能是无效的。与人类传统自然探索科学方法相比，宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、“不符合科学原理的”、“不合逻辑的”、“不可思议不可想象的”、……、“可以想象的”、“符合科学原理的”现象，因此，这个超大规模系统-云-并行数字仿真是效率极高的，探索不是无止境的；同时实现该宇宙物质的反设计，所需的人力、物力等并不多，是可行性很强的，因此，全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，宇宙物质的反设计系统仿真研究方案是一个可行的方案。

因此，基于超大规模系统-云-并行数字仿真的宇宙物质反设计系统仿真研究方法，是全局大范围进行宇宙物质的寻根探索的全局最优的方法 ，将获得最优效果 ，并能够容易满足约束条件（2）与（3）式。

总之，基于现代人类计算机技术，人类积累的知识库以及宇宙物质的反设计方法，人类现在已经到了寻找到宇宙物质基底的时候了，即人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段。

6. 采用超大系统数字仿真进行科学探索全宇宙系统时存在的问题

6.1 可能还需要更多的宇宙物质的反设计的标本，有可能得出的一些结果，现代科学不能解释

在宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、……、“符合科学原理的”现象 ，在这些无数的多维现象中，如果可以寻找到一群现象与人类积累的知识库 完全重合，这就可能是反设计的系统仿真成功（即满足约束条件（3）式）；如果可以寻找到一群现象 与人类积累的知识库 基本重合，即一些是完全重合，另一些是现代科学不能解释，这可能是反设计的系统仿真成功吗？是否一定要等待现代科学探索到这些不能解释现象与规律，才能说明反设计的系统仿真成功了，而现代科学探索到这些现象与规律，是要付出太长的时间与太大的代价 等。

6.2 宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数字仿真，数字仿真量太大-太大-…-太大

宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数