来源：第三维度
     作者：于国跃 倪福生 周庆年
     单位：河海大学机电工程学院

    摘 要：介绍了分布交互仿真、虚拟现实仿真、面向对象仿真以及智能仿真等技术的发展，以及仿真技术在疏浚工程中的应用。由于仿真技术具有良好的操控性、无破坏性、可重复性、灵活性和经济性等一些系列优点，疏浚仿真器在挖泥船操作人员技术培训和挖泥船施工工艺优化等方面起到了重要的作用。仿真技术在疏浚中的应用给疏浚技术的进步带来了极大的动力。

    一、引言

    仿真技术，已经有半个多世纪的发展历史了。随着对仿真技术的深入了解，它发挥的作用，解决的实际问题，已使得仿真技术成为了认识客观世界除理论与实践之外的又一种科学手段。

    仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的系统进行研究、分析、试验与运行的一门多学科的综合性技术[1]。仿真技术具有其它技术无法比拟的良好操控性，无破坏性，可重复性、灵活性和经济性等一系列特点，在国防建设和国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。

    所谓计算机仿真技术实际上就是建立系统模型、仿真模型和进行仿真实验的技术。实际系统、模型和计算机是计算机仿真技术的三要素，这三个要素之间的关系可用系统建模、仿真建模和仿真实验三个活动来描述[2]，如图（1）所示。

图 1 系统仿真关系图

    二、仿真技术的发展

    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联系的。正是控制工程和系统工程的发展促进了仿真技术的广泛应用，而计算机的出现及计算机技术的发展为仿真技术的发展提供了强有力的手段和工具。随着科学技术的进步，当前各应用领域对系统仿真技术提出了许多新要求，主要有：提高仿真的逼真性、可靠性和精确性；提高建模和仿真的效率；改进仿真系统的体系结构。为了满足这些要求，相应出现了许多新的仿真技术[3−4]。归纳起来主要有以下几点：

    1．分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation—DIS）

    分布交互仿真是采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、广域网将分布在不同地点的仿真设备互联为一个整体并交互作用，同时还可以由人参与交互作用的一种综合的仿真环境。分布交互仿真需要广泛的支撑技术，如：高速计算技术、网络通信技术、信息集成平台、面向对象的建模技术、动态场景实时生成和显示、虚拟现实技术、指挥控制的建模、模型的可信性研究及分布交互仿真的组织和管理。

    分布交互仿真主要用在军事训练上，尤其是大规模、多兵种、协同作战训练。1983 年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国陆军提出 SMNET(Simulation Network)研究计划，它将分散在各地的 260 多辆坦克仿真和威胁环境仿真器用计算机互联进行各种复杂作战任务的训练。1992年，DARPA 在美国参议院三军委员会的大厅里，利用 DIS技术成功地再现了海湾战争中代号为“73 Easting”的坦克战役。作战仿真训练与战后任务回顾相结合可实现对作战规则的开发评价，对今后的实战起到了重要作用。

    2．虚拟现实（Virtual Reality—VR）

    1989 年，美国 VPL 研究公司的兰尼尔提出了 Virtual Reality（虚拟现实）一词。它是继多媒体技术之后的新一代人与系统的接口技术。虚拟现实综合了计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种科学技术的最新成果，以仿真形式创造出反映事物变化及其相互作用的三维图形环境，通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，使人直接观察事物的内在变化，并与事物发生相互作用，给人一种“身临其境”的真实感。“沉浸、交互、构思”是虚拟现实的基本特征。

    沉浸性——能使用户感觉到在虚拟的三维图像空间中有目的地漫游、观看、听取、嗅闻各种虚拟对象的特征，并且沉浸于所研究的虚拟世界之中，成为其中的一部分。

    交互性——用户在虚拟世界中感受到的信息，经过大脑的分析和思考，形成自己想要实施的决策，通过输入界面反馈给仿真系统，实现人与系统的交互作用。

    构思——根据用户在虚拟世界中获得的多种信息和自身在系统中的行为，通过想象、推理和逻辑分析等思维过程，对系统运行的未来状况进行构思，以更多的认识系统深层次的运动机理。

    虚拟技术在仿真中有着广泛的应用前景，一方面可以应用于各类训练模拟器，提过训练模拟效果；另一方面，虚拟现实技术的应用可以使仿真环境发生质的变化。例如，飞行模拟器、虚拟战场、虚拟样机、虚拟制造等就是虚拟现实技术在仿真中的典型应用。

    3．面向对象仿真（Object—Oriented Simulation—OOS）

    长期以来，计算机工作者一直在解决这样一个不合理的现象，即：我们认识系统的过程和方法同我们用于分析、设计和实现系统的过程和方法不一致。我们对系统的认识是一个渐进的过程，是在继承了以往有关知识的基础上，多次迭代往复而逐步深化的。而传统的用于分析、设计和实现系统的过程和方法大部分是要先确定前一步，才能进行后一步。

    因此，在越接近系统完成的后期时，对系统前期的工作进行修改越困难。为了解决这种不合理的现象，从 20 世纪 80 年代中后期开始，在软件系统开发各个环节中进行了应用面向对象概念和方法的研究，出现了面向对象分析以及面向对象设计等方法和技术。

    面向对象仿真是根据系统的组成对象及对象之间的相互作用关系来构建仿真模型，系统中的对象往往与现实环境中的实际对象一一对应，它分析、设计、实现系统的观点与人类认识客观世界的思考方式极为相似，所以能给人一种很强的直观性和易理解性。面向对象仿真技术集成和协调了过去软件开发实践的精髓，为大型复杂系统研究提供了一种强有力的工具，尤其在大型军用武器系统的建模与仿真软件开发中发挥着越来越重要的作用。美国 NASA 的软件工程实验室（SEL）已将面向对象技术成功地用于多个项目开发中，源代码大多在 10 万~30 万行之间，包括航空航天领域的多任务仿真器及地面支持系统。面向对象技术的应用使这些项目的代码重用率从 20%增至 80%，开发费用降低 2/3，开发周期减少一半。

    4．智能仿真（Intelligent Simulation—IS）

    自 20 世纪 80 年代中期以来，人们已经在专家系统及人工智能方面做了大量的探索工作，并取得了令人鼓舞的成果与广泛的应用。人工智能在人类探索智能本质方面具有重大的科学价值，而且在帮助人们解决某些专门领域中的问题时具有重大的经济价值。因此，将人工智能、专家系统嵌入到仿真环境是减少仿真中的人力消耗、提高仿真自动化程度和仿真精度，拓宽一体化仿真规模的不可缺少的技术手段。人工智能在仿真中的应用主要涉及以下几个方面：

    （1）专家知识库用于系统的建模和模型的验证。在各个不同阶段的仿真研究过程中借助知识库，辅助仿真工程师对系统仿真模型的建立、验证和综合进行咨询服务与决策。最核心的是能够根据人类的经验用规范的方式来描述事物的物理过程。

    （2）仿真技术与人工智能技术的结合。人工智能适用于大系统，尤其是决策系统的仿真。且在仿真环境中引入专家系统可用于仿真试验结果的分析和决策。另一方面，利用仿真评估知识库系统，可实现智能化仿真系统。

    （3） 仿真模型中的知识表达。这里的知识主要包括：系统中每个实体的不同事实、实体与实体之间关系、实体与系统特性之间的关系以及作用在系统的外部影响关系。

    当前，人工神经网络的研究已成为当代人工智能领域最引人入胜的研究热点。它的主要特点具有信息处理的并行性、很强的学习和联想功能以及容错性等。通过对神经网络在仿真中的应用研究，期望能使仿真环境有大的提高和改善。

    三、仿真技术在疏浚中的应用

    在经济全球化的推动下，港口航道建设、填海造地、滩涂治理与江河湖泊整治等工程的规模日趋大型化，为了满足越来越高的工期要求，迫使疏浚设备大型化趋势不可避免。

    疏浚设备一般在河口、港湾等宽阔的区域作业，受到风、浪、流等因素的综合影响，作业环境恶劣。为了确保施工安全、提高操控人员技术水平、优化疏浚工艺过程，增加疏浚效益，国内外一些大型疏浚公司不惜投入巨资研制挖泥船疏竣仿真培训系统[5−6]。如图（2）所示[7]。

图 2 挖泥船仿真器

    在疏浚领域中，应用仿真模拟训练器训练操作人员和进行施工工艺优化研究，具有不受时间和场地的限制，训练可以重复、安全、经济、高效率等优点。在国内外都获得了成功的运用[8]。

    1．应用疏浚仿真器进行技术培训

    采用仿真器训练不但可以减少培训事故损失、大大缩短培训周期，还可以培养出优秀的操作人员。它主要的优点体现在以下几个方面：

    （1）施工的条件和参数的设置和修改方便。 可以方便的模拟白天、夜晚、雨、雪等天气状况及不同切削土质下的各种施工过程，短期内开展各种条件下全面培训，大大缩短培训周期，提高培训质量。

    （2）常规的施工训练可以不受限制的反复进行。操作人员必须非常熟悉挖泥船在施工过程中的各种操作规程及相应出现的现象。通过反复的训练来提高操作人员的熟练程度，提高施工的效率。

    （3）不但可以进行正常操纵，还可以训练操作人员在发生故障时的操纵能力。 在实际的施工过程中，经常会遇到各种各样的故障，如果处理不当，就会造成严重的后果。其中有一些不常见的故障，一旦发生，对操作人员是一种考验。所以，在仿真器的模拟施工过程中可以设置一些常见的和不常见的故障来培训操作人员对故障的正确判断及对应的处理方法[9−10]。

    2．应用疏浚仿真器进行施工工艺优化

    挖泥船的施工工艺对生产效率的影响极为重要，由于疏浚介质与施工水域条件的不同，可以利用挖泥船仿真器进行模拟施工，找出既能保证挖泥船安全运行，又能提高施工效率，经济合理的施工方案。

    四、结束语

    随着世界经济的发展，港口、航道等疏浚工程不断地上马，对疏浚设备操作人员的数量和素质提出了更高的要求。仿真技术在疏浚中的应用为疏浚技术的发展带来了极大的动力，特别是挖泥船仿真器的研制适应了操作人员培训的安全性、经济性以及施工工艺改进的要求，具有很大的应用与发展空间。

    参考文献

    [1] 梁炳成，王恒霖，郑燕红.军用仿真技术的发展动向和展望[J].系统仿真学报，2001.13（1）：18-21

    [2] 李云峰.现代计算机仿真技术的研究与发展[J].计算技术与自动化，2002.21（4）：75-78

    [3] 顾银芳，苑士华，李玮，安永江.仿真技术的发展与展望[J].河北工业科技，2000.17（5）36-38

    [4] 杨明，张冰，王子才.建模与仿真技术发展趋势分析[J].系统仿真学报，2004.16（9）：1901-1904

    [5] DE Keizer C，Peters J D P A，Verdoodt L L J.Training Simulator for Trailing Suction Hopper Dredgers with a Dynamic and Realistic Dredging Process [A].Proceedings of the First Chinese International Dredging Congress and Exhibition [C].China：Shanghai.2003.115-125

    [6] 林风.大型耙吸挖泥船的发展动向[J].中国港湾建设.2001（(4)：1-7

    [7] IHC Systems.A new integrated bridge training simulator for Zeebrugge.Belgium[J].Ports and Dredging，2005（163）：7-8

    [8] 倪福生.国内外疏浚设备发展综述[J].河海大学常州分校学报.2004.18（1）：1-9

    [9] 吴重光主编.仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2000

    [10] 刘晋川，程新风，饶京川.国内外港机仿真器操作模拟器发展动态[J].起重运输机械.2006（8）：1-5