作者：刘瑞叶
出版社：电子工业出版社
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计算机仿真技术基础(第2版)试读：
再版前言
自从20世纪40年代末开始，系统仿真开始兴起并逐步发展起来，随着计算机技术的发展，利用计算机对系统进行仿真越来越受到人们的重视，对系统仿真的理论方法和应用技术的研究也逐步深入，应用的领域也越来越广。
计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。目前已经成为工科学生必须掌握的基本理论，也是他们必须会使用的一种技术手段。
本书着眼于系统建模与仿真的基本原理、基本方法的阐述，包括了连续系统、离散事件系统建模与仿真的基本概念、基本原理。本书注重基本概念，突出基本理论与基本方法。从建模方法与模型处理入手，重点放在系统模型的建立与模型处理，然后介绍系统仿真的基本方法，重点放在连续系统的仿真的基本算法上，对离散事件的仿真算法也做了简要介绍。结合本书中的建模与仿真方法介绍了实用的仿真软件，并介绍了计算机仿真软件的发展趋势。
全书共分为5章，第1章主要介绍了计算机仿真的基本概念及计算机仿真的发展，第2章介绍了连续系统模型的建立与处理方法，第3章介绍了连续系统仿真的基本理论与基本方法，第4章简单介绍了离散事件的建模与仿真方法，第5章介绍了现有的系统计算机仿真软件的使用方法、应用实例，并介绍了计算机仿真软件的最新进展。
本书由刘瑞叶、任洪林和李志民三位同志共同完成，书中的第1章、第2章和第4章由刘瑞叶同志编写；第3章由任洪林同志编写；第5章由李志民同志编写。该书的第1版于2004年3月出版，一直作为哈尔滨工业大学电气工程及自动化专业本科生专业平台课“计算机仿真技术”的教材使用，并于2007年被正式列入“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”。在这次修订出版时，我们将该教材在使用过程中发现的一些不够完善的地方，进行了补充，增加了一些例题，给读者以更直观的认识。但由于时间比较仓促，加之编者水平有限，所以书中难免存在缺点和不足，恳切希望读者批评指正。
在该书的编写及使用过程中，得到了哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教学指导委员会各位老师的大力帮助和指导，在此表示感谢。最后感谢电子工业出版社和本书的责任编辑陈晓莉同志给予的大力支持。
编 者
2011年4月
第1章 概论
计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点，已经成为对许多复杂系统（工程的、非工程的）进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。
系统仿真是20世纪40年代末开始兴起并逐步发展起来的一门新兴学科，随着计算机技术的发展，利用计算机对系统进行仿真越来越受到人们的重视，对系统仿真的理论方法和应用技术的研究也逐步深入。从开始时主要应用于航空航天、原子反应堆等造价昂贵、设计建造周期长、危险性大、难以实现实际系统试验的少数领域，后来逐步发展到应用于电力系统、石油工业、化工工业、冶金工业、机械制造等一些主要的工业领域，到现在已经进一步扩展应用到社会系统、经济系统、交通运输系统、生态系统等一些非工业领域。随着计算机技术的发展，系统仿真技术已经成为任何复杂的系统特别是高技术产业在论证、设计、生产试验、评价、检测和训练产品时不可缺少的手段，已经成为研究大规模、复杂系统的有力工具，应用范围越来越广，技术手段越来越先进。
本章主要介绍系统、模型及仿真的基本概念，计算机仿真的发展历史及研究现状，计算机仿真技术今后的发展方向。
1.1 计算机仿真的基本概念
系统仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的，或者是正在研究设计中的系统的具体过程。要实现系统仿真首先要寻找一个实际系统的“替身”，这个“替身”被称为系统模型。它不是系统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际需要对系统进行简化提炼，以利于研究者抓住问题的本质或主要矛盾。在计算机出现以前，人们只采用物理仿真，那时的仿真技术附属在其他有关学科之中。随着计算机技术的发展，在仿真领域提出了大量的共同性的理论、方法和技术，所以仿真理论逐渐形成了一门独立的学科。
计算机仿真就是以计算机为工具，用仿真理论来研究系统。系统是仿真技术研究的对象，计算机是进行仿真技术研究所使用的工具。而应用恰当的模型描述系统是进行仿真研究的前提与核心，为了更全面、系统地了解系统仿真的基本概念和基本方法，有必要先了解一下什么是系统、系统模型及系统仿真。1.1.1 系统
我们研究系统的目的在于深入认识并掌握系统的运动规律，不仅要定性地了解系统，还要对系统进行大量的分析、综合，以便解决一些自然、社会及工程上的复杂问题，那么，如何给系统下一个定义呢?
系统是一个内涵十分丰富的概念，是许多研究系统的学科共同使用的一个基本概念，如：控制系统、电力系统、机械系统、通信系统……正由于系统这个术语应用得非常普遍，所以就要给它下一个人们普遍能够接受的定义：
系统——由相互联系、相互制约、相互依存的若干部分（要素）结合在一起形成的具有特定功能和运动规律的有机整体。
系统的各个组成部分通常被称为子系统或分系统，而系统本身又可以看成它所从属的更大的系统的一个组成部分。例如，发电厂是一个电力生产系统，由汽机分厂、锅炉分厂、电气分厂和修配分厂等部门组成，汽机分厂、锅炉分厂、电气分厂和修配分厂等部门可以看做发电厂系统下面的各个子系统；同时，各个发电厂又是整个电力系统的一个组成部分。
任何系统都存在三方面需要研究的内容：即实体、属性和活动。
实体——组成系统的具体对象；
属性——实体所具有的每一种有效特性（状态和参数）；
活动——系统内对象随时间推移而发生的状态变化。
以图1-1中的RLC电路系统为例。
系统的实体为：电阻R，电感L，电容C和激励e（t）。
系统的属性为：电荷q，电流dq/dt，激励e（t）和R、L、C的数值。
系统的活动为：电振荡（随时间变化）。图1-1 RLC电路系统
由系统的定义可知，系统具有下列性质。
1.整体性
系统是一个整体，它的各个部分既是相对独立的，又是不可分割的。图1-1所示的系统就是由独立的电路元件按一定的规律组成的简单电路系统。
2.相关性
系统内部的各个部分之间按一定的规律相互联系、相互作用。这种相互联系和相互作用可以表现为某一个子系统从其他的子系统接受输入，从而产生有用的输出作用，该子系统的输出又可能是另一个子系统的输入。如图1-1的电路系统所示，系统的关联性主要表现为每个环节之间的信息流动和信息反馈作用。
3.目的性
设计或者综合一个系统，是为了实现预定的目的，也就是说系统具有目的性。一个系统的目的性表现在两个方面：一是系统要完成特定的功能；二是在完成基本功能的同时要使系统达到最优化。
另外，系统并不是孤立的，总是在某一个环境中工作。而环境的变化有可能影响系统的性能，系统也会产生一些作用，使系统之外的物体发生变化。因此还要明确系统的边界和环境。系统的边界（可以是物理的也可以是概念的）包围了所研究对象的所有部件；位于边界以外的那些部件以及能够在系统特性上施加某些重要影响的因素（但不能从系统内部控制这些影响）构成了系统的环境。而系统的边界并不是固定不变的，是需要根据所研究的目标来确定哪些属于内部因素、哪些属于外部因素。
根据所研究的对象与目标的不同，确定的系统可以大也可以小。系统本身是由相互作用的子系统构成的，子系统又可以由更低一级的子系统构成，从而形成系统的等级结构。1.1.2 系统分类
系统的范围很广，可谓包罗万象，可以初步分为人类在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识世界而形成的自然系统（也可以称为非工程系统）和人为构成的满足某种需要、实现预定功能的工程系统，我们的研究对象主要是这种人为构成的工程系统。系统分类的方法很多，主要有以下4种分类方法。
1.静态系统和动态系统
静态系统是被视为相对不变的，如：处于平衡状态的一根梁，如果没有外界的干扰，则其平衡力是一个静态系统；处于稳定运行状态下的电力系统，在没有受到大的扰动时，也属于一个静态系统。
动态系统的状态是可以改变的，如：运行中的电力系统，在受到外界的干扰后，系统的运行状态（电压、电流和功率）都会发生相应的改变，如果调节器起作用，系统就会到达一个新的平衡点。在状态改变过程中的系统就是动态系统。
2.确定系统和随机系统
对于动态系统可以进一步分为两类：
① 一个系统的每一个连续状态是唯一确定时，这个系统就是确定系统；
② 一个系统在指定的条件和活动下，从一种状态转换成另一种状态不是确定的，而是带有一定的随机性，也就是相同的输入经过系统的转化过程会出现不同的输出结果时，这个系统就是随机系统。
3.连续系统和离散系统
在系统分类方法中一个比较重要的方法是按照系统状态随时间变化是否连续把系统分为连续系统和离散系统。一个系统的状态如果随着时间的变化是连续的，则该系统被称为连续系统；一个系统的状态如果随着时间成间断或突然的改变，则称该系统为离散系统。一个连续系统的动态特性可以用一个或一组方程来描述，这里的方程可以是代数方程、微分方程和状态方程等，究竟选用哪一种，视研究者对系统的一部分感兴趣还是对系统的整体感兴趣而定。一个离散系统的状态变化只是在离散时刻发生，而且往往是随机的，一般用“事件”来表示这种在离散时间间隔内的状态变化。
4.其他的分类方法
常用的分类方法还有：按照方程的类型分为线性系统和非线性系统；按参数类型分为定常系统和时变系统；还可以分为集中参数系统和分布参数系统；按照变量的个数分为单变量系统和多变量系统。1.1.3 系统模型
系统模型是系统的某种特定性能的一种抽象形式。系统模型实质是用某种形式来近似地描述或模拟所研究的对象或过程。模型可以描述系统的本质和内在的关系，通过对模型的分析和研究，达到对原系统的了解。
模型的表达形式一般分为物理模型和数学模型两大类。
1.物理模型
物理模型又分为缩尺模型和模拟模型两种：（1）缩尺模型
缩尺模型与实际系统有相似的物理性质，这些模型是按比例缩小了的实物，如：风洞试验中的飞机外形和船体外形；用于做动模试验的电力系统装置等。（2）模拟模型
模拟模型是用其他现象或过程来描述所研究的现象或过程，用模型的性质来代表原来系统的性质。如：用电流来模拟热流、流体的流动；用流体来模拟车流等。模拟模型又可以进一步按模型的变量与原系统的变量之间的对应关系分为直接模拟模型和间接模拟模型两种。
还有一种具体模型是与原系统完全一致的样机模型，如生产过程中试制生产的样机等。
2.数学模型
数学模型是系统的某种特征本质的数学表达式，即用数学公式（如：函数式、代数方程、微分方程、微积分方程、差分方程）来描述（或表示、模拟）所研究的客观对象或系统中某一方面的规律。通过对系统数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。
因为我们主要介绍利用计算机对一个系统进行仿真研究与分析，所以这本书里更侧重于对数学模型的介绍。
根据数学表达式的性质划分，数学模型可以分为：静态模型和动态模型两大类。无论是静态模型还是动态模型都具有抽象性，在计算机上运行的模型还要求具有递归性。（1）静态模型——系统处于平衡状态下的属性
静态模型的一般表示形式是代数方程、逻辑表达关系式。例如：系统的稳态解公式、理想电位器转角和输出电压之间的关系式，以及继电器的逻辑关系输出式等。（2）动态模型——系统属性随时间而发生变化
动态模型主要分为连续系统模型和离散系统模型。
① 连续系统模型
连续系统模型又可以分为确定性模型和随机性模型。当系统有确定的输入时，系统受到一些复杂而尚未搞清原因的元素的影响，使得输出是不确定的，用随机数学模型来描述。当系统的输入是确定的、而且系统的输出也是确定的时，系统为确定性系统，用确定性模型来描述。确定性模型又可细分为以下几种类型：
a.微观数学模型和宏观数学模型
许多系统在局部空间或瞬间存在某种规律，它反映出所关注的系统的某种属性，这样得到的模型为微观模型。微观数学模型通常用微分方程和差分方程来描述。如果存在系统在一段时间或一个空间内变化量的总和与其他量之间的某种关系，根据这种关系建立的模型就是宏观模型。宏观模型常用各种积分公式、积分方程、联立方程组来表示。
b.线性数学模型和非线性数学模型
如果系统的输入/输出是呈线性的关系，也就是说满足均匀性和叠加性，这种系统模型或数学模型就是线性模型。不满足均匀性和叠加性的模型为非线性模型。
c.集中参数模型与分布参数模型
在科技工程中还存在两种不同类型的系统。一种是当输入送进系统后，输入的激励几乎同时波及到系统的每一点，也就是说，激励只是时间的函数，与系统点的位置无关。另一种是输入的激励要经过一段时间才传播到系统的各点，激励不但是时间的函数而且也是系统各点位置的函数。前一种系统和模型称为集中参数系统和集中参数模型，后一种称为分布参数系统和分布参数模型。如图1-1所示的RLC电路网络就是集中参数系统，电力系统在进行一些特定的研究时就属于一个分布参数系统。集中参数数学模型用常微分方程表示，分布参数数学模型用偏微分方程表示。
d.定常数学模型与时变数学模型
如果系统的全部参数与时间无关，那么系统为定常系统，主要用常系数微分方程和常系数差分方程来表示；如果系统的参数是时间的函数，那么系统为时变系统，主要用变系数的微分方程和变系数的差分方程来表示，如：含有真空管和晶体管的网络。
e.存储系统和非存储系统
如果系统任意瞬时t的输出仅与该时刻的输入有关，那么具有如此性质的系统为非存储系统，因为t时刻的输出与过去的状态无关，故常用代数方程来描述，如：电阻网络；相反，如果系统t时刻的输出与（t-T，t）区间的系统输入有关，那么系统为一个存储系统，T为存储长度，如：含有电感或电容的系统，一般应用非代数方程来表示。
② 离散系统模型
a.时间离散系统。这种系统又被称为采样控制系统，一般采用差分方程、离散状态方程和脉冲传递函数来描述。系统的特性实质上是连续的，只是因为在采样的时刻点上来研究系统的输出，所以构成了时间离散系统。各种数字式控制器的模型均属于此类。
b.离散事件模型。这种系统模型用概率模型来描述。这种系统的输出，不完全由输入作用的形式来描述，往往存在着多种可能的输出。它是一个随机系统，如：库存系统、管理车辆流动的交通系统、排队服务系统等。因为这种系统的输入/输出是随机发生的，所以一般要用概率模型来描述这种系统。1.1.4 建模方法
系统模型的建立是系统仿真的基础，而建立系统模型是以系统之间相似性原理为基础的。相似性原理指出，对于自然界的任一系统，都存在另一个系统，它们在某种意义上可以建立相似的数学描述或存在相似的物理属性。一个系统可以用模型在某种意义上来近似，这是整个系统仿真的理论基础。
要对一个系统进行研究，主要分为这样几个部分进行：其“白色”部分，可以建立定量的解析模型；“灰色”部分则可以通过试验、观测和归纳推理获得其模型结构，并根据专家的经验和知识来辨识参数；而对于“黑色”部分，则只能借助于各种信息知识（感性的、理性的、经验的、意念的、行为的等）给予定性的描述。
一个实际的问题往往是很复杂的，影响它的因素总是很多的。如果想把它的全部影响因素（或特性）都反映到数学模型中来，那么这样的数学模型是很难、甚至是不可能建立的；即使建立起来也是不可取的，因为这样的数学模型非常复杂，很难进行数学的推演和计算。反过来，若仅考虑数学处理的要求，当然数学模型越简单越好，这样做又难于反映系统的主要特性。实际建立数学模型一般要遵守以下的原则：（1）精确性
精确性是模型与真实客体的相似程度的标志，根据所研究问题的目的、内容的不同对模型的精度有不同的要求。建模的方法、测试数据的精度、模型的结构都对模型的精度有影响。因此，要从工程实际出发，确定合适的模型精度。（2）合理性
模型是对被研究实体在特定条件下的相似性复现。因此，在模型建立前，合理地提出模型的适用条件是十分必要的。例如：在分析电力传输的问题时，如果只关心输入端和输出端各变量之间的关系，可以建立集中参数模型；如果关心传输线中间的任意处的各变量的情况，就需要建立分布参数模型。（3）复杂性
在满足所需模型精度的前提下，应对模型进行合理的简化。降低模型的阶数和简化模型结构是降低模型复杂程度的主要办法。为了研究的需要，可以对被研究的实际系统进行适当的分解，但不是分的越细越好。在一些场合，通过适当的简化，不仅可以简化程序，而且可以节省大量的仿真时间。（4）应用性
建立模型的目的是把对模型的仿真应用于实际系统的分析和研究。因此，对模型中描述变量的选择应该从实际出发，遵循输入量可以测量的原则。（5）鲁棒性
模型的适应性不仅与模型的精度有关，还与模型的结构、参数等有关。一个鲁棒性好的模型不但在所假设的工况下是适用的，而且当工况在假设条件以外的一定范围内也是适用的。这对于仿真结果的外推是非常重要的。
建立数学模型的一般方法有以下三种：（1）演绎法
通过定理、定义、公理及已经验证了的理论推演得出数学模型。这是最早的一种建模方法，这种方法适用于内部结构和特性很明确的系统，可以利用已知的定律，如：力、能量等平衡关系来确定系统内部的运动关系，大多数工程系统属于这一类。电路系统、动力学系统等都可以采用这种演绎法来建立数学模型。（2）归纳法
通过对大量的试验数据分析、总结，归纳出系统的数学模型。对那些内部结构不十分清楚的系统，可以根据对系统的输入/输出的测试数据来建立系统的数学模型。（3）混合法
这是将演绎法和归纳法互相结合的一种建模方法。通常通过先验的知识确定系统模型的结构形式，再用归纳法来确定具体的参数。
最后，需要对所得到的模型进行检验和修正，检验模型是否反映真实的系统，是否满足精度等。一边检验模型，一边还需要对模型进行修正，直到得到满意的数学模型为止。1.1.5 系统仿真
仿真界专家和学者对仿真下过不少的定义，其中内勒（T.H.Naylar）于1966年在其专著中对仿真做了如下定义：仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述了某一事件或经济系统（或者它们的某些部分）在若干周期内的特征。还有一些描述性的定义，从中可以看出，系统仿真实质上包括了三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三个要素的基本活动是：模型建立、仿真模型建立和仿真实验，如图1-2所示。
综合国内外学者对仿真的定义，可以对系统仿真做如下定义：
系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。图1-2 系统仿真三要素
上述定义中的计算技术，除了包含通常意义下的计算理论和技术，还应该包括现代运筹学的绝大部分内容。对信息理论、控制理论、运筹学等的概念和术语，可以参见有关的系统科学和系统工程的著作。1.1.6 系统仿真分类
依据不同的分类方法，可以将系统仿真进行不同的分类，如：
① 根据被研究系统的特征可以分为两大类，连续系统仿真和离散事件系统仿真。
连续系统仿真是指对那些系统状态量随时间连续变化的系统的仿真研究，包括数据采集与处理系统的仿真。这类系统的数学模型包括：连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等）及连续-离散混合模型。
离散事件系统仿真是指对那些系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真试验。这类系统的状态量是由于事件的驱动而发生变化的，在两个事件之间状态量保持不变，因而是离散变化的，被称为离散事件系统。这类系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。
② 按仿真实验中所取的时间标尺τ（模型时间）与自然时间的时间标尺（原型时间）T之间的比例关系可以将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。若τ/T=1，则称为实时仿真，否则称为非实时仿真。非实时仿真又分为超实时τ/T>1和亚实时τ/T<1两种。
③ 按照参与仿真的模型种类不同，将系统分为物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真（又称半物理仿真或半实物仿真）。
物理仿真，又称为物理效应仿真，是指按照实际系统的性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便；尽管不用采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需要较大的投资，且周期较长，此外在物理模型上做试验不容易修改系统的结构和参数。
数学仿真是指首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化成仿真计算模型，通过仿真模型的运行来达到系统运行的目的。现代数学仿真由仿真系统的软件/硬件环境、动画与图形显示、输入/输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检验理论设计的正确性和合理性。数学仿真具有经济性、灵活性和仿真模型的通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化技术、图形技术、人工智能技术和先进的交互式建模仿真的软硬件技术的发展，数学仿真必将获得飞速发展。
物理-数学仿真，又称为半实物仿真，准确的称谓是硬件（实物）在回路（Hardware in the Loop）的仿真。这种仿真将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物（或物理模型）方式引入仿真回路。半实物仿真主要具有以下特点：
① 原系统中的若干子系统或部件很难建立精确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想的效果。在半实物仿真中，可以将不易建模的部分以实物的形式参与仿真试验，从而避免建模的困难。
② 利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的精确性。
③ 利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统的参数和控制规律。在航空航天、武器系统和电力系统等研究领域，半实物仿真是不可缺少的重要手段之一。1.1.7 系统仿真的一般过程与步骤
系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术学科。对于系统的任一项仿真研究都是一个系统工程，研究过程可简可繁，而对于复杂系统或综合系统的总体仿真研究则是一件难度很大的工作。系统仿真的主要工作有：系统仿真实验总体方案的设计；仿真系统的集成；仿真试验规范和标准的制定；各类模型的建立、校核、验证及确认；仿真系统的可靠性和精确度分析与评估；仿真结果的认可和置信度分析等，涉及面十分广泛。为了使仿真试验顺利进行并获得预期的效果，必须把针对某一实际系统的仿真试验切切实实作为一项系统工程来抓。通常系统的仿真实验是为特定的目的而设计的，是为仿真用户服务的，因此，复杂系统的仿真实验需要仿真者与用户共同参与，从这个意义上来说，仿真实验应该包括这样几个阶段的工作。
1.建模阶段
在这一阶段中，通常是先分块建立子系统的模型。若为数学模型则需要进行模型变换，即把数学模型变为可以在仿真计算机上运行的模型，并对其进行初步的校验；若为物理模型，它需要在功能与性能上覆盖系统的对应部分。然后根据系统的工作原理，将子系统的模型进一步集成为全系统的仿真实验模型。
2.模型实验阶段
在这一阶段中，首先要根据实验目的制订实验计划和实验大纲，在计划和大纲的指导下，设计一个好的流程，选定待测量变量和相应的测量点，以及适合的测量仪表。然后转入模型运行，即进行仿真实验并记录结果。
3.结果分析阶段
结果分析在仿真过程中占有重要的地位。在这一阶段中需要对实验数据进行去粗取精、去伪存真的科学分析，并根据分析的结果做出正确的判断和决策。因为实验的结果反映的是仿真模型系统的行为，这种行为能否代表实际系统的行为，往往得由仿真用户或熟悉系统领域的专家来判定。如果得到认可，则可以转入文档处理，否则，需要返回建模和模型实验阶段查找原因，或修改模型结构和参数，或检查实验流程和实验方法，然后再进行实验，如此往复，直到获得满意的结果。
对于一般意义下的系统仿真，通常将它分为以下10个步骤：
① 系统定义（System Definition）。确定所研究系统的边界条件与约束。
② 数据准备（Data Preparation）。收集和整理各类有关的信息，简化为适当的形式，同时对数据的可靠性进行核实，为建模做准备。
③ 模型表达（Model Formulation）。把实际系统抽象为数学公式或逻辑流程图，并进行模型验证（Validation）。
④ 模型变换（Model Translation）。用计算机语言描述模型，即建立仿真模型，并进行模型校核（Verification）。
⑤ 模型认可（Model Accreditation）。断定所建立的模型是否正确合理，是整个建模、仿真过程中极其困难而又非常重要的一步，并且与模型校核、模型验证等其他步骤都有密切的联系。
⑥ 战略设计（Strategic Planning）。根据研究的目的和仿真的目标，设计一个试验，使之能提供所需要的信息。
⑦ 战术设计（Tactical Planning）。确定试验的具体流程，如仿真执行控制参数、模型参数与系统参数等。
⑧ 仿真执行（Simulation Execution）。运行仿真软件并驱动仿真系统，得出所需数据，并进行敏感性分析。
⑨ 结果整理（Result Interpretation）。由仿真结果进行推断，得到一些设计和改进系统的有益结论。
⑩ 实现与维护（Implementation and Maintenance）。使用模型或仿真结果，形成产品并进行维护。1.1.8 系统仿真的应用
系统仿真在系统分析与设计、系统理论研究、专职人员培训等方面都有十分重要的应用。
1.在系统分析与设计中的应用
系统仿真在系统分析与设计中的应用主要有以下几个方面：
① 对尚未建立起来的系统进行方案论证及可行性分析，为系统设计打下基础；
② 在系统的设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统模型，进行模型简化及验证，并进行优化设计；
③ 在系统建成之后，可以利用仿真技术来分析系统的运行状况，寻求改进系统的最佳途径，找出最优的控制策略。
2.在系统理论研究中的应用
对系统理论的研究，过去主要依靠理论推导。现在，系统仿真技术为系统理论研究提供了一个十分有利的工具。它不仅可以验证理论本身的正确与否，而且还可以进一步暴露系统理论在实际应用中的矛盾与不足，为理论研究提供新的研究方向。目前，在最优控制、自适应控制和大系统的分解协调控制等理论问题的研究中都应用了仿真技术。
3.在专职人员训练与教育方面的应用
系统仿真应用于训练和教育是它应用的另一个重要的方向。现在已经为各种运载工具（包括飞机、汽车和船舶等）以及各种复杂设备及系统（电站、电网和化工设备等）制造出各种训练仿真器。它们在提高训练效率、节约能源及安全训练等方面起着十分重要的作用。
1.2 计算机仿真的历史及现状
1.2.1 计算机仿真数学仿真的基本工具是计算机，通常又将数学仿真称为计算机仿真。按照所使用的计算机的种类的不同，可以将计算机仿真分为模拟计算机仿真、数字计算机仿真和混合计算机仿真。
1.模拟计算机仿真
模拟计算机是由运算放大器组成的模拟计算装置，它包括运算器、控制器、模拟结果输出设备和电源等。模拟计算机的基本运算部件为加（减）法器、积分器、乘法器、函数器和其他非线性部件。这些运算部件的输入/输出变量都是随时间连续变化的模拟量电压，故称为模拟计算机。
模拟仿真是以相似性原理为基础的，实际系统中的物理量，如：距离、速度、角度和质量等，都用按一定比例变化的电压来表示，实际系统某一物理量随时间变化的动态关系和模拟计算机上与该物理量对应的电压随时间变化的关系是相似的。因此，原系统的数学方程和模拟机上的排题方程是相似的。只要原系统能用微分方程、代数方程（或逻辑方程）描述，就可以在模拟机上求解。
模拟仿真具有以下特点：
① 能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。
② 可以灵活设置仿真试验的时间标尺。模拟机仿真既可以进行实时仿真，又可以进行非实时仿真。
③ 易于和实物相连。模拟计算机仿真是用直流电压表示被仿真的物理量，因此和连续运动的实物系统连接时一般不需要A/D、D/A转换装置。
④ 由于受到电路元件精度的制约和易于受到外界的干扰，所以模拟仿真的精度一般低于数字计算机仿真，且逻辑控制功能较差，自动化程度也较低。
2.数字计算机仿真
数字计算机的基本组成是存储器、运算器、控制器和外围设备等。由于数字计算机只能对数码进行操作，所以任何动态系统在数字计算机上进行仿真都必须将原系统模型变换成能在数字计算机上进行数值计算的离散时间模型。故数字仿真需要研究各种仿真算法，这是数字计算机仿真与模拟计算机仿真的最基本的差别。
数字仿真的特点是：
① 数值计算的延迟。任何数值计算都有计算时间的延迟，其延迟的大小与计算机本身的存取速度、运算器的解算速度、所求解问题本身的复杂程度及使用的算法有关。
② 仿真模型的数值化。数字计算机对仿真问题进行计算是采用数值计算，仿真模型必须是离散模型，如果原始数学模型是连续模型，则必须转换成适合数字计算机求解的仿真模型，因此需要研究各种仿真算法。
③ 计算精度高。特别是在工作量很大时，与模拟机相比具有更大的优越性。
④ 实现实时仿真比模拟仿真困难。对复杂的快速动态系统进行实时仿真时，对数字计算机本身的计算速度、存取速度等要求高。
⑤ 利用数字计算机进行半实物仿真时，需要有A/D、D/A转换装置与连续运动的实物相连接。
3.混合计算机仿真
混合计算机系统是由模拟计算机、数字计算机通过一套混合接口（A/D、D/A）组成的数字、模拟混合计算机系统，该系统具有模拟计算机的快速性和数字计算机的高精度和灵活性的优点。
混合仿真系统的特点是：
① 混合仿真系统可以充分发挥模拟仿真和数字仿真的特点；
② 仿真任务同时在模拟计算机和数字计算机上执行，这就存在按什么原则分配模拟计算机和数字计算机任务的问题，一般是使模拟计算机承担精度要求不高的快速计算任务，数字计算机则承担高精度、逻辑控制复杂的慢速变化任务；
③ 混合仿真的误差包括模拟机误差、数字机误差和接口误差，这些误差在仿真中均予以考虑；
④ 一般混合仿真需要专门的混合仿真语言来控制仿真任务的完成。1.2.2 仿真软件及仿真计算机
数字仿真语言是现代仿真工具，因其相对简单而被广泛采用。仿真语言最大的优点是软件相对独立于硬件装置，其缺点是仿真速度不能满足实时仿真的要求。
仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。它的功能可概括为：
① 模型描述的规范及处理；
② 仿真试验的执行与控制；
③ 资料与结果的分析、显示及文档化；
④ 对模型、试验程序、资料、图形或知识的存储、检索与管理。
根据上述功能的实现情况，仿真软件分为仿真程序、仿真语言、仿真环境三个不同层次。
仿真软件包括仿真程序和仿真语言，其中仿真程序是仿真软件的初级形式，是仿真软件的基本组成部分。仿真程序用于某些特定的问题的仿真，可提供许多算法；仿真语言则为用户提供更强的仿真功能，适用于不同领域的多种系统的仿真。仿真程序主要是采用高级计算机语言开发出来的，早期使用Basic语言，而现在一般使用Fortran语言和Visual C语言开发仿真程序，并且还发展到采用 Visual C++语言来开发面向对象的计算机仿真程序。
仿真程序一般对计算机的硬件要求比较低，一般的计算机只要配置了相应的算法语言程序就可以运行；仿真程序可以针对不同的问题做适当的修改，以满足不同的需要；仿真程序使用比较简单，只需要输入系统模型和系统参数即可，并可选择多种积分算法。但仿真程序在功能上一般比较简单，只适于解决某一特定领域的一些小型仿真问题。国外从20世纪60年代开始开发适用于不同领域、不同对象的仿真语言，我国也在70年代的后期开始了这方面的研究，仿真语言大多属于面向专门问题的高级语言，它是在通用的高级语言的基础上，针对专门问题研制的，分为面向方程和面向框图两种类型的仿真语言。它不需要用户掌握复杂的高级语言，而是由机器自动翻译成高级语言或汇编语言，所以速度比较慢，并且研制周期较长，但它面向用户，具有较强的仿真功能。目前，仿真语言的开发已经取得了可喜的成果，开发出了许多的应用仿真程序。如：可以处理一般的数学、物理问题的通用仿真语言ACSL，CSSL，TUTSIM，CSMP等，这类语言可以被应用于各个领域（技术的、非技术的、经济的、社会的），但是用户必须对建模与仿真的方法有一个基本了解，另外一点需要强调的是通用仿真语言之所以通用是因为它们只能解决一般的问题，而不能解决所有的问题，只适合于解决一些不太复杂的问题；如果要解决特殊的问题就需要专用的仿真语言MATLAB，SPICE，PSPICE等，这些语言要求用户能深入了解建模与仿真问题，但用它们去解决一般性的问题却极不方便。
现代仿真使用的计算机根据仿真的对象及仿真的目的的不同，可以使用个人计算机、工作站和大型的计算机。
仿真领域的特点主要表现为大量、复杂、高精度、费时的计算和数据处理，要求使用的计算机具有高速的运算能力、高速的数据交换能力、大容量的数据处理能力，以及高速度的图形处理能力。以前这些工作都由大型机和图形工作站来支持完成，然而随着个人计算机技术的突飞猛进的发展，微处理器、存储介质、图形处理设备等都可以适应仿真领域的要求，操作系统、高级语言、工具软件和应用软件也日益成熟、丰富，个人计算机具有菜单式选择功能和图形用户界面，所以个人计算机也可以满足计算机仿真的要求，一般用于仿真教学和规模较小的系统的离线仿真分析。
工作站是以个人计算环境和分布式网络计算环境为基础，性能高于微型计算机的一类多功能计算机。工作站具有高速运算功能，适应多媒体应用的功能和知识处理功能。中央处理器能够进行高速定点、浮点运算，以及高速度图形处理。工作站由于低廉的价格、友好的人机界面及联网能力，得到了十分广泛的应用。SGI、SUN公司的工作站在该领域一直处于领先的地位，得到了广泛的使用。
大型计算机是由其所处时代的先进技术构成的一类高性能、大容量通用计算机，能够代表一个时期计算机技术的先进综合水平。大型计算机的处理系统可以是单处理机、多处理机或多个子系统的复合体。处理机一般采用两级高速缓冲存储器、流水线技术和多级部件以提高性能。存储器一般有高速缓冲存储器、主存储器、磁盘存储器和海量存储器组成，它们构成多层次的存储器系统。输入/输出系统由通道和外围设备组成。大型计算机有十分广泛的应用领域，在军事、民用等重要应用系统中发挥着巨大作用。在系统仿真中占主导地位。如：我国自主研制的银河Ⅰ型计算机、银河Ⅱ型计算机及银河实时仿真工作站都已经在国民经济与国防建设中发挥了重大的作用。1.2.3 计算机仿真的发展历史与现状
早期系统科学研究的是单输入单输出的系统，由于系统比较简单，所以常常可以借助于理论分析来解决问题，后来发展到多输入多输出系统，问题就变得复杂了，再后来发展到大系统、巨系统乃至超巨系统，还包括工程和非工程、宏观与微观、生物与非生物、系统与环境、思维与行为的综合系统，当然问题就变得更加复杂了。这时，单纯依靠理论分析和科学实验已经不可能了。因此，仿真模拟就成为科学研究的途径之一了。事实上，早在20世纪40年代仿真试验就已经存在了，风洞试验就是空气动力模拟的典型例证。
从20世纪40年代开始，随着数字计算机的不断发展，仿真技术也得到了发展。计算机进行算术运算的速度，从每秒少于一万次，发展到现在的每秒可以进行上百亿次，甚至上千亿次。计算机仿真使用的语言从机器内部使用的汇编语言，发展到可以使用高级的程序语言及专用的计算机仿真语言。计算机仿真应用的领域也越来越广泛了。
进入80年代以后，超级计算机的仿真计算数据、卫星发回的地球资源、军事侦察数据、气象数据、海洋和地壳板块及地震监测数据、医学扫描图像数据等海量数据的产生与不能有效地解释这些数据的矛盾日益尖锐。首先，计算机仿真技术可以高效地处理科学数据和解释这些科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段，即科学家之间的信息交流不再局限于采用文字和语言，而是可直接采用图形、图像、动画等可视信息。计算机仿真技术提供的参数最优化技术使科学家能够对中间计算结果进行解释，及时发现非正常现象与错误，达到动态调整计算过程的目的。
计算机仿真技术的形成也是推动工业发展、提高工业界竞争能力的需要。历史已经证明，推动工业发展的原动力是基础科学研究，科学上的新发现将促进工业界新的革命，而促使基础研究发展的重要手段之一是提供先进的科学计算工具（硬件和软件）。先进的科学计算工具同时也是促进当代工业发展的新动力，例如无图纸设计、虚拟样机技术等对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低成本具有十分重要的作用。国外有学者提出，应用计算机仿真要解决六大问题：核反应过程、宇宙起源、生物工程、结构材料、社会经济、未来战争。计算机仿真技术是先进的科学计算工具的重要组成部分，因此，世界各国都十分重视计算机仿真技术的研究。
国际上，仿真技术在高科技中所处的地位日益提高。在1992年度美国提出的22项国家关键技术中，仿真技术被列为第16项；在21项国防关键技术中，被列为第6项。甚至把仿真技术作为今后科技发展战略的关键推动力。北约在1989年制定“欧几里得计划”中，把仿真技术作为11项优先合作的发展项目之一。计算机仿真在国防上已得到了成功的应用，扩展的防空仿真系统（EADSIM）在海湾战争中得到验证，科索沃战争呈现出信息化、智能化、一体化的发展新趋势，进一步表明了计算机仿真的重要性。近年来，美国在总结成功经验的基础上，更加重视仿真，已将发展“合成仿真环境”作为国防科技发展的七大科技推动领域之一。所谓合成仿真环境，就是在广泛采用DIS及相关的计算机技术（如灵境技术）的基础上，创造一种进行武器系统研究和训练的人工合成环境，在新武器系统研制过程中，用仿真实验（虚拟样机）代替实际样机试验，使新技术、新概念、新方案在虚拟战场条件下反复进行演示验证和分析比较，从而确定最佳方案，选择最佳技术路线。在此过程中，武器研制部门与武器的未来使用部门通过联网加强早期合作，即用户尽早介入“国防发展战略”，使新武器装备更合适军方的要求，并可以提前制定作战使用方案，比原先的实际样机方案更省时、省力，大大节约经费。
据资料，面临着全面禁止核武器试验和全面禁止化学武器试验的形势，美国、俄国等军事强国都花费大量的人力、财力从事计算机仿真技术的研究。他们认为，当在实际系统上进行试验比较危险或难以实现时，计算机仿真就成了十分重要、甚至是必不可少的工具。计算机仿真具有经济、灵活、可靠安全、可多次重复使用等优点，已成为许多复杂系统（工程的、非工程的）分析、设计、试验、评估等不可缺少的重要手段。
我国的计算机仿真技术的研究与应用起步较早，而且发展迅速。20世纪50年代开始，在自动控制领域首先开始采用仿真技术，面向方程建模和采用模拟计算机的数据仿真获得较普遍的应用，同时自行研制的三轴模拟转台自动飞行控制系统的半实物仿真试验已经开始应用于飞机、导弹的研制中。60年代，在开始连续系统仿真的同时，已开始对离散事件系统（如交通管理、企业管理）的仿真进行研究。70年代，我国的训练仿真器获得迅速的发展，自行设计的飞行模拟器、舰艇模拟器、坦克模拟器、火电机组培训仿真系统、化工过程培训仿真系统、机车培训仿真器、汽车模拟器等相继研制成功，并形成一定的市场，在操作人员的培训中起了很大的作用。80年代，我国建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如：射频制导导弹半实物仿真系统、红外制导导弹半实物仿真系统、歼击机工程飞行模拟器、歼击机半实物仿真系统、驱逐舰半实物仿真系统等。这些半实物仿真系统在武器型号的研制中发挥了巨大的作用。90年代，我国开始对分布交互式仿真、虚拟现实等先进的仿真技术及其应用进行研究，开展了对较大规模复杂系统的仿真，由对单个武器平台的性能仿真发展为对多个武器平台在作战环境下的对抗仿真等。
目前，计算机仿真技术被广泛应用在众多的领域，主要有以下的领域：声学、航天、航海、农业、食品和营养、空气质量、天文学和天文物理学、自动装置、动力系统、发射学和军事应用、生物学、医学、医药、卫生系统、布朗运动、化工、化学、采矿、制造、密码、气候学、气象学和太阳能利用、通信、计算机装置、计算机网络、结晶学、计量学、电子学、能量、发酵、金融、渔业、灌溉、林业、打猎、放牧管理、全息照相术、信息理论、保险、发明管理和政策、公共汽车系统、就业、排队、维修、计划与决策、生产与分配制度、人口生态与野生生物管理、社会体制与公共政策、心理研究，等等。
1.3 计算机仿真的发展与展望
1.3.1 计算机仿真技术的发展计算机与数学科学的相互作用促进了计算机仿真技术的发展，在本质上，数学是计算机的灵魂，反之，计算机的发展又使数学的发展产生了革命性的变化。不仅使数学科学应用的范围和能力得到极大的扩大，而且进一步促使了数学科学自身的发展。通过在计算机上进行巨量计算，解决了许多困难的数学问题，并猜测和发现了新的事实和定理，促进了离散数学等新的数学理论的诞生，把人类的演绎思维机械化，实现了机器证明，开创了自动推理等新领域。
随着仿真技术发展对计算机仿真应用又有以下新的需求：
① 减少模型的开发时间，即从重视编程转向重视建模，包括研究结构化建模的环境与工具，建立模型库及模型开发的专家系统；
② 改进精度，包括改进模型建立的精度和试验的精度，比如，研究模型结构特征化的新方法——模式识别法和人工智能法、连续动力学系统的数值解法、随机数产生的方法等；
③ 改进通信，包括人与人之间的通信及人与计算机之间的通信，如：研究模型的统一描述形式，图形输入与动画输出，仿真结果的统计、分析等。
针对上述需求，提出了一系列有意义的技术方案。
1.改善建模环境
采用模块化、结构化建模技术。根据不同的实际系统的组成，对系统进行分解，抽象出它们的基本成分及组合关系，确定各种基本成分及其连接的描述形式并开发一种非过程编程语言（模型描述语言），根据应用领域的不同建立相应的模型库并使它们与模型试验有机地结合起来。采用这种技术不仅可以使仿真软件直接面向工程师，而且能大大缩短建模的时间。
采用图形建模技术。利用鼠标器在计算机屏幕上将模型库中已有的系统元件拼合成系统的模型；利用数字化仪将系统图形输入到计算机中；利用图形扫描仪将系统图读到计算机中；通过网络将由CAD软件产生的系统图传给计算机仿真软件（需要有一个共同的图形转换标准）。
利用专家系统来确定系统模型的特征（模型的形式、线性、非线性、阶次）；开发一个自然语言接口来辅助用户建模；开发一个智能接口通过对话获得有关系统的知识，然后直接产生仿真模型等。
2.一体化仿真
根据仿真的基本概念，可以认为仿真是一种基于模型的活动，即建立模型、对模型进行试验（行为产生）、对实验所产生的模型行为进行分析处理、修改模型、再试验、分析……不断反复的过程。因此，仿真的全过程涉及很多的功能软件，且各个功能软件之间存在着密切的信息联系。为了提高仿真效率，必须将它们集成起来，即开发一体化的仿真环境，这是20世纪80年代后期仿真软件的一个发展趋势。根据一体化的程度，可以分三个层次：
① 不同功能软件通过一个管理软件利用数据转换接口实现一体化；
② 重新划分功能块，建立模型库、参数库、试验框架库，然后通过数据库实现一体化；
③ 在仿真操作系统的支持下，实现对仿真关联资源的有效管理，并支持这些资源的匹配与运行，实现整个仿真软件系统的高度一体化。
3.计算机仿真数据库
计算机仿真数据库是实现一体化的关键技术之一。由于计算机仿真中所涉及的“数据”比较复杂，除一般的结构化数据外，还有大量的非结构化数据，如：图形（流程图、肖像图及表达式）、模型、算法、试验框架等。因此，现在比较流行的关系型数据库并不十分适合这样的应用环境。通常它只能管理模型目录、算法目录，而模型与算法本身仍另外存放，这就很难保证数据的一致性。另外，关系数据库查询比较慢，也是一个缺点。因此，开发一个面向计算机仿真的数据库管理系统是很有意义的。
4.动画
图形图像技术在计算机仿真中越来越显示出它的重要性。图形图像技术在计算机仿真中的应用主要反映在两个主要方面：辅助建模、显示仿真结果（实验过程中或实验后）。其中动画在实验过程中显示系统的活动及其特征，是非常重要的。动画一般要与图形建模相配合，并保持一致性，另外，还要处理好动画与仿真钟的匹配关系。
5.实现计算机仿真结果分析到建模的自动反馈
目前，绝大多数计算机仿真软件或仿真器都不能提供这种功能，而是由用户自己根据仿真结果做出决策，并修改建模。少数情况，如连续系统仿真，当系统目标能写成函数形式，修改模型仅限于模型中部分参数或结果时，已可以自动完成从仿真结果分析到建模的反馈。当前研究的重点是对离散时间系统如何实现自动反馈，专家系统可能是解决这一问题的途径之一。
6.基于信息处理的计算机仿真
在传统的计算机仿真软件中，模型最终将用一段程序代码来表示，执行仿真实验则是将这一段程序代码与其他代码（如算法）连接起来，并加以执行。而在基于信息处理的计算机仿真中，模型是以信息链的形式表示，并被存储于计算机仿真数据库中，再进行计算机仿真。首先根据问题的要求选取各种所需要的建模元件，并在主存中重新构造一个数据库的子集，然后跟踪在数据库中定义的信息关系以便控制它们，最后将计算机仿真结果存放回数据库。这是一种十分新颖的结构。
另外，计算机仿真软件的开发环境也在不断地发展，双处理器、四处理器的工作站和PC已开始投入使用，可以预见，在未来几年内，基于共享存储器的并行计算机将成为普及型机种。在并行软件的开发环境中，并行语言是用户与复杂的并行机之间的重要接口，具有使用方便且运行高效的特点。典型的高性能语言有高性能Fortran（HPF），高性能C++（HPC++）和Tread Mark。由于计算机网络的进步，将Internet和Web转变成为功能强大的计算机系统（Metacomputing System）和工具的条件已经成熟。当前的计算机仿真技术系统采用的显示设备仍以个人使用的CRT光栅扫描显示器为主流，几年来投影式显示器随着虚拟环境技术的发展日益成熟，并越来越引起人们的兴趣。这类投影显示设备通常具有屏幕大和沉浸式的特点，从而允许多人介入，并给予身临其境的感觉。因此，很多高档的计算机仿真应用系统已经采用此类投影式显示设备，以得到更加逼真的效果。1.3.2 计算机仿真技术的展望
1.分布式计算机仿真技术
计算机仿真技术的分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示的重要手段。这里所指的分布式计算平台由联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC群系统，与高性能图形处理机集成在一起构成实时的计算机仿真计算环境。目前的困难在于，缺乏高效的、使用方便的并行软件开发工具和分布式软件开发工具。
2.协同式计算机仿真技术
随着高速主干网投入使用，采用多媒体技术支持下的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。事实上，要做到真正、方便地协同工作，还有许多的困难要解决，例如：如果要求不同研究组的成员之间在空间上和时间上做到应用共享、上下文共享，则要求用户能记录结论及交互操作的历史，并对虚拟表示和行为做出评价等。
3.沉浸式计算机仿真技术
计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境技术所专用的投影式和沉浸式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。传统上，由于沉浸式显示设备特别是CAVE的价格高，对计算机图形绘制性能的要求也高，因而无法普及。随着虚拟环境技术的发展和高性能计算机软硬件平台的发展，人们将越来越愿意采用沉浸式显示设备。
4.基于网络环境的计算机仿真技术
网络为王、网络经济、网络时代、互联网络正在造就有史以来最为奇特的人文景观，信息共享正在把地球变成一个小小的村落。19世纪是铁路时代；20世纪是高速公路时代；21世纪是网络时代。什么是信息社会的未来，那就是虚拟环境和网络。分布式虚拟环境（Distributed Virtual Environment，DVE）就是把这两项技术结合在一起，在一组以网络互连的计算机上同时运行虚拟环境系统技术，在21世纪，基于虚拟环境技术的计算机仿真技术将会得到普及。
5.计算机仿真理论、仿真技术、仿真对象三者有机地结合在一起
目前从事计算机仿真技术研究的人员主要由三部分组成，第一部分是从事自动控制与应用数学的人员，第二部分是从事计算机技术的人员，第三部分是从事仿真对象（应用专业）的人员。实际上很多科技人员是肩负着三副重担。只有注重这三者的有机结合，相互渗透，才会使应用数学中的相似理论、同态理论更加丰富，计算机仿真的软硬件更加先进，各种各样的仿真对象的仿真模型更加逼真。
6.计算机科学技术与通信科学技术紧密融合，相互渗透，大大加速人类社会信息化进程
随着世界各国信息基础设施的建立与发展，计算机科学技术与通
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