计算机模拟技术及其应用

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计算机模拟技术及其应用【1】

摘要：计算机技术发展，计算机模拟技术作为一种高效安全的方法得到了深远的发展，它实现了对现实世界中众多对象的对模拟，方便人们观察和了解一些现实中无法看到和了解的现象。

本文介绍了计算机模拟技术的基本原理，以及它在各个领域中的应用，最后对计算机模拟技术的发展及其应用作出展望。

关键字：计算机模拟模型虚拟技术

1.引言

随着第一台计算机诞生以来，计算机技术得到了飞速的发展，并且在各个领域都得到了广泛的应用。

计算机模拟技术作为计算机技术的重要组成部分，其应用范围也在不断的扩展。

在计算机模拟技术产生之前，人们主要采用人工的办法对一些对象进行模拟。

而人工的模拟方法往往存在很多的缺点，如数据量小、参数修改困难、灵活性差、成本高、周期性长，并且模拟的效果也不是很理想。

而且有些现象，对于人工无法模拟是无法实现和达到的。

然而计算机模拟技术可以使模拟变得更加方便便捷、灵活，可控制性变得更强，并且对哪些人工模拟无法模拟的对象也可以很好的进行模拟。

2.计算机模拟技术

2.1 基本原理

算机模拟是一种针对具体对象的模拟过称，根据不同的对象，模拟方法也个不相同，但是其中确有一定的规律可循。

计算机模拟的一般步骤是：

第一，针对对模拟对象建立模型，建立的模型可分为是物理模型、数学模型或其他特定模型。

模型的建立的好坏直接影响最终的效果，因此是计算机模拟中最为重要的步骤。

第二，依据模型编写相应计算程序，或者借助计算机模拟软件来实现对模型的具体的实现，生成可视化的效果，计算我们需要的数据。

第三，运算和数据分析处理过程，即在计算机上运行程序，得到并分析运行结果，并与所要模拟的对象进行比，检测是否达到了预期的效果。

2.2基本方法

计算机模拟方法根据是否建立模型可以分为两大类：直接模拟法和模型模拟法。

直接模拟法：不依赖具体的模型，主要是通过计算机程序将具体模拟现象的发生过程进行直观再现。

如在计算机用动画的形式直观的模拟网络中两台计算机相互通信的不同阶段过程过程。

这中直接模拟法是计算机模拟中最简单的模拟方法。

模型模拟法，这种方法是依靠具体的数学或物理模型，并通过对模型进行编程来实现模拟。

它有空可以细分为以下两种种方法：(1)确定的方法：该方法对模拟对象建立确定的模型，使得模拟出的结果也是确定的，并严格遵寻事先建立的模型。

(2)随机的方法：该方法也被称为蒙特卡罗(Monte Carlo)[1]法。

蒙特卡罗法的基本思想是：当要求解的问题是某事件出现的概率或者期望值时，它可以通过试验的方法，得到该事件出现的概率或平均值，并用它作为求解问题的解。

3.计算机模拟技术的应用

3.1工业应用

随着工业信息化的发展，计算机模拟技术在工业生产中得到了广泛应用，具体应用领域包括航空航天[2]、交通运输、通讯控制、工业控制、机械制造等诸多方面。

计算机模拟是以计算机硬件和相应的软件为基础，以现代控制理论和相似原理为方法，借助相应系统模型对真实的或假设的系统进行模拟解析，从而指导生产实践，控制产品的生产与制造过称提高生产产量和产品质量。

如在机械加工过程，利用计算机模拟技术，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。

如在工业控制领域，采用计算机模拟技术，可以对生产过程实行动态监控，有助于中改进现实的流水线，缩短生产时间，提高经济效益。

3. 2军事应用

在军事演习中，直接使用先进武器进行演练，不但具有很大的危险性，而且相应的费用也非常昂贵。

采用计算机模拟技术在可以很好解决这些问题，它在军事上的运用主要有以下几个方面：(1)模拟先进武器的作战性能，如模拟导弹的飞行轨迹，计算其精确性。

(2)虚拟现实技术[3]，虚拟现实技术利用计算机模拟一种现实的环境，并通过多种传感设备使用户投入到该环境中，使用户与该环境进行自然交互。

采用虚拟现实技术在很大程度上解决真实作战训练危险和演练环境限制的问题。

3.3经济学应用

在当今社会中，经济运行具有不可预测性。

利用计算机模拟技术，依据基本的经济学原理，对经济运行进行模拟，可以有效的控制经济运行。

计算机模拟在经济学中的作用表现在：(1)能对复杂的内部交互作用的经济系统进行研究和实验。

(2)能模拟各种不同方案，观察这些方案对系统的结构和行为的不同影响。

(3)能反映变量间的相互关系，确定哪些变量更加重要，以及它如何影响其他变量和整个系统。

(4)能研究不同时期的动态联系，反映系统随时间的变化规律。

4.存在的问题

计算机模拟技术目前在各个领域都得到的广泛的应用，技术得到了很大的提高，但也面临着不少问题。

(1)模型建立较难：对某些物理过程想要建立合理的模型困难较大，并且模型建立以后相应的修改也很困难。

(2)没有通用的规律：计算机模拟是针对对象的过程，模拟的问题可能千差万别，具体模拟的方法间并没有通用的规律。

(3)存在局限性：计算机模拟过程和实际的过程还是有一定的差异，很可能会遗漏掉最优方案，运用范围只限于能考察的情况，规模很大时，较难取得模拟细节。

(4)模拟系统的评价困难：模拟只是是对现实系统的某一层次的抽象属性的模仿，模拟仿真是有层次的，既针对所要处理的客观题，又针对处理者的需求层次，所以很难评价一个模拟系统的优劣。

5.结语

随着计算机技术的发展，计算机模拟技术的应用范围不断的扩大，已经成为科学研究中继理论方法、试验方法之后的第三种研究方法[4]。

计算机模拟技术成为当今研究的一个热点，它不仅可以模拟简单直观的现象，还可以对一些复杂随机的现象进行模拟，更好的指导帮助人们在实际的工作。

并且随着信息化工业化进程的不断推进，计算机模拟技术也将在各个领域起到越来越重要的作用。

参考文献：

[1] Niederreiter Harald. Monte Carlo and Quasi-Monte Carlo Methods[M].Berlin，Heidelberg： Springer-Verlag， 2006.

[2] 王行仁，彭晓源，贾荣珍.航空仿真技术发展[C].面向21世纪仿真技术研讨会. 2004.

[3] 俞志和，曾建超.虚拟现实的技术及其应用[M].北京：清华大学出版社， 1996.

[4] 何江华.计算机仿真技术平话[M].北京：国防工业出版社， 2005.

计算机发展【2】

【摘要】科技是创造力，是社会变革的最终决定力量了。

科学技术是拥有让生产方式发生彻底变革的动力，计算机的诞生，使数字技术扩展到新的应用领域，适应人类进一步发展的需要。

随着计算机的飞速发展，变成所有学科走向定量化与精确化的纽带。

【关键词】集成电路;硬件;软件;操作系统;数据处理

一、计算机发展的四个阶段

1.电子管数字计算机阶段

20世纪40-50年代，是第一代电子管计算机。

经历了电子管数字计算机、晶体管数字计算机、集成电路数字计算机和大规模集成电路数字计算机的发展历程，其技术逐渐走向成熟。

2.晶体管数字计算机阶段

20世纪60-70年代，是对大型主机进行的第一次缩小化，可以满足中小企业事业单位的信息处理要求，成本较低，价格可被接受。

3.集成电路数字计算机阶

20世纪70-80年代，是对大型主机进行的第二次缩小化，使得个人计算机得到了很大的普及。

可靠性有了显著提高，产品走向了通用化、系列化和标准化。

4.大规模集成电路计算机阶段

随着1964年IBM与美国航空公司建立了第一个全球联机订票系统，把美国当时2000多个订票的终端用电话线连接在了一起，标志着计算机进入了客户机/服务器阶段，这种模式至今仍在大量使用。

在客户机/服务器网络中，服务器是网络的核心，而客户机是网络的基础，客户机依靠服务器获得所需要的网络资源，而服务器为客户机提供网络必须的资源。

C/S结构的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器，大大减轻了服务器的压力。

5.Inter阶段

也称互联网、因特网、网际网阶段。

互联网即广域网、局域网及单机按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。

互联网始于1969年，是在ARPA(美国国防部研究计划署)制定的协定下将美国西南部的大学(UCLA(加利福尼亚大学洛杉矶分校)、Stanford Research Institute(史坦福大学研究学院)、UCSB(加利福尼亚大学)和University of Utah(犹他州大学))的四台主要的计算机连接起来。

此后经历了文本到图片，到现在语音、视频等阶段，宽带越来越快，功能越来越强。

6.云计算时代

从2008年起，云计算(Cloud puting)概念逐渐流行起来，它正在成为一个通俗和大众化(Popular)的词语。

云计算被视为革命性的计算模型，因为它使得超级计算能力通过互联网自由流通成为了可能。

企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力，用户只用为自己需要的功能付钱，同时消除传统软件在硬件，软件，专业技能方面的花费。

云计算让用户脱离技术与部署上的复杂性而获得应用。

云计算囊括了开发、架构、负载平衡和商业模式等，是软件业的未来模式。

它基于Web的服务，也是以互联网为中心。

二、计算机的基本组成

计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件由输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器组成。

输入设备是指计算机从外部获得信息的设备如鼠标，键盘，光笔，扫描仪，话筒，数码相机，摄像头，手写板等。

输出设备是指把计算机处理信息的结果以人们能够识别的形式表示出来的设备如显示器，打印机，绘图仪，音箱，投影仪等。

存储器如硬盘，光驱，U盘等。

运算器是指机器内部系统通过机器可识别的二维码进行的算术运算和逻辑运算。

控制器是指从存储器中取出指令，控制计算机各部分协调运行。

而控制器和运算器整合在CPU中。

软件的组成一般为程序和有关文档资料的合称。

软件可分系统软件(使用和管理计算机的软件)和应用软件(专为某一应用编制的软件)。

常见的系统软件有：操作系统，数据库管理系统和程序设计语言。

常见的应用软件有辅助教学软件，辅助设计软件，文字处理软件，信息管理软件和自动控制软件。

三、计算机的工作原理

计算机基本工作原理遵循冯诺依曼原理。

世界上第一台计算机基于冯诺依曼原理，其基本思想是：存储程序与程序控制。

存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列(即程序)及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。

程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。

到目前为止，尽管计算机发展了4代，但其基本工作原理仍然没有改变。

根据存储程序和程序控制的概念，在计算机运行过程中，实际上有两种信息在流动。

一种是数据流，这包括原始数据和指令，它们在程序运行前已经预先送至主存中，而且都是以二进制形式编码的。

在运行程序时数据被送往运算器参与运算，指令被送往控制器。

另一种是控制信号，它是由控制器根据指令的内容发出的，指挥计算机各部件执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。

这里的指令必须为该计算机能直接理解和执行。

四、计算机的特点

1.运算速度快、精度高。

现代计算机每秒钟可运行几百万条指令，数据处理的速度相当快，是其他任何工具无法比拟的。

2.具有存储与记忆能力。

计算机的存储器类似于人的大脑，可以记忆(存储)大量的数据和计算机程序。

3.具有逻辑判断能力。

具有可靠逻辑判断能力是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。

能进行逻辑判断，使计算机不仅能对数值数据进行计算，也能对非数值数据进行处理，使计算机能广泛应用于非数值数据处理领域，如信息检索、图形识别以及各种多媒体应用等。

4.自动化程度高。

利用计算机解决问题时，人们启动计算机输入编制好的程序以后，计算机可以自动执行，一般不需要人直接干预运算、处理和控制过程。

五、计算机的应用领域

计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。

计算机的主要应用领域如下： 1.科学计算(或数值计算)

科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。

在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。

利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。

2.数据处理(或信息处理)

数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。

据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。

3.辅助技术(或计算机辅助设计与制造)

计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。

它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。

计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。

使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。

课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松地从课件中学到所需要的知识。

4.人工智能(或智能模拟)

人工智能(Artificial Intelligence)是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。

现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。

例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等等。

5.网络应用

计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。

计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通讯，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。

六、计算机发展的未来展望

当今计算机科学发展趋势，可以把它分为三维考虑。

一维是是向高的方向。

性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。

而且计算机向高的方面发展不仅是芯片频率的提高，而且是计算机整体性能的提高。

另一个方向就是向广度方向发展。

近年来更明显的趋势是网络化与向各个领域的渗透。

未来，计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中。

你的笔记本，书籍都已电子化，包括未来的中小学教材，再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，辅导书，练习题都在里面。

不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。

而且这些计算机与现在的手机合为一体，随时随地都可以上网，相互交流信息。

第三个方向是向深度方向发展，即向信息的智能化发展。

网上有大量的信息，怎样把这些浩如烟海的东西变成你想要的知识，这是计算科学的重要课题，同时人机界面更加友好。

目前计算机思维的方式与人类思维方式有很大区别，人机之间的间隔还不小。

人类还很难以自然的方式。

随着nter的普及，普通老百姓使用计算机的需求日益增长，这种强烈需求将大大促进计算机智能化方向的研究。

近几年来计算机识别文字技术已有较大提高，21世纪将更加迅速的发展。

计算机模拟技术及其应用