计算机模拟技术

计算机模拟技术

课程名：计算机模拟技术

计算机模拟是在科学研究中常采用的一种技术，特别是在科学试验环节，利用计算机模拟非常有效。

所谓计算机模拟就是用计算机来模仿真实的事物，用一个模型(物理的-实物模拟；数学的-计算机模拟)来

模拟真实的系统，对系统的内部结构、外界影响、功能、行为等进行实验，通过实验使系统达到优良的性

能，从而获得良好的经济效益和社会效益。

计算机模拟方面的研究始于六十年代，早期的研究主要用于国防和军事领域(如航空航天、武器研制、

核试验等) ，以及自动控制等方面。随着计算机应用的普及，应用范围也在扩大，现在已遍及自然科学和社

会科学的各个领域。在农业方面，我国从 80 年代开始进行作物生长发育模拟模型和生产管理系统的研究，

目前有一定基础的：在小麦方面有北农大、中科院；棉花方面有中国农业大学、中国棉花所；水稻方面有

江西农科院；在土壤水份、水资源及灌溉方面西北农业科技大学。目前影响较大的有比较成形的有江苏省

农科院。目前的主要成果有：我国主要农作物栽培模拟优化决策系统 RCSODS(水稻)和 WCSODS(小麦-江

苏省农科院) 、MCSODS(玉米-河南省农科院) 、CCSODS(棉花- 中国农业大学)等。

计算机模拟特别适合于实验条件苛刻、环境恶劣(如真空、高温、高压、有毒有害的场所) 、试验周期

长，花费大的场合。

农作物的生产系统就很适合于计算机模拟：农作物的生产受各种条件的影响，不同作物、不同品种也

有差异。比如，要想提高一种作物的产量，就先要作试验，通过试验了解这种作物的特性：抗旱性、耐寒

性、对氮、磷、钾哪种肥更有效等。但农业的田间实验不能保证精度(除人为可控条件外，还有许多随机因

素) 、周期长(周期一年) ，耗费大。可通过计算机模拟来实现：先建立这种作物生产系统的数学模型(依靠专

业知识或试验数据。一般来说，诸如作物产量和农业环境的关系可用微分方程或其它方程来描述) ，通过计

算机模拟来找出这种作物的生长与农业环境相互作用的关系，以及各种条件之间的协迫情况。不仅可大大

节省实验经费、加快研究进度(周期一年的实验结果几秒钟内即可得到) ，这种模拟软件的开发还可与农业

生产管理系统，决策系统相联系，实现对农作物生产的预测、分析、调控、设计的数字化和科学化。

作为一门课程，不是研究某个特定系统的模拟问题，而是了解计算机模拟的一般过程、基本原则，掌

握基础知识，掌握建模及动态模拟的一般方法。

第一章 计算机模拟概述

1.1 计算机模拟技术

● 研究对象 在一个计算机模拟问题中，我们研究的对象是一个系统。

系统：一些具有特定功能的、相互之间按一定规律联系着的实体的集合。如作物的生产系统可看作由

作物、环境、技术、经济等要素构成的。各要素之间相互影响、相互联系，称为系统的相关性；一个系统

是一个整体，整体内的各个部分不能分割，各因素之间必须相互协调，不能在任何一个环节出问题，才能

使系统达到优良的状态，称为系统的完整性。

● 目标 计算机模拟的目标是了解系统的各个实体之间的相互制约关系，从而使系统在预定的目标

下达到最优和完善。如在作物生产系统中，怎样控制、实施各水、肥、栽培技术等，从而使产量最高，以

获得最优的经济效益。

● 方法 模拟的方法是先建立系统与环境相互作用的数学模型，用数学模型来类比、模仿现实系统

(一个数学模型就是从数学上表达系统各因素之间的数量关系，或各因素之间协调的规则；从整个模拟过程

来看就是一个算法，或一系列数据，这些数据综合描述一个系统过程或现象的重要行为) ，然后在数学模型

和对系统深刻了解的基础上，开发模拟软件，用影响系统目标的因素作为输入，通过计算机技术来表达系

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统各因素作用的状态。从数学的角度来看，模拟的过程就是对数学模型求解的过程，并把系统过程演示出

来。

● 基础知识 可见，对一个系统进行计算机模拟，

(1) 要对模拟对象有深刻的了解。如：一个公交车调试系统，要编制一个好的调度程序，必须先对现

行系统作周密的调查，搞清哪些是影响调度程序的成分及实体，如现有车辆数、每车载客数、每趟车花费

的时间