计算机仿真技术范文第1篇

系统仿真的理论基础是控制论、系统论、相似性原理，以信息技术作为支撑，把计算机和专用无线设备作为工具，凭借系统模型的动态实验来研究设想中或实际的系统而开发出来的一门技术。为了进一步的实现系统的研究、分析和设计，必须进行更为深入的实验。因此，人们更倾向于在模型上进行实验，随之而发展的就是建模技术。人们在不断地实验与应用中得出了针对不同对象而设计的仿真模型以及其描述形式。

2.离散事件仿真

2.1离散事件仿真的概念

离散事件仿真(DiscreteEventSimulation)是一种建模方法学，通过一系列的离散事件表示其物理系统状态的变化过程。系统仅仅在随机时间点上发生状态变化，该系统也被称为离散系统。实体、属性、间隔、时刻、活动、事件、状态、进程、仿真时钟是离散系统的基本要素。

2.2离散事件仿真系统中的仿真时钟推进方法

在系统仿真的实现过程中要充分考虑到系统仿真时钟的推进方法，也就是如何推进时间。通常有两种方法推进时间：事件调度法和固定增量推进法。事件调度法：事件表是按事件发生时间的先后顺序安排事件的，时间控制部件能够从事件表中选出最早发生的事件并记录下来，进而修改仿真钟修成为事件的发生时刻。每类事件还有相对应的事件子程序，在事件的子程序中，时间控制部件会处理该事件并提供因事件发生而造成的状态变化，而条件事件则是在事件子程序中先进行条件测试，判断该事件的发生条件是否满足，不满足的话就推迟或取消。这样事件的选择与处理不断交替进行，仿真时钟不停地从一个事件的发生时间推进到最邻近的下一个事件的发生时间，直至仿真的结束。固定增量推进法：确定合适的仿真时钟时间推进的增量（一般以单位T），每当时间推进一步完成以下步骤，如无事情发生则继续推进单位时间T，若该步内有事件发生，则在该步结束时处理这些事件，用户可以自行定义各类事件处理的优先权。固定增量推进法适用于具有较强时间周期性的系统事件发生模型。

2.3离散事件仿真系统中的仿真策略

通常情况下，一个层次复杂的离散事件系统包含了较多的实体，实体相互之间有着密切的联系，但是他们活动的发生都在统一的时间点上，离散事件系统仿真建模方法学实现的关键就是推进仿真时间的方法，从而构建各个实体之间的逻辑联系，这种方法也被称作仿真算法或仿真策略。事件调度法，活动扫描法，进程交互法和三阶段法是四种当前应用比较广泛的仿真策略。

2.3.1事件调度法。

事件调度法能够按照下一个事件的发生时刻来触发仿真时钟的时间推进。大多数事件并不是在某个固定的、预先得知间隔的两个相邻事件间发生的，而是在随机的时间间隔的事件中发生的，因此事件调度法是一种交步长法。当事件发生时，若利用事件调度法，按照时间的先后排序的事件中，只有扫描事件表中最早发生的事件的时间来确定时间推进的间隔尺度。也就是说仿真时钟是按照被仿真的事件的发生时间推进的。

2.3.2活动扫描法。

活动扫描法是使仿真事件按确定的时间间隔推进的，每推进一步就将所有的邻近的将要发生的事件的产生时刻和条件扫描一次，判断其产生时刻是否大于当前时刻以及是否产生满足的事件的条件。若是产生，则允许仿真该事件，反之就继续向前推进仿真时钟，以此类推。

2.3.3进程交互法。

在进程交互法的系统中有许多实体，它们以各自进程的形式存在并按时间流动。各个实体之间通过事件实现相互间的交流。通过判断事件是否被延迟，确定是存储在未来事件表FEL中还是当前事件表CEL中。模仿人的思维方式，在进程交互法中将预先发生的事件和与之相关的其它事件相结合，这种方法继承了事件调度和活动扫描法所具有的优点。

2.3.4离散事件仿真三阶段法。

计算机仿真技术范文第2篇

关键词：定性仿真，定性模型

1定性仿真的产生与理论现状

定性仿真(QualitativeSimulation)是以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出等仿真环节，通过定性模型推导系统的定性行为描述。定性仿真是系统仿真的一个分支，是系统仿真与人工智能理论交叉产生的新领域。相对于传统的数字仿真，定性仿真有其独到之处：这种仿真能处理多种形式的信息，有推理能力和学习能力，能初步模仿人类思维方式，人机界面更符合人的思维习惯，所得结果更容易理解。

定性仿真的研究中，美国学者起步较早。70年代后期，美国XEROX实验室的JohndeKleer和SeelyBrown在设计一个电路教学系统时发现，以常规的数学模型和仿真方法难以使学生很快明白电路的工作过程，而在实际教学中，老师并不是先给出数学公式，而是先讲解电路的工作原理，采用定性的描述方法，那么是否可以用计算机来模拟这一方法呢？同样在许多的实际工作中，人们更多的是依靠这种对系统原理性的理解，而这种理解的基础就是定性知识。很多专家学者开始探索如何在数字仿真中引入定性知识。

1983年，JohndeKleer和SeelyBrown发表了有关定性仿真的第一篇论文AQualitativePhysicsBasedOnConfluence?[1]，产生了巨大反响，揭开了定性仿真研究热潮的序幕。美国麻省理工学院的KennethD.Forbus则对定性仿真理论作了全面的总结[2]；1986年美国德州大学的BenjaminKuipers在QualitativeSimulation”一文中提出了动态仿真算法QSIM[3]，使定性仿真接近于实用。1984年人工智能杂志第一次出版了关于定性问题的专集。此后定性问题的研究成为人工智能和系统建模与仿真领域的一个热点，许多学者加入到这一研究领域中，产生了大量的研究成果。1991年，人工智能杂志又出版了有关定性推理的第二本专集，标志着该领域理论研究逐渐成熟并且向应用领域扩展。90年代以来，该领域的研究情况可谓方兴未艾，在IEEE的相关杂志上和撊斯ぶ悄軘等国际刊物上经常可以看到定性仿真方面的研究成果。国内该领域的研究起步较晚，目前从事定性理论研究的仅限于少数院校的少数研究者。

定性仿真产生之后，在理论上出现了百家争鸣的局面，研究者们根据自己的见解提出了各自的建模和仿真理论。目前，基本可分为三个理论派别，即模糊仿真方法、基于归纳学习的方法和朴素物理学方法。

模糊数学方法可以解决模型信息与测量数据的不确定性，所以在定性理论中一般用来作为一种描述手段。最初，系统的定性值是采用区间模糊数的行为来描述的，英国的QiangShen进一步将其发展到用凸模糊数来描述定性值[4]，在数据表示上前进了一大步。此后，又有人在其基础上引入了概率论，来度量生成的多个行为的可信度。当前的模糊定性理论，在模糊数表示方面都存在一大弱点，那就是系统真实值与模糊量空间的映射问题，即如何确定描述系统的模糊量。

归纳推理法是定性仿真的一个新方向，它起源于通用系统理论，主要利用其中的通用系统问题求解（GeneralSystemProblemSolve）技术。输入尽可能多的行为，通过归纳学习的方式，构造系统的定性模型，进行仿真研究。归纳推理法最突出的优势在于它完全不需要对象系统的结构信息，不需要预先提供任何模型。但是，这种方法需要采集大量的数据并处理和维护；而且，由于现实条件的限制，不能保证归纳的完备性。

朴素物理方法在理论和应用上发展得最为成熟，它兴起于一些人工智能专家对朴素物理系统的定性推理研究。根据建立系统定性模型的方法，又可分为很多派别，比较有影响的有：SeelyBrown和JohndeKleer提出的基于摿鲾的概念的理论，K.D.Forbus的定性过程理论，B.J.Kuipers基于约束的用定性微分方程描述的定性仿真理论等。

2定性仿真的应用

现在，定性仿真技术与物理、化工、生态、生物、社会等学科相互渗透、结合，在系统监测、故障诊断、系统行为分析、解释以及预测等方面发挥着越来越大的作用。国外文献报导较多而且应用取得成效比较明显的应用领域主要有：工程和工业过程；电子电路分析和故障诊断；医药和医疗诊断；社会经济领域。下面有选择地按照应用领域介绍其中比较典型的项目。

2.1工程和工业过程

这里工程指传统的工程领域及一些工程设备，如蒸馏塔、高压锅炉、汽轮机等人造设备；工业过程指一些连续系统，如机械制造、发酵、化工过程和电站等。这方面的应用项目比较多见。

ARTIST是欧洲的ESPRIT计划中的一个项目[5]，项目领导者是苏格兰的Heriot-Watt大学的Leitch.R，完成于1993年7月。此项目建立了定性动态模型，应用于过程监测与故障诊断。Leitch等人建立了一个基于定性微分方程(QDE)和模糊量空间的定性仿真器：Fusim,现已应用在输配电网络和化工厂蒸馏塔的过程监控、分析、诊断上。

ESPRIT计划中另一应用定性推理的重要项目是：TIGER工程-汽轮机的监测、诊断系统[6]。现已应用在Exxon化工厂的大型工业汽轮机以及Dassault航空中心的宇宙飞船辅助动力单元。系统应用定性仿真来预测汽轮机启动及负载改变时的可能行为。

2.2电子电路分析和故障诊断

定性仿真的一个很重要的应用领域便是电子电路分析和故障诊断。定性推理的先驱人物deKleer早在1976年便开发了使用定性知识研究电子线路的系统LOCAL，即根据电路部件已测知的正常行为和错误行为，分析实际行为和预测行为的不一致之处，然后指出电路的故障点。这种思想后来发展成了基于模型的故障诊断理论(model-baseddiagnosistherory)。时至今日，由于定性推理和仿真技术的不断进步，该应用领域的发展前景更为广阔。

这类项目中，最为典型的是Dague.P等人开发的模拟电路故障诊断工具-DEDALE[7]。Dague对该系统进行了一系列实验，声称：DEDALE系统能诊断出电路故障的75％，另外的25％故障没有构成对电路性能的显著影响，并且可以通过其他手段检测出。ElectroniqueSergeDassault继续这个领域的研究工作，已推出一个名为“DIAGMASTER”的商业化产品。

2.3医药和医疗诊断

人工智能中的专家系统，尤其是医疗专家系统，为人工智能的振兴起了推波助澜的作用。而定性仿真在医疗专家系统的应用方面也很活跃。

Bratko.I将定性推理应用在心电图的识别上[8]，目的在于根据心电图辨识心律，判断病症。定性模型用来产生心脏工作状况，规则归纳系统用于产生诊断规则库。他给出了心电图诠释系统-KARDIO，澳大利亚的Telectronics公司已将此系统的部分成果应用于他们的心脏病诊治系统IntelligentPacemaker中。

Kuipers和Kassier给出了QSIM理论的定性推理和模型简化方法[9]，并给出了在医学专家系统中的具体应用过程。该系统可以对肾脏的水份、盐份平衡过程进行仿真，作为肾炎综合诊治系统的辅助分析工具。

2.4社会经济领域

定性推理由于其处理不完全知识及模糊数据的突出能力，一直在社会科学、人文科学、商业流通等领域的研究上占有重要位置。

Daniels.HAM，Feelders.AJ给出了一个商业行为分析定性仿真模型[10]。作为例子，他们对某个公司的销售量、商品价格、资金状况进行建模，分析其商业行为的变化，如为什么广告量的减少会带来销售量的下降，什么原因导致公司资产减少，是否存在经营危机等。对于银行贷款之前的商业调查，该模型具有广阔的应用前景，荷兰的AMRO银行正在此基础上进行深入的研究工作。

美国的Farley.A，Lin.KB使用QSIM算法，研究市场预测的定性仿真模型，即当市场需求、供给、价格等诸因素变动时，预测可能引起的市场变化[11]。

3定性仿真的发展方向

定性仿真目前仍然是新兴的研究领域，很多基础性的理论工作尚待完善和突破，因此该领域的发展前景十分广阔。对于定性仿真理论，概括来说，有以下几个发展方向：

（1）采用定量与定性结合的仿真方法

由于定性模型中包含系统的不完全知识，定性仿真会产生一些虚假和二义的多余行为，当实际系统很复杂时，定性仿真产生相当数量的多余行为，如何有效地减少定性仿真产生的行为数，成为当今定性推理研究的主题。很多研究者纷纷采用定量与定性结合的仿真方法。在定性仿真中加入相当的定量知识，将定量与定性有机地结合起来，将大大减少系统的预测行为数，增强定性仿真的生命力。

（2）采用模型分解方法

定性仿真走向应用时，往往涉及到规模较大的系统，即使省略某些细节，模型仍是非常复杂的。所以，定性理论中，必须有处理这种复杂性的手段。

模型分解方法将系统模型分为若干部分，称为部件(component)，系统的联系紧密的变量将集中在一个部件中，并为部件建立状态，系统的描述将以这种状态为单位，若需要不同部分的变量的事件对应性，可以通过不同部分之间的连接来产生。并且，仿真算法上也作了相应的变动，以局部的部件描述为基础的仿真取代了以全局状态为基础的定性仿真算法。大大提高了模型建立工作的效率和准确性，并降低了仿真的时间和空间运行代价。

（3）采用并行定性仿真方法

当前定性仿真在减少冗余或虚假行为的研究上取得了很大进展，但同时也带来了一些始料未及的副作用：定性与定量知识的结合，使知识的表示和推理机制复杂化，数据量明显增加；由于信息不完备，系统的搜索空间增大，使得定性仿真在一定的情况下比定量仿真的速度更慢；再者随着定性仿真逐渐走向应用，参数数量的增长使问题的规模成指数增长，仿真的速度也明显下降。并行定性仿真能较大幅度地提高定性仿真的效率，因此成为一个新兴的发展方向。

鉴于定性仿真技术的诸多优点及巨大的实用价值，许多学者纷纷投入到该领域的研究中，各国政府部门及研究机构在研究经费等方面大力扶助，我们有理由相信在不远的将来定性仿真研究会取得更大的进展。

参考文献

deKleerJ,BrownJS.AQualitativePhysicsBasedOnConfluence.ArtifIntell,1983,59:7-15.

ForbusKD.QualitativeProcessTheory.ArtilfIntell,1984,24:85-168.

KuipersBJ.QualitativeSimulation.ArtilfIntel,1986,29:289-338.

Shen,Q.andLeitch,R.FuzzyQualitativeSimulation.IEEETrans.onSystems,Man,andCybernetics23(4),1993,

pp.1038-1061.

5LeitchR,FreitagH,StrussP,TornielleG.ARTIST:AMethodologicalApproachtoSpecifyingModel

BasedDiagnosticSystems.IntellegentAutomationLaboratory,Heriot-WattUniversity,Edin-burgh&Advanced

ReasoningMethods.SiemensAG,Munich,Germany&ArtificialIntelligenceSection.

CISES.p.a.,Segrat,Milano,Italy(MilanApplicationsConference,October,1991).

MilneR.On-LineDiagnosticExpertSystemForGasTurbines.IntelligentApplicationsLtd,Scotland,4th

InternationalProfitbalConditionMonitoringConferenceStratford-upon-Avon,UK,1992.

DaguePh,RaimanO,DevesPh.Trouble-shooting:WhenModelingistheTrouble.IBMScientificCenter,Paris,

France&ElectroniqueSergeDassault,France,1987.

8BratkoI,MozeticI,LavracN.KARDIO:AStudyinDeepandQualitativeKnowledgeforExpertSystems.MIT

Press,1989.

9KuiperBJ.QualitativeReasoning--Modeling&SimulationwithIncompleteKnowledge.MITPress,1994.

10DanielsHAM,FeeldersAJ.Model-BasedDiagnosisofBusinessPeformance.TilburgUniversity,Institutefor

LanguageTechnologyandAI,Netherlands,1990.

计算机仿真技术范文第3篇

[关键词]计算机仿真电子商务仿真

电子商务作为一个新兴领域,各个院校在电子商务专业建设中,培养目标和课程体系不是完全统一，因此侧重点是不同的。普遍存在的问题是重理论而轻实践的现象非常严重,不利于电子商务人才地培养。原因很简单，就是实践的电子商务平台很难搭建，应用仿真技术可以解决这一问题。利用计算机技术、网络技术等现代信息技术从事商务活动,突出学生的动手能力,培养融IT与商务于一身的高素质复合型人才。

随着互联网的全面普及，基于互联网的电子商务也应运而生，并在近年来获得了巨大的发展，成为一种全新的商务模式，被许多经济专家认为是新的经济增长点。这种电子商务模式对管理水平、信息传递技术都提出了更高的要求，其中安全体系的构建又显得尤为重要。如何建立一个安全、便捷的电于商务应用环境，对信息提供足够的保护，是商家和用户都十分关注的话题。

一、概述

计算机仿真技术可以为学生提供虚拟的仿真情境,为学生创设一种开放的、主动的、发现式的探索式的学习环境,发展学生的高级思维能力和问题解决能力,从而通过对该情境的操纵、观察和思考得出合理的结论。计算机仿真可以在很大程度上激发学生的高水平思维活动,让学生通过反省性的、高水平的思维活动来建构深层的、灵活的、真正的知识,近几年,计算机模拟教学在国内外的电子商务课程中屡见不鲜,但仿真教学在计算机教学中的应用、尤其是在计算机网络课程中的应用还处于探索研究的阶段,将计算机模拟应用于教学活动中,往往能够收到事半功倍的效果。

电子商务引起人们的普遍关注，细说起来也不过是最近几年的事情。电子商务网络仿真实验室可以提供一个真实的环境,在这个环境中,学生可以模拟电子商务的各种活动。因此,电子商务网络仿真实验室具有可操作性、仿真性及适应性强的特点。可操作性,是指电子商务网络仿真实验室中的计算机所需软件;仿真性,是指学生在电子商网络实验室的计算机上安装了相关软件后,能够模拟IT环境,进行各种电子商务活动等;适应性强,是指电子商务网络仿真实验室能够成为与电子商务相关的多门课程的实习实训基地。在电子商务网络仿真实验室,学生可以学习基本的电子商务网站的建设流程。

二、计算机仿真技术

计算机仿真技术(computer?simulation?technology)是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。计算机仿真，是在研究系统过程中，根据形式性原理，利用计算机来逼真模仿研究对象。研究对象可以是真实的系统，也可以是设想中的系统。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的，这种方法的优点是直接、形象、易信，但模型受限、容易破坏、难以重用。而计算机仿真是将研究对象进行数学描述，建模编程，且在计算机上运行实现。它不怕破坏、容易修改、可重用。因此在现代化生产建设中得到了广泛的采用。并取得了丰硕的成果，带来了可观的经济效益。

计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。由于近年来信息技术的发展特别是高性能海量并行处理技术，可视化技术，分布处理技术，多媒体技术，虚拟现实技术的发展，使得建立人——机——环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真环境成为可能，从而使仿真方法有了一些新的发展，形成了一些新的研究仿真方法热点，如：定性仿真方法；面向对象的仿真方法；分布式交互仿真方法；人——机和谐仿真环境建立方法学。

三、电子商务网络仿真实验室

利用仿真技术可以构建电子商务仿真实验室，通用的通信网络硬件实验平台《计算机网络》或《计算机网络与通信》是计算机专业的必修专业课程。它的实验主要是从以下几个方面进行设计的:网络技术做实验:它包括网络布线与制作,计算机操作系统的安装与配置,局域网的设计与实现,广域网的设计与实现。其目的主要是让学生了解常用网络的设备的连接、安装与配置。通过设计、连线和配置,完成网络数据通信实验。计算机网络原理的模拟与仿真:计算机网络模型,有许多协议支持实现,每种协议实现都有些算法。原理的模拟与仿真就是解决其中的一些算法实验,这种实验通常用软件加以实现,但同时也需一些硬件配合完成。其目的主要是使学生通过实验对算法应用理解更深刻。如:数据链路层的连续ARQ,网络安全中的加密算法等。网页虚拟实现交互指导实验:有些网络设备费用很高,也没有必要全部实做,设计一些虚拟网页,通过网络的操作达到实验的目的。如:网络的测试仪的使用,高端网络设备的使用和配置等。

在教学应用中，通过仿真技术不但可以节约教学成本，而且能取得良好的教学效果。

四、结束语

计算机仿真技术范文第4篇

污水处理系统仿真软件一般由动力学模型、模型表达、参数校正、数值分析、数据表达和用户界面等模块组成。在污水处理领域，用于数学模拟的软件可分为四个层次：一是电子数据表，可进行稳态计算，实现针对普通微分方程的简单数字程序；二是低端通用型语言（如FORTRAN、C、Basic等），创建模型的灵活性最高，但耗时费力；三是通用仿真软件（如Mathematica、MATLAB等），能够执行模型运算，可从网上下载；四是专业仿真软件（如BioWin、WEST等），主要由预定义的工艺模型单元库构成。WEST3.7.5将用于本文污水处理系统仿真和工艺分析。WEST软件是由比利时Hemmis公司与Ghent大学联合开发的、用于污水处理工艺动态模拟的专业仿真软件。通过引入组件单元（如活性污泥反应器、沉淀池、传感器等），软件可帮助用户使用分级图形编辑器构建模拟对象，并建立组件单元间的关联；后台模型库中提供了大量的组件模型以供选择。软件为高级用户提供了二次开发平台，通过MSL数据库可实现用户对模型库的自定义扩展。WEST软件目前在欧洲、北美、亚洲和澳大利亚拥有许多用户，在工业废水和生活污水处理领域均有应用。

二、模拟仿真在实践教学中的应用

目前上海市共有53家城镇污水处理厂，其工艺包括厌氧/缺氧/好氧、缺氧/厌氧/好氧、氧化沟、Unitank、MSBR等，千差万别的工艺使学生在多家污水处理厂的参观实习过程中很难把握其本质。因此，针对不同处理规模、工艺差别较大、处理目标不尽相同的污水处理厂，如何提炼污水处理运行管理中具有普遍规律性的内容并掌握应用就成为毕业实习教学的重点。由于大部分城市污水处理系统均采用二级生物处理工艺，通常涉及到厌氧、缺氧、好氧和固液分离4个处理过程，以满足COD降解、悬浮固体去除、硝化、反硝化和强化生物除磷的需要，因此引入ASM模型对典型生物处理系统进行研究将具有普适性的意义。此外，对污水处理厂能够进行调控的操作变量进行梳理，可概括出污水生物处理系统的6大操作变量：进水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧设定值。为此，可通过计算机仿真技术操作变量进行详细分析，以得到不同运行参数下影响污水处理厂出水各指标的最佳调控变量。典型的计算机仿真工艺流程如图1所示。在计算机仿真教学过程中，兼顾了系统整体介绍和细节分析，既通过仿真分析介绍了控制变量对出水水质的影响，又通过动力学模型分析解释了污水处理厂控制参数设置的合理性。如参观污水处理厂的溶解氧设定范围为2~3mg/L，为了有助于学生分析其设定范围的合理性，在实习过程中引入了ASM中开关函数的概念，并通过模型演示介绍了溶解氧对反应速率的影响（见图2）。通过相关的模拟仿真分析，加深了学生对实习过程中污水处理过程工艺控制的认识，有助于学生理论知识与实践知识的融会贯通。为了更好地突出数学模型仿真教学的优点，在毕业实习过程中，首先给学生布置部分问题，让学生带着问题进行污水处理厂的现场参观学习。待完成现场参观学习后，要求学生进行实习内容总结，数学模型仿真与实例分析安排在实习内容总结之后。在计算机仿真演示之外，要求学生结合专业知识对仿真结果进行分析，并对仿真结果进行估计。与此同时，结合计算机仿真和数学模型计算对实习过程中参观污水处理厂的工艺特点和存在问题进行分析。在工程实例分析中，选取上海市的典型污水处理厂氨氮去除效率高但出水总磷浓度过高的案例进行分析，并通过计算机仿真分析提出运行管理建议。考虑到氨氮和总磷的协同达标问题，通过模拟仿真分析建议增加排泥量降低系统污泥龄以有效降低出水总磷，并适当降低好氧曝气过程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干扰反硝化和厌氧释磷，这也有助于降低出水总磷浓度。

三、实践教学效果分析与建议

计算机仿真技术范文第5篇

关键词：计算机仿真；复杂系统；中医学；面向对象程序设计

1计算机仿真技术提供了适合中医学理论的实验室

科学技术的不断进步，推动着整个人类社会的发展，计算机的出现，使人类社会由工业社会向后工业社会——信息社会过渡。我国著名的科学家钱学森说：“我们所设计的信息体系简直可以包括全部人类千百年来创造的、而且还在不断创造的精神财富。而这全部精神财富可以由我们每个人随手调用和享受。这不但是从旧的脑力劳动中解放出来，而且是获得一个伟大的世界，从来未有的高度文化的世界。……人将变得更为聪明，人类的前进步伐更将加快。”这位大科学家以前所未有的高度论述了由计算机引起的这场技术革命。随着计算机技术的发展，一种崭新的学科——仿真学诞生了，从新药品的仿真测试到行星和星系的创生模型，以及计算机化培养皿中生长的数字生命形式，这是一种新的方法，不是基于直接的观察和实验，而是基于从真实空间向虚拟空间的映射。虽然这项工作仍处于起歩阶段，但已足以让每一颗好奇的心欣喜若狂。在这样一个伟大的时代，古老的中医学面临着前所未有的机遇和挑战。怎样将计算机科学与技术融入中医学领域，是一个值得深思和大胆尝试的问题。值得庆幸的是，计算机仿真是建立在复杂系统理论基础上的，而中医学理论所描述的正是这样一个复杂系统。

当伽俐略第一次拿起望远镜仰望太空时，他为人类创造了科学方法，即用实验来检验关于世界如何成其为世界的种种假说。于是有了拥有试管、曲颈瓶和本生灯的化学实验室，用来探测物质内核的价值连城的粒子加速器，以及在任何生物实验室都能看到的解剖青蛙和用显微镜观察植物细胞。然而，这些都是仅适用于简单系统中物质结构研究的实验室。现论物理学家薛定谔（ErwinSchrodinger）在《生命是什么？》一书中写道：“只要我们涉及活物质的结构，我们就必须面对这样一个事实：它是以不能还原成通常的物理学定律的方式起作用的。原因不在于某种‘新的力’或某种类似的东西支配着活的机体中的一个个原子，而是其结构不同于任何我们已从试验室研究中认识的东西。”[1]也正因如此，尤其是对于与西医学思维方式大相径庭的中医学理论，实验室研究一直是一筹莫展，经络实质的研究无功而返，各种“证”的实验模型设计令人啼笑皆非，中药的研究几乎与中医理论毫不相干……中医学所构建的庞大而复杂的系统难以在简单系统的实验室中得到验证，这是不难理解的。计算机仿真学的出现真值得每一位中医界的同仁为此干上一杯，因为这一方法的出现能使中医学多年的“科学梦”成为现实！虽然计算机仿真学正在起步，而这对中医学来说却是难得的机遇，不仅可以揭开其古老而神秘的面纱，而且有望为中医学打开一扇新的大门，开拓更为广阔的发展空间。

而将计算机仿真技术运用于中医学，面向对象程序设计是一个关键环节，下面将面向对象程序设计作一简要介绍。

2面向对象程序设计（OOP）概述

面向对象程序设计简称OOP，是Object-OrientedProgramming的缩写。面向对象是与面向过程相对而言的，传统的程序设计语言,如C语言，是面向过程的结构化程序设计语言，这种语言在20世纪80年代非常流行。随着软件业的发展，软件的规模越来越大，导致软件的生产、调试、维护越来越困难，因而发生了软件危机。人们期待着一种效率更高，更加容易理解，更加符合人类思维习惯的程序设计语言，OOP就是在这种情况下应运而生的。在20世纪90年代，OOP异军突起，成为最有希望，最有活力的程序设计方法。

①面向对象与面向过程的区别

计算机没有思想，人必须明确地告诉它如何运算，每一步做什么。站在这种计算机的角度进行程序设计，就是面向过程的方法。如：用计算机模拟一只猫捉老鼠的过程，程序员必须告诉计算机每一步猫的具体的动作。如果用面向对象的程序设计方法来做，就可以把猫作为一个独立的对象，猫会奔跑，猫会捉老鼠，这些是它的固有属性，被封装在猫这个对象之中，所以，只需给出老鼠出现的信息，猫就会自动去捉。与面向过程相比，面向对象的方法更符合人的思维习惯。②对象与类的概念

对象与类是面向对象方法中的两个基本概念。客观世界中实体的抽象构成对象，任何事物都可以作为一个对象，如一个人、一辆汽车、一个窗口、一个按钮、一座建筑、一项贷款等等。对象的划分和定义是灵活的，视需要而定。具有相同属性和行为的一个或多个对象的集合成为一类。类有层次之别，类下可以有子类，类上可以有父类。如：人可分为男人和女人，男人又可以分为儿童、青年、成年、老年等等。类是对象的抽象，对象是类的实例。类的划分也是灵活的，依需要而定。子类可以作为父类的对象看待。

③对象的特性

对象有以下基本特性：

封装性：对象是相对独立的单元，与之相关的数据和操作被封装在内部，对外是不可见的。对象和对象之间通过信息交换进行联系。如一只花猫，它是一个相对独立的个体，它的机体内包含复杂的结构，而这些结构是不可见的。

继承性：每个对象都从它所属的类中继承共性。如一只花猫，它从猫这一类中继承了猫的共性。

多态性：每个对象都有其特有的属性，使之区别于其它对象。如一只具体的猫，它与其它猫是不同的，有不同色泽、脾气、体重等。

④面向对象方法可以用下列方程式来概括：

OO=Objects+Classes+Inheritance+CommunicationWithMessages

即：面向对象＝对象＋类＋继承＋信息交换

在这里值得注意的是，上面的方程式也可以用作系统的描述，而且容易从中看出简单系统与复杂系统的区别：简单系统通常是少量的个体对象，它们之间的相互作用较弱，甚至可以忽略不计，故而可以作为独立的个体进行研究；而复杂系统中涉及中等数目的对象，不仅如此，对象通常具有智能性与自适应性，它们可以按照各种规则作出决策，随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，故而每一个对象不能独立的看待，这正符合了中医学的整体观。

3运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真

①面向对象方法与中医学具有相似的思维方式

假使我们想用传统的面向过程的方法来完成中医学理论的计算机仿真，不仅是一件难以想象的事，而且是不可能的事，对计算机发出人体生理、病理等过程的每一步指令，既使是在分析还原思维方式指导下对人体结构分解得极细，对人体生化过程了解得极为透彻的西医学也无能为力，更何况中医学本身就只重整体，不重结构。而面向对象方法，因其与中医学在思维方式上有惊人的相似之处，使之运用于中医学成为可能，成为对中医学进行计算机仿真的基础。其相似性体现在中医学的整体观与黑箱方法和OOP中的对象的特性及其信息交换上。可以将上文中面向对象方法学的方程式用下图表示：而这正是黑箱方法的图形表达。黑箱方法典型地表现在中医学的藏象学说中。藏象学说是关于人体脏腑功能的学说。古人虽然知道“八尺之士，可以剖而视之。”（《灵枢·胀论》）但又认为“藏府之在胸胁腹里之内，若匣匮之藏禁器也。”（同上）更重要的是，基于不同于西方的思维方式，中国古代对于整体性和运动性的强调，使得中医学未从解剖入手，分析人体的结构、成分，而是以极简单的解剖为基础，构造出了以象为内容的有机的学术体系。由“藏象”之名可知，中医是以现之于外的象来把握藏之于内的脏的，即“执其见功处见其形”，即黑箱方法。对此《灵枢·顺气一是分为四时》中论述道：“内外相袭，若鼓之应桴，响之应声，影之似形。”例如《素问·六节藏象论》对心的描述是这样的：“心者，生之本，神之变也；其华在面，其充在血脉，为阳中之太阳，通于夏气。”其它四脏与此相仿。由此可以看出，这里的心己不是解剖学中的有一定形态结构之心，而是一系列相关的生命活动的表现在人脑中形成的综合的象。它不具有实体性，却正好可以作为面向对象方法学中的一个对象来看待。推而广之，中医学中的其它概念，如气、血、津液、精、神、经络等，都可以作为一个个对象，对象之间通过信息的交换，相互密切联系，从而形成一个复杂系统，中医学的计算机仿真便可由此开始。②中医学的计算机仿真应用前景

用计算机仿真学对中医学中的概念、现象、原理、机制等进行模拟，可以建立各种模型，服务于教学、科研、临床。主要可以用于建设生理模型、病证模型、实验模型。

生理模型：在中医学中五脏、六腑、气、血、津、液、经络、筋、脉、骨、髓等，都可以构成相对独立的对象，赋予每个对象适当的属性，对象具有智能性与自适应性，它们可以按照各自的属性作出决策，并随时准备根据接收到的新信息修改自身的行为规则，它们之间通过信息交换互相联系，构成一个复杂系统，这一复杂系统即人体。在此基础上很容易就可以建立人体的病理模型。下图是生理模型的简单图示，实际中的生理模型还要复杂的多。

（图略）

病证模型：中医学中的证是非常复杂的，也是独具特色的。辨证论治非常灵活，以哮喘为例，说明中医病证模型的组建。哮喘发病，总因本虚标实，其病位虽在肺，但与脾、肾密切相关，先天不足后天失养造成肺、脾、肾不足是哮喘发病的内在原因。正气不足就易感外邪，感邪而产生风、寒、热、痰、湿、瘀、气等诸多病理因素，一些病理因素作用于肺，是发生哮喘的外在原因。如下图所示，运用OOP将各种因素的特性封装起来，作为对象，它们之间相互联系，就可以建造哮喘的病证模型，输入相应的信息，就可以得出诸如肺脾两虚，寒痰蕴肺；肺肾不足，肾不纳气；风寒外束，痰热内阻等证型，有力地指导临床实践。

（图略）

实验模型：正如在汽车研制中需要的碰撞实验可以用计算机模拟代替，中医学中的实验也可以用计算机模拟来代替。这样就可以提高效率，降低消耗。比如可以建立中药模型库、方剂模型库、病因模型库、生理模型库、病证模型库，如下图所示，中药模型库和方剂模型库作用于病证模型库，就可以模拟出对于某种病证的最佳治疗方案，选择最佳药物及最佳方剂。病因模型库作用于生理模型库，生理就可以模拟出在某些致病因素下，人体生理的变化，疾病的发生、发展、及转归。这些都可以为中医学研究工作提供有力的参考。

（图略）

4小结

运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真，不仅可以提高教学、科研、临床的生产力，节省大量的人力、物力、财力，而且可以屏弃简单系统实验室的不足，为中医学提供实验的空间。十六世纪，伽利略通过引入可重复的受控实验室的思想，开创了近代科学的实践，目前这一思想成为判定延续几千年的中医学是否科学的依据，而这一思想的中心在于能够实施一些实验，以检验关于待研究现象的假说。运用面向对象程序设计进行中医学的计算机仿真不仅可以对中医学概念、理论、方法的客观性、有效性、实用性进行证实，而且有前瞻性和预测性。

引入计算机仿真技术是中医学科研的大势所趋，也是目前将当代最前沿的信息技术与最古老的中医学相结合的最佳契机,这里有大量的工作尚待有志者去完成。

参考文献：

[1][德]克劳斯·迈因策尔著，曾国屏译.复杂性中的思维.北京：中央编译出版社，2000：111.

作者简介：

李婷（1972-），女，山西人。1993年于南京大学获理学学士学位，1996年于上海中医药大学获中医学第二学士学位，现为南京中医药大学在读硕士研究生。主要从事中医基础理论、中医学方法论、方剂学的研究。

陈晓东（1972-），男，黑龙江人。1993年于南京大学获理学学士学位，1996年于上海中医药大学获中医学第二学士学位，2002年于南京中医药大学获医学硕士学位。

ExplorationofComputerEmulationinTCMTheory

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