建筑工程系统仿真的概念

仿真是一种模仿行为,是将所研究的对象用其他手段进行模仿的一种技术.当采用这种方法研究问题时,并不直接研究对象本身,而是先设计一个与研究对象相似的模型,然后通过模型来间接地研究对象。早在几千年前,我国就有了系统仿真的思想,因此,军事演习就是对实际作战过程的模仿或仿真。

在建筑工程领域中,仿真的应用由来已久且很广泛。例如,古代的房屋屋顶多为桁架结构,为了满足桁架结构几何形状的要求,桁架中的每一根木料都要有确定的长度要求。如何确定每根木料的长度,对现代人来说这是非常简单的问题。但在古代科学尚不发达的情况下,解决的办法是在地面上按实际尺寸的一定比例模拟制作一个屋顶,量出模拟屋顶上的一根木料的长度,再按比例放大,即可得到实际木料所需的长度。这是一个很典型的构造模型并通过实验从而获得系统特性的仿真实例。

物理仿真具有形象、直观、便于类比等优点,但由于其本质上是用实物仿真,因而存在着速度慢、精度低、价格昂贵等致命弱点。如果这种仿真实验是破坏性的,那么每次仿真实验都要重新构造实物模型,带来很大的麻烦和浪费。自从20世纪50年代以来,由于计算机技术和仿真理论与方法的发展,出现了一种新的科学方法――计算机仿真,把仿真技术推向了一个新的阶段.

所谓系统仿真是根据研究的系统构造一个能描述真实系统结构和行为的、用逻辑流程图的形式表示的仿真模型,然后用计算机来运行仿真模型,模仿实际系统的运行及其随时间变化的过程,并通过对仿真运行过程的观察和统计,得到被仿真系统的参数和基本特性,以此来测算实际系统的真实参数和性能。例如某城市拟兴建一个宾馆,为了预测投资回收期,可对宾馆建成后的经营条件建立相应的仿真模型,通过计算机仿真运行,得到宾馆实际经营的各项指标和年税利,从而预测出投资回收期,为有关部门提供投资兴建的决策依据。

计算机仿真目前已在工程技术、科学试验、生产管理、军事领域、财政金融甚至社会科学等领域得到了广泛的应用。计算机仿真所以能得到越来越多的应用,主要具有以下优点:

1.对于复杂的、具有多个随机因素的系统,要用数学模型来作精确的描述往往是十分困难的.或者虽然能建立相应的数学模型,但无法求解。但系统仿真则可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系,面向系统的实际过程和系统行为构造仿真模型,从而能得到复杂随机系统的解.这是系统仿真能得到广泛应用的最基本原因。

2.能模拟运行无法实施的问题。实际中有许多问题无法通过付诸实施来进行研究,如预测问题就是这一类问题的代表性例子。如前述,要预测拟建宾馆的投资回收期,我们无法对尚未兴建的宾馆实际经营一段时间,来取得确定投资回收期的有关参数.但我们可以参考已建类似宾馆经营情况,建立一个仿真模型,通过计算机仿真运行,获得确定投资回收期的各项参数而预测出投资回收期。又如要研究某地区发生某地震烈度的地震时,对建筑物的破坏程度等,也可以用计算机仿真地震烈度、仿真人工地震波来预测对建筑物的影响.

3.可以进行大量方案的比较和选优。在一项新的系统设计中,由于各种设计参数的变化,会存在大量的备选方案,若用人工方法把全部方案都算出来进行比较,其工作量之大将是无法实现的。

4.可模拟有危险和风险的现象.在建筑业中主要有两类风险,一类是技术风险,如要延长某建筑物的使用期限,风险有多大,另一类是经济风险,如工程项目的投资风险、工程投标风险、国际工程索赔风险等等.对一项大型工程项目的投资,一旦失败,将会遭到巨大的经济损失。对这一类问题,可构造系统仿真模型,进行仿真试验,然后作出决策。在西方国家用计算机仿真进行投资风险分析,已得到迅速的发展和应用。

5.可模拟无法重复的现象。大型建设工程项目,如港口、铁路、机场等,一旦建成后,若发现有问题,要再改建或重建,需花费大量人力物力.对这类问题可用计算机仿真,使无法重复的现象在计算机上反复地重演,从而避免不可挽回的损失。

6.可模拟成本过高的现象。一个新产品的研制,往往要做大量的试验。建筑工程中设计一个新的结构或构件要做很多破坏试验.如为研究一个新型结构而做的抗震性能试验,其工作量是很大的。如用计算机仿真去代替某些物理试验,将会节省大量人力物力。

7.系统仿真直接面向问题的特点,使仿真模型与实际系统具有形式上和内容上的对应性和直观性,避免了建立抽象的数学模型,从而显著简化了建模过程。

利用计算机仿真技术,敌我双方不费一枪一弹,可以展开一场激烈的“战斗”。房屋建造起来以前就可以使其经受地震的考验,一个宾馆兴建前就可以让其经营一段未来的时间而预知年税利有多少,建筑工程项目中标后能预知风险有多大等等。利用计算机仿真试验进行系统设计,投资少、周期短.据统计可节省产品研制费用40%左右,可缩短产品研制周期30%～40%。

仿真技术也并非无所不能,十全十美。从数学的角度看,计算机仿真是一种没有办法的办法.如果某个问题或系统能够应用解析的数学方法构造出数学模型,那也就没有必要应用计算机仿真,而且仿真技术还存在一些固有的缺点:1.系统仿真本身不具有优化功能,每次仿真实验只能得出一个可行解,如要获得问题的最优解或满意解,往往要做多次仿真实验,具有枚举法的弱点。2.系统仿真往往需要对仿真模型进行大量独立、重复的仿真运行,需要占用较大的内存和耗费较多机时。3.仿真构模是直接面向问题的建模过程,对于同一个实际问题,由于构模人员素质的差异或对问题的了解和理解不同,会构造出不同的仿真模型,其仿真结果自然也就不同。

以上缺点虽然是仿真本身的性质所造成的,但是随着计算机科学(包括硬件和软件)的发展和系统仿真理论的深入研究,这些问题将得到不同程度的改善。随着计算机内存的扩展和运算速度的加快,仿真需用机时将会减少到可以接受的程度.由于近年来大量优秀仿真软件相继开发,把系统仿真与优化技术相结合的优化软件已经出现,从而可以在仿真的环境下同时进行优化处理.此外,由于仿真理论的发展,在仿真模型代表性方面,近年来已从统计学角度提出了仿真模型确认理论,从而使仿真模型从非精确性逐步向精确性过渡。