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第1篇：计算机仿真结构的工程方法论探析
余永阳，王婉祯，王业飞（中国科学院大学人文学院，北京100049）
摘要：工程中的计算机仿真活动有别于科学研究中的计算机仿真。基于工程方法论研究的视角，分析了计算机仿真是一个确定仿真目标、提出领域知识需求、识别提炼知识、建构模型、进行仿真实验，直至满足工程对仿真所提需求的迭代进化的逻辑结构；描述了计算机仿真行动者网络结构，以及人与非人两类行动者的角色定位；阐释了计算机仿真实践展开过程中应遵循目标有限性及其权衡、工程建设规范与仿真专业规范有机统一、全程协同的基本原则，以期为反思工程中计算机仿真实践活动的内在理性提供一种尝试。
关键词：工程方法论；计算机仿真；逻辑结构；仿真行动者网络
引言
人们在认识、利用和改造自然过程中，通常伴随着操作与干预的能动过程。其中，有一些系统如处于设计阶段的工程、未定型的产品等无法直接进行观察、实验和分析。因此，逐步出现了用抽象模型来代替真实系统进行实验的方法。这种方法，是基于从真实空间向虚拟空间的映射，通过对对象进行简化抽象的实验来研究一个存在或设计中的系统，由此诞生了一门新的学科——仿真学。随着计算机技术快速发展和广泛应用，仿真技术与高性能计算机技术相结合，计算机仿真便应运而生，从而通过“创建真实世界中复杂系统的硅替身，使我们能够在真实的计算机上进行可重复的受控实验”。[1]
概略地讲，计算机仿真，是指在计算机上建立某一现存或虚拟系统的模型，对该系统的结构和行为进行动态模拟，从中得到所需信息，进而为决策过程提供依据的研究方法。[2]它具有3个基本要素：系统、系统模型和计算机，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试验。[3]这种方法用于分析和研究目标系统运动行为、揭示系统动态过程和运动规律，已经广泛运用于工程和非工程领域之中，并取得了巨大成功。
近年来，我国工程哲学研究得到快速发展，经历“工程-技术-科学”三元论、工程演化论和工程本体论三个阶段后，[4]已深度拓展到工程方法论研究领域，并成为当前研究的热点问题。然而，作为工程实践领域重要的方法支撑之一的计算机仿真，当前对其研究更多的是指向具体的工程实践，而对方法论层面的计算机仿真实践过程的一般性抽象、提炼几乎没有。为此，本文试图对工程中计算机仿真活动展开过程实践结构、行动者网络结构及其角色定位，以及基本的实践原则进行分析，以期从工程哲学方法论层面解析工程中的计算机仿真结构。需要特别说明的是，考虑到计算机仿真在工程中应用及其价值已广为人所熟悉，本文不再赘述。
1工程中计算机仿真实践的逻辑结构
在科学研究领域，计算机仿真得到了广泛应用。因此，有学者把计算机仿真（或实验）称之为人类继思想实验、实物实验之后的第三种科学实验，并给出了计算机仿真的一般过程，即从实际系统出发，构建数学模型，而后转化为仿真模型，进行仿真实验后，对仿真结果进行分析，最终反馈于实际系统。[5]科学家借助计算机仿真从事科学研究活动，使得能够在真实的计算机上进行可重复的受控实验，也即能够进行大量的“假定-推测”实验。建构这种实验的过程，是科学家对研究对象抽象提炼的过程。这个过程的主导者，主要是科学家本人或者由相关领域科学家参与的群体。群体成员的专业结构往往呈现出同质性，或者同质性大于异质性。科学中的仿真实验即使是由专门人员承担，其本人也往往是这个领域的研究者。因此，仿真过程中科学家围绕具体科学问题进行交流，几乎不存在专业领域知识的障碍。换句话说，对于科学家而言，计算机仿真往往是掌握在自己手上的研究工具而言，并不存在过多的社会化过程，少有与专业领域外的人进行互动，掺入的非科学因素少。从这个角度看，科学中的计算机仿真活动更为纯粹、更加受控。
工程活动与科学活动是两种不同类型的社会实践活动，“科学活动是以探索发现为核心的，工程活动是以集成建构为核心的”[6]。我们认为工程实践中的计算机仿真活动核心是为构建新的存在物提供决策论证支持。作为一般性工程方法论中的计算机仿真，固然具有“三个世界”的分类属性，对应着工程系统、数学模型和计算机仿真模型。然而，它与科学领域中的计算机仿真活动有着显著区别。这首先是由工程活动的本质所决定。集成建构意味着工程所涉及的人员、知识、对象等诸多要素十分复杂多元，其建造过程本质上是一个权衡妥协的社会化过程，涉及人与自然的妥协、人与人的妥协。工程中的计算机仿真活动，一方面，仿真所需知识的综合性、集成性，需要工程决策者和工程所涉及的诸领域专业人员配合；另一方面，计算机仿真自身日趋专业性，往往需要专业人员来承担，也无法指望各领域人员都能通晓仿真专业。随之带来一个区别于科学中计算机仿真的显著特点，工程中的计算机仿真活动自始至终充斥着以仿真工程师为中心的与工程决策者和其他提供工程相关领域知识人员密切交互的社会化过程。由此可以看出，工程中的计算机仿真过程，是仿真工程师理解工程意图、确定仿真目标、提出领域知识需求、识别提炼知识、建构模型、进行仿真实验的迭代进化过程，直至满足工程对仿真提出的需求。因此，这种仿真活动是科学因素、社会因素共同作用的结果。为便于更加清晰地描述其实践的逻辑过程，我们尝试性给出一种工程实践中的计算机仿真的逻辑结构，具体如图1所示。图中实线及箭头表示的是由此到彼的因果或关联指向关系，虚线及箭头反映的是环路中的反馈关系。比如，结果展现指向需求描述，需求描述反过来也验证仿真结果，以此类推。
在工程活动的每个阶段，都涉及工程决策和决策的贯彻，还可能涉及各种调整变更。每阶段都有工程实践固有的活动目标。理论上讲，计算机仿真可以为每一阶段的活动提供服务。在仿真实践中，主要存在两大类型的交互。类型1，聚焦工程活动目标，仿真工程师与工程决策者、相关领域工程师等“用户”进行交互，形成比较清晰的仿真需求描述，为展开仿真活动奠定基础。类型2，聚焦需求主导下的仿真目标，仿真工程师依托计算世界中的各种平台、工具等，展开实质上的建模和实验活动。这类交互以概念模型为中心，通过概念模型-数学模型-仿真模型内部循环，迭代推进仿真实验，最终形成可面向用户的仿真结果。依托仿真结果，仿真工程师与“用户”再次进行交互，如此循环往复，直至仿真活动满足工程实践需求。交互的过程，是围绕工程目标进行两个环路的迭代演化过程。
