1、毛保華 中國(guó)綜合交通研究中心 2010年9月7日,交通仿真技術(shù),杜鵬 交通運(yùn)輸學(xué)院 2010年9月7日,2,碩士生階段如何學(xué)習(xí)？,基礎(chǔ)教育： 學(xué)以備考,本科生： 學(xué)以致用,碩士生：,學(xué)以致用,學(xué)以致活用,學(xué)以致變,了解是什么？,了解不能是什么？,了解為什么是？,3,碩士生課程如何教學(xué)？,特點(diǎn)： 未必有教材 未必成系統(tǒng) 未必對(duì),要點(diǎn)： 通過(guò)自學(xué)，大量讀書(shū)讀論文 不但要知道，還要能教導(dǎo) 時(shí)刻結(jié)合自身觀(guān)察，思考所學(xué)知識(shí),三大忌諱,不肯會(huì),坐等會(huì),嘴會(huì)手不會(huì),學(xué)習(xí)方法,主動(dòng)學(xué)習(xí) 以干代學(xué) 充分利用學(xué)習(xí)各種機(jī)會(huì),不懂就問(wèn) 計(jì)劃引導(dǎo) 缺啥補(bǔ)啥,三瓢可致清醒之涼水,未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)比能夠想象的還要激烈,機(jī)會(huì)沒(méi)有想象

2、的多,千萬(wàn)不要高看個(gè)人,7,參考讀物,楊肇夏,計(jì)算機(jī)模擬及其應(yīng)用,中國(guó)鐵道出版社，1999年。 劉運(yùn)通等,交通系統(tǒng)仿真技術(shù),人民交通出版社，2002年。 裴玉龍等,道路交通系統(tǒng)仿真,人民交通出版社，2004年。 吳嬌蓉等，交通系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用，人民交通出版社，北京，2004年。 徐瑞華,運(yùn)輸與物流系統(tǒng)仿真,同濟(jì)大學(xué)出版社, 2009年。 毛保華,楊肇夏,陳海波,道路交通仿真技術(shù)與系統(tǒng)綜述,北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,26(5):37-46。 楊肇夏, 毛保華,何天健,鐵路運(yùn)輸模擬系統(tǒng)研究綜述,北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,26(5):1-8。,8,參考資料,Gazis, D.C., Car

3、following theory of steady state traffic flow, J. Oper.Res. No.9 567,1961.545- Lighthill, M.J. and Witham, G.B., On kinematics waves II. A theory of traffic flow on long crowded roads, Proc. R. Soc. London Ser. A: 1178(229), 317-345, 1955. Herman R, Montroll, E W, Potts, R et al, Traffic dynamics: A

4、nalysis of stability in car-following, Operations Research, 1(7), 86-106,1959. Herman, R and Rothery, R W, Car-following and steady state flow, Theory of Traffic Flow Symposium Proceedings, 1-13, 1963. Gipps, P G., A model for the structure of lane changing decision, Transportation Research B, 20(5)

5、, 403-414, 1986. Lind, G et al, Best Practice Manual, http:/www.its.leeds.ac.uk/smartest, 1999. Algers, S et al, Review of Micro-Simulation Models, http:/www.its.leeds.ac.uk/smartest, 1997.,Mellitt, B., Goodman, C.J. & Arthurton, R.I.M., Simulator for studying operational and power-supply conditions

6、 in rapid-transit railways. Proc. IEE, 4(125). 298-303,1978. Mellitt, B., Goodman, C.J. & Arthurton, R.I.M., Simulation studies of energy saving with chopper control on the Jubilee Line, Proc.IEE, 125, 4, 304-310,1978. Cremonini, R., Lamma, E. & Mella, P., A simulator for automatic train protection

7、system, Proc. Of Simulation V Conference, 295-99,1988. Okuda, T., Takashige, T. & Watanabe, I., Simulation system evaluating the train headway on heavy traffic lines, Quarterly Report of RTRI, 2(34), 119-24,1993. Ho T.K., Optimal Control of Traffic Flow at a Conflict Area in Railway Network, PhD The

8、sis, University of Birmingham.1994. Hirao, Y. & Hasegawa, Y. Development of a universal train simulator (UTRAS) and evaluation of signaling systems, RTRI, 336(4), 180-5.1995. Fay,A., Train Control by Multi-Agent Software Systems, 7th International Conf. on Computer Aided Design, Manufacture & Operat

9、ion in Railway & Advanced Mass Transit System, 817-26, 2000. Ho, T K, Mao, B H, Yuan, Z.Z., Liu, H D & Fung,Y F(2002), Computer Simulation and Modelling in Railway Applications, Computer Physics Communications,No.143, 1-10,2002. VISION, Railway System Simaultion Software, www.aeat.co.uk/rail. Introd

10、uction to the Railsim TPC Using the Sample data, RAILROAD AND TRANSIT SYSTEMS, ,10,課程計(jì)劃,緒論 離散系統(tǒng)仿真方法 連續(xù)系統(tǒng)仿真方法 交通系統(tǒng)仿真基礎(chǔ) 軌道交通系統(tǒng)仿真模型與方法 道路交通系統(tǒng)仿真模型與方法 國(guó)內(nèi)外交通仿真軟件介紹 講座(仿真案例),第一章 緒論,12,仿真的概念,仿真(Simulation)，通過(guò)項(xiàng)目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉(zhuǎn)化為它們對(duì)目標(biāo)的影響；該影響是從項(xiàng)目整體層次上來(lái)表示的。 項(xiàng)目仿真利用計(jì)算機(jī)模型和某一具體層次的風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)，一般采用蒙特卡洛法進(jìn)行仿真。 項(xiàng)目仿真：利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)

11、際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)，又稱(chēng)模擬。,模擬，克隆，山寨,采用微觀(guān)方法,從整體上分析不確定性及其對(duì)系統(tǒng)的影響的方法,模型包括物理的和數(shù)學(xué)的，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的，連續(xù)和離散的各種模型。系統(tǒng)也很廣泛,包括電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力等系統(tǒng), 也包括社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等系統(tǒng)。 當(dāng)系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長(zhǎng)時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。 仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真過(guò)程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要步驟。,14,仿真技術(shù)發(fā)展歷史,20世紀(jì)初仿真技術(shù)得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)

12、室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究。4050年代航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。 50年代初，連續(xù)系統(tǒng)的仿真研究絕大多數(shù)是在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。 50年代中，人們開(kāi)始利用數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)向模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真兩個(gè)方向發(fā)展。在模擬計(jì)算機(jī)仿真中增加邏輯控制和模擬存儲(chǔ)功能后，出現(xiàn)了混合模擬計(jì)算機(jī)仿真，以及將混合模擬和數(shù)字計(jì)算機(jī)聯(lián)合在一起的混合計(jì)算機(jī)仿真。在仿真技術(shù)發(fā)展過(guò)程中研制出大量仿真程序包和仿真語(yǔ)言。,60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。 70年代后，研制成功了專(zhuān)用的全數(shù)字并行仿真計(jì)算機(jī)。 美國(guó)是仿

13、真技術(shù)及系統(tǒng)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的國(guó)家。1967年，美國(guó)成立了計(jì)算機(jī)仿真學(xué)會(huì) (Society for Computer Simulation)，推動(dòng)了仿真技術(shù)在美國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用。 20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外交通仿真系統(tǒng)得到了較大發(fā)展。目前，公開(kāi)發(fā)表的道路交通仿真軟件已有近百個(gè)，有一定應(yīng)用的軟件系統(tǒng)也有數(shù)十個(gè)。,計(jì)算機(jī)仿真 (computer emulation) 借助高速、大存儲(chǔ)量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬的技術(shù)。,仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)。,計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過(guò)程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模仿。它是一種描

14、述性技術(shù)，是一種定量分析方法。 通過(guò)建立某一過(guò)程和某一系統(tǒng)的模式，來(lái)描述該過(guò)程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供有關(guān)這一過(guò)程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的參考依據(jù)。,18,仿真技術(shù)(學(xué)科)的特點(diǎn),介于運(yùn)籌學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)科學(xué)間。利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)或過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，以安全和經(jīng)濟(jì)的方法獲得動(dòng)態(tài)運(yùn)行的數(shù)量結(jié)果，提供決策依據(jù)。 綜合了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制等多個(gè)高新領(lǐng)域的知識(shí)。 綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)技術(shù)。 復(fù)雜系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和訓(xùn)練的手段和工具。,19,系統(tǒng)的概念,相互作用對(duì)象的有機(jī)結(jié)合

15、 具有整體性和相關(guān)性 確定的系統(tǒng)邊界 系統(tǒng)的三個(gè)要素：實(shí)體、屬性和活動(dòng)。 系統(tǒng)中被研究的對(duì)象或元素稱(chēng)為實(shí)體 實(shí)體的有效特征稱(chēng)為屬性 系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的任何變化成為內(nèi)部活動(dòng)，系統(tǒng)外部發(fā)生的對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響的任何變化過(guò)程稱(chēng)為外部活動(dòng)。,汽車(chē)駕駛控制系統(tǒng),駕駛員、汽車(chē)是實(shí)體； 屬性包括行駛路線(xiàn)、駕駛員行為等； 駕駛員調(diào)整行駛路線(xiàn)為內(nèi)部活動(dòng)。,任意給定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)所有實(shí)體、屬性和活動(dòng)的情況信息之集合成為系統(tǒng)在該時(shí)刻的狀態(tài)。表示系統(tǒng)狀態(tài)的變量成為狀態(tài)變量。 連續(xù)系統(tǒng)：系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的稱(chēng)為連續(xù)系統(tǒng)；其動(dòng)態(tài)特性可用微分方程或一組狀態(tài)方程表示，也可用差分方程和一組離散狀態(tài)方程表示。 離散系統(tǒng)：系統(tǒng)的狀

16、態(tài)變化只在時(shí)間的離散時(shí)刻發(fā)生變化，稱(chēng)為離散系統(tǒng)；其動(dòng)態(tài)特性用流程圖、網(wǎng)絡(luò)圖或表格表示。 大多數(shù)系統(tǒng)既有連續(xù)成分，也有離散成分。,22,系統(tǒng)模型,模型是系統(tǒng)的一種描述，是為了研究目的而開(kāi)發(fā)的對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行模擬的一種形式。能更真實(shí)、深刻反映系統(tǒng)的主要特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 物理模型，實(shí)體模型 數(shù)學(xué)模型，實(shí)際系統(tǒng)的一種數(shù)學(xué)描述，用數(shù)學(xué)符號(hào)和數(shù)學(xué)方程式來(lái)表示系統(tǒng)的模型或者用文字、框圖、流程和資料等形式對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的描述。,23,模型的形成,24,建模的方法,演繹法建模 利用已有的關(guān)于系統(tǒng)的知識(shí)采用演繹的方法建立數(shù)學(xué)模型（根據(jù)已知的原理推導(dǎo)出的模型） 歸納法建模 根據(jù)對(duì)一個(gè)已經(jīng)存在觀(guān)察、測(cè)量所得到大量輸入、輸出

17、數(shù)據(jù)，推斷出的被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?25,數(shù)學(xué)模型與仿真模型間的關(guān)系,數(shù)學(xué)模型不一定是仿真模型 仿真模型也不是只能由數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生,數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型的三種方法 通過(guò)直接編程由計(jì)算機(jī)來(lái)求問(wèn)題的解析解； 對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理； 在數(shù)學(xué)模型所作描述基礎(chǔ)上，增補(bǔ)一系列求解規(guī)則和邏輯條件，以流程圖形式建立模型。,26,建模的步驟（以離散事件系統(tǒng)為例）,確定系統(tǒng)的范圍和組成 定義系統(tǒng)的參變量集合 確定事件類(lèi)型及其發(fā)生時(shí)點(diǎn) 設(shè)置模擬時(shí)間推進(jìn)機(jī)構(gòu) 確定各類(lèi)事件與系統(tǒng)狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系 確定約束條件和目標(biāo)函數(shù),27,“事件”表征使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的一種行為或瞬間事變。出現(xiàn)事件的時(shí)點(diǎn)稱(chēng)

18、為事件時(shí)點(diǎn)。 基本事件：獨(dú)立發(fā)生，不受其他事件是否發(fā)生影響； 條件事件：并發(fā)事件，發(fā)生往往受其他事件是否發(fā)生影響； 半基本事件。,確定事件類(lèi)型及其發(fā)生時(shí)點(diǎn),28,設(shè)置模擬時(shí)間推進(jìn)機(jī)構(gòu),為保證系統(tǒng)模擬持續(xù)進(jìn)行，需要一個(gè)機(jī)構(gòu)把模擬時(shí)間從一個(gè)時(shí)間值撥動(dòng)到下一個(gè)時(shí)間值。 模型中給出模擬時(shí)間當(dāng)前值的變量稱(chēng)為模擬時(shí)鐘，起動(dòng)控制模擬時(shí)間的作用。 時(shí)間步長(zhǎng)法 事件步長(zhǎng)法,確定各事件與系統(tǒng)狀態(tài)變量的邏輯關(guān)系,模型應(yīng)該能夠?qū)?shí)體的活動(dòng)以及實(shí)體間相互關(guān)聯(lián)進(jìn)行科學(xué)的定量與定性分析。 定義事件的發(fā)生以描述實(shí)體的活動(dòng)，并構(gòu)造實(shí)體之間的各種關(guān)系。 事件的發(fā)生來(lái)自實(shí)體的某種行為，引起被動(dòng)實(shí)體與系統(tǒng)某些描述變量的變化。,30,系統(tǒng)仿真,物理仿真， 象棋，沙盤(pán)，實(shí)戰(zhàn)演習(xí) 數(shù)學(xué)仿真 計(jì)算機(jī)仿真 數(shù)學(xué)物理仿真,系統(tǒng)仿真過(guò)程,關(guān)于仿真技術(shù)的正確認(rèn)識(shí),為什么要用仿真？ 仿真的作用與特點(diǎn)？ 仿真的局限性？,仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),仿真時(shí)間的可控性 仿真運(yùn)行的可控性 仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化性 交通分析的開(kāi)放性,仿真技術(shù)的