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1、交通运输系统模拟,第一篇 计算机模拟基础理论与方法第二篇 交通运输系统模拟方法与实践,第一篇计算机模拟基础理论与方法第一章计算机模拟概述,1.1 系统仿真的基本概念与分类1.2 计算机仿真的基本原理1.3 计算机仿真的过程1.4 计算机仿真的应用1.5计算机仿真技术的发展1.连续系统仿真与离散事件系统仿真,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.1 系统仿真的概念,1)定义：仿真（模拟）Simulation1961年：在实际系统尚不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。1978年Korn连续系统仿真：用能代表所研究的系统的模型作实验。1982年Spriet：所有支持模型建立与模型分析的活动即为
2、仿真。1984年Orn：建模实验分析（仿真的基本概念框架），仿真是一种基于模型的活动。,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.1 系统仿真的概念,仿真：模仿真实系统（或假象系统）的活动。系统仿真：利用模型对系统进行实验研究，包括：对研究问题建立模型、利用模型进行实验并进行分析。系统仿真是通过模型来揭示原型的形态特征和本质，从而达到认识实际系统的目的。,在科学研究工作中仿真被称为继“数学”、“实验”之后的“第三条道路”。,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.1 系统仿真的概念,系统仿真的内涵：系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关专门技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备
3、为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.1 系统仿真的概念,几何比例相似内部特性相似感觉相似逻辑思维方式相似,相似原理主要包括如下方面：,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类,(1)按照模型种类物理仿真数学仿真半实物仿真,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类,(2)按照实现手段物理仿真计算机仿真硬件在回路仿真人在回路仿真软件在回路仿真（又称嵌入式仿真）,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类,(3)按仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实时仿真 欠（亚）实时仿真
4、 超实时仿真,1.1 系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类,(4)按系统模型的特性分类 连续系统仿真 系统模型中的状态变量是连续变化的。这种模型一般可表示为微分方程或差分方程的形式。离散事件系统仿真 系统模型中的状态变量只在某些离散时刻由于某种事件而发生变化。这种模型一般只能用一组逻辑条件或流程图来表示。,1.1 系统仿真的概念与分类1.1.3 系统仿真的学科地位,系统仿真活动可向前追溯数千年。计算机出现后，利用计算机进行系统仿真，应用于不同领域的仿真技术有了共同的理论基础、工程方法和技术，系统仿真成为独立的学科；随着技术的发展和仿真应用的深入，计算机仿真开始向不同领域渗透，结合领
5、域知识，形成不同的研究分支。,1.1 系统仿真的概念与分类1.1.3 系统仿真的学科地位,美国总统办公室和国防部自1992年来，每年均制定国家关键技术和国防关键技术，其中“建模和仿真”一直列入优先发展的关键技术，被认为是最经济的高新技术。我国国防部于1993年制定相关的国防关键技术规划，在21项中，“建模和仿真”排在7位。,1.2 计算机仿真的基本原理1.2.1 系统、模型与仿真,系统：指具有某些特定功能，按照某些特定规律有机结合起来、相互作用、相互联系的对象的集合或总和；模型：对系统的客观描述，用于描述系统的结构、形态及信息传递。是系统的抽象与简化。正确建立的模型，能更深刻、更集中地反应实体
6、的主要特征和运行规律，从而达到对系统地抽象，从这一点说，模型更优于实体本身。,1.2 计算机仿真的基本原理1.2.1 系统、模型与仿真,系统被研究的对象 模型对系统的描述与抽象 仿真利用模型研究系统的方法 一个有效模型的输出可以用来预测或推断它所代表的真实系统的输出。,1.2 计算机仿真的基本原理1.2.1 系统、模型与仿真,1.2 计算机仿真的基本原理,计算机仿真：利用计算机对系统或过程进行动态仿真的一种方法，以安全和经济的方法获得系统运行的数量结果。计算机仿真的实质建立系统模型并放到计算机上进行实验，即面向研究对象利用计算机建立实验环境。,1.2 计算机仿真的基本原理1.2.2 计算机仿真
7、的三要素,系统模型计算机,1.3 计算机仿真的基本过程,系统建模：据系统试验知识、仿真目的和试验资料，形成系统模型（理论模型）。系统模型主要分成：概念模型、描述模型、功能模型、约束模型、空间模型等类型。仿真建模：据系统模型的形式，计算机类型、仿真目的，将系统模型转变为仿真模型，建立仿真试验框架。,1.3 计算机仿真的基本过程,1.计算机仿真技术的应用1.4.1 计算机仿真技术的特点,计算机仿真技术的优点模拟时间的可伸缩性模拟运行的可控性模拟试验的优化性计算机仿真技术的局限性模拟不是最优化技术，只是针对各个不同的具体决策，通过反复试验比较得出较好的结论，但不能保证是最优的。模拟仅仅是一种评价性技
8、术，不能产生方案和决策在模拟实验中，通常采用大量随机数，随机抽样会造成模拟误差,1.计算机仿真技术的应用1.4.2 计算机仿真技术的适应性,无法实施的问题；大量方案的比较选优；不易为人们了解的复杂大系统；有危险的、实验时间太长或花销太高的现象或活动；无法重复的现象；,适宜用计算机仿真技术来解决的问题主要有以下几类：,1.计算机仿真技术的应用1.4.2 计算机仿真技术的适应性,著名学者香农认为，在科学研究中，有下列情况时，可以考虑仿真的方法：不存在完整的数学公式，或没有一套解答数学模型的方法；虽然有解析解，但数学过程太过复杂，而仿真可以提供较简解法；解析解虽然存在，但超出了个人的数学能力；希望在
9、一个短时间内观测到过程的全部历史，以及估计某些参数对系统行为的影响；难以在实际环境中进行实验观测，仅可以采用仿真手段；需对系统或过程进行长期的运行比较，仿真可以随意控制时间进程；,1.计算机仿真技术的应用1.4.2 计算机仿真技术的适应性,与传统方法相比，应用计算机仿真技术的优越性：可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；可以对无法直接进行实验的系统进行仿真实验研究，从而节省能源和费用。,1.计算机仿真技术的应用,由于仿真技术的特殊功效（安全性和经济性），系统仿真技术不仅在航空、航天、原子能、电力能领域获得令人瞩目的发展，而且也逐步发展到应用于社
10、会、经济、交通、生态等领域，已经成为高科技产品从论证、设计、生产试验、训练到更新等全生命周期各个阶段不可缺少的技术手段，为研究和解决复杂系统乃至巨系统问题提供了有效工具。,1）系统设计与产品开发2）系统分析3）理论验证4）教育、培训与娱乐计算机仿真的最广泛用途：对方案进行分析、评估、论证，为决策提供依据；,1.计算机仿真技术的应用1.4.3 计算机仿真技术应用的基本类型,1.计算机仿真技术的应用1.4.4 仿真技术在交通运输领域的应用,行车组织方案辅助研究与评价（编组计划、运行图、地铁运行方案等）；通过能力计算与利用研究；设备配置、网络布局优化；应用系统的仿真测试与评估；业务人员培训；,）铁路
11、运输方面,1.计算机仿真技术的应用1.4.4 仿真技术在交通运输领域的应用,道路网规划线路和交叉口设计信号系统配时方案与控制算法优化交通流机理研究智能交通系统检验与评估研究公交系统运营方案研究,）公路运输方面,1.计算机仿真技术的发展趋势,建模与仿真的历史发展,1.计算机仿真技术的发展趋势,1）智能仿真2）面向对象仿真3）分布交互仿真）虚拟现实仿真,主要发展方向：,教材与主要参考书,离散事件系统建模与仿真王维平 科学出版社计算机模拟及其应用 杨肇夏 铁道出版社系统仿真导论 肖田元等 清华大学出版社现代仿真技术与应用 康凤举 国防工业出版社先进仿真技术与仿真环境 熊光愣等 国防工业出版社系统仿真技术黄柯棣等 国防科技大学出版社系统建模与仿真 齐欢 王小平编 清华大学出版社管理系统仿真 贾兰香等 天津大学出版社系统仿真 刘藻珍等 北京理工大学出版社,
