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1、第一章 绪论 1. 什么是交通仿真？利用计算机仿真技术模拟交通系统2.【计算机仿真技术】是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关 的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用利用系统模型系统模型对实际的或设想对实际的或设想 的系统进行的系统进行试验研究试验研究的一门综合性技术。的一门综合性技术。 3. 相似性原理是系统仿真技术的主要依据相似性原理是系统仿真技术的主要依据。所谓相似，是指各类事务或对象之间存在的某 些共性。采用相似性技术建立实际系统的模型就是仿真的本质过程 4.交通仿真的定义：交通仿真是以相似原理、信息技术、系统工程及其交通工程领域的基 本理论和专业
2、技术为基础，以计算机为主要工具主要工具，利用系统仿真模型模拟交通系统的运行交通系统的运行 状态状态，采用数学方法或图形方式来描述动态交通系统动态交通系统，以便更好的把握和控制该系统的一 门实用技术。 是复现交通流时间空间变化的技术；是采用计算机数字模型来反映复杂交通现象的交 通分析方法；核心内容：交通仿真模型的建立和标定、交通仿真实验系统的开发 5. 交通分析技术和方法： 经验实测法：数据来源于现场，可信度高，不需要假设条件，但个别因素的影响很难确 定，受环境等外界因素影响干扰大。需要大量实测数据，结论可移植性差。 理论分析法：对个别因素的影响有明确数量关系，需要采取基本假设，与实际存在偏差。
3、 系统仿真法：模型是理论推演、抽象出来，基本数据来自现场实测。 6. 交通仿真的目的：作为交通分析的有效手段之一，交通系统仿真旨在运用计算机技术再 现复杂的交通现象，并对这些现象进行解释、预测、分析，找出问题的症结，最终对所研 究的交通系统进行优化、比选和评价。 7.计算机仿真技术的应用：驾驶员培训模拟系统、驾驶培训模拟系统（模拟环境）驾驶员培训模拟系统、驾驶培训模拟系统（模拟环境） 、汽车安汽车安 全碰撞试验中使用的仿真人、车辆事故仿真（故障再现）全碰撞试验中使用的仿真人、车辆事故仿真（故障再现） 、列车模拟驾驶。、列车模拟驾驶。 8.仿真技术的应用：仿真技术具有很高的科学研究价值和巨大的经
4、济效益。由于仿真技术 的特殊功效，特别是安全性和经济性，使得仿真技术得到广泛的应用。归纳起来，仿真技 术的主要用途包括以下几点：优化系统设计、系统故障再现、验证系统设计的正确性、对优化系统设计、系统故障再现、验证系统设计的正确性、对 系统或其子系统进行性能评价和分析、培训系统操作员系统或其子系统进行性能评价和分析、培训系统操作员 9. 轨道交通运输系统 广泛应用于以下轨道交通工程领域： 铁路网络系统基础设施的需求分析与规划 线路和车站的运营能力分析、列车牵引分析 构建列车时刻表并分析其适应性和鲁棒性 多种信号系统分析，如移动闭塞系统等 系统故障和延迟模拟（包括基础设施故障和车辆故障等） 仿真列
5、车运行调度方式； 仿真分析车站、线路的运能（分析车站接发车能力，从而确定车站设置到发线数量 是否满足要求，辅助确定车站方案设计） ； 仿真分析大型站场咽喉区道岔布置（分析咽喉区道岔使用频率，从而确定道岔排列 的合理性） ； 列车运行计划合理性分析及优化（分析过程中可输出预定运行计划与实际运行情况 的对照图） ； 仿真信号机工作状况； 仿真非正常情况行车组织（如：突发事件、晚点、事故等） ； 信号系统的对比与分析（如：信号机设置间距、位置及所选用的信号系统进行比较分析） ； 仿真列车运行过程中外部因素影响的敏感性分析（如额外增加停站时间） ； 仿真人工干预场景（通过将控制方案作为仿真输入来反映运
6、营中的人工干预情形） ；车辆特征曲线分析（对将投入使用的车辆性能进行仿真分析） ； 仿真轨道占用情况，辅助制定合理利用轨道计划； 仿真列车解编或联编（一列车解编或多列车联编） ； 列车运行中功率和能耗的计算。 10.道路交通系统：可以帮助用户进行项目建设的评价可以帮助用户进行项目建设的评价 交通流量 旅行时间 车辆延误 排队长度 燃料消耗 尾气排放 经济利益等 11. 仿真技术的优点： (1)安全性安全性 安全性一直是仿真技术被重用的最主要的原因，所以航空、航天、武器系统过去曾经 是仿真技术应用的最主要领域，一直到现在仍然占据很大的比重。20 世纪 60 年代以后， 核电站及潜艇等也由于安全性
7、的原因，广泛采用仿真技术来设计这类系统及培训这类系统 的人员。 (2)经济性经济性 经济性也是仿真技术被采用的十分重要的因素，几乎所有大型的发展项目，如阿波罗 登月计划、战略防御系统、计算机集成制造系统都十分重视仿真技术的应用，这是因为这 些项目投资极大，有相当的风险，而仿真技术的应用可以较小的投资换取风险上的大幅降 低。 其他优点其他优点：仿真实验可重复性、仿真时间的可控性、系统分析的开放性、仿真条件的可控仿真实验可重复性、仿真时间的可控性、系统分析的开放性、仿真条件的可控 性性 12.仿真技术的局限性：仿真技术不是优化技术仿真技术不是优化技术、评价技术，不产生决策方案评价技术，不产生决策方
8、案、仿真结果可仿真结果可 能存在能存在“失真失真” 13. 系统仿真的主要作用： 应用于无法实施的一类问题无法实施的一类问题 大量方案的比较和选优方案的比较和选优 应用于不易为人们所了解的大型复杂系统大型复杂系统 避免实验的危险性 应用于无法重复的项目 节省经费 帮助训练系统操作人员 14.学科特点： 介于运筹学、数理统计和计算机科学运筹学、数理统计和计算机科学的之间的边缘科学。利用计算机对系统或过程 进行动态仿真，以安全和经济的方法获得动态运行的数量结果，提供决策依据。 综合了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个 高新技术领域的知识。综合性很强综合性很强的实验科
9、学技术。 复杂系统的研究、设计、评价和训练的手段和工具第二章 仿真建模的原理与方法 1 系统系统 1.1 系统的定义 相互作用的对象的有机结合。 1.2 系统的特性 整体性和相关性。 系统边界的确定。 1.3 系统的分类1按照系统变量的变化规律分类：2按照是否包含随机因素分类：确定性系统确定性系统、随机性系统随机性系统 2 系统模型系统模型 2.1 系统模型的概念 【模型】是系统的一种描述，是为了研究目的而开发的对真实系统进行模拟模拟的一种 形式。 模型能更真实、深刻反映系统的主要特征和运动规律。 2.2 系统模型的分类-表现形式表现形式 【描述模型】用文字、框图、流程和资料等形式对真实系统的
10、描述。 【物理模型】实体模型 【数学模型】实际系统的一种数学描述，用数学符号和数学方程式来表示系统的模 型 【计算机程序】软件 2.2 系统模型的分类-系统变量的变化规律系统变量的变化规律2.2 系统模型的分类-是否包含随机因素：确定性模型、随机性模型是否包含随机因素：确定性模型、随机性模型 3.系统仿真系统仿真 仿真，模拟。为了求解问题而人为模拟真实系统整个或部分运行过程。 系统仿真是以相似原理、控制理论、系统技术、信息技术及其相关领域相关专业技 术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或设想的系 统进行动态研究的一门多学科综合性技术。 自 20 世纪 50 年代形成并
11、发展的新兴学科。3.1 系统仿真分类系统仿真分类 按照表现形式不同，分为：实物仿真（物理仿真） 、数学仿真、半实物仿真 实物仿真（物理仿真）：又称物理仿真，是指研制某些实体模型，使之能够重现原 系统的各种状态。真实直观；投资大、周期长，实验受限制，灵活性差。例如：沙 盘，实战演习 数学仿真：用数学语言去表述一个系统，并编制程序在计算机上对实际系统进行研 究的过程。经济、方便、灵活；真实性依赖于模型。例如：计算机仿真游戏 半实物仿真：又称数学物理仿真或混合仿真。为提高仿真的可信度或针对一些难以 建模的实体，在系统研究中往往把数学模型和实体结合起来组成一个复杂的仿真系 统 3.2 系统仿真过程系统
12、仿真过程3.3 系统仿真的基本步骤系统仿真的基本步骤 第一步 问题描述与系统定义 第二步 建立仿真模型 第三步 收集和整理数据资料 第四步 建立仿真模型 第五步 开发仿真程序 第六步 模型校验（参数标定） 第七步 计算机仿真运行 第八步 仿真结果分析 第九步 建立文档系系统统系系统统模模型型计计算算机机系系统统建建模模仿仿真真建建模模仿仿真真试试验验明明确确问问题题仿仿真真方方法法 是是否否适适用用问问题题的的系系统统化化收收集集和和处处理理数数据据建建立立数数学学模模型型参参数数估估计计模模型型评评价价其其他他交交通通分分析析技技术术编编制制程程序序模模型型确确认认试试验验设设计计仿仿真真结
13、结果果分分析析否否是是拒拒绝绝拒拒绝绝接接受受4. 系统仿真技术的发展系统仿真技术的发展第三章 离散事件系统仿真离散事件系统仿真 3-1 离散事件系统 1.离散事件系统：系统的状态只是在离散时间离散时间点上发生变化，而且这些离散时间点一般是 随机随机的。2.离散事件系统的组成要素 系统中被研究的对象或元素称为【实体实体】 。 实体的有效特征称为【属性属性】 。 系统内部发生的任何变化称为【内部活动内部活动】 。 系统外部发生的对系统产生任何影响的任何变化过程称为【外部活动外部活动】 。 事件事件引起系统状态发生变化变化的行为，它是在某一时间点上的瞬间行为瞬间行为。 活动活动实体在某一状态的持续
14、过程持续过程。 进程进程进程由和实体相关的事件事件及若干活动活动组成，一个进程描述了它所包括的事件及活 动间的相互逻辑关系和时序关系。3. 事件、活动、进程三者之间的关系4.离散事件系统的组成要素 仿真时钟：仿真时钟用于表示仿真时间的变化，仿真时钟推进的时间间隔称为时间 步长。通常仿真开始时，把仿真时钟定为零。 3-2 离散事件系统仿真建模离散事件系统仿真建模 离散仿真中的关键问题： 确定改变系统状态的事件集，并将它们用逻辑关系逻辑关系联系起来。 系统仿真就是通过按顺序（逻辑关系）执行这些事件来实现的。 仿真时钟的推进机制： 下一事件步长法：按下一类最早发生事件的发生时间推进下一事件步长法：按
15、下一类最早发生事件的发生时间推进 定步长法：以固定的时间间隔进行驱动定步长法：以固定的时间间隔进行驱动仿真时钟推进机制仿真时钟推进机制下一事件步长法：下一事件步长法： 仿真时钟不断地从一个事件发生时间推进到下一个最早发生事件的发生时间。 以事件发生的时间点相互间隔事件发生的时间点相互间隔作为步长，按照时间的进展，一步一步地对系统的行 为进行仿真，直到预定的仿真时间为止。 事件表按照事件发生时间先后先后顺序安排事件，将仿真过程看作一个事件点序列。 事件控制部件始终从事件表中选择最早发生最早发生时间的事件记录，然后将仿真时钟该事 件发生的时刻增加 1。下一事件步长法流程图下一事件步长法流程图定步长
16、法：定步长法： 在进行系统仿真的同时，把整个仿真过程分为许多相等相等的时间间隔时间间隔，程序按此步长 前进的时钟就是仿真时钟。 在每个时间间隔做如下处理： 该步内若无事件发生，则仿真时钟再推进一个单位时间； 若在该步内有若干个事件发生，则认为这些事件均发生在这一步的结束时 刻，同时必须规定当出现这种情况时各类事件处理的优先顺序。 定步长法流程图定步长法流程图：初初始始状状态态找找出出最最小小时时间间事事件件系系统统仿仿真真时时钟钟步步进进到到 该该事事件件发发生生时时点点何何类类事事件件？处处理理第第一一类类事事 件件子子程程序序处处理理第第二二类类事事 件件子子程程序序处处理理第第n类类事事件件 子子程程序序第第n类类第第2类类第第1类类产产生生新新的的事事件件，填填记记事事件件表表否否仿仿真真结结束束？结结束束初初始始化化时时间间步步长长加加1考考察察实
