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1、计算机仿真竞赛知识专题讲座,岑明 2012-4-25,系统仿真,系统仿真是研究、设计、分析各种复杂系统的重要工具，广泛应用于国防、军事、能源、交通等领域 (1) 70年代仿真费用占总经费1，导弹系统研制仿真费约占导弹研制费用的5； (2)1989年北约制定“欧几里德计划”，系统仿真作为11项优先合作发展的重点项目之一； (3)1992年美国提出22项国家关键技术中列16位； (4)1994年美国国防部预研工作7大重点之一； (5)1995年美国DARPA投资战略的4核心方面(开发先进信息技术、国防技术、军民一体化工业基础建设、新技术向军品转移)，每方面都把模拟与仿真，特别是分布式仿真列为年度投
2、资重点之一。,系统仿真,系统仿真是以相似原理、信息处理技术和计算技术等为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态研究的综合性的和试验性的学科。 系统仿真三个基本要素： 系统、系统模型、计算机； 联系三项要素的基本活动： 模型建立、仿真模型建立 和仿真试验。,物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究；直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便； 数学仿真：建立数学模型，并转化成仿真计算模型、通过仿真模型的运行达到对系统运行的了解。经济性、灵活性和仿真模型通用性等； -早期主要为物理仿真，计算技术发展起来后数学仿真成为主
3、流 物理-数学仿真(半实物仿真)或者硬件在环仿真(Hardware in the Loop, HIL) ：将系统的一部分以数学模型描述，并把它转化为仿真计算模型；另一部分以实物(或物理模型)方式引入仿真回路。,控制系统半实物仿真形式：仿真控制器+物理模型（在系统仿真，仿真研究控制算法）、实际控制器+数字仿真系统（硬件在环中仿真）、数字仿真系统（系统的一部分）+物理模型（系统的其它难以建模的部分）等。,半实物仿真有以下几个特点： (1)原系统中的子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真十分困难或难以取得理想效果。 -将不易建模的部分以
4、实物代之参与仿真试验，可以避免建模的困难； (2)利用半实物仿真可以进一步检验系统数学模型的正确性和数学仿真结果的准确性； (3)利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些实物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统参数和控制规律。,建模 系统模型包括实体模型、数学模型和仿真模型。 实体模型/物理模型： 根据系统之间的相似性建立起来的物理模型，包括静态模型和动态模型。静态模型：比例模型，如沙盘、样机模型等；动态实体模型：铁路运输系统模型；,数学模型：包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。 (1) 原始系统数学模型(一次建模)：概念模型和正规模型 概念模型是用说明文字、框图、流程和资料等
5、描述原始系统； 正规模型用数学表达式(方程、逻辑表达关系式)来表示系统。,仿真系统数学模型（二次建模）：适合在计算机上进行运算和试验的模型，根据计算机运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求，将原始系统数学模型转换为计算机的程序。 一般将原始系统数学模型和仿真系统数学模型分别简称为数学模型和仿真模型。,数学模型分类:,计算机仿真研究的步骤（1）,明确问题和提出总体方案： 把被仿真系统的内容表达清楚； 弄清仿真的目的、系统的边界； 确定问题的目标函数和可控变量； 找出系统的实体、属性和活动等。,系统分析,计算机仿真研究的步骤（2）,建立模型； 选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法等）； 确定
6、系统的初始状态； 设计整个系统的仿真流程图。 收集数据； 编写程序、程序验证； 模型确认。,模型构造,计算机仿真研究的步骤（3）,运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。 改进：将得出的仿真结果与实际系统比较,进一步分析和改进模型,直到符合实际系统的要求及精度为止。,模型的运行与改进,计算机仿真研究的步骤（4）,设计出结构清晰的仿真结果输出。包括提供文件的清单,记录重要的中间结果等。 输出格式要有利于用户了解整个仿真过程 ,分析和使用仿真结果。,输出仿真结果,计 算 机 仿 真 步 骤,问题的阐述,设置目标及完整的项目研究计划,建立模型,收集数据,
7、编程序,程序验证,模型确认,试验设计,运行与分析,进一步运行,仿真结束,输出结果,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,系统分析,模型构造,模型运行,输出结果,典型的仿真软件 MATLAB ADMAS/PTC Maple SimCar Vega OPNET STK,计算机仿真的发展,1.面向对象仿真技术 将面向对象技术应用于仿真领域而形成的一种不同于传统仿真技术的方法，以产生面向对象的系统。 与传统的仿真方法不同，它根据组成系统的对象及其相互关系来构造仿真模型。 OOS强调模型的模块化、层次化和框架化，这就使得模型具有较强的封装性、重用性、可扩展性和可维护性,对象(Object)和传递消息(Mess
8、age Passing)分别是表现事物及事物间相互联系的概念 统一建模语言(UML：Unified Modeling Language)是一个通用的可视化建模语言，用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统文档。 类图： 用例图,2.分布交互仿真技术 采用一致的结构、标准、协议和数据库，通过网络将分布在各地的仿真设备互联并交互作用，同时可由人参与交互作用的一种综合环境 构成一个大规模、多参与者协同作用的综合虚拟环境，以实现平台与环境间的交互,关键技术主要有： 合理的分布式结构 信息交换标准 时钟同步技术 接口处理技术 虚拟环境技术 仿真管理技术,3. 虚拟现实技术 虚拟现实（virtu
9、al reality）由计算机全部或部分生成的多维感觉环境，给参与者产生各种感官信息 如视觉、听觉、触觉等，使参与者有身临其境的感觉，能体验、接受和认识客观世界中的客观事物。,高性能计算机系统； 三维视觉图像生成和立体显示系统； 立体音响生成与扬声系统； 力反馈触觉系统； 人体姿态、头、手的位置测量跟踪系统 典型设备有头盔式跟踪显示器、数据手套等。,关键技术 （1）动态环境建模技术：虚拟环境的建立，动态环境的建立，视觉建模技术，行为特征建模 （2）快速三维图形生成技术：提高刷新效率 （3）立体显示和传感器技术：头盔重量，分辩率，延迟时间，跟踪精度，力觉、触觉传感器 （4）人机交互技术：三维手势
10、识别，语言识别与合成，用户视线跟踪技术，表情识别与合成（智能技术） （5）系统集成与开发工具：虚拟世界数据库，三维人机交互界面,典型例子：,4. 虚拟样机技术 一种基于仿真的设计(Design -Based on Simulation)，包括几何外形、传动和联接关系、物理特性和动力学特性的建模与仿真。 与传统的设计方法相比，虚拟样机易于修改和优化设计方案，使产品设计满足高质量、低成本、短周期的要求，提高产品的更新换代速度和市场的竞争力。 波音777飞机采用虚拟样机实现了无图纸设计和生产，设计师、工程师们能穿行于这个虚拟飞机中，审视飞机的各项设计 波音777飞机由300万个零件组成，计算机系统能
11、够调出其中任何一个零件，进行修改设计,例：仿真和建模分析人员疏散过程,建筑结构分析：教学楼、商场、宿舍楼、酒店、公寓等各种建筑的建筑类型不同，内部结构差异巨大。为使仿真系统具有一定通用性，同时降低开发阶段的数据复杂度而又不失一般性，假定： 1.建筑物有三层，每一层都含有大小不等的房间、宽度变化的楼道、楼梯等设施； 2.第一层应该有至少一个大厅，及至少一个出口； 3.每层有多个房间，至少一段楼道，至少一个楼梯，不同楼梯的宽度可能不同； 4.房间大小不一定相同，房间有至少一个房门。,系统所采用的建筑结构,1.第一层的房间数量为26个，其中小房间18个，建筑面积24 ，大房间8个，建筑面积32 ；
12、2.一楼总建筑面积1104 ； 3. 一层楼道2个，楼道宽度2m； 4.一二层楼梯3个，主楼梯1个，上下总宽度6m，次楼梯2个，上下总宽度3米； ,疏散地图构造与实现,设计系统时，最重要的环节是设计出建筑内部的地图，设计地图的时，首先考察建筑内部不同区域的连接情况，先建立Area类的一个数组areaM，用于保存楼层中每块单独区域的信息，然后建一个Link类型的邻接矩阵linkMM,对于linkij中的i，j分别对应areai、areaj。 对于linkMM，若某一元素linkij.Type！=-1，则说明areai与areaj相连通，利用上述两组映射，可将所有相连通的区域“连接”在一起，而这一
13、系列的“连接”便形成某一区域到最终出口的路径，即所需的地图。,主控流模型,人员选路模型 处于某一位置的人员下一时刻运动方向的选择，本系统考虑5种选路策略，在仿真控制台策略设置中选择 ： 1 按固定路标运动 2 向最近的出口运动 3 向最空闲的出口运动 4 向人少处运动 5 向人多处运动,人群速度模型,1 固定速度模型 在安全状态以固定的行进速度运动，在拥挤状态依拥挤程度以固定速度按比例运动，在拥堵状态不移动； 2 局部速度模型 类似固定速度模型，但在不同的楼道、楼梯等位置处，速度与所处位置、楼道楼梯宽度等局部环境有关； 3 社会力学模型 应用排队论相关知识和社会力学模型，人群的疏散速度 ： 式
14、中 , 最大承受人员密度，根据经验，楼道上 , 楼梯上,疏散指挥模型,1底层先出模型 位于一层的人员优先接近出口并离开。这种模型在疏散初期使更多人员离开疏散场所，但位置距出口较远的人员可能滞留； 2高层先出模型 位于三层的人员优先接近出口并离开。在三层人员未到达出口处时，一层人员原地等候。这种模型在疏散初期效率不高，但整体人员的心理惊慌程度较低； 3随机排队模型 每个出口、楼道、大厅、楼梯、门厅等的人数严格控制在最大容纳人数的80%以内，以防系统进入拥挤状态，造成人员伤亡。但由于建筑物内部人数众多，该模型会导致疏散开始很长一段时间内某些人员无法移动，滞留原地； 4随机自由模型 每个人完全按照自
15、己的选路结果运动，完全不考虑整体疏散效率，最容易出现拥挤、拥堵以至造成伤亡。,紧急出口启用模型,1 自动启用模型 当仿真系统监控到安全系数等于或低于紧急出口的安全系数、系统进入拥堵状态的概率达到制定的阈值时，自动开启紧急出口； 2 手动启用模型 具有策略设置权限的仿真指挥控制人员监控到整体系统运行安全系数较低、大量人员滞留在各楼梯或出口处、进入拥堵状态的概率较大等状况时，结合各状态参数和仿真指挥的实际经验，手工通过仿真控制台的相关操作开启紧急出口,策略设置：选取不同的仿真策略进行人员疏散仿真，提高系统灵活性。,初始条件设置： 初始条件指建筑物内每个单元处的人员分布情况及总人数。系统有四组预定义的初始条件和一种自定义设置，自定义设置下的人数分布用下图的对话框进行输入：,开始仿真 （注：图中A、B、C、D、E为五个人群，初始状态为人员全在楼梯处。图中所示为仿真开始后，人群A从楼梯1向出口1运动，人群B从楼梯2向出口1运动，人群C从楼梯1向出口2运动，人群D从楼梯1向出口3运动，人群E从楼梯3向出口1运动。）,1.格式规范，逻辑清晰，表达正确 2.结构合理，完整表现设计与实现的思路、方法及过程 3.图表格式规范,报告撰写,谢谢！,
