第一讲-交通仿真技术.ppt

1、毛保华 中国综合交通研究中心 2010年9月7日,交通仿真技术,杜鹏 交通运输学院 2010年9月7日,2,硕士生阶段如何学习？,基础教育： 学以备考,本科生： 学以致用,硕士生：,学以致用,学以致活用,学以致变,了解是什么？,了解不能是什么？,了解为什么是？,3,硕士生课程如何教学？,特点： 未必有教材 未必成系统 未必对,要点： 通过自学，大量读书读论文 不但要知道，还要能教导 时刻结合自身观察，思考所学知识,三大忌讳,不肯会,坐等会,嘴会手不会,学习方法,主动学习 以干代学 充分利用学习各种机会,不懂就问 计划引导 缺啥补啥,三瓢可致清醒之凉水,未来竞争比能够想象的还要激烈,机会没有想象

2、的多,千万不要高看个人,7,参考读物,杨肇夏,计算机模拟及其应用,中国铁道出版社，1999年。 刘运通等,交通系统仿真技术,人民交通出版社，2002年。 裴玉龙等,道路交通系统仿真,人民交通出版社，2004年。 吴娇蓉等，交通系统仿真技术及其应用，人民交通出版社，北京，2004年。 徐瑞华,运输与物流系统仿真,同济大学出版社, 2009年。 毛保华,杨肇夏,陈海波,道路交通仿真技术与系统综述,北方交通大学学报，2002,26(5):37-46。 杨肇夏, 毛保华,何天健,铁路运输模拟系统研究综述,北方交通大学学报，2002,26(5):1-8。,8,参考资料,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,课程计划,绪论 离散系统仿真方法 连续系统仿真方法 交通系统仿真基础 轨道交通系统仿真模型与方法 道路交通系统仿真模型与方法 国内外交通仿真软件介绍 讲座(仿真案例),第一章 绪论,12,仿真的概念,仿真(Simulation)，通过项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响；该影响是从项目整体层次上来表示的。 项目仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真。 项目仿真：利用模型复现实

11、际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。,模拟，克隆，山寨,采用微观方法,从整体上分析不确定性及其对系统的影响的方法,模型包括物理的和数学的，静态和动态的，连续和离散的各种模型。系统也很广泛,包括电气、机械、化工、水力、热力等系统, 也包括社会、经济、生态、管理等系统。 当系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。 仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤。,14,仿真技术发展历史,20世纪初仿真技术得到应用。例如在实验

12、室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。4050年代航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。 50年代初，连续系统的仿真研究绝大多数是在模拟计算机上进行的。 50年代中，人们开始利用数字计算机实现数字仿真。计算机仿真技术向模拟计算机仿真和数字计算机仿真两个方向发展。在模拟计算机仿真中增加逻辑控制和模拟存储功能后，出现了混合模拟计算机仿真，以及将混合模拟和数字计算机联合在一起的混合计算机仿真。在仿真技术发展过程中研制出大量仿真程序包和仿真语言。,60年代计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。 70年代后，研制成功了专用的全数字并行仿真计算机。 美国是仿

13、真技术及系统发展最快、应用最广泛的国家。1967年，美国成立了计算机仿真学会 (Society for Computer Simulation)，推动了仿真技术在美国的发展和应用。 20世纪60年代以来，国外交通仿真系统得到了较大发展。目前，公开发表的道路交通仿真软件已有近百个，有一定应用的软件系统也有数十个。,计算机仿真 (computer emulation) 借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术。,仿真的重要工具是计算机。,计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态的模仿。它是一种描

14、述性技术，是一种定量分析方法。 通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的参考依据。,18,仿真技术(学科)的特点,介于运筹学、数理统计和计算机科学间。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领域的知识。 综合性很强的实验科学技术。 复杂系统的研究、设计、评价和训练的手段和工具。,19,系统的概念,相互作用对象的有机结合

15、 具有整体性和相关性 确定的系统边界 系统的三个要素：实体、属性和活动。 系统中被研究的对象或元素称为实体 实体的有效特征称为属性 系统内部发生的任何变化成为内部活动，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。,汽车驾驶控制系统,驾驶员、汽车是实体； 属性包括行驶路线、驾驶员行为等； 驾驶员调整行驶路线为内部活动。,任意给定时间内，系统所有实体、属性和活动的情况信息之集合成为系统在该时刻的状态。表示系统状态的变量成为状态变量。 连续系统：系统的状态随时间连续变化的称为连续系统；其动态特性可用微分方程或一组状态方程表示，也可用差分方程和一组离散状态方程表示。 离散系统：系统的状

16、态变化只在时间的离散时刻发生变化，称为离散系统；其动态特性用流程图、网络图或表格表示。 大多数系统既有连续成分，也有离散成分。,22,系统模型,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的一种形式。能更真实、深刻反映系统的主要特征和运动规律。 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或者用文字、框图、流程和资料等形式对真实系统的描述。,23,模型的形成,24,建模的方法,演绎法建模 利用已有的关于系统的知识采用演绎的方法建立数学模型（根据已知的原理推导出的模型） 归纳法建模 根据对一个已经存在观察、测量所得到大量输入、输出

17、数据，推断出的被研究系统的数学模型（经验模型）。,25,数学模型与仿真模型间的关系,数学模型不一定是仿真模型 仿真模型也不是只能由数学模型产生,数学模型转换为仿真模型的三种方法 通过直接编程由计算机来求问题的解析解； 对数学模型进行某种数学处理； 在数学模型所作描述基础上，增补一系列求解规则和逻辑条件，以流程图形式建立模型。,26,建模的步骤（以离散事件系统为例）,确定系统的范围和组成 定义系统的参变量集合 确定事件类型及其发生时点 设置模拟时间推进机构 确定各类事件与系统状态变量的数学逻辑关系 确定约束条件和目标函数,27,“事件”表征使系统状态发生变化的一种行为或瞬间事变。出现事件的时点称

18、为事件时点。 基本事件：独立发生，不受其他事件是否发生影响； 条件事件：并发事件，发生往往受其他事件是否发生影响； 半基本事件。,确定事件类型及其发生时点,28,设置模拟时间推进机构,为保证系统模拟持续进行，需要一个机构把模拟时间从一个时间值拨动到下一个时间值。 模型中给出模拟时间当前值的变量称为模拟时钟，起动控制模拟时间的作用。 时间步长法 事件步长法,确定各事件与系统状态变量的逻辑关系,模型应该能够对实体的活动以及实体间相互关联进行科学的定量与定性分析。 定义事件的发生以描述实体的活动，并构造实体之间的各种关系。 事件的发生来自实体的某种行为，引起被动实体与系统某些描述变量的变化。,30,系统仿真,物理仿真， 象棋，沙盘，实战演习 数学仿真 计算机仿真 数学物理仿真,系统仿真过程,关于仿真技术的正确认识,为什么要用仿真？ 仿真的作用与特点？ 仿真的局限性？,仿真技术的优点,仿真时间的可控性 仿真运行的可控性 仿真实验的优化性 交通分析的开放性,仿真技术的