系统模拟 第一章

1、交通运输系统模拟n第一篇第一篇 计算机模拟基础理论与方法计算机模拟基础理论与方法n第二篇第二篇 交通运输系统模拟方法与实践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篇计算机模拟基础理论与方法第一章计算机模拟概述第一章计算机模拟概述n1.1 1.1 系统仿真的基本概念与分类系统仿真的基本概念与分类n1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理n1.3 1.3 计算机仿真的过程计算机仿真的过程n1.4 1.4 计算机仿真的应用计算机仿真的应用n1.51.5计算机仿真技术的发展计算机仿真技术的发展n1.1. 连续系统仿真与离散事件系统仿真连续系统仿真与离散事件系统仿真1

2、.1 1.1 系统仿真的概念与分类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概念1) 定义定义：仿真（模拟）：仿真（模拟）Simulation1961年年G.W.Morgenthater：在实际系统尚不：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。存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。1978年年Korn连续系统仿真连续系统仿真：用能代表所：用能代表所研究的系统的模型作实验。研究的系统的模型作实验。1982年年Spriet：所有支持模型建立与模型分：所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真。析的活动即为仿真。1984年年Orn：建模实验分析（仿真的基：建模实验分析（

3、仿真的基本概念框架），仿真是一种本概念框架），仿真是一种基于模型基于模型的活动。的活动。1.1 1.1 系统仿真的概念与分类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概念n仿真：模仿真实系统（或假象系统）的活动。仿真：模仿真实系统（或假象系统）的活动。n系统仿真：利用模型对系统进行实验研究，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、利用模型进行包括：对研究问题建立模型、利用模型进行实验并进行分析。实验并进行分析。n系统仿真是系统仿真是通过模型来揭示原型通过模型来揭示原型的形态特征的形态特征和本质，从而达到认识实际系统的目的。和本质，从而达到认识实际系统的目

4、的。 在科学研究工作中仿真被称为继在科学研究工作中仿真被称为继“数学数学”、“实验实验”之后的之后的“第三条道路第三条道路”。1.1 1.1 系统仿真的概念与分类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概念n系统仿真的内涵：系统仿真是以系统仿真的内涵：系统仿真是以相似原相似原理理、系统技术、信息技术及其应用领域、系统技术、信息技术及其应用领域有关专门技术为基础，以有关专门技术为基础，以计算机和各种计算机和各种专用物理效应设备专用物理效应设备为工具，利用为工具，利用系统模系统模型型对真实的或设想的系统进行对真实的或设想的系统进行动态研究动态研究的一门多学科的综合性技术。的一门多

5、学科的综合性技术。1.1 1.1 系统仿真的概念与分类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概念n几何比例相似几何比例相似n内部特性相似内部特性相似n感觉相似感觉相似n逻辑思维方式相似逻辑思维方式相似相似原理主要包括如下方面：相似原理主要包括如下方面：1.1 1.1 系统仿真的概念与分类系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类系统仿真的分类(1)按照模型种类按照模型种类物理仿真物理仿真数学仿真数学仿真半实物仿真半实物仿真1.1 1.1 系统仿真的概念与分类系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类系统仿真的分类(2)按照实现手段按照实现手段物理仿真物理仿真计算

6、机仿真计算机仿真硬件在回路仿真硬件在回路仿真人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）软件在回路仿真（又称嵌入式仿真）1.1 1.1 系统仿真的概念与分类系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类系统仿真的分类(3)按按仿真时钟与实际时钟的比例关系分类仿真时钟与实际时钟的比例关系分类 实时仿真实时仿真 欠（亚）实时仿真欠（亚）实时仿真 超实时仿真超实时仿真1.1 1.1 系统仿真的概念与分类系统仿真的概念与分类 1.1.2 系统仿真的分类系统仿真的分类(4)按按系统模型的特性分类系统模型的特性分类 连续系统仿真连续系统仿真 系统模型中的状态变量是连续变化的。系统模型中的状态

7、变量是连续变化的。 这种这种模型一般可表示为微分方程或差分方程的形式。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。组逻辑条件或流程图来表示。1.1 1.1 系统仿真的概念与分类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的学科地位n系统仿真活动可向前追溯数千年。系统仿真活动可向前追溯数千年。n计算机出现后，利用计算机进行系统仿真，计算机出现后，利用计算机进行系统仿

8、真，应用于不同领域的仿真技术有了共同的理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，系统仿真成为论基础、工程方法和技术，系统仿真成为独立的学科；独立的学科；n随着技术的发展和仿真应用的深入，计算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，结合领域知机仿真开始向不同领域渗透，结合领域知识，形成不同的研究分支。识，形成不同的研究分支。1.1 1.1 系统仿真的概念与分类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的学科地位n美国总统办公室和国防部自美国总统办公室和国防部自1992年来，年来，每年均制定国家关键技术和国防关键每年均制定国家关键技术和国防

9、关键技术，其中技术，其中“建模和仿真建模和仿真”一直列入一直列入优先发展的关键技术，被认为是最经优先发展的关键技术，被认为是最经济的高新技术。我国国防部于济的高新技术。我国国防部于1993年年制定相关的国防关键技术规划，在制定相关的国防关键技术规划，在21项中，项中，“建模和仿真建模和仿真”排在排在7位。位。1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理1.2.1 1.2.1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真n系统：指具有某些特定功能，按照某些特定规系统：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、相互联系的对象律有机结合起来、相互作用、相互联系的对象的集合或总和；的

10、集合或总和；n模型：对系统的客观描述，用于描述系统的结模型：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。构、形态及信息传递。是系统的抽象与简化。n正确建立的模型，能更深刻、更集中地反应实正确建立的模型，能更深刻、更集中地反应实体的主要特征和运行规律，从而达到对系统地体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。抽象，从这一点说，模型更优于实体本身。 1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理1.2.1 1.2.1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真n系统系统被研究的对象被研究的对象 n模型模型对系统的描述与抽象对系统的描

11、述与抽象 n仿真仿真利用模型研究系统的方法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。断它所代表的真实系统的输出。 1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理1.2.1 1.2.1 系统、模型与仿真系统、模型与仿真1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理计算机仿真计算机仿真：利用计算机对系统或过程进行：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。法获得系统运行的数量结果。计算机仿真的实质计算机仿真的实质建立系统

12、模型并放到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上进行实验，即面向研究对象利用计算机建立实验环境。计算机建立实验环境。1.2 1.2 计算机仿真的基本原理计算机仿真的基本原理1.2.2 1.2.2 计算机仿真的三要素计算机仿真的三要素系统建模系统建模模型模型计算机计算机系统系统仿真实验仿真实验仿真建模仿真建模计算机仿真三要素及三个基本活动计算机仿真三要素及三个基本活动n系统系统n模型模型n计算机计算机 n系统建模：据系统试验知识、仿真目的和系统建模：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）。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

13、、描述模型、功能系统模型主要分成：概念模型、描述模型、功能模型、约束模型、空间模型等类型。模型、约束模型、空间模型等类型。n仿真建模：据系统模型的形式，计算机类仿真建模：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，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。建立仿真试验框架。实际系统形式建模仿真运行仿真模型校验程序设计仿真建模建模与形式化可信否仿真结果分析正确否正确否结束NNN1.1. 1.4.1 计算机仿真技术的特点计算机仿真技术的特点n计算机仿真技术的优点计算机仿真技术的优点模拟时间的可伸缩性模拟时间的可伸缩性模拟运行的可控性模拟运行的可控性模拟试验的优

14、化性模拟试验的优化性n计算机仿真技术的局限性计算机仿真技术的局限性模拟不是最优化技术，模拟不是最优化技术，只是针对各个不同的具体决策，只是针对各个不同的具体决策，通过反复试验比较通过反复试验比较得出较好的结论，得出较好的结论，但不能保证是最优但不能保证是最优的。的。 模拟仅仅是一种评价性技术，不能产生方案和决策模拟仅仅是一种评价性技术，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模拟误差1.1. 1.4.2 计算机仿真技术的适应性计算机仿真技术的适应性n无法实施的问题；无法实施的问题；n大量方案的比较选优；大量方案的

15、比较选优；n不易为人们了解的复杂大系统；不易为人们了解的复杂大系统；n有危险的、实验时间太长或花销太高的现有危险的、实验时间太长或花销太高的现象或活动；象或活动；n无法重复的现象；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适宜用计算机仿真技术来解决的问题主要有以下几类：以下几类：1.1. 1.4.2 计算机仿真技术的适应性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：虑仿真的方法：n不存在完整的数学公式，或没有一套解答数学模型的方法；不存在完整的数学公式，或没有一套解答数学模型的方法；n

16、虽然有解析解，但数学过程太过复杂，而仿真可以提供较虽然有解析解，但数学过程太过复杂，而仿真可以提供较简解法；简解法；n解析解虽然存在，但超出了个人的数学能力；解析解虽然存在，但超出了个人的数学能力；n希望在一个短时间内观测到过程的全部历史，以及估计某希望在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；些参数对系统行为的影响；n难以在实际环境中进行实验观测，仅可以采用仿真手段；难以在实际环境中进行实验观测，仅可以采用仿真手段；n需对系统或过程进行长期的运行比较，仿真可以随意控制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；时间进程；1.1. 1.4.2 计算机

17、仿真技术的适应性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与传统方法相比，应用计算机仿真技术的优越性：越性：可以求解许多复杂而无法用数学手段解可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；析求解的问题；可以预演或再现系统的运动规律或运动可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；过程；可以对无法直接进行实验的系统进行仿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真实验研究，从而节省能源和费用。1.1. n由于仿真技术的特殊功效（安全性和经济性），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、电力系统仿真技术不仅在航空、航天、

18、原子能、电力能领域获得令人瞩目的发展，而且也逐步发展到能领域获得令人瞩目的发展，而且也逐步发展到应用于社会、经济、交通、生态等领域，已经成应用于社会、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，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为研究和解决复杂系统乃至巨系统问题提供了有效工具。效工具。1）系统设计与产品开发）系统设计与产品开发2）系统分析）系统分析3）理论验证）理论验证4）教育、培训与娱乐）教育、培训与娱乐计算机仿真的最广泛用途：

19、对方案进行分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；析、评估、论证，为决策提供依据；1.1. 1.4.3 计算机仿真技术应用的基本类型计算机仿真技术应用的基本类型1.1. 仿真技术在交通运输领域的应用仿真技术在交通运输领域的应用n行车组织方案辅助研究与评价（编组计划、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）；运行图、地铁运行方案等）；n通过能力计算与利用研究；通过能力计算与利用研究；n设备配置、网络布局优化；设备配置、网络布局优化；n应用系统的仿真测试与评估；应用系统的仿真测试与评估；n业务人员培训；业务人员培训；）铁路运输方面铁路运输方面1.1. 仿真技术在交通运输领域的应用仿真技术在交通运输领域的应用n道路网规划道路网规划n线路和交叉口设计线路和交叉口设计n信号系统配时方案与控制算法优化信号系统配时方案与控制算法优化n交通流机理研究交通流机理研究n智能交通系统检验与评估研究智能交通系统检验与评估研究n公交系统运营方案研究公交系统运营方案研究）公路运输）公路运输方面方面1.1. n建模与仿真的历史发展年代发展的主要特点