仿真课件

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，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。

3. 相似性原理是系统仿真技术的主要依据。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技术为基础，以计算机为主要工具，利用系统仿真模型模拟交通系统的运行状态，采用数学方法或图形方式来描述动态交通系统，以便更好的把握和控制该系统的一门实用技术。

①是复现交通流时间空间变化的技术；②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；③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：

①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。

②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）、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）、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

?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：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

12.仿真技术的局限性：仿真技术不是优化技术、评价技术，不产生决策方案、仿真结果可能存在“失真”

13. 系统仿真的主要作用：

应用于无法实施的一类问题

大量方案的比较和选优

应用于不易为人们所了解的大型复杂系统

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

第二章仿真建模的原理与方法

1 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、随机性系统

2 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

【描述模型】用文字、框图、流程和资料等形式对真实系统的描述。

【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

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

3.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年代形成并发展的新兴学科。

3.1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

3.3 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

系统系统模型计算机系统建模仿真建模

仿真试验明确问题仿真方法是否适用问题的系统化收集和处理数据建立数学模型参数估计

模型评价其他交通分析技术

编制程序模型确认试验设计仿真结果分析

否

是

拒绝拒绝

接受

4. 系统仿真技术的发展

第三章离散事件系统仿真

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点上发生变化，而且这些离散时间点一般是随机的。

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】。

实体的有效特征称为【属性】。

系统内部发生的任何变化称为【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】。事件——引起系统状态发生变化的行为，它是在某一时间点上的瞬间行为。

活动——实体在某一状态的持续过程。

进程——进程由和实体相关的事件及若干活动组成，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

定步长法：以固定的时间间隔进行驱动

仿真时钟推进机制

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

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的时间间隔，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：

初始状态找出最小时间事件系统仿真时钟步进到该事件发生时点何类事件？处理第一类事件子程序处理第二类事件子程序处理第n 类事件

子程序

…第n 类

第2类第1类产生新的事件，填记事件表否

仿真结束？

结束初始化时间步长加1考察实体或活动发生事件或变化处理事件子程序

改变各种状态，记录各种数据

仿真完毕输出结果结束

否

是

否

离散系统仿真程序流程图：

第四章 轨道交通运输组织仿真

运输仿真需要解决什么问题？ 一 客流组织

1 轨道交通行人运动建模及仿真

2 轨道交通突发事件乘客出行行为仿真

3 轨道交通换乘站仿真研究 二 行车组织

1 最小列车间隔时间

2 城市轨道交通路网运输能力计算方法研究

3 联锁系统仿真

开始输入参数调用初始化程序；仿真时钟初始化；系统状态初始化；

事件初始化；统计计数器初始化；

调用时间推进子程序；

搜索下一事件（类型i ）；推进仿真时钟

调用第i 类事件子程序；

执行事件、修改系统属性；收集、计数统计量；产生未来事件，并调度子程序，

将未来事件插入事件表到达预定仿真时间调用报告子程序；

根据统计计数器进行统计分析；

输出分析报告结束否

表1 典型微观行人仿真模型比较

表2 典型行人交通仿真软件

一、列车运行过程计算模型

目标函数

下一个时间步长的机车工况/手柄位

约束条件

运行时分约束；

运行限速约束；信号约束；

运行进路约束；

机车操纵基本规则的约束；

运输组织规则约束；

列车运行模式约束。

二、通用列车运行计算系统系统主要特点

采用等时间步长模拟，以牵引计算理论为基础对列车运行过程进行建模计算

计算的核心是机车工况转换与手柄位的确定

列车牵引力、动力制动力以及能耗的线性插值计算，按质量带原理计算列车单位附加阻力

采用多种牵引模式（有级/无级）、不同的机车牵引策略（节时/节能）、不同的信号闭塞制式的多列车运行计算模型，电力牵引条件下电流、电压的求解模型

系统的适用对象及功能

(1)用于设计部门。系统可以为工程设计人员提供各种条件下系统相关指标的自动计算。

(2)用于运营管理部门。系统可以用于机车操纵方案的优化、铁路既有线提速方案的分析模拟等方面。

(3)用于教学研究部门。系统可以为铁路各级学校及生产一线的教学人员提供不同运行模式下列车运行过程的动态演示。

系统结构介绍

三、通用列车运行计算模拟系统

适用于城市间大铁路的运行模拟

包括如下运行模式：节时、定时下的节能、目标模式。

节时模式是一种单目标的极端运行模式，并不直接用于实际工作中。而定时模式综合考虑了线路条件和机车牵引性能，是一种具有实用价值和优化意义的运行模式。

节时模式

包括以下几个要点：

(1)列车从较低的限速向高限速过渡时，采用机车最大可能的牵引力；

(2)列车从较高限速向较低限速过渡时，采用制动方式。

(3)在某一恒定限速处，尽可能采用与限速接近的手柄位；

定时情况下的节能模式

(1)给定列车运行时分

(2)从较低限速过渡到较高限速时，采用最大可能牵引力；

(3)从较高限速过渡到较低限速时，尽量利用惰行来减少能量消耗；

(4)列车进站时，在进站前段仍可采用惰行，直到某一临界速度，采用制动停车。

四、国外列车运行计算仿真系统

RAILSIM 、RailSys 、Opentrack 、Dynamis

RAILSIM （北美铁路）

(1)建立了庞大的各类机车车辆参数库；

(2)支持自定义列车牵引力和阻力模型；

(3)提供了多种列车运行计算模型；

(4)高精度的列车运行模型；

(5)支持复杂的列车制动算法；

(6)提供各类输出报表。

RAILSIM主要模块:

列车运行行为计算器（TPC）、RAILSIM路网编辑器、机车车辆库、负载电流分析器、报告生成器、时刻表设计评估、列车群运行仿真

RAILSIM软件功能

RAILSIM TPC 能够准确分析计算各种类型列车的运行行为，可以为列车运行仿真选择不同的车站停车时间和停车模式，能够仿真计算不同闭塞方式、不同类型列车控制系统以及不同机车牵引策略的列车运行行为，也能够研究运输能力分析、列车运行间隔计算、信号设计、列控系统与机车车辆设计、系统能耗计算以及车站客流分布等问题。

基础设施管理及时刻表管理软件Railsys

RailSys包括4个功能模块,包括：设施管理、时刻表管理、仿真管理以及评价管理。

RailSys最擅长处理的是：

（1）对铁路既有或新建线路、车站以及网络等基础设施的比较评估；

（2）对列车运行计划的编制、验证以及评价等。

RailSys还通过仿真分析有干扰和无干扰条件下的轨道交通系统运行情况来评价运行时刻表的质量与可靠性。

在给定时刻表的前提上，计算仿真在各个时刻轨道交通网络上运行的多个列车的位置、速度，分析列车相互之间以及与信号等设施的相互影响，通过在仿真过程中考虑不同的交通控制策略以及不同的运输扰动情况，输出各个列车的实际运行速度时分曲线。OpenTrack

Opentrack可以实现列车在简单线路运行的仿真计算，也可以实现在一些较为复杂的区域，比如在多股道、多方向的车站，再现列车的到发、通过、折返以及车站的轨道占用以及进路排列等多种现象，以及线路沿线信号设备显示状态与变化情况。

基于给定运行时刻表的多列车运行仿真计算是Opentrack的另一大特色，按照用户输入的线路数据和列车，按照预定义的时刻表和仿真参数实现列车运行全过程的再现。Opentrack 具有列车时刻表的编制、验证与管理功能。它能实时铺画列车实际运行图，可在运行图上进行运行调整，重新生成运行图。Opentrack可设定多种运营故障场景，分析各种扰动对列车运行效果运行和运营指标的影响

Dynamis

Dynamis主要应用在德国与奥地利铁路运营部门与科研机构，并嵌入到RailSys等系统进行列车运行动态行为的计算。

应用Dynamis可计算出的列车运行速度-距离曲线，分析不同运行富裕时分条件下通过合理设置惰行控制地段来有效降低运行能耗。

仿真过程

模拟列车群在用户定义的约束条件下（包括基础设施、机车、车辆性能、列车时刻表等）的运行状态。仿真为混合仿真，涉及连续仿真和离散仿真。列车运动基

于运动微分方程，采用连续仿真方法，涉及安全的信号系统和延迟采用离散仿真方法。主要包含的三部分理论内容：列车运动模拟理论基础；列车自动防护系统原理；列车运行调度原理

列车运动仿真理论

制动工况仿真理论

采用简化的计算模型模拟制动工况，该方法能够保证足够的计算精度。该方法基于不同的机车类型、在不同速度范围内采用不同的制动率或减速度。

制动工况模拟采用从制动目标点（如停车点）和目标速度值（在目标点的目标速度）进行反算来确定当前速度的方法。

制动过程完成标准：制动过程中达到目标速度值或自动防护系统认为当前速度值能够保证列车运行安全

到站或站间停车

发车时间必须晚于用户在时刻表中定义的最早发车时间

列车停站时间不能小于时刻表中规定的时间

事件引发的延迟必须全部发生或完成

为本次车定义的与其他列车的衔接关系作业过程结束

在满足上述条件且当前轨道处于空闲状态，则该轨道在列车发车离站前被保留。

列车运行自动防护

【闭塞】：为防止列车在区间发生正面冲突或追尾事故，在单线区段的同一区间或双线区段的同一个方向内，只允许同时运行一列列车，这种行车技术方法叫闭塞。

【闭塞分区】：一个区间可以划分成若干个闭塞分区。

为保运行安全，列车由车站驶向区间运行条件是：（1）验证区

间空闲；（2）有进入区间的凭证；（3）实行区间闭塞。

固定自动闭塞

特点：追踪目标点固定；制动点固定；空间间隔长度固定

准移动自动闭塞

特点追踪目标点固定；制动点不固定；空间间隔长度不固定。

移动自动闭塞

区间不是固定的划分为若干个闭塞分区，而是利用先进的卫星定位技术、通信技术和自动控制技术，使前后列车自动保持一定的（合适）间隔。

特点：追踪目标点不固定；制动点不固定；空间间隔长度不固定

优点：行车密度更大，通过能力更强。

（1）线路取消了物理层次的闭塞分区划分（动态定义的线路单元）；

（2）列车与区域控制器之间采用无线数据通信（双向）

列车运行自动防护

以下两个条件保障了运行安全性：

每区段内最多只能有一列车在运行

列车不能被允许进入下一区段时，列车制动停车后不能超出其所在区段的区域范围

只有在满足以下条件时，区段才为为后方列车保留且并开通信号:

此区段被清空，并能够为后方即将进入该区段的列车保留

列车运行至区段端部时，必须有可供其继续运行的后续区段能够开通

闭塞区段必须空闲，例如：绝不能允许一个区段为两列车开通（这种情况成为进路冲突）

移动闭塞信号系统

闭塞区段长度根据列车制动特性、列车当前速度和轨道布局确定。

动态连续计算列车以当前速度继续运行时，本列车与前方列车之间的距离能否满足后方列车制动距离长度要求（当前方轨道被占用时，列车必须制动）。

在加速或匀速运行过程中，移动闭塞信号系统会确保列车永远位于安全制动距离范围内。

如果系统检测到后方列车与前方列车进路有冲突，信号系统会自动对后方列车进行限速运行。

调度功能

调度模块功能:

在仿真过程中负责在不同时间为列车开通运行进路，并实时将调度命令发送至在线运行各列车。该模块还控制列车通过其前方已开通区段的合理时间，并根据不同优先级选择不同的运行进路。

调度模块向列车运行防护系统发送当前位置和需开通进路区段长度

列车防护系统进路依据列车运行位置、速度，对需要开通的进路区段进行排序，直至找到其请求开通的区段未被其他列车占用或所有区段已被占用。如果进路被顺利开通，则至少一个区段被开通。最后调度模块会接收到列车防护系统关于进路开通成功/失败的信息

当列车在铁路网络线路上运行时，调度模块不停的搜索进路的变化情况，价每个要求开通的进路的变化过程，以便为列车开通最可靠、优先等级最高的进路

轨道交通车站客流组织

近年来，随着城市轨道交通线网的不断完善，客流量较以前有了很大增长，客流增长造成高峰时段部分线路拥挤严重，部分车站服务设施设备能力不足，导致楼扶梯口客流大量聚集，无法及时疏散，乘客进出站效率和安全性降低，车站服务水平下降等一系列问题。因此，充分认识客流特征，提出科学合理的客流组织方案，有效提高车站集疏散能力和乘降服务水平，是具有重要意义的课题。

进出站乘客基本流线

城市轨道交通车站在布置时，一般要求符合运行时最大客流量，保持客流的通畅为原则，因此一般按以下要求进行布置：

（1）售票、检票位置与出入口、楼梯应保持一定距离。

（2）保持售检票位置前通道宽敞。

（3）售检票位置根据出入口数量相对集中布置。

（4）应尽量避免客流的对流。

大客流应急预案设计

人员安排：提前排班，人员调整，值班站长全面指挥，确保客流顺畅；

备品准备：如临时票亭、告示牌、对讲机等；

现场组织要求：票务功能、增加售票窗口、应急售票；

客流引导：车站员工间信息传达、出入口客流情况、广播宣传与引导、及时疏散客流。

某大型枢纽站大客流的预案案例

客流达五成：列车到站后，开关门结束，列车驶离车站，站台上仍有大部分乘客（至少一半）；处置办法：限流放慢售票速度；关闭部分进站闸机

客流达七成：列车到站后，开关门结束，站台上仍有大部分乘客，并造成列车晚点；处置办法：加强限流措施停止售票；关闭车站全部进站闸机；

客流达八成：在七成的基础上，出入口仍有大量乘客涌入车站；处置办法：停止售票，关闭进站闸机；关闭部分或全部出入口

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。

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。

客流模型：客流总量

分流情况（按时间、地点）

行人流线（路径）

行人特征参数（体型特征、行走速度等）

仿真输出结果

服务水平：客流密度；乘客在站时间

Fruin LOS：主要考虑的是人行道的通行能力，制定的人行道服务水平分为六级，各代表不同的空间及流动特性

HCM 2000 LOS：HCM提供了2个主要参数去评价人行道服务水平。在交叉口采用行人延误和行人空间要求两个参数去评价行人服务水平；在路段采用行人空间要求评价行人服务水平

仿真实验的目的

发现客流在车站所通过的各个设施的瓶颈处；提出改进方案，直至评价结果满意为止。

【压力测试法】主要是利用路网客流计算机仿真系统，对路网不断增加客流压力，直至路网服务水平达到目标值。从而获得该城市轨道交通路网可以实现的最大运输能力，即找出城市轨道交通路网运输能力在一定服务水平条件下的最大值。