人類正在經(jīng)歷以新一代信息技術為代表的第四次工業(yè)革命，包括軌道交通在內的交通運輸行業(yè)面臨著各種沖擊。交通問題是一個快速演變的現(xiàn)象，以信息化、數(shù)字化、自動化、自主化、智能化、網(wǎng)絡化、智慧化為發(fā)展潮流的未來理想交通具體將是什么模樣？未來是數(shù)字經(jīng)濟的時代，很多問題都可以通過仿真技術與方法進行先驗與后評估。本書共有11章，分別為緒論、軌道交通流特性、軌道交通運行信號控制原理與技術、軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法、軌道交通運行的同步仿真、城市軌道交通網(wǎng)絡乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法、軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件、數(shù)字軌道交通、軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境的生成、城市軌道交通項目建設時序仿真優(yōu)化、軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析。
本書著重實用性與可理解性、易讀性，為交通運輸工程領域相關工程技術研究人員與高等院校、科研院所高年級本科生、研究生提供參考借鑒。
經(jīng)歷了機械化、電氣化、信息化三次工業(yè)革命后，當前人類正在經(jīng)歷以新一代信息技術為代表的第四次工業(yè)革命，信息網(wǎng)絡、人工智能、清潔能源、先進制造等與交通運輸息息相關的領域呈現(xiàn)出群體躍進態(tài)勢。經(jīng)濟發(fā)展，交通先行。交通運輸是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎性、先導性產(chǎn)業(yè)和服務性行業(yè)，對經(jīng)濟社會發(fā)展具有戰(zhàn)略性、全局性的影響。建設交通強國，是建設社會主義現(xiàn)代化強國的先行領域和戰(zhàn)略支撐。2019年全國客運量約176億人，旅客周轉量約35萬億人·km，貨運量約462億t，貨物周轉量超過19萬億t·km，全國范圍內每分鐘近35萬人、89萬t貨物在流動。截至2020年底，全國綜合交通實體線網(wǎng)總里程超過550萬km，高速鐵路(38萬km)、高速公路(161萬km)、沿海港口萬噸級及以上泊位數(shù)(2 138個)、城市軌道交通運營里程(7 354 km)穩(wěn)居世界。
交通強國，鐵路先行，城軌擔當。十四五時期是我國全面建成小康社會、實現(xiàn)個百年奮斗目標之后，乘勢而上開啟全面建設社會主義現(xiàn)代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標進軍的個五年。2020年11月，《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》發(fā)布，明確提出加快城市群和都市圈軌道交通網(wǎng)絡化。2021年2月，黨中央、國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，分析預測旅客出行需求穩(wěn)步增長，高品質、多樣化、個性化的需求不斷增強，預計20212035年旅客出行量(含小汽車出行量)年均增速為32%左右，貨物運輸需求穩(wěn)中有升，高價值、小批量、時效強的需求快速攀升，預計20212035年全社會貨運量年均增速為2%左右，明確國家綜合立體交通網(wǎng)由集約高效的線網(wǎng)體系和樞紐體系構成。到2035年，高速鐵路將達到7萬km(含部分城際鐵路)，普速鐵路達到13萬km(含部分市域鐵路)，合計20萬km左右。高速鐵路網(wǎng)方面，形成以八縱八橫主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接城際鐵路補充的高速鐵路網(wǎng)；普速鐵路網(wǎng)方面，重點圍繞擴大中西部路網(wǎng)覆蓋，完善東部網(wǎng)絡布局，提升既有路網(wǎng)質量，推進周邊互聯(lián)互通；城際鐵路網(wǎng)方面，京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈等重點城市群率先建成，其他城市群城際鐵路逐步成網(wǎng)，研究推進超大城市間高速磁懸浮通道布局和試驗線路建設，有力支撐全國123出行交通圈和全球123快貨物流圈，實現(xiàn)人便其行，貨暢其流。到2050年，建成橫貫東西、縱貫南北、陸海內外聯(lián)動，地面、地下、水上、空中統(tǒng)籌協(xié)同，銜接高效、優(yōu)勢互補、效率的國家綜合立體交通網(wǎng)，實現(xiàn)人享其行，物優(yōu)其流。
當前世界正面臨著百年未有之大變局，國內正轉向高質量發(fā)展階段，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃發(fā)展，包括軌道交通在內的交通運輸行業(yè)也面臨新的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，交通問題是一個快速演變的現(xiàn)象，以信息化、數(shù)字化、自動化、自主化、智能化、網(wǎng)絡化、智慧化為發(fā)展潮流的未來理想交通具體將是什么模樣？依據(jù)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，加快提升交通運輸科技創(chuàng)新能力，推進交通基礎設施數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化，到2035年基本實現(xiàn)國家綜合立體交通網(wǎng)基礎設施全要素全周期數(shù)字化，未來是數(shù)字經(jīng)濟的時代，很多問題都可以通過仿真技術與方法進行先驗與后評估。交通仿真作為仿真科學在交通領域的應用分支，是隨著系統(tǒng)仿真的發(fā)展而發(fā)展起來的。它以相似原理、信息技術、系統(tǒng)工程和交通工程領域的基本理論和專業(yè)技術為基礎。以計算機為主要工具，采用數(shù)字方式或圖形方式描述動態(tài)交通系統(tǒng)，利用系統(tǒng)仿真模型模擬交通系統(tǒng)的運行狀態(tài)。交通仿真技術是智能技術的一個重要組成部分，是計算機技術在交通工程領域的一個重要應用，它可以動態(tài)地、逼真地仿真模擬各種交通現(xiàn)象，復現(xiàn)交通流的時空變化，深入地分析交通系統(tǒng)關鍵元素(列車、車輛、駕駛員、客流、交通網(wǎng)絡)的特征，有效地進行交通規(guī)劃、交通運營組織與管理、交通能源節(jié)約與物資運輸流量合理化等方面的研究。
仿真有助于培養(yǎng)工程意識和系統(tǒng)集成的思想，有助于運用系統(tǒng)的思想思考問題，運用工程技術的方法解決問題，把握軌道交通的發(fā)展脈搏，突出與軌道交通運輸生產(chǎn)實際的聯(lián)系，利用仿真技術實現(xiàn)存量資源優(yōu)化利用，增量資源合理提升，推進基礎設施網(wǎng)與運輸網(wǎng)、信息網(wǎng)、能源網(wǎng)融合發(fā)展，提高交通運輸網(wǎng)動態(tài)運行管理服務智能化水平，輔助教學、科研、工程實踐決策。
本書由山東科技大學張嘉敏博士、中國鐵路濟南局集團有限公司青島機務段張嘉銳工程師共同編著。圍繞軌道交通系統(tǒng)仿真理論方法與技術應用，在提煉總結作者學術研究成果與工程實踐的基礎上，亦參考編譯了國內外部分優(yōu)秀學者的相關文獻，內容翔實豐富。本書共有11章，分別為緒論、軌道交通流特性、軌道交通運行信號控制原理與技術、軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法、軌道交通運行的同步仿真、城市軌道交通網(wǎng)絡乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法、軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件、數(shù)字軌道交通、軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境的生成、城市軌道交通項目建設時序仿真優(yōu)化、軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析。
本書可以作為有關軌道交通系統(tǒng)仿真系統(tǒng)性論著的必要補充，著重實用性與可理解性、易讀性，為交通運輸工程領域相關工程技術研究人員與高等院校、科研院所高年級本科生、研究生提供參考借鑒。由于研究水平和時間投入有限，書中難免有錯漏，歡迎廣大讀者批評指正。
張嘉敏，張嘉銳
2021年8月
1緒論/1
1.1中國鐵路及高速鐵路發(fā)展狀況/1
1.2中國城市軌道交通發(fā)展狀況/7
1.3軌道交通仿真研究的必要性與現(xiàn)實意義/10
2軌道交通流特性/12
2.1軌道交通客流特性/12
2.1.1軌道交通客流時空特性/12
2.1.2軌道交通主要客流統(tǒng)計指標/14
2.1.3軌道交通客流預測及其后評估/16
2.2軌道交通貨流特性/19
2.2.1高速鐵路快捷貨物特性/19
2.2.2中歐班列開行模式/21
2.3軌道交通列車流特性/22
2.3.1列車虛擬編組系統(tǒng)/23
2.3.2虛擬編組系統(tǒng)條件下的列車移動/26
3軌道交通運行信號控制原理與技術/29
3.1列車運行間隔控制/30
3.1.1列車間隔理論/30
3.1.2列車運行控制原理/32
3.1.3閉塞控制原理/38
3.2自動列車防護系統(tǒng)/43
3.2.1自動防護系統(tǒng)的類別/43
3.2.2歐洲列車控制系統(tǒng)/44
3.2.3中國列車控制系統(tǒng)/46
3.2.4精確列車控制系統(tǒng)/48
3.3軌道交通全自動運行系統(tǒng)/49
3.4下一代城市軌道交通列車控制系統(tǒng)：自主化列車控制和自主化運營/50
3.4.1實現(xiàn)自主化的目的/50
3.4.2自主化與自動化的比較/51
3.4.3自主化的概念/51
3.4.4自主化等級/52
3.4.5自主化列車和自主化運營的預期效益/53
4軌道交通系統(tǒng)仿真經(jīng)典模型方法/54
4.1交通仿真技術的三種抽象化類型/54
4.2標準化的軌道交通數(shù)據(jù)格式RailML/56
4.3軌道交通規(guī)劃與運行的多尺度仿真/57
4.3.1引言/57
4.3.2軌道交通仿真建模概述/58
4.3.3多尺度仿真建模的方法/60
4.3.4混合仿真模型的設計/63
4.3.5軌道交通仿真軟件方案的實際應用和未來發(fā)展/64
4.4元胞自動機模型/65
4.4.1184號模型與一維NS模型/66
4.4.2列車移動的基本元胞自動機模型/67
4.4.3接近車站時列車移動的元胞自動機模型/68
4.5列車跟馳模型/70
4.6可替代圖AG/74
4.6.1經(jīng)典的作業(yè)-車間調度問題/74
4.6.2析取圖模型/74
4.6.3可替代圖模型閉塞條件下的作業(yè)車間調度問題/75
4.6.4鐵路調度問題的建模表示/77
4.6.5可替代圖的應用與求解方法/78
5軌道交通運行的同步仿真/80
5.1同步仿真的組成/81
5.1.1基礎設施資源/81
5.1.2仿真執(zhí)行主體/82
5.1.3仿真任務/83
5.2同步仿真的工作流程/84
5.2.1仿真的初始化和終止/84
5.2.2同步仿真的單處理步驟/85
5.2.3請求資源/85
5.2.4分配資源/85
5.2.5推進仿真任務/87
5.3事件驅動的仿真/87
5.3.1事件驅動仿真的原理/87
5.3.2同步仿真中事件列表與事件處理/88
6城市軌道交通網(wǎng)絡乘客路徑選擇行為模型與客流控制方法/90
6.1路徑選擇行為的影響因素/91
6.2城市軌道交通網(wǎng)絡及客流性質/92
6.2.1客流性質/92
6.2.2路網(wǎng)的表示/92
6.3城市軌道交通網(wǎng)絡廣義出行費用的計算/92
6.4城市軌道交通乘客網(wǎng)絡路徑選擇研究方法/93
6.4.1路徑選擇研究的主要過程/93
6.4.2有效路徑/93
6.4.3Logit模型及其改進形式/94
6.4.4基于正態(tài)分布的概率分布模型/95
6.4.5多智能體仿真/95
6.4.6使用大數(shù)據(jù)計算匹配概率以AFC數(shù)據(jù)為例/96
6.4.7城市軌道交通網(wǎng)絡路徑選擇經(jīng)典方法比較/97
6.5基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通乘客網(wǎng)絡行為預測與流量控制框架/97
6.5.1城市軌道交通網(wǎng)絡客流量控制相關研究/97
6.5.2基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通乘客網(wǎng)絡路徑選擇行為綜合預測與流量控制框架/98
7軌道交通系統(tǒng)仿真典型軟件/99
7.1軌道交通仿真軟件的方法類型/99
7.2面向對象仿真與基于XML數(shù)據(jù)格式的仿真/103
7.3OpenTrack仿真軟件/104
7.4RailSys仿真軟件/107
7.5AnyLogic仿真軟件/111
7.6RTC仿真軟件/113
7.7PULSim仿真軟件/117
7.7.1軌道交通仿真的應用和現(xiàn)有仿真工具的局限/117
7.7.2PULSim的模型、工作流程和圖形用戶界面/118
7.7.3PULSim的調度機制/119
7.7.4基于銀行家算法的死鎖避免/121
7.7.5基于用戶的可編輯仿真/121
7.8其他軌道交通專業(yè)仿真軟件/系統(tǒng)/123
8數(shù)字軌道交通/126
8.1數(shù)字軌道交通的概念與架構/126
8.2數(shù)字軌道交通的新方法和發(fā)展趨勢/128
9軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境的生成/132
9.1道路網(wǎng)絡領域的典型軟件路網(wǎng)環(huán)境仿真過程建模和幾何表示/132
9.2城市軌道交通線網(wǎng)形態(tài)結構基本類型/134
9.3軌道交通網(wǎng)絡建模與仿真方法/135
9.4基于NetLogo城市軌道交通網(wǎng)絡仿真環(huán)境生成/137
9.4.1城市軌道交通網(wǎng)絡的幾何物理特征/138
9.4.2NetLogo仿真原理與適用性/139
9.4.3城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真流程/139
9.4.4城市軌道交通網(wǎng)絡環(huán)境生成NetLogo仿真代碼示例/140
9.4.5城市軌道交通網(wǎng)絡NetLogo仿真案例/145
10城市軌道交通項目建設時序仿真優(yōu)化/147
10.1城市軌道交通項目建設時序評價指標體系/147
10.2基于蒙特卡羅仿真改進的層次分析法/149
10.2.1層次分析法/149
10.2.2蒙特卡羅仿真改進的層次分析法/149
10.3蒙特卡羅仿真改進的層次分析法仿真確定城市軌道交通項目建設時序具體應用/150
10.4城市軌道交通項目建設時序仿真代碼/155
11軌道交通系統(tǒng)延誤仿真分析/160
11.1列車運行的離散事件動態(tài)系統(tǒng)描述/160
11.2可靠性的衡量標準之一：準時性/161
11.2.1傳統(tǒng)的可靠性衡量標準/161
11.2.2新的可靠性衡量指標/162
11.3延誤的定義、分類與仿真過程/163
11.4延誤傳播模型/165
參考文獻/167
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