基于仿真技术的交通瓶颈研究论文

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交通管理研究生论文开题报告

论文题目：步行设施空间特征与行人安全出口选择研究

一、选题背景

随着经济的不断增长和社会的快速发展，我国城市规模与人口数量都急剧增长，大规模的行人聚集与出行都变得非常频繁。为了满足居民出行和群体活动的需求，很多城市都扩大了诸如交通枢纽、体育场馆、电影剧院、综合购物中心、和主题公园等大型行人步行设施的兴建数量和规模。经济与社会的发展使得能够吸引居民出行的日常娱乐休闲活动日益增多，去各类大型购物中心进行休闲和消费日渐成为居民生活一大不可或缺的组成部分。各大体育赛事频繁举行，前往各大体育场馆观摩体育盛事也逐渐成为城市居民文化生活的一部分。此外，城市交通的各项基础设施也伴随行人出行活动的增多而迅速发展，许多城市已经建设了数目可观的大型交通枢纽来满足行人不同的出行目的，各种综合性交通站点的建立也为多种交通方式的并存和衔接、以及不同种交通方式不同线路间的换乘提供了便利。这些休闲中心、体育场馆、交通枢纽等大型行人步行设施聚集了大量行人，并成为人们日常生活中必不可少的场所。这些建筑设施有效地提高了人们的日常生活水平，丰富了我国居民的生活内容，使周边居民的日常出行更加便利。现阶段，大型步行设施主要有三种场景类型：大型交通枢纽，大型购物休闲中心，大型体育活动场馆等。常见的典型城市大型交通枢纽主要提供城市同种交通方式之间的换乘和不同交通方式之间的衔接与接驳等。出行者在交通枢纽内部多以步行的方式完成在步行空间内部垂直或水平方向上的位移。当行人流量增大时，枢纽内行人流线交织严重，给枢纽造成的较大压力，这就严重影响了行人疏散的快速性与安全性。因此，对以交通枢纽站为代表的大型步行设施的空间特征进行研宄并借此找到行人疏散时的薄弱点，对于改善行人在步行设施内的疏散条件有重要的意义。

大型购物休闲中心的生活综合建筑体也开始在城市中广泛兴起。这种综合建筑体集购物、餐饮、娱乐、休闲、乃至艺术为一体，为人们生活带来新的去处的同时，该建筑自身也集合了大量的步行行人流。因此，对于此类多功能购物休闲中心，步行空间设计与行人流线的分析与研究也显得至关重要。大型体育活动场馆也随着我国国力的提升和越来越多的城市开始承办各项省级、国家级、乃至国际级别的体育赛事而数量快速增长。但由于对大型活动行人疏散所需的空间设施特点的研究仍不充足，导致建筑场馆内存在隐患，尤其是当人群拥堵时很容易发生踪踏事故。然而，大量行人聚集在同一步行设施内的同时，火灾、恐怖事件等突发事件发生时步行设施内的行人在进行疏散时仍时有事故发生。在沙特阿拉伯的圣地麦加每年一度的朝觐活动中，行人踪踏事故时有发生：2001年的朝觐活动探踏事件则造成了35人死亡;2004年的朝觐活动结束后的疏散中发生拥堵踩踏，造成244人死亡;2006年的朝觐探踏事件导致362人死亡，600余人受伤。印度的曼达德维神庙位于马哈拉施特拉邦，该神庙在2005年的宗教集会活动中发生拥堵探踏事件，造成300多人丧生。在我国，躁踏事故也时有发生。2009年湖南省湘潭市育才学校下课时发生采踏事故，致使8名学生遇难，二十余人受伤。2014年位于宁夏回族自治区西吉县的北大寺在已故宗教人士纪念活动中发生探踏事故，造成14人死亡，10人受伤。尤其是自2015年1月1日上海外滩跨年活动探踏事故造成36人死亡的恶性事件后，如何进行安全出口的设置、如何调整各条疏散路径的行人流量，才可以使疏散行人流在产生恐慌情绪时，也能够进行安全有效地疏散、顺利步行至步行设施外部等问题，成为备受社会各界关注的热点问题。为了解决这一问题，需要对行人聚集的大型步行设施和行人疏散行为两方面进行研究。大型步行设施的空间特征对行人的安全疏散有重要影响。在人们对于步行设施的规模和形态提出更高要求的同时，大型步行设施建筑空间本身却仍存在许多行人疏散问题，对于行人疏散安全性从设计到分析评价等若干方面都需要进行更进一步的研究与探讨。社会经济发展和科技进步带来了行人更多的出行需求，从而引发了居民出行时对各种大型步行设施和步行空间的需要。这些对步行空间的需要带动了城市大型行人步行设施朝着更为立体和复杂的方向发展。与此同时，城市中心和繁华地段高昂的土地价格也要求步行设施建造者在建设步行设施时尽可能地增加单位面积的可容纳行人数量，从而充分利用城市土地和空间的价值。大型综合性步行建筑设施的广泛建造与应用正是在这种趋势下兴起的。建筑综合体的兴起，正是在有限的城市用地上集合了多种复杂的功能。这些大型步行设施运行方式多样、结构形态复杂、建设周期长、功能全面、人员素质层次多样，并且通常规模巨大，行人流线复杂，这就给行人疏散和应急组织工作带来了更为严峻的挑战。因此，在大型步行设施内对步行空间进行合理布局至关重要。它严重影响着正常行人疏散过程中的所用时间、拥挤程度、移动距离、和该步行设施的集散能力与安全性能。首先，设施步行空间的合理布局，有助于提供最佳的行人移动路线、缩短移动距离、缓解行人拥堵，从而提高步行设施的行人集散能力、行人流组织管理的有效性和紧急疏散安全性。相反，设施步行空间的不合理布局，则十分容易造成设施利用效率的降低和疏散安全性的减少。同时，也会导致浪费建筑资源，增加经济成本。为提高步行设施内行人步行效率、步行设施承载能力，缩短移动距离和行人疏散时间，缓解行人流的拥堵、避免发生踩踏事件的发生，在积极对大型步行设施内行人流实施组织、管理、控制和诱导的同时，还需要从设施建设阶段来分析步行设施的空间特征及如何形成合理的空间布局，从而为行人流向运动的组织与管理、引导标识的设置等工作提供合理的理论基础。因此，大型行人步行设施空间疏散特征研宄是建筑设施消防、交通综合枢纽设计等领域研宄旳重要内容。其次，对行人疏散行为进行研宄，掌握行人疏散过程中进行安全出口选择时的行为特点，也是对解决行人疏散问题的重要部分。行人疏散特征与行人流自身的宏微观特征有关，在不同场景下，行人在疏散过程中表现有不同的特点。当步行空间具有多个安全出口时，行人会产生安全出口选择行为。而由于个体差异、环境差异等因素的影响，行人在进行安全出口选择时会采取不同的策略。具有数量充足、布局合理的安全出口的步行设施对行人疏散的安全产生积极的影响。

二、研究目的和意义

研究目的

社会经济的快速发展对大型行人步行设施的疏散效果提出了新的要求，然而目前我国步行设施的空间设计及障碍布局仍存在一些问题，如步行空间设计标准缺乏科学依据，步行空间的集散效率和服务水平无法准确衡量，对行人和步行环境的关系认识不清楚等。本篇论文通过对国内外己有研究成果的借鉴，根据近年来的行人流仿真研宄成果，对步行设施的空间特征和行人安全出口选择行为进行了研宄。通过研宄该空间特征，可以了解影响行人疏散特征的外在因素，提出步行空间的疏散特征的评价指标，对疏散空间的布局合理性进行评价。通过对疏散行人流安全出口选择行为的仿真，可以研宄行人疏散时在选择安全出口的特征，掌握疏散行人流安全出口选择行为的宏观特点，为行人步行设施，如大型综合购物中心、体育场馆、交通枢纽等场所的设计提供技术依据和理论支持，从而对未来更好地设计步行空间提出建议，并有助于解决步行设施的安全疏散问题。

研究意义

影响行人进行安全有效疏散的因素，主要有疏散空间特点和疏散行人流特点两部分原因。疏散行人流在宏观条件下和微观条件下所表现出来特征有所不同。与此同时，步行设施自身的空间特征与设计也会对行人疏散的效果产生较大的影响。因此，为了保障行人的步行行为能够安全、舒适、高效地进行，研究行人步行设施的空间特征、设施内步行人流特征、安全高效的疏散行人流安全出口选择、及上述研究对象之间的相互关系，对于提高行人交通的安全性、减少各类采踏事故的发生、使行人更为安全便利地出行具有非常重要的理论与现实意义。本文正是式基于上述背景，对疏散设施空间的疏散特征及网络化方法进行了分析并提出疏散空间特征评价标准，并通过对设施内疏散行人流的安全出口选择行为进行仿真研究对行人流选择安全出口时的行为特点进行了研宄与探讨。步行设施空间特征分析与评价的研究仍有待进一步深入。行人密集聚集的场所通常是居民生活的必不可少的场所。分析步行设施的空间特征有助于对步行设施的合理性、安全性和便捷性进行深层次的理解，同时也为设计布局合理、安全高效的行人步行设施提供理论依据。建立步行设施空间特征指标评价体系，既有助于对现有步行设施的疏散特征进行评价，也有助于对未来的步行设施的空间设;计提供参考。通过基于元胞自动机对行人安全出口选择行为进行仿真，可对行人在多安全出口情况下的不同的出口选择策略所造成的拥堵情况和相关影响进行分析，并对下一步进行疏散路径选择的研宄提供技术依据和理论基础。步行设施空间特征分析与评价和行人安全出口选择行为对分析研宄行人的安全疏散问题、提高行人交通的安全性、减少各类采踏事故的发生具有重要的理论和现实意义。

三、本文研究涉及的主要理论

元胞自动机基本理论与思想的创始人是著名美籍匈裔数学家、同时也是计算机科学家冯?诺依曼。大型并行计算机的首个适用模型即是基于其元胞自动机的思想建立的。元胞自动机自被提出以来，在军事技术方面、社会经济发展方面、和科技创新方面等各个领域都有着广泛而深刻的应用。在交通科学领域，元胞自动机的理论提供了可供借鉴的思想和方法，并被在多个层面广泛应用。元胞自动机是一个离散化动力学模型。在交通系统中，行人、驾驶员、机动车辆、道路条件等元素及其相互之间的影响与联系常被看作是系统内部的粒子，交通系统则是一个由多粒子组成的复杂系统。对于城市交通网络来说，由于交通元素本质上是离散的，因此元胞自动机作为一个完全离散化的模型，被用来进行交通问题的研宄，具有独特的优越性。

在用仿真手段研究行人流的特征与特点时，基于元胞自动机的思想而提出的方法技术在研宄疏散行人流、对向移动行人流、和交叉口处的行人流等方面应用较为广泛。元胞自动机的本质是一种数学模型，这个数学模型需要基于一定的理论假设，即是一种理想化的状态。元胞自动机的本质是定义在一个具有离散且有有限个状态的元胞空间上、并按照一定的局部移动规则和演化规则、在离散的时间轴上进行更新演化的动力学系统[1]，其中，这些元胞空间由若干个预先被定义好状态的元胞组成。元胞自动机通过对某一特定系统中基本单元个体的微观行为特征的模拟，及对基本单元个体间的相互影响规则的指定，来实现这一特定系统整体在宏观层面的研宄和模拟[2]。基于元胞自动机的基本理论，系统内空间被网格划分为若干个子单元，其中网格的划分和制定也由预先设定好的规则而决定。这些规则网格中的每一个单元都被称作元胞，且这些元胞仅能在有限的离散状态集合内进行取值。所有元胞都遵循相同的作用规则，依据事先制定好的局部规则进行更新。数量众多的元胞按照所制定的特定演化更新规则，并通过元胞间相互作用来形成这一动态系统的更新与演化。与一般物理动力学模型有所区别的是，元胞自动机这一理论和模型的规定并不是定义严格的物理函数或方程，而是由一系列人为按照特定目的来制定的演化规则所构成[3]。

从元胞自动机的构成和运行规则这一角度分析，元胞自动机模型通常具备以下特征[5][6]:同质性、齐性，即一个元胞系统内的所有元胞均遵循同一演化规则，空间内每个元胞和每个子元胞群都统一服从相同的规律，按照预先设定的同一演化更新规则而更新;空间离散，即元胞所分布的元胞空间是离散的;时间离散，即演化所用的时间步长是相等的时间间隔;状态离散有限，即元胞自动机模型的状态参量仅能取有限个离散值;同步计算，即元胞自动机模型的处理为同步进行，便于并行运算;时空局域性，每一元胞在下一个时间步长的状态要由其领域内元胞在此时间步长内的状态决定;维数高，元胞自动机所基于的欧几里得空间可以无穷维的发散和拓展，元胞自动机本身也得以借此成为无穷维的动力系统。

四、本文研究的主要内容

首先，本文在对国内外相关研究进行回顾的基础上，基于元胞自动机的理论基础，通过建立疏散瓶颈等相关概念，对大型步行设施疏散空间进行了空间网络化划分，并在网络化的基础上，对步行设施空间特征进行了研宄，并提出了相关评价指标。其次，本文基于元胞自动机的理论基础，对行人疏散时的安全出口选择行为进行了仿真，并通过仿真结果，对行人出口选择时釆取的不同策略及其不同影响进行了评价与分析，并在分析出口选择行为的基础上，为未来进行路径选择行为的研宄提供了研究方向和理论基础。本文内容可分为六个章节。其中，第一章为绪论，第二章为本文所涉及研究内容的相关基础理论和研究前沿的国内外文献综述，第三章对步行设施的空间特征和空间网络化的方法进行了研究，并提出了相应的空间特征评价指标，第四章主要通过仿真手段对行人在多出口疏散空间的安全出口选择行为进行了仿真研究，第五章基于上述分析结论，把美国德克萨斯州达拉斯市的北园综合商业体作为大型步行设施案例进行了案例分析，第六章为研宄结论与展望。论文主要研究内容安排如下：第一章：绪论。本章节提出我国当前在大型行人步行设施空间特征分析和行人流特征分析等方面研究的现状，明确了本次研究的研宄方向，并阐述了本文的研究背景、研究目的及理论和应用意义。同时，对所涉及的相关研究方法也进行了概括。第二章：相关理论基础和文献综述。本章总结了当前在元胞自动机基础理论与仿真模型方面、步行设施空间网络化、设施内行人流特征、网络路径与流量分配方法等方面的国内外相关文献。第三章：行人步行设施空间特征分析。首先，本章对步行设施的空间特征进行了分析;其次，本章节通过建立疏散瓶颈等概念，提出了将步行空间进行网络化的相关方法和构建过程;最后，提出了一系列对空间特征进行描述和评价的指标。第四章：疏散行人安全出口选择策略分析。本章在分析了行人流在疏散空间流向的基础上，用仿真的手段对行人的出口选择行为进行了仿真研宄，并对仿真结果进行了分析。同时，提出了当步行设施为多层次多安全出口时的下一步研究方向。第五章：算例。本章在基于上述研究结果的基础上，以美国德克萨斯州达拉斯市的NorthPark商业综合体这一大型步行设施作为案例，对其空间疏散特征进行分析研宄。第六章：结论与展望。本章对全文的研宄成果进行总结，并对创新点和不足之处作了阐述与说明。对于有待进一步研宄的问题，本章对其进行了简要概括，并提出了未来研究方向的展望。

五、写作提纲

致谢

摘要

ABSTRACT

目录

图目录

LISTOFFIGURES

表目录

LISTOFTABLES

1.绪论1

依托项目

研究背景

研究目的和意义

研究目的

研究意义

研究内容与方法

研究内容

研究方法

2.基础理论与国内外研究现状

元胞自动机

元胞自动机的定义

元胞自动机的构成

元胞自动机的特征

行人交通流特征

行人流宏观交通特征

行人流微观交通特征

步行设施空间网络化

网络的组成与特性

树的组成与特性

网络路径与流量分配方法

行人网络流量

行人流交通分配

国内外研究现状

设施内行人流组织

元胞自动机的行人流仿真

3.行人步行设施空间特征研究

步行设施空间

设施步行空间网络化

步行空间瓶颈

步行移动网络

移动网络的构建

步行设施空间特征指标

步行设施空间疏散特征

步行设施空间通过特征

4.疏散行人流安全出口选择策略研究

行人流在步行设施中的疏散

设施空间布局对行人流移动影响

行人空间布局对行人流移动影响

多安全出口的行人选择行为

行人流多安全出口选择仿真

仿真模型基本规则

安全出口选择规则

最短估计距离计算

仿真模型演化规则

仿真结果分析

安全出口布局

安全出口选择分析

步行设施内疏散路径选择

5.步行设施空间疏散特征算例

概况

疏散空间网络化

疏散空间行人路径分析

疏散空间特征指标计算

算例分析

6.结论与展望

研究结论

研究展望

参考文献

六、目前已经阅读的主要文献

[1]Chopard,Bastien,andMichelDroz,Cellularautomatamodelingofphysicalsystems,Cambridge:CambridgeUniversityPress,1998.

[2]吕晓阳，etal，CA交通流模型的演化方程与转向概率效应物理学报，(3)，435-441,1997.

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[4]周成虎，孙战利，谢一春，地理元胞自动机研究，北京：科学出版社，2000.

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帮您下了两篇，希望对您有所帮助哦！祝您愉快！1 题目：基于无线传感器网络仿真平台的研究一、引言 传感器网络（WSN）日新月异,各种网络方案和协议日趋复杂,网络规模日趋庞大,对网络研究人员而言,掌握网络仿真的重要性是不言而喻的。WSN仿真能够在一个可控制的环境里研究WSN应用,包括操作系统和网络协议栈,能够仿真数量众多的节点,能够观察由不可预测的干扰和噪声引起的难以琢磨的节点间的相互作用,获取节点间详细的细节,从而提高节点投放后的网络成功率,减少投放后的网络维护工作。目前无线传感器网络使用的仿真工具主要有NS2、TinyOS、OPNET、OMNET++等等。其中TinyOS是专门针对无线传感器网络的特点而研究开发的。 二、无线传感器网络仿真简介 在传感器网络中,单个传感器节点有两个很突出的特点。一个特点是它的并发性很密集;另一个特点是传感器节点模块化程度很高.上述这些特点使得无线传感器网络仿真需要解决可扩展性与仿真效率、分布与异步特性、动态性、综合仿真平台等等问题。 三、无线传感器网络常用仿真工具 无线传感器网络常用仿真工具有NS2、OPNET、OMNET++、TinyOS,下面我们简要介绍它们各自的性能和特点。 NS2 NS是一种可扩展、以配置和可编程的时间驱动的仿真工具,它是由REAL仿真器发展而来.在NS的设计中,使用C++和OTCL两种程序设计语言, C++是一种相对运行速度较快但是转换比较慢的语言,所以C++语言被用来实现网络协议, 编写NS底层的仿真引擎; OTCL是运行速度较慢,但可以快速转换的脚本语言,正好和C++互补,所以OTCL语言被用来配置仿真中各种参数,建立仿真的整体结构, OTCL的脚本通过调用引擎中各类属性、方法,定义网络的拓扑,配置源节点、目的节点建立链接,产生所有事件的时间表,运行并跟踪仿真结果,还可以对结果进行相应的统计处理或制图.NS可以提供有线网络、无线网络中链路层及其上层精确到数据包的一系列行为仿真。NS中的许多协议都和真实代码十分接近,其真实性和可靠性是非常高的。 OPNET OPNET是在MIT研究成果的基础上由MIL3公司开发的网络仿真软件产品。 OPNET的主要特点包括以下几个方面:(1)采用面向对象的技术,对象的属性可以任意配置,每一对象属于相应行为和功能的类,可以通过定义新的类来满足不同的系统要求; (2)OPNET提供了各种通信网络和信息系统的处理构件和模块;(3) OPNET采用图形化界面建模,为使用者提供三层(网络层、节点层、进程层)建模机制来描述现实的系统;(4) OPNET在过程层次中使用有限状态机来对其它协议和过程进行建模,用户模型及OPNET内置模型将会自动生成C语言实现可执行的高效、高离散事件的模拟流程;(5) OPNET内建了很多性能分析器,它会自动采集模拟过程的结果数据;(6)OPNET几乎预定义了所有常用的业务模型,如均匀分布、泊松分布、欧兰分等。 OMNET++ OMNET++是面向对象的离散事件模拟工具,为基于进程式和事件驱动两种方式的仿真提供了支持。 OMNET++采用混合式的建模方式,同时使用了OMNET++特有的ned(Network Discription,网络描述)语言和C++进行建模。OMNET++主要由六个部分组成:仿真内核库、网络描述语言的编译器、图形化的网络编译器、仿真程序的图形化用户接口、仿真程序的命令行用户接口和图形化的向量输出工具。OMNET++的主要模型拓扑描述语言NED,采用它可以完成一个网络模型的描述。 网络描述包括下列组件:输入申明、信道定义、系统模块定义、简单模块和复合模块定义。使用NED描述网络,产生.NED文件,该文件不能直接被C++编译器使用,需要首先采用OMNET++提供的编译工具NEDC将.NED文件编译成.cpp文件。最后,使用C++编译器将这些文件与用户和自己设计的简单模块程序连接成可执行程序。 TinyOS TinyOS是专门针对传感器研发出的操作系统。在TinyOS上编程序使用的语言为nesC(C language for network embedded systems) 语言。 nesC语言是由C语言扩展而来的,意在把组件化/模块化思想和TinyOS基于事件驱动的执行模型结合起来。 nesC 组件有Module(模块)和Configuration（连接配置文件）两种。在模块中主要实现代码的编制,在连接配置文件中主要是将各个组件和模块连接起来成为一个整体。 TinyOS程序采用的是模块化设计,所以它的程序核心往往都很小,能够突破传感器存储资源少的限制,这能够让TinyOS很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TinyOS的特点主要体现在以下几个方面: (1)组件化编程(Componented-Based Architecture)。TinyOS的组件通常可以分为以下三类:硬件抽象组件、合成组件、高层次的软件组件;硬件抽象组件将物理硬件映射到TinyOS组件模型.合成硬件组件模拟高级硬件的行为.高层次软件模块完成控制、路由以及数据传输等。} (2)事件驱动模式(Event-Driven Architecture)。事件驱动分为硬件驱动和软件事件驱动。硬件事件驱动也就是由一个硬件发出中断,然后进入中断处理函数。而软件驱动则是通过singal关键字发出一个事件。 (3)任务和事件并发模式(Tasks And Events Concurrency Model)。任务用在对于时间要求不是很高的应用中,任务之间是平等的,即在执行时是按顺序先后来的,而不能相互抢占,TinyOS对任务是按简单的FIFO队列进行处理的。事件用在对于时间的要求很严格的应用中,而且它可以占先优于任务和其他事件执行。 (4)分段执行(Split-Phase Operations)。在TinyOS中由于tasks 之间不能互相占先执行,所以TinyOS没有提供任何阻塞操作,为了让一个耗时较长的操作尽快完成,一般来说都是将对这个操作的需求和这个操作的完成分开来实现,以便获得较高的执行效率。 (5) 轻量级线程(lightweight thread)。轻量级线程(task, 即TinyOS中的任务)按FIFO方式进行调度,轻量级线程之间不允许抢占;而硬件处理线程(在TinyOS中,称为硬件处理器),即中断处理线程可以打断用户的轻量级线程和低优先级的中断处理线程,对硬件中断进行快速处理响应。 (6) 主动通信消息(active message)。每一个消息都维护一个应用层和处理器。当目标节点收到这个消息后,就会把消息中的数据作为参数,并传递给应用层的处理器进行处理。应用层的处理器一般完成消息数据的解包操作、计算处理或发送响应消息等工作。 TinyOS操作系统中常用的仿真平台主要是TOSSIM和Avrora （1）TOSSIM(TinyOS simulation)是一个支持基于TinyOS的应用在PC机上运行的模拟器.TOSSIM运行和传感器硬件相同的代码,仿真编译器能直接从TinyOS应用的组件表中编译生成仿真程序。 （2）Avrora是一种专门为Atmel和Mica2节点上以AVR单片机语言编写的程序提供仿真分析的工具。它的主要特点如下：1) 为AVR单片机提供了cycle accurate级的仿真,使静态程序可以准确的运行。它可以仿真片上(chip-on)设备驱动程序,并为片外(off-chip)程序提供了有规则的接口;2)可以添加监测代码来报告仿真程序运行的性能,或者可以在仿真结束后收集统计数据,并产生报告;3)提供了一套基本的监控器来剖析程序,这有助于分析程序的执行模式和资源使用等等;4)Avrora可以用gdb调试程序;5) Avrora可以为程序提供一个程序流图,通过这个流程图可以清楚的表示机器代码程序的结构和组织;6) Avrora中提供了分析能量消耗的工具,并且可以设置设备的带电大小;7) Avrora可以用来限制程序的最大堆栈空间,它会提供一些关于目前程序中的最大的堆栈结构,和一些关于空间和时间消耗的信息报告。 性能比较 TinyOS 用行为建模,可以仿真跨层协议;仿真程序移植到节点上,不需要二次编码。 通过对上述几种仿真软件的分析比较,我们可以清楚的看到各个仿真软件的特点、适用范围,我们可以根据研究需要选择适合的仿真软件,使得我们的学习研究可以事半功倍。 结束语 网络仿真技术为通信网络规划和优化提供了一种科学高效的方法。网络仿真在国内是近几年才发展起来的,但在国外网络仿真技术已经相当成熟,我们应该大胆地借鉴国外先进技术,促进国内网络仿真技术迅速发展。 参考文献 【1】于海斌,曾鹏等.智能无线传感器网络.科学出版社,2006,p283～p303, 【2】石怀伟,李明生,王少华,网络仿真技术与OPNET应用实践,计算机系统应用2006.第3期 【3】李玥,吴辰文,基于OMNeT++地TCP/IP协议仿真,兰州交通大学学报(自然科学版),2005年8月 【4】袁红林,徐晨,章国安,TOSSIM:无线传感器网络仿真环境,传感器与仪表仪器 ,2006年第22卷第7-1期 2集群虚拟服务器的仿真建模研究来源：电子技术应用 作者：杨建华 金笛 李烨 宁宇摘要：阐述了集群虚拟服务器的工作原理和三种负载均衡方式，通过实例讨论了虚拟服务器的仿真和建模方法，创建了测试和仿真系统性能的输入和系统模型，并依据Q—Q图和累积分布函数校验了其概率分布。 关键词：集群虚拟服务器负载均衡仿真建模概率分布 随着互联网访问量和数据流量的快速增长，新的应用层出不穷。尽管Intemel服务器处理能力和计算强度相应增大，但业务量的发展超出了先前的估计，以至过去按最优配置建设的服务器系统也无法承担。在此情况下，如果放弃现有设备单纯将硬件升级，会造成现有资源的浪费。因此，当前和未来的网络服务不仅要提供更丰富的内容、更好的交互性、更高的安全性，还要能承受更高的访问量，这就需要网络服务具有更高性能、更大可用性、良好可扩展性和卓越的性价比。于是，集群虚拟服务器技术和负载均衡机制应运而生。集群虚拟服务器可以将一些真实服务器集中在一起，组成一个可扩展、高可用性和高可靠性的统一体。负载均衡建立在现有网络结构之上，提供了一种廉价、有效和透明的方法建立服务器集群系统，扩展网络设备和服务器的带宽，增加吞吐量，加强网络数据处理能力。提高网络的灵活性和可用性。使用负载均衡机制．大量的并发访问或数据流量就可以分配到多台节点设备上分别处理。系统处理能力得到大幅度提高，大大减少用户等待应答的时间。实际应用中，虚拟服务器包含的真实服务器越多，整体服务器的性能指标(如应答延迟、吞吐率等)越高，但价格也越高。在集群中通道或其他部分也可能会进入饱和状态。因此，有必要根据实际应用设计虚拟服务器的仿真模型，依据实际系统的测量数据确定随机变量的概率分布类型和参数，通过分位点一分位点图即Q-Q图(Quaantile-Quantile Plot)和累积分布函数(Cumulative Distribution Functions)等方法校验应答或传播延迟等性能指标的概率分布，通过仿真软件和工具(如Automod)事先分析服务器的运行状态和性能特点，使得集群系统的整体性能稳定，提高虚拟服务器设计的客观性和设计的可靠性，降低服务器建设的投资风险。1 集群虚拟服务器的体系结构 一般而言，首先需要在集群虚拟服务器上建立互联网协议伪装(Internet Protocol Masquerading)机制，即IP伪装，接下来创立IP端口转发机制，然后给出在真实服务器上的相关设置。图1为集群虚拟服务器的通用体系结构。集群虚拟服务器通常包括：真实服务器(RealServers)和负载均衡器(Load Balmlcer)。由于虚拟服务器的网络地址转换方式是基于IP伪装的，因此对后台真实服务器的操作系统没有特别要求，可以是windows操作系统，也可以是Lmux或其他操作系统。负载均衡器是服务器集群系统的惟一入口点。当客户请求到达时，均衡器会根据真实服务器负载情况和设定的调度算法从真实服务器中选出一个服务器，再将该请求转发到选出的服务器，并记录该调度。当这个请求的其他报文到达后，该报文也会被转发到前面已经选出的服务器。因为所有的操作都在操作系统核心空间中完成，调度开销很小，所以负载均衡器具有很高的吞吐率。整个服务器集群的结构对客户是透明的，客户看到的是单一的虚拟服务器。负载均衡集群的实现方案有多种，其中一种是Linux虚拟服务器LVS(Linux Virtual Server)方案。LVS实现负载均衡的技术有三种：网络地址转换(Network Address Translation)、直接路由(Direct Routing)和IP隧道(IP Yunneling)。网络地址转换按照IETF标准，允许一个整体机构以一个公用IP地址出现在Inlemet上。通过网络地址转换，负载均衡器重写请求报文的目标地址，根据预设的调度算法，将请求分派给后端的真实服务器；真实服务器的应答报文通过均衡器时，报文的源地址被重写，把内部私有网络地址翻译成合法网络IP地址，再返回给客户，完成整个负载调度过程。直接路由的应答连接调度和管理与网络地址转换的调度和管理相同，但它的报文是直接转发给真实服务器。在直接路由应答中，均衡器不修改、也不封装IP报文．而是将数据帧的媒体接入控制MAC(Medium Aceess Control)地址改为选出服务器的MAC地址，再将修改后的数据帧在局域网上发送。因为数据帧的MAC地址是选出的服务器，所以服务器肯定可以收到该数据帧，从中获得该IP报文。当服务器发现报文的目标地址在本地的网络设备时，服务器处理该报文，然后根据路由表应答报文，直接返回给客户。IP隧道是将一个IP报文封装在另一个IP报文中的技术。该技术可以使目标为某个口地址的数据报文被封装和转发到另一个IP地址。用户利用IP隧道技术将请求报文封装转发给后端服务器，应答报文能从后端服务器直接返回给客户。这样做，负载均衡器只负责调度请求，而应答直接返回给客户，不需要再处理应答包，将极大地提高整个集群系统的吞吐量并有效降低负载均衡器的负载。IP隧道技术要求所有的服务器必须支持IP Yunnehng或lP.封装(Encapsulation)协议。2 集群虚拟服务器报文延迟的确定 通过一个装有5台真实服务器并使用网络地址转换技术实现Linux虚拟服务器的实际系统，可以得到有关请求和应答报文的时戳(Time Stamp)文件n根据这些文件．能够计算出集群虚拟服务器的仿真和建模所需数据。为了确定随机变量分布类型和参数，应该统计下列延迟：(1)从客户到负载均衡器的传播延迟(Transport Delay)；(2)负载均衡器的应答延迟(Response Delay)；(3)从负载均衡器到真实服务器的传播延迟；(4)真实服务器的应答延迟；(5)从真实服务器到负载均衡器的传播延迟；f61负载均衡器对真实服务器的应答延迟；(7)从负载均衡器到客户的传播延迟。在实际系统产生的时戳文件中，问接地描述了上述各延迟时间。文件包含的内容如下：当一个服务请求到达集群虚拟服务器系统时，即产生带有惟一序列号的同步请求报文(Synchronized Request Package)，将该报文转发到某一真实服务器，同时建立该服务器与客户端的连接，每个这样的连接都带有惟一的端口号；该服务器处理通过该连接的确认请求报文(Acknowledgement Request Package)，直到服务器收到结束请求报文(Finished Request Package)。对每一种类型的请求报文，系统都给予一个相应的应答报文。因此，在不同的报文时戳文件中，如果两条记录具有相同的端口号、报文类型和序列号，则它们是同一个请求或应答报文，对相关的时戳相减即可得到集群虚拟服务器系统的仿真和建模所需的延迟数据。通过所编写的C++程序即可计算这些延迟。3 系统仿真模型 上述的集群虚拟服务器实际系统的仿真模型如图2所示，在负载均衡器、各通道、5台真实服务器中通过或处理的均为请求或应答报文。4 随机变量模型的确定 对具有随机变量的集群虚拟服务器进行仿真，必须确定其随机变量的概率分布，以便在仿真模型中对这些分布进行取样，得到所需的随机变量。 实际虚拟服务器的延迟数据概况 在实际虚拟服务器的负载均衡器、各通道和5台真实服务器中，对请求和应答报文都有一定的延迟。部分报文延迟的统计数据如表1所示。由表l中的数据可见，报文延迟的中位数与均值差异较大，所以其概率分布不对称；变异系数不等于l，导致概率分布不会是指数分布，而可能是γ分布或其他分布。4．2 随机变量的概率分布 图3为第一台真实服务器到负载均衡器之间的通道报文传播延迟直方图，其中t为报文延迟时间，h(t)为报文延迟区间数。由图3可知，通道内的报文传播延迟数据近似服从γ分布或对数正态分布。描述γ分布需要两个参数：形状(Shape)参数α和比例(Scahj)参数口，这两个参数与均值M、方差V之间的关系是非线性的：描述对数正态分布也需要形状参数σ和比例参数μ，这两个参数与均值M、方差V之问的关系也是非线性的：式(1)～(4)都可以通过最大似然估计MLE(Maximum Likelihood Estimator)方法或最速下降法(Steepest Descent Method)求出。表2给出了甩这两种方法求出的从第一台真实服务器到负载均衡器之间通道内的报文延迟概率分布参数。使用累积分布函数和Q-Q图可以校验并进一步确定上述通道内报文传播延迟的概率分布。取用表2中的参数，可以得到γ分布的累积分布函数，如图4所示，其中t为报文延迟时间，F(t)为报文延迟的累积分布函数。为作比较，实验分布也画在该图中。γ分布和对数正态分布的Q-Q图如图5所示。由图4和图5可以看出，γ分布较好地拟合了该通道内的报文传播延迟数据分布。其他通道报文延迟直方图也有类似形状。经计算和分析，这些通道的报文传播延迟概率分布也近似服从γ分布。根据表1中的数据以及相关的直方图都难以确定在负载均衡器和真实服务器中报文延迟的理论分布。因此，采用实验分布作为其模型。5 模型仿真 在建立了图1所示的集群虚拟服务器的系统仿真模型并确定了其随机变量的分布特性后，可以采用由美国布鲁克斯自动化公司(Brooks Automation)开发的仿真软件Automod输入该模型，并通过在Automod环境中编程进行集群虚拟服务器的仿真和分析。在Automod的仿真过程中，可以直接利用软件提供的资源(Resource)作为各种报文数据处理的单元；系统各部分的报文排队活动可以直接通过排队(Queue)实现；建立一个负载产生器，等效为在Inlemtet上使用虚拟服务器的客户。通过采用Automod的属性变量(Attribute Variable)可以解决负载均衡器的双方向报文处理功能的问题。负载均衡器使用轮转调度算法(Round Robin Scheduling)，即假设所有真实服务器的处理性能均相同，依次将请求调度到不同的服务器。验证仿真模型可以分别在实际虚拟服务器系统和Automod的仿真模型中从以下两方面进行对比：(1)在负载均衡器、各个真实服务器和通道中排队的应答或传播报文数量；(2)真实服务器及负载均衡器的cPU利用率。例如，当使用实际的应答或传播报文延迟数据时，在Automod的仿真模型中，如果设置一个较低的资源量，则在仿真过程中就会发现大部分的负载都被堵在真实服务器的排队中，即真实服务器处理报文的能力过低，无法与实际系统的状况相比；如果设置一个较高的资源量，则意味着服务器的并行处理能力增加，真实服务器的利用率提高，负载就很少或不会滞留在真实服务器的排队中。因此，在Automod中可以根据实际情况调整仿真模型的资源量大小。如果在Automod中增加负载产生器的负载产生率，就等效为用户访问量增加，通过观察排队中的负载滞留比例，就可以发现系统的最大处理报文的能力以及系统各部分应答报文可能出现瓶颈之处。例如，将负载产生率增加一倍，虽然系统仍然可以处理所有的报文，但各台真实服务器的平均利用率将达80％左右。显然，这时系统应答报文的“瓶颈”为真实服务器，有必要在系统中增添一台新的真实服务器。通过一个包括5台真实服务器的实际虚拟服务器系统。收集并计算了仿真和建模的样板数据。依据系统报文延迟的中位数、均值、变异系数和直方图等，确定了系统随机变量的概率分布；采用最大似然估计方法和最速下降法，得到了通道概率分布的具体参数；根据Q-Q图和累积分布函数进一步校验并最终确定通道的概率分布形式。使用Automod软件进行了仿真建模和编程，借助仿真结果可以发现虚拟服务器的最大处理能力和可能的“瓶颈”之处。通过及时定位系统“瓶颈”，可以有的放矢地进一步研究和改进系统，有效提高系统性能。所采用的仿真方法也可以用于其他领域的仿真建模或分析中。在仿真模型中，负载均衡方式和调度算法还需要进一步增加，以便于比较不同的虚拟服务器系统。样本数据也需要进一步扩充，以避免报文延迟的自相关性。

仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。下面是我精心推荐的物流仿真技术论文，希望你能有所感触!

【摘 要】物流系统仿真借助计算机技术对物流系统进行真实模仿，对物流工程项目有十分重要的意义。论文主要研究物流系统仿真技术的基本理论，提出利用Flexsim软件进行模拟仿真的方法。该方法可为物流系统建设规划提供重要的决策依据。

【关键词】物流系统仿真;Flexsim软件

随着我国经济的发展，物流业迅速地成长，全国各地的物流工程建设也在逐步展开，但在项目的投资建设中产生了一系列的合理性分析的问题，如技术、经济可行性和管理方法等。如物流配送中心在规划建设过程中的选址是否恰当，其容量设计、装备配置和场地规划是否合理，是否能够更好简化工作，节约成本和时间，对理货、存储、分拣等工作区的划分是否能够更加方便各项作业的进展和管理。对于这些实际的问题，如果只凭经验和感觉来判断，难免会有些方面被疏忽，建成后再进行调整就会增加建设的成本，耽误正常的工作，从而带来巨大的损失。

物流仿真技术是借助计算机技术、网络技术和数学手段，采用虚拟现实方法，对物流系统进行实际模仿的一项应用技术。它需要借助计算机仿真技术对现实物流系统进行系统建模与求解算法分析，通过仿真实验得到各种动态活动及其过程的瞬间仿效记录，进而研究物流系统的性能和输出效果。物流仿真技术最大的优点就是不需要实际设备的安装，不需要实际实施相应的方案，即可验证如下目标：①增加新设备后给企业带来的效应;②设计新的生产线的好坏;③比较各种设计方案的优劣等等。本文主要研究物流系统仿真技术的基本理论，并通过Flexsim仿真软件进行说明说明。

1.物流系统仿真的特点

物流系统仿真的特点主要体现在以下3个方面。

(1)物流系统中流的仿真：对于物流系统中的多种流，如货流、车流、信息流、资金流等，可以采用动态仿真 描述流的产生、流动、消失、积累和转换等。

(2)物流系统中排队的仿真：由一个或多个服务台和等待服务的顾客组成的离散系统成为排队系统。物流系统是复杂的离散事件系统，并且各种设施设备可以看作是服务台，各种实体货物等可以看作是顾客等待接收服务。

(3)物流系统组织中资源的因素仿真：物流组织是通过各种人员和设备参与实现的，这些都是物流系统中的资源。通过对各种资源不同的规划，物流服务质量和运作效率也是有差异。利用计算机仿真技术描述人和设备的行为过程，可以得出较优的物流体统组织方案。

2.物流系统仿真的优势

在构建物流系统时，由于建设投资巨大，存在一定的投资风险，且建成后发现了不合理的地方需要改造，成本将会非常的高。利用仿真技术实现物流系统各个模块的运行状况，并得出适应发展、经济有效的设计方案。物流系统仿真技术的主要有以下优点。

(1)对于复杂的物流系统可以采用仿真的方法构建模型;(2)对于新的物流系统，无需实际建设投资，可先利用计算机仿真模拟对新系统进行可行性和效率做出正确的评判，如方案合理再实施，降低投资风险;(3)可以对多个方案进行分析对比，从中选择最优方案;(4)通过仿真调整目标函数和约束条件来优化方案。

3.物流系统仿真的步骤

物流系统仿真的一般步骤：(1)弄清问题，掌握实际情况;(2)收集整理资料;(3)确定各个因素之间的相互关系;(4)构造仿真模型模型;(5)确定模型参数;(6)检验模型的正确性;(7)仿真模型的运行及结果分析。

仿真软件

Flexsim仿真软件介绍

Flexsim是由美国的Flexsim Software Production公司出品的，是一款商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim采用面向对象技术，并具有三维显示功能。建模快捷方便，显示能力强大，特别适合于生产制造、配送、交通运输等领域。其主要特点包括：(1)基于面向对象技术建模;(2)突出的3D图形显示功能;(3)建模和调试的方便;(4)建模的扩展性强;(5)开放性好。

应用Flexsim仿真软件建模仿真方法

(1)设置模型布局

Flexsim对象库中的对象基本能够反映各项实际设施。如进货源和出货源可以分别用发生器和吸收器来表示，加工作业可以用处理器表示，货架、运输机、操作员分别有相应的实体表示。并根据各个实体的数量尺寸，将其调整到适当的位置，使其与实际方案相符。在设置这些参数时，要根据具体的对象特征设置参数才能正确的模拟显示。

(2)定义“流”

根据系统中各对象之间的逻辑关系，连接相应的端口，构建模型的逻辑流程。

实体与实体之间的联系可用输入输出(A)连接或者中间端点(S)连接。作业的流程要与实际作业时的流程相符合。

(3)设施参数的设计

根据每个对象所描述的物流系统的特征，设定对象的参数。Flexsim中常用的一些仿真参数主要有：

①生成器参数：可按到达时间间隔模式、到达时间表模式、到达序列模式创建临时实体。通过生成器可以设置货物的到达类型和到达时间分布等。

②处理器参数：处理器参数一般用到的是处理器容量、处理时间、预置时间、平均故障时间和平均维修时间等。

③暂存区参数：暂存区参数主要有暂存区容量、暂存区大小、暂存区货物堆放形式等。

④货架参数：货架参数主要有货架容量、货架列数、层数、列宽、层高、最小停留时间和堆存方式等。

⑤运输工具参数：运输工具包括工人、运输叉车、堆垛机等，参数主要有装载时间、卸载时间、运行速度、装载量、加速度以及运输线路设计等。

⑥临时实体流参数：临时实体流参数决定实体如何将临时实体送到下游。这些参数主要有送往端口、是否使用运输工具、是否拉动、拉动条件、优先级等。

编译运行与仿真结果分析

在完成模型的建立后，可以对仿真模型进行编译运行。为了减小误差，可以通过反复多次的运行或根据不同的设定条件运行，得出仿真的结果。分析实验中各个对象的工作状况及效率，对比不同的实验的结果，提出改进优化措施，并再次进行验证。最终得出最优的方案。

【参考文献】

[1]彭扬，吴承健.物流系统建模与仿真[M].杭州：浙江大学出版社，2009.

[2]周向阳.物流系统仿真系列讲座第一讲[J].物流技术装备版，2010(3).

[3]肖江波.基于FLEXSIM的配送中心系统仿真与优化[D].北京：北京邮电大学，2008.

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