面向新工科的多場景多平臺系統(tǒng)仿真實驗

李浩 涂輝招

[摘 要] 系統(tǒng)仿真實驗教學(xué)是以學(xué)生動手編寫仿真程序為抓手，以實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)運行過程模擬和系統(tǒng)狀態(tài)呈現(xiàn)為目的的教學(xué)環(huán)節(jié)。對系統(tǒng)仿真實驗教學(xué)進行設(shè)計，提出了多場景案例、多平臺仿真技術(shù)的實驗教學(xué)建議，探討了多智能體仿真技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，有效促進了學(xué)生對隨機過程生成等基礎(chǔ)理論知識的理解，提高了學(xué)生的編程動手能力、團隊協(xié)作能力、問題解決能力及表達能力，為培養(yǎng)新工科背景下的交通運輸專業(yè)復(fù)合型人才提供了有效途徑。

[關(guān)鍵詞] 系統(tǒng)仿真;實驗教學(xué);多場景實驗;多平臺仿真技術(shù);多智能體仿真

[基金項目] 2018年度同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院精品實驗培育項目“離散系統(tǒng)排隊仿真與評價”

[作者簡介] 李 浩（1982—），女，寧夏中寧人，工學(xué)博士，同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院教授（通信作者），博士生導(dǎo)師，主要從事交通行為和道路交通路網(wǎng)模型研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）21-0101-04? ?[收稿日期] 2020-12-19

一、研究背景

教育是國之大計。黨的十八大以來，黨中央高度重視教育工作，高校作為人才的培育基地和創(chuàng)新的孵化基地，擔(dān)負著為國家培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要使命。交通運輸專業(yè)卓越人才的培養(yǎng)則是實現(xiàn)“交通強國”的核心動力[1]。隨著計算機、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)等已成為各個行業(yè)和領(lǐng)域解決實際問題的重要手段和方法。培養(yǎng)雙一流學(xué)科交通運輸專業(yè)人才，不僅要注重專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，更要面向未來，適應(yīng)新工科背景下對交通運輸專業(yè)高層次人才的需求[2]。程序編制、算法編程、數(shù)據(jù)處理等技能已成為當下甚至未來考核交通運輸專業(yè)人才的重要指標。

非計算機專業(yè)的教學(xué)對以上技能的培養(yǎng)較弱，傳統(tǒng)的與計算機相關(guān)的專業(yè)課程更關(guān)注基礎(chǔ)理論的傳授、案例的展示或已有軟件的使用教學(xué)，學(xué)生普遍存在動手能力、編程能力較弱的問題[3]。專業(yè)課程的教學(xué)方法對學(xué)生特定能力的發(fā)展和技能的提升起著重要的作用。本文以交通運輸專業(yè)基礎(chǔ)課程系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)為研究對象，探討增設(shè)的且不斷遞進優(yōu)化的實驗教學(xué)方法，試圖通過多種系統(tǒng)案例、多種仿真平臺和技術(shù)，教授本科生以交通運輸專業(yè)為背景的程序編寫的流程和知識，并通過個體實踐完成特定系統(tǒng)動態(tài)運行的模擬和仿真，啟發(fā)學(xué)生的編程思維，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)面向未來的新工科交通運輸專業(yè)復(fù)合型人才[4，5]。

二、系統(tǒng)仿真實驗教學(xué)設(shè)計

系統(tǒng)仿真基礎(chǔ)是交通運輸專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，授課對象是交通運輸專業(yè)本科三年級的學(xué)生。設(shè)置仿真實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生仿真建模的思想、動手編制仿真程序的能力、利用現(xiàn)代化技術(shù)解決和分析實際問題的能力，以及團隊合作能力和組織能力。針對以上實驗教學(xué)目標進行了如下仿真實驗設(shè)計。

（一）仿真場景

一是典型的多服務(wù)臺超市購物排隊離散系統(tǒng)，將其抽象為乘客到達過程、購物過程、接受服務(wù)過程三個隨機過程。二是道路交通運輸網(wǎng)絡(luò)交通量及路網(wǎng)交通狀態(tài)仿真。

（二）仿真要求

要求學(xué)生編制一套完整的程序，動態(tài)仿真乘客購物排隊接受服務(wù)到最終離開的過程（系統(tǒng)一）或仿真道路交通運輸路網(wǎng)上交通量的分布（系統(tǒng)二）。系統(tǒng)一仿真要求包含：（1）利用獨立均勻的隨機序列生成三個隨機過程。（2）利用下次事件時間推進機制進行仿真時鐘的推進。（3）編制到達事件、購畢時間和離開事件的子函數(shù)，更新事件發(fā)生后系統(tǒng)的性能變化。（4）制定同時事件管理規(guī)則，并用解結(jié)法處理同時事件。（5）制定柜臺選擇的規(guī)則。（6）利用隨機輸出結(jié)果分析的經(jīng)典統(tǒng)計方法，評價不同收銀臺個數(shù)方案的優(yōu)劣，并進行方案的優(yōu)化。

系統(tǒng)二仿真要求包含：（1）利用獨立均勻的隨機序列生成道路路段的隨機通行能力。（2）利用隨機數(shù)進行基于Probit模型的路網(wǎng)交通量分配。

（3）利用隨機輸出結(jié)果分析的經(jīng)典統(tǒng)計方法，評價不同道路路段收費方案的優(yōu)劣，并進行道路收費方案的優(yōu)化。

（三）實驗安排

一是設(shè)置了6學(xué)時的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)（課后仿真編制實踐需至少50個小時）。二是教授Matlab編程語言，提供學(xué)生基于Matlab語言的程序主體框架，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)Matlab語言及仿真流程，讓學(xué)生接觸并熟悉Matlab的子函數(shù)function的定義和調(diào)用，以及structure的數(shù)據(jù)存儲方法。三是采取一對一指導(dǎo)的方式，現(xiàn)場進行程序編制的教學(xué)及指導(dǎo)。四是學(xué)生分組進行，每個小組兩位學(xué)生，共同合作完成仿真任務(wù)。五是仿真考核包括小組PPT實驗匯報及仿真程序電子版的提交。要求重點交流仿真過程中碰到的問題，以及解決方法和仿真感悟等。

（四）實驗特色

1.拓展獎勵。實驗教學(xué)設(shè)置了多項附加任務(wù)，鼓勵學(xué)生嘗試和鍛煉更多的技能，并給予加分獎勵。附加任務(wù)包括：（1）Halton隨機序列的生成、應(yīng)用及影響分析;（2）仿真界面、過程和結(jié)果的可視化;（3）方案的仿真比較;（4）獲取規(guī)定精度仿真次數(shù)的確定及驗證;（5）方差縮減技術(shù)的應(yīng)用。

2.理論與實踐的深度融合[6]。課堂傳授的基礎(chǔ)理論和方法全部滲透在實驗環(huán)節(jié)，包括隨機過程的生成方法（注重隨機數(shù)列的相互獨立性）、多次重復(fù)運行仿真、隨機輸出結(jié)果分析（經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計方法）、多方案比較、方差縮減技術(shù)等，有利于學(xué)生深入理解和掌握基礎(chǔ)理論知識。

3.探討啟發(fā)式[7]。在程序編制過程中會碰到很多問題，解決方法并不唯一，評斷標準也不唯一，鼓勵學(xué)生應(yīng)用批判性思維和發(fā)散式思維，提出自己團隊特色的解決方法。

4.開放式。設(shè)置的實驗教學(xué)教授Matlab語言的應(yīng)用，同時允許學(xué)生使用任何他們熟悉的語言（如python，VB，Csharp等）進行程序的編寫。