面向新工科的多场景多平台系统仿真实验

李浩 涂辉招

[摘 要] 系统仿真实验教学是以学生动手编写仿真程序为抓手，以实现系统动态运行过程模拟和系统状态呈现为目的的教学环节。对系统仿真实验教学进行设计，提出了多场景案例、多平台仿真技术的实验教学建议，探讨了多智能体仿真技术在实验教学中的应用，有效促进了学生对随机过程生成等基础理论知识的理解，提高了学生的编程动手能力、团队协作能力、问题解决能力及表达能力，为培养新工科背景下的交通运输专业复合型人才提供了有效途径。

[关键词] 系统仿真;实验教学;多场景实验;多平台仿真技术;多智能体仿真

[基金项目] 2018年度同济大学交通运输工程学院精品实验培育项目“离散系统排队仿真与评价”

[作者简介] 李 浩（1982—），女，宁夏中宁人，工学博士，同济大学交通运输工程学院教授（通信作者），博士生导师，主要从事交通行为和道路交通路网模型研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）21-0101-04   [收稿日期] 2020-12-19

一、研究背景

教育是国之大计。党的十八大以来，党中央高度重视教育工作，高校作为人才的培育基地和创新的孵化基地，担负着为国家培养高素质人才的重要使命。交通运输专业卓越人才的培养则是实现“交通强国”的核心动力[1]。随着计算机、互联网、云计算等技术的飞速发展，人工智能、大数据等已成为各个行业和领域解决实际问题的重要手段和方法。培养双一流学科交通运输专业人才，不仅要注重专业知识的学习，更要面向未来，适应新工科背景下对交通运输专业高层次人才的需求[2]。程序编制、算法编程、数据处理等技能已成为当下甚至未来考核交通运输专业人才的重要指标。

非计算机专业的教学对以上技能的培养较弱，传统的与计算机相关的专业课程更关注基础理论的传授、案例的展示或已有软件的使用教学，学生普遍存在动手能力、编程能力较弱的问题[3]。专业课程的教学方法对学生特定能力的发展和技能的提升起着重要的作用。本文以交通运输专业基础课程系统仿真基础为研究对象，探讨增设的且不断递进优化的实验教学方法，试图通过多种系统案例、多种仿真平台和技术，教授本科生以交通运输专业为背景的程序编写的流程和知识，并通过个体实践完成特定系统动态运行的模拟和仿真，启发学生的编程思维，提高学生的动手能力，培养面向未来的新工科交通运输专业复合型人才[4，5]。

二、系统仿真实验教学设计

系统仿真基础是交通运输专业的一门专业基础课程，授课对象是交通运输专业本科三年级的学生。设置仿真实验教学环节，旨在培养学生仿真建模的思想、动手编制仿真程序的能力、利用现代化技术解决和分析实际问题的能力，以及团队合作能力和组织能力。针对以上实验教学目标进行了如下仿真实验设计。

（一）仿真场景

一是典型的多服务台超市购物排队离散系统，将其抽象为乘客到达过程、购物过程、接受服务过程三个随机过程。二是道路交通运输网络交通量及路网交通状态仿真。

（二）仿真要求

要求学生编制一套完整的程序，动态仿真乘客购物排队接受服务到最终离开的过程（系统一）或仿真道路交通运输路网上交通量的分布（系统二）。系统一仿真要求包含：（1）利用独立均匀的随机序列生成三个随机过程。（2）利用下次事件时间推进机制进行仿真时钟的推进。（3）编制到达事件、购毕时间和离开事件的子函数，更新事件发生后系统的性能变化。（4）制定同时事件管理规则，并用解结法处理同时事件。（5）制定柜台选择的规则。（6）利用随机输出结果分析的经典统计方法，评价不同收银台个数方案的优劣，并进行方案的优化。

系统二仿真要求包含：（1）利用独立均匀的随机序列生成道路路段的随机通行能力。（2）利用随机数进行基于Probit模型的路网交通量分配。

（3）利用随机输出结果分析的经典统计方法，评价不同道路路段收费方案的优劣，并进行道路收费方案的优化。

（三）实验安排

一是设置了6学时的实验教学环节（课后仿真编制实践需至少50个小时）。二是教授Matlab编程语言，提供学生基于Matlab语言的程序主体框架，辅助学生学习Matlab语言及仿真流程，让学生接触并熟悉Matlab的子函数function的定义和调用，以及structure的数据存储方法。三是采取一对一指导的方式，现场进行程序编制的教学及指导。四是学生分组进行，每个小组两位学生，共同合作完成仿真任务。五是仿真考核包括小组PPT实验汇报及仿真程序电子版的提交。要求重点交流仿真过程中碰到的问题，以及解决方法和仿真感悟等。

（四）实验特色

1.拓展奖励。实验教学设置了多项附加任务，鼓励学生尝试和锻炼更多的技能，并給予加分奖励。附加任务包括：（1）Halton随机序列的生成、应用及影响分析;（2）仿真界面、过程和结果的可视化;（3）方案的仿真比较;（4）获取规定精度仿真次数的确定及验证;（5）方差缩减技术的应用。

2.理论与实践的深度融合[6]。课堂传授的基础理论和方法全部渗透在实验环节，包括随机过程的生成方法（注重随机数列的相互独立性）、多次重复运行仿真、随机输出结果分析（经典数理统计方法）、多方案比较、方差缩减技术等，有利于学生深入理解和掌握基础理论知识。

3.探讨启发式[7]。在程序编制过程中会碰到很多问题，解决方法并不唯一，评断标准也不唯一，鼓励学生应用批判性思维和发散式思维，提出自己团队特色的解决方法。

4.开放式。设置的实验教学教授Matlab语言的应用，同时允许学生使用任何他们熟悉的语言（如python，VB，Csharp等）进行程序的编写。