数值建模与仿真在日常生活中的应用

数值建模与仿真在日常生活和娱乐行业的应用

首先，先概述一下数值建模与仿真技术的发展趋势。

经过半个多世纪的发展，数值建模与仿真技术已经成为对人类社会发展进步具有重要影响的一门综合性技术学科。仿真建模方法更加丰富，更加需要仿真模型具有互操作性和可重用性，仿真建模VV&A 与可信度评估成为仿真建模发展的重要支柱；数值建模与仿真体系结构逐渐形成标准，仿真系统层次化、网络化已成为现实，仿真网格将是下一个重要发展方向；仿真应用领域更加丰富，向复杂系统科学领域发展，并将更加贴近人们的生活。

如今，数值建模与仿真的应用领域已不仅仅局限于在国防工业、军事、航空航天工程、土木工程、船舶水利、机械制造等领域进行科学研究与分析，也逐渐开始在人们日常生活娱乐中发挥着日益重要的作用，此之谓技术的发展是为了更好的服务于人类。

本文将对数值建模与仿真技术在交通影响分析、城市生活垃圾处理、污水处理、娱乐行业等与人们日常生活息息相关的典型例子中的应用情况进行介绍。

典型案例一：数值建模与仿真技术在交通影响分析中的应用情况。

随着经济的发展、城市建设规模之扩大及速度之加快和城市人口数量的急剧增加啊，交通问题凸显，交通问题已经关乎到每个人的生命安全。专家以数值建模仿真技术为手段，对交通问题进行了有效仿真，并提出了有效处理方法，这对交通安全问题的解决是很有帮助的。

交通仿真技术特别是TransCAD的OD (Origin2Destination) 反推技术以及VISSIM 的动态仿真技术，是进行交通规划和交通影响分析的重要技术手段。近年来,随着人们生活水平的提高和消费观念的改变,城市大型公建项目越来越多。由于建筑规模大和土地利用性质特殊，大型公建吸引和产生的交通量势必对周围乃至整个城市的路网造成冲击，导致路网局部的交通供求不平衡，引发交通拥堵、交通事故、环境恶化、能源消耗等问题。因此，在项目方案实施前对其进行交通影响分析非常必要。以下以购物广场为例,设计出项目交通影响分析的仿真流程，为交通影响评价提出了一种新的较为实用的方法。

交通仿真所依赖的技术主要主要有两种：基于TransCAD 软件的OD反推技术和基于VISSIM软件的动态交通仿真。前者是具备交通规划地理信息功能的软件，为交通需求预测准备了一整套完善且又能随时更新的工具，包括数字化地图、地理数据管理、地理坐标显示以及复杂的交通规划应用、操作研究以及统计模型。后者，VISSIM 是德国PTV公司的产品，它是一个离散的、随机的、以10 - 1 s 为时间步长的微观仿真模型。VISSIM 还提供了图形化的界面，用2D 和3D动画向用户直观显示车辆运动，运用动态交通仿真进行路径选择。

案例背景：市银座购物广场五里桥店位于人民路与西六路交叉口处，总建筑面积2. 8 万m2 ,营业面积1. 8万m2 。基地周围有齐赛科技城、齐鲁证券、富尔玛、长城医院等大型公建，向南可以辐射到共青团路，向北可以辐射到华光路,西至世纪路,东至柳泉路，这些道路都是城区的主干路，如下所示。

现状交通调查如下：

道路调查包括路段和交叉口调查。路段调查包括现有道路结构、道路等级、路段长度、道路宽度、断面型式、双向的交通流量等；交叉口调查主要为研究围的8 个交叉口的交叉口形状、车道功能划分、进口道数、车道宽度、交叉口信号配时等。

交通影响评价方法如下：

先确定交通影响阈值，再确定交通影响围，确定研究年限与高峰时段。新建交通的影响围图如下：

交通小区的划分如下图所示：

交通需求预测：非项目交通量预测和项目交通量预测。

交通分配方法如下：

将预测目标年的OD 矩阵在TransCAD 进行交通分配(选取用户平(User Equilibrium ,U E) 模型) ,得到研究区域高峰小时有无项目时道路网的饱和度。

根据以上分析，并通过对路段饱和度计算分析可知，研究围交通量影响较大的路段主要是人民路、西六路、西五路及共青团路。结合研究围的土地利用、路网规划，提出两个改善方案。

改善方案的交通仿真主要基于TransCAD 交通模拟和VISSIM 动态仿真。

案例总结与意义思考。

本文结合两大主流交通仿真软件TransCAD的OD 矩阵反推功能和微观仿真软件VISSIM 动态交通仿真的技术优势，设计出项目交通影响分析的仿真流程，提供了一种新的思路,特别在项目周边区域复杂、客流出行方式多样及OD 矩阵难以调查时能获得较好的效果，通过交通仿真软件的应用,使交通影响分析直观形象,交通需求预测更加准确合理，此举不仅为交通影响分析的数据预测提供技术支撑,而且为智能交通系统基础技术的发展提供理论依据。当然，由于OD 反推理论和动态微观交通仿真理论尚在完善和发展之中，部分模型参数难以标定,如微观动态交通仿真通小区分配给多个停车场比例权重、驾驶员行为参数及宏观路网交通阻抗的精确种子OD 等，对此问题有待于以后深入研究。

典型案例二：数值建模与仿真技术在城市垃圾中的应用情况。

具体应用案例：城市生活垃圾分拣机构的运动学分析与仿真。

问题背景：人类生活垃圾是否能被有效处理已经成为影响人们健康和环境的重要因素之一。分拣出城市生活垃圾中的粗大垃圾可以避免生活垃圾环保再生煤生产线中其它设备遭到严重损坏。但目前，此分拣工作是由人工完成的。针对这一问题，文中设计了一种粗大生活垃圾分拣机构。为了正确地分析该机构的运动特性，本文首先用闭环矢量法建立了机构的位移方程、速度方程和加速度方程，然后利用SolidWorks 软件和ADAMS 软件建立了机构的虚拟样机模型，最后利用ADAMS 软件对机构做了运动学仿真实验。实验结果表明: 该机构可以成功完成粗大生活垃圾分拣工作，且运动平稳。

以下为生活垃圾分拣机构原理介绍：

1，生活垃圾分拣机构的设计如下：

2，对该结构进行自由度计算。

方程为：F = 3n － 2PL － PH。式中: F 为机构自由度，n 为活动件数量，PL为低副数量，PH为高副数量。具体计算过程此处不做累述。

3，生活垃圾分拣机构的运动学分析。

生活垃分拣机构运动学研究的主要目的是确立机构各零件之间的位移关系、速度关系与加速度关系，是机构设计、制造与控制的基础。

所需分析方程主要有矢量方程，运动方程，速度方程，加速度方程。

接下来主要介绍基于数值建模与仿真技术的仿真实验。

此案例所用到的ADAMS 软件是专门用于机械产品虚拟样机开发方面的工具，非常适合用来研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，但几何建模功能较弱。然而，SolidWorks 软件具有较强的几何建模功能。案例结合SolidWorks 软件和ADAMS软件的优点，按照一下顺序建立生活垃圾分拣机构的虚拟样机模型。

图1为垃圾分拣机构抓取运动示意图。

建立生活垃圾分拣机构的虚拟样机模型的过程此处略去。

图2为P1、P2在坐标轴方向的位移曲线。

案例结论。

经分析，可见仿真实验不仅显现了机构的运动过程，还验证了机构的合理性。由上图显示: 点P1和点P2的位移曲线随时间逐渐交叉，表明该垃圾分拣机构可以成功完成垃圾抓取动作；点P1和点P2的速度曲线连续且平滑，且没有剧烈颤动现象，表明该机构运动平稳。这些结果都验证了生活垃圾分拣机构的合理性与可行性。

案例总结与意义思考。

本文首先提出了一种可以分拣出生活垃圾中粗大垃圾的分拣机构; 然后，建立了该机构的位移方程、速度方程及加速度方程，分析该机构的运动特性，最后，利用SolidWorks 软件和ADAMS 软件建立了该机构的虚拟样机，并进行了运动学仿真实验，实验结果表明: 该机构可以满足对粗大生活垃圾分拣的工作要求，且运动平稳，为生活垃圾分拣机构的研制提供了理论基础。