面向新工科的多場景多平臺系統仿真實驗

李浩 涂輝招

[摘 要] 系統仿真實驗教學是以學生動手編寫仿真程序為抓手，以實現系統動態運行過程模擬和系統狀態呈現為目的的教學環節。對系統仿真實驗教學進行設計，提出了多場景案例、多平臺仿真技術的實驗教學建議，探討了多智能體仿真技術在實驗教學中的應用，有效促進了學生對隨機過程生成等基礎理論知識的理解，提高了學生的編程動手能力、團隊協作能力、問題解決能力及表達能力，為培養新工科背景下的交通運輸專業復合型人才提供了有效途徑。

[關鍵詞] 系統仿真;實驗教學;多場景實驗;多平臺仿真技術;多智能體仿真

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

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

[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新的孵化基地，擔負著為國家培養高素質人才的重要使命。交通運輸專業卓越人才的培養則是實現“交通強國”的核心動力[1]。隨著計算機、互聯網、云計算等技術的飛速發展，人工智能、大數據等已成為各個行業和領域解決實際問題的重要手段和方法。培養雙一流學科交通運輸專業人才，不僅要注重專業知識的學習，更要面向未來，適應新工科背景下對交通運輸專業高層次人才的需求[2]。程序編制、算法編程、數據處理等技能已成為當下甚至未來考核交通運輸專業人才的重要指標。

非計算機專業的教學對以上技能的培養較弱，傳統的與計算機相關的專業課程更關注基礎理論的傳授、案例的展示或已有軟件的使用教學，學生普遍存在動手能力、編程能力較弱的問題[3]。專業課程的教學方法對學生特定能力的發展和技能的提升起著重要的作用。本文以交通運輸專業基礎課程系統仿真基礎為研究對象，探討增設的且不斷遞進優化的實驗教學方法，試圖通過多種系統案例、多種仿真平臺和技術，教授本科生以交通運輸專業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動態運行的模擬和仿真，啟發學生的編程思維，提高學生的動手能力，培養面向未來的新工科交通運輸專業復合型人才[4，5]。

二、系統仿真實驗教學設計

系統仿真基礎是交通運輸專業的一門專業基礎課程，授課對象是交通運輸專業本科三年級的學生。設置仿真實驗教學環節，旨在培養學生仿真建模的思想、動手編制仿真程序的能力、利用現代化技術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。針對以上實驗教學目標進行了如下仿真實驗設計。

（一）仿真場景

一是典型的多服務臺超市購物排隊離散系統，將其抽象為乘客到達過程、購物過程、接受服務過程三個隨機過程。二是道路交通運輸網絡交通量及路網交通狀態仿真。

（二）仿真要求

要求學生編制一套完整的程序，動態仿真乘客購物排隊接受服務到最終離開的過程（系統一）或仿真道路交通運輸路網上交通量的分布（系統二）。系統一仿真要求包含：（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，更新事件發生后系統的性能變化。（4）制定同時事件管理規則，并用解結法處理同時事件。（5）制定柜臺選擇的規則。（6）利用隨機輸出結果分析的經典統計方法，評價不同收銀臺個數方案的優劣，并進行方案的優化。

系統二仿真要求包含：（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）利用隨機數進行基于Probit模型的路網交通量分配。

（3）利用隨機輸出結果分析的經典統計方法，評價不同道路路段收費方案的優劣，并進行道路收費方案的優化。

（三）實驗安排

一是設置了6學時的實驗教學環節（課后仿真編制實踐需至少50個小時）。二是教授Matlab編程語言，提供學生基于Matlab語言的程序主體框架，輔助學生學習Matlab語言及仿真流程，讓學生接觸并熟悉Matlab的子函數function的定義和調用，以及structure的數據存儲方法。三是采取一對一指導的方式，現場進行程序編制的教學及指導。四是學生分組進行，每個小組兩位學生，共同合作完成仿真任務。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。實驗教學設置了多項附加任務，鼓勵學生嘗試和鍛煉更多的技能，并給予加分獎勵。附加任務包括：（1）Halton隨機序列的生成、應用及影響分析;（2）仿真界面、過程和結果的可視化;（3）方案的仿真比較;（4）獲取規定精度仿真次數的確定及驗證;（5）方差縮減技術的應用。

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

3.探討啟發式[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，鼓勵學生應用批判性思維和發散式思維，提出自己團隊特色的解決方法。

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