人类正在经历以新一代信息技术为代表的第四次工业革命，包括轨道交通在内的交通运输行业面临着各种冲击。交通问题是一个快速演变的现象，以信息化、数字化、自动化、自主化、智能化、网络化、智慧化为发展潮流的未来理想交通具体将是什么模样？未来是数字经济的时代，很多问题都可以通过仿真技术与方法进行先验与后评估。本书共有11章，分别为绪论、轨道交通流特性、轨道交通运行信号控制原理与技术、轨道交通系统仿真经典模型方法、轨道交通运行的同步仿真、城市轨道交通网络乘客路径选择行为模型与客流控制方法、轨道交通系统仿真典型软件、数字轨道交通、轨道交通网络仿真环境的生成、城市轨道交通项目建设时序仿真优化、轨道交通系统延误仿真分析。
本书着重实用性与可理解性、易读性，为交通运输工程领域相关工程技术研究人员与高等院校、科研院所高年级本科生、研究生提供参考借鉴。
经历了机械化、电气化、信息化三次工业革命后，当前人类正在经历以新一代信息技术为代表的第四次工业革命，信息网络、人工智能、清洁能源、先进制造等与交通运输息息相关的领域呈现出群体跃进态势。经济发展，交通先行。交通运输是经济社会发展的基础性、先导性产业和服务性行业，对经济社会发展具有战略性、全局性的影响。建设交通强国，是建设社会主义现代化强国的先行领域和战略支撑。2019年全国客运量约176亿人，旅客周转量约35万亿人·km，货运量约462亿t，货物周转量超过19万亿t·km，全国范围内每分钟近35万人、89万t货物在流动。截至2020年底，全国综合交通实体线网总里程超过550万km，高速铁路(38万km)、高速公路(161万km)、沿海港口万吨级及以上泊位数(2 138个)、城市轨道交通运营里程(7 354 km)稳居世界。
交通强国，铁路先行，城轨担当。十四五时期是我国全面建成小康社会、实现个百年奋斗目标之后，乘势而上开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗目标进军的个五年。2020年11月，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》发布，明确提出加快城市群和都市圈轨道交通网络化。2021年2月，党中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，分析预测旅客出行需求稳步增长，高品质、多样化、个性化的需求不断增强，预计20212035年旅客出行量(含小汽车出行量)年均增速为32%左右，货物运输需求稳中有升，高价值、小批量、时效强的需求快速攀升，预计20212035年全社会货运量年均增速为2%左右，明确国家综合立体交通网由集约高效的线网体系和枢纽体系构成。到2035年，高速铁路将达到7万km(含部分城际铁路)，普速铁路达到13万km(含部分市域铁路)，合计20万km左右。高速铁路网方面，形成以八纵八横主通道为骨架、区域连接线衔接城际铁路补充的高速铁路网；普速铁路网方面，重点围绕扩大中西部路网覆盖，完善东部网络布局，提升既有路网质量，推进周边互联互通；城际铁路网方面，京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝地区双城经济圈等重点城市群率先建成，其他城市群城际铁路逐步成网，研究推进超大城市间高速磁悬浮通道布局和试验线路建设，有力支撑全国123出行交通圈和全球123快货物流圈，实现人便其行，货畅其流。到2050年，建成横贯东西、纵贯南北、陆海内外联动，地面、地下、水上、空中统筹协同，衔接高效、优势互补、效率的国家综合立体交通网，实现人享其行，物优其流。
当前世界正面临着百年未有之大变局，国内正转向高质量发展阶段，新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，包括轨道交通在内的交通运输行业也面临新的发展机遇与挑战，交通问题是一个快速演变的现象，以信息化、数字化、自动化、自主化、智能化、网络化、智慧化为发展潮流的未来理想交通具体将是什么模样？依据《国家综合立体交通网规划纲要》，加快提升交通运输科技创新能力，推进交通基础设施数字化、网联化，到2035年基本实现国家综合立体交通网基础设施全要素全周期数字化，未来是数字经济的时代，很多问题都可以通过仿真技术与方法进行先验与后评估。交通仿真作为仿真科学在交通领域的应用分支，是随着系统仿真的发展而发展起来的。它以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域的基本理论和专业技术为基础。以计算机为主要工具，采用数字方式或图形方式描述动态交通系统，利用系统仿真模型模拟交通系统的运行状态。交通仿真技术是智能技术的一个重要组成部分，是计算机技术在交通工程领域的一个重要应用，它可以动态地、逼真地仿真模拟各种交通现象，复现交通流的时空变化，深入地分析交通系统关键元素(列车、车辆、驾驶员、客流、交通网络)的特征，有效地进行交通规划、交通运营组织与管理、交通能源节约与物资运输流量合理化等方面的研究。
仿真有助于培养工程意识和系统集成的思想，有助于运用系统的思想思考问题，运用工程技术的方法解决问题，把握轨道交通的发展脉搏，突出与轨道交通运输生产实际的联系，利用仿真技术实现存量资源优化利用，增量资源合理提升，推进基础设施网与运输网、信息网、能源网融合发展，提高交通运输网动态运行管理服务智能化水平，辅助教学、科研、工程实践决策。
本书由山东科技大学张嘉敏博士、中国铁路济南局集团有限公司青岛机务段张嘉锐工程师共同编著。围绕轨道交通系统仿真理论方法与技术应用，在提炼总结作者学术研究成果与工程实践的基础上，亦参考编译了国内外部分优秀学者的相关文献，内容翔实丰富。本书共有11章，分别为绪论、轨道交通流特性、轨道交通运行信号控制原理与技术、轨道交通系统仿真经典模型方法、轨道交通运行的同步仿真、城市轨道交通网络乘客路径选择行为模型与客流控制方法、轨道交通系统仿真典型软件、数字轨道交通、轨道交通网络仿真环境的生成、城市轨道交通项目建设时序仿真优化、轨道交通系统延误仿真分析。
本书可以作为有关轨道交通系统仿真系统性论著的必要补充，着重实用性与可理解性、易读性，为交通运输工程领域相关工程技术研究人员与高等院校、科研院所高年级本科生、研究生提供参考借鉴。由于研究水平和时间投入有限，书中难免有错漏，欢迎广大读者批评指正。
张嘉敏，张嘉锐
2021年8月
1绪论/1
1.1中国铁路及高速铁路发展状况/1
1.2中国城市轨道交通发展状况/7
1.3轨道交通仿真研究的必要性与现实意义/10
2轨道交通流特性/12
2.1轨道交通客流特性/12
2.1.1轨道交通客流时空特性/12
2.1.2轨道交通主要客流统计指标/14
2.1.3轨道交通客流预测及其后评估/16
2.2轨道交通货流特性/19
2.2.1高速铁路快捷货物特性/19
2.2.2中欧班列开行模式/21
2.3轨道交通列车流特性/22
2.3.1列车虚拟编组系统/23
2.3.2虚拟编组系统条件下的列车移动/26
3轨道交通运行信号控制原理与技术/29
3.1列车运行间隔控制/30
3.1.1列车间隔理论/30
3.1.2列车运行控制原理/32
3.1.3闭塞控制原理/38
3.2自动列车防护系统/43
3.2.1自动防护系统的类别/43
3.2.2欧洲列车控制系统/44
3.2.3中国列车控制系统/46
3.2.4精确列车控制系统/48
3.3轨道交通全自动运行系统/49
3.4下一代城市轨道交通列车控制系统：自主化列车控制和自主化运营/50
3.4.1实现自主化的目的/50
3.4.2自主化与自动化的比较/51
3.4.3自主化的概念/51
3.4.4自主化等级/52
3.4.5自主化列车和自主化运营的预期效益/53
4轨道交通系统仿真经典模型方法/54
4.1交通仿真技术的三种抽象化类型/54
4.2标准化的轨道交通数据格式RailML/56
4.3轨道交通规划与运行的多尺度仿真/57
4.3.1引言/57
4.3.2轨道交通仿真建模概述/58
4.3.3多尺度仿真建模的方法/60
4.3.4混合仿真模型的设计/63
4.3.5轨道交通仿真软件方案的实际应用和未来发展/64
4.4元胞自动机模型/65
4.4.1184号模型与一维NS模型/66
4.4.2列车移动的基本元胞自动机模型/67
4.4.3接近车站时列车移动的元胞自动机模型/68
4.5列车跟驰模型/70
4.6可替代图AG/74
4.6.1经典的作业-车间调度问题/74
4.6.2析取图模型/74
4.6.3可替代图模型闭塞条件下的作业车间调度问题/75
4.6.4铁路调度问题的建模表示/77
4.6.5可替代图的应用与求解方法/78
5轨道交通运行的同步仿真/80
5.1同步仿真的组成/81
5.1.1基础设施资源/81
5.1.2仿真执行主体/82
5.1.3仿真任务/83
5.2同步仿真的工作流程/84
5.2.1仿真的初始化和终止/84
5.2.2同步仿真的单处理步骤/85
5.2.3请求资源/85
5.2.4分配资源/85
5.2.5推进仿真任务/87
5.3事件驱动的仿真/87
5.3.1事件驱动仿真的原理/87
5.3.2同步仿真中事件列表与事件处理/88
6城市轨道交通网络乘客路径选择行为模型与客流控制方法/90
6.1路径选择行为的影响因素/91
6.2城市轨道交通网络及客流性质/92
6.2.1客流性质/92
6.2.2路网的表示/92
6.3城市轨道交通网络广义出行费用的计算/92
6.4城市轨道交通乘客网络路径选择研究方法/93
6.4.1路径选择研究的主要过程/93
6.4.2有效路径/93
6.4.3Logit模型及其改进形式/94
6.4.4基于正态分布的概率分布模型/95
6.4.5多智能体仿真/95
6.4.6使用大数据计算匹配概率以AFC数据为例/96
6.4.7城市轨道交通网络路径选择经典方法比较/97
6.5基于大数据的城市轨道交通乘客网络行为预测与流量控制框架/97
6.5.1城市轨道交通网络客流量控制相关研究/97
6.5.2基于大数据的城市轨道交通乘客网络路径选择行为综合预测与流量控制框架/98
7轨道交通系统仿真典型软件/99
7.1轨道交通仿真软件的方法类型/99
7.2面向对象仿真与基于XML数据格式的仿真/103
7.3OpenTrack仿真软件/104
7.4RailSys仿真软件/107
7.5AnyLogic仿真软件/111
7.6RTC仿真软件/113
7.7PULSim仿真软件/117
7.7.1轨道交通仿真的应用和现有仿真工具的局限/117
7.7.2PULSim的模型、工作流程和图形用户界面/118
7.7.3PULSim的调度机制/119
7.7.4基于银行家算法的死锁避免/121
7.7.5基于用户的可编辑仿真/121
7.8其他轨道交通专业仿真软件/系统/123
8数字轨道交通/126
8.1数字轨道交通的概念与架构/126
8.2数字轨道交通的新方法和发展趋势/128
9轨道交通网络仿真环境的生成/132
9.1道路网络领域的典型软件路网环境仿真过程建模和几何表示/132
9.2城市轨道交通线网形态结构基本类型/134
9.3轨道交通网络建模与仿真方法/135
9.4基于NetLogo城市轨道交通网络仿真环境生成/137
9.4.1城市轨道交通网络的几何物理特征/138
9.4.2NetLogo仿真原理与适用性/139
9.4.3城市轨道交通网络环境生成NetLogo仿真流程/139
9.4.4城市轨道交通网络环境生成NetLogo仿真代码示例/140
9.4.5城市轨道交通网络NetLogo仿真案例/145
10城市轨道交通项目建设时序仿真优化/147
10.1城市轨道交通项目建设时序评价指标体系/147
10.2基于蒙特卡罗仿真改进的层次分析法/149
10.2.1层次分析法/149
10.2.2蒙特卡罗仿真改进的层次分析法/149
10.3蒙特卡罗仿真改进的层次分析法仿真确定城市轨道交通项目建设时序具体应用/150
10.4城市轨道交通项目建设时序仿真代码/155
11轨道交通系统延误仿真分析/160
11.1列车运行的离散事件动态系统描述/160
11.2可靠性的衡量标准之一：准时性/161
11.2.1传统的可靠性衡量标准/161
11.2.2新的可靠性衡量指标/162
11.3延误的定义、分类与仿真过程/163
11.4延误传播模型/165
参考文献/167
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