汽車系統(tǒng)動力學(xué)習(xí)題答案分析解析

PAGEPAGE1汽車系統(tǒng)動力學(xué)習(xí)題答案分析解析第一篇：汽車系統(tǒng)動力學(xué)習(xí)題答案分析解析1.汽車系統(tǒng)動力學(xué)發(fā)展趨勢隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對汽車的舒適性、可靠性以及安全性也提出越來越高的要求，這些要求的實現(xiàn)都與汽車系統(tǒng)動力學(xué)相關(guān)。汽車系統(tǒng)動力學(xué)是研究所有與汽車系統(tǒng)運動有關(guān)的學(xué)科，它涉及的范圍較廣，除了影響車輛縱向運動及其子系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，還有車輛在垂向和橫向兩個方面的動力學(xué)內(nèi)容，隨著多體動力學(xué)的發(fā)展及計算機技術(shù)的發(fā)展，使汽車系統(tǒng)動力學(xué)成為汽車CAE技術(shù)的重要組成部分，并逐漸朝著與電子和液壓控制、有限元分析技術(shù)集成的方向發(fā)展，主要有三個大的發(fā)展方向：（1）車輛主動控制車輛控制系統(tǒng)的構(gòu)成都將包括三大組成部分，即控制算法、傳感器技術(shù)和執(zhí)行機構(gòu)的開發(fā)。而控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制律則需要控制理論與車輛動力學(xué)的緊密結(jié)合。（2）多體系統(tǒng)動力學(xué)多體系統(tǒng)動力學(xué)的基本方法是，首先對一個由不同質(zhì)量和幾何尺寸組成的系統(tǒng)施加一些不同類型的連接元件，從而建立起一個具有合適自由度的模型；然后，軟件包會自動產(chǎn)生相應(yīng)的時域非線性方程，并在給定的系統(tǒng)輸入下進行求解。汽車是一個非常龐大的非線性系統(tǒng)，其動力學(xué)的分析研究需要依靠多體動力學(xué)的輔助。（3）“人—車—路”閉環(huán)系統(tǒng)和主觀與客觀的評價采用人—車閉環(huán)系統(tǒng)是未來汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究的趨勢。作為駕駛者，人既起著控制器的作用，又是汽車系統(tǒng)品質(zhì)的最終評價者。假如表達駕駛員駕駛特性的駕駛員模型問題得到解決后，“開環(huán)評價”與“閉環(huán)評價”的價值差別也許就不存在了。因此，在人—車閉環(huán)系統(tǒng)中的駕駛員模型研究，也是今后汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究的難題和挑戰(zhàn)之一。除駕駛員模型的不確定因素外，就車輛本身的一些動力學(xué)問題也未必能完全通過建模來解決。目前，人們對車輛性能的客觀測量和主觀之間的復(fù)雜關(guān)系還缺乏了解，而車輛的最終用戶是人。因此，對車輛系統(tǒng)動力學(xué)研究者而言，今后一個重要的研究領(lǐng)域可能會是對主觀評價與客觀評價關(guān)系的認識2.目前汽車系統(tǒng)動力學(xué)的研究現(xiàn)狀汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究內(nèi)容范圍很廣，包括車輛縱向運動及其子系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，還有車輛垂向和橫向動力學(xué)內(nèi)容。及行駛動力學(xué)和操縱動力學(xué)。行駛動力學(xué)研究路面不平激勵，懸架和輪胎垂向力引起的車身跳動和俯仰運動；操縱動力學(xué)研究車輛的操縱穩(wěn)定性，主要是輪胎側(cè)向力有關(guān)，引起的車輛側(cè)滑、橫擺、和側(cè)傾運動。汽車系統(tǒng)動力學(xué)的研究可以分為三個階段：階段一（20XX30年代）①對車輛動態(tài)性能的經(jīng)驗性的觀察②開始注意到車輪擺振的問題③認識到車輛舒適性是車輛性能的一個重要方面階段二（30年代—50年代）①了解了簡單的輪胎力學(xué)，給出了輪胎側(cè)偏角的定義②定義不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向③建立了簡單的兩自由度操縱動力學(xué)方程④開展了行駛平順性研究，建立了K2實驗臺，⑤引入前獨立懸架階段三（1952年以后）①通過試驗結(jié)果和建模，加深了對輪胎特性的了解②在兩自由度操縱模型的基礎(chǔ)上，建立了包括側(cè)傾的三自由度操縱動力學(xué)方程③擴展了對操縱動力學(xué)的分析，包括穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性分析④開始采用隨機振動理論對行駛平順性進行性能預(yù)測隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,復(fù)雜的模型得到了明確的表達的方便的求解。隨后的發(fā)展中，逐步引進ABS（防抱死制動系統(tǒng)）,TCS(驅(qū)動力控制系統(tǒng)),ASR（防滑轉(zhuǎn)控制）,DCS(動力學(xué)控制),PPS(液壓助力)等技術(shù)，不斷地推動著汽車工業(yè)的發(fā)展。3.系統(tǒng)狀態(tài)方程表達及可控性和可觀性判斷狀態(tài)方程表達式：其中，X為對于同一個系統(tǒng)，狀態(tài)變量的選取并不是唯一的，關(guān)鍵是這些變量要相互獨立，而且其個數(shù)等于微分方程的階數(shù)。4.分析建立汽車直線制動時的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該考慮哪幾個自由度？答：uvwpqr√×××√×需要考慮行駛方向和繞y軸的俯仰兩個自由度。5.ABS和ASR的作用于有何異同？今后的發(fā)展趨勢如何？答：相同點：都是通過控制車輪相對地面的滑動以使車輪與地面的附著力保持較大值的同時又具有良好的側(cè)向穩(wěn)定性。不同點：1、作用結(jié)果不同：ABS用于控制汽車制動時的“拖滑”和保持汽車在制動時的轉(zhuǎn)向性，提高制動效果和制動時的安全性；ASR是控制車輪驅(qū)動時的“滑轉(zhuǎn)”，用于提高汽車起步、加速及在滑溜路面上行駛時的牽引力和確保行駛的穩(wěn)定性。2、作用對象不同：ABS通過控制車輪的制動力大小來抑制制動輪與地面的滑動；而ASR只對驅(qū)動輪實施制動控制。3、作用域及作用時間不同：ABS在汽車制動時工作，在車輪出現(xiàn)抱死時起作用，當(dāng)車速很低時不起作用；ASR在汽車行駛過程中都工作，在車輪出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)時起作用。發(fā)展趨勢：1、和電子制動力分配EBD(ElectricBrakeforceDistribution)集成,形成ABS/ASR/EBD系統(tǒng),可以明顯改善并進步ABS的功效。2、和電子穩(wěn)定性程序ESP(ElectronicStabilityProgram)系統(tǒng)集成,形成ABS/ASR/ESP綜合控制系統(tǒng),可解除汽車制動、起步和轉(zhuǎn)向時對駕駛員的高要求。3、和汽車巡航自動控制ACC(AdaptiveCruiseControl)系統(tǒng)集成,形成ABS/ASR/ACC綜合控制系統(tǒng),可解除汽車制動、起步和保持安全車距方面對駕駛員的高要求。6.與普通的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有什么優(yōu)點？主要目的是改善整車的轉(zhuǎn)向特性和響應(yīng)特性。把后輪與前輪同相位轉(zhuǎn)向，可以減小車輛轉(zhuǎn)向時的旋轉(zhuǎn)運動（橫擺），改善高速行駛的穩(wěn)定性。把后輪與前輪逆相位轉(zhuǎn)向，能夠改善車輛中低速行駛的操縱性，提高快速轉(zhuǎn)向性。四輪轉(zhuǎn)向的目的:①由于07.操縱穩(wěn)定性的主動控制的方式有哪些？各有什么優(yōu)缺點？1.ABS控制輪胎的制動力，可以防止制動車輪抱死及制動穩(wěn)定性的更喪失。2.ASR控制輪胎的驅(qū)動人力，可以避免驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)，提高驅(qū)效能和安全性。3.4WS控制四個車輪上縱向的有無、大小、方向及分配，可以保證車輛在各種運動工況下的穩(wěn)定性并提高操縱性能。4.ARC主動改變是懸架的抗側(cè)傾特性，可以保證車身的正常姿勢，并間接地改善汽車的轉(zhuǎn)彎性能。5.VDC控制輪胎的側(cè)向力，可以改善汽車轉(zhuǎn)向操縱性能并提高抗側(cè)向干擾能力。6.ESP電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。除了ABS和ASR的優(yōu)點之外，VDC還在以下幾方面改善主動駕駛安全性：a.即使在臨界的側(cè)向動態(tài)狀況也能提供給駕駛員一種主動的支持。b.在所有工作模式達到極限狀態(tài)時也可增強車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛能力。c.即使在極端的轉(zhuǎn)向操作中，也可增強車輛的穩(wěn)定性，使滑溜的危險迅速減少。d.改善車輛的驅(qū)動能力并縮短制動距離。8.為什么要設(shè)計車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)？它對提高汽車的性能主要表現(xiàn)在哪些方面？車輛動力學(xué)穩(wěn)定性控制(VDC)出現(xiàn),它兼容了ABS和TRC的優(yōu)勢功能,使車輛在各種路面和各種工況下都獲得良好的操縱穩(wěn)定性和方向性,大大降低交通事故的發(fā)生及其傷害。當(dāng)汽車的運動處在極限狀況的非線性狀態(tài)時,如在高速大轉(zhuǎn)彎、換車道、超車、轉(zhuǎn)彎剎車時,存在單獨車輪的側(cè)偏剛度迅速下降,汽車對駕駛員操縱失去應(yīng)有的響應(yīng),車輛的運行狀態(tài)偏離駕駛員期望的行駛狀態(tài),尤其在冰雪等低附著路面條件下,容易導(dǎo)致過度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向,車輛發(fā)生危險。VDC電子控制單元在上述情況發(fā)生時,根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、制動主缸壓力傳感器的信號、油門踏板位置判斷駕駛員的駕駛意圖,估算出駕駛員期望的汽車行駛狀態(tài)值。再根據(jù)檢測得到的實際汽車狀態(tài)與期望的汽車狀態(tài)的差值,通過反饋控制邏輯計算出穩(wěn)定橫擺力矩,然后在單獨車輪上面施加滑移率控制,直接調(diào)節(jié)車輛的側(cè)向受力情況,使汽車按駕駛員預(yù)定的軌跡行駛,保證車輛的行駛安全。研究表明,車輛動力學(xué)穩(wěn)定控制系統(tǒng)能夠大幅度提高車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性,能夠適應(yīng)各種路面和行駛工況,取得了良好的主動控制效果。9.車輪跳動對汽車前輪定位參數(shù)的影響進行仿真分析一般來說，當(dāng)車輪上下跳動時，瞬時擺動中心的位置將發(fā)生變化，瞬時中心位置的改變又會引起車輪在上下跳動時傾角的非線性變化如果上下臂相等，瞬時中心的位置將保持不變；如果上下臂相等且傾角相同，則車輪上下跳動時兩個定位角度保持不變10.主動懸架與被動懸架比較？被動式懸架，剛度和阻尼不能隨頻率而調(diào)節(jié)，因而即使采用優(yōu)化方法來設(shè)計也只能把其性能改善到一定的程度。主動式懸架也可稱為“可調(diào)懸架”，它主要通過各種反饋信息實現(xiàn)懸架剛度和阻尼值的可調(diào)，以同時改善了汽車行駛的舒適性和安全性，但是主動式懸架的執(zhí)行機械需要選用高精度的液壓伺服缸，需要復(fù)雜的傳感器和儀器設(shè)備，需要較多的外部動力來控制執(zhí)行機構(gòu)，故其成本很高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性影響因素多11.懸架對汽車性能的影響是什么？其發(fā)展趨勢怎樣？懸架是汽車的重要總成之一，它對汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有著極其重要的影響，懸架系統(tǒng)的基本功能：1．緩和路面不平的沖擊，使汽車行駛平順、乘坐舒適；2．車輪跳動時使車輪定位參數(shù)變化小，保證良好的操縱穩(wěn)定性；3．使車輪與地面有良好附著性，較小車輪動載變化，以保證良好的安全性。被動懸架無外部能量消耗，但剛度和阻尼不能隨頻率而調(diào)節(jié)；主動懸架，能快速響應(yīng)調(diào)節(jié)，但耗能較大；半主動懸架，調(diào)節(jié)響應(yīng)較快，耗能較少，將會是目前一段時間內(nèi)發(fā)展的方向。12.怎樣用數(shù)學(xué)模型描述輪胎的動力學(xué)特性，其目的是什么？在物理模型中，輪胎通常被簡化成一系列理想化和具有給定的物理特性的徑向排列的彈性單元體。必要的話，還要給出這些彈性單元體在道路表面的滑動能力，以及由于相鄰單元體連結(jié)或包絡(luò)的胎面而引起的約束，旨在根據(jù)輪胎與路面之間的相互作用機理和力學(xué)關(guān)系建立模型，以模擬力或力矩產(chǎn)生的機理和過程13.汽車前輪擺振現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的，其主要原因？所謂的汽車前輪擺振就是汽車行駛中，前轉(zhuǎn)向輪有時會發(fā)生其主銷作周期性的角振動1>周期變化的激振動車輪不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心慣性力；車輪陀螺力矩；懸架與轉(zhuǎn)向桿系統(tǒng)運動關(guān)系不協(xié)調(diào)也引起車輪繞主銷擺振；2>偶然和單次性激勵當(dāng)汽車直線行駛時，汽車受偶然的側(cè)向陣風(fēng)或汽車傳輸線受側(cè)向路面障礙作用下，車輪會發(fā)生起始偏轉(zhuǎn)14.研究輪胎動力學(xué)的意義何在？現(xiàn)代輪胎是一個復(fù)雜的粘彈性結(jié)構(gòu)，具有明顯的非線性特性。由于輪胎材料和結(jié)構(gòu)及其與路面的相互作用的復(fù)雜性，以及輪胎力學(xué)特性對車輛動力學(xué)的重要影響，有必要對輪胎的動力學(xué)進行研究。第二篇：汽車系統(tǒng)動力學(xué)1、全主動懸架和半主動懸架的工作原理及評價指標(biāo)半主動懸架就是指可以根據(jù)汽車運行時的振動及工況變化情況，對懸架阻尼參數(shù)進行自動調(diào)整的懸架系統(tǒng)。為了減少執(zhí)行元件所需的功率，一般都采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼，使阻尼系數(shù)在幾毫秒內(nèi)由最小變至最大，使汽車振動頻率被控制在理想的范圍內(nèi)。半主動懸架為無源控制，在汽車轉(zhuǎn)向、起步及制動等工況時，不能對懸架的剛度和阻尼進行有效的控制。全主動懸架簡稱主動懸架，是一種有源控制懸架，所以它包括有提供能量的設(shè)備和可控制作用力的附加裝置。它可根據(jù)汽車載質(zhì)量、路面狀況(振動情況)，行駛速度、起動、制動、轉(zhuǎn)向等工況變化時，自動調(diào)整懸架的剛度和阻尼以及車身高度，從而能同時滿足汽車行駛平順性和穩(wěn)定性等各方面的要求。其評價指標(biāo)有懸架動行程、輪胎動載荷、車身加速度。2、什么是系統(tǒng)動力學(xué)，系統(tǒng)動力學(xué)研究的內(nèi)容是什么？系統(tǒng)動力學(xué)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科。汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究所有與車輛系統(tǒng)運動有關(guān)的學(xué)科，包括空氣動力學(xué)，縱向運動及其子系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)，垂向和橫向兩個方面的動力學(xué)內(nèi)容，既行駛動力學(xué)和操縱動力學(xué)，行駛動力學(xué)主要研究由路面的不平激勵，通過懸架和輪胎垂向力引起的車身跳動和俯仰以及車輪的運動，操縱動力學(xué)研究車輛的操縱特性，主要與輪胎側(cè)向力有關(guān)，并由此引起車輛側(cè)滑、橫擺和側(cè)傾運動。3、車輛的設(shè)計方法和建模目的車輛動力學(xué)特性的設(shè)計方法主要以系統(tǒng)建模和分析為主，而車輛的設(shè)計是以個迭代循環(huán)的過程。建模的目的如下：（1）描述車輛的動力學(xué)特性（2）預(yù)測車輛性能并由此產(chǎn)生一個最佳設(shè)計方案（3）解釋現(xiàn)有設(shè)計中存在的問題，并找出解決方案4、各底盤子系統(tǒng)之間的影響及發(fā)展趨勢汽車系統(tǒng)動力學(xué)的發(fā)展趨勢：（1）車輛的主動控制，主要是車輛底盤系統(tǒng)的集成控制（2）車輛多體動力學(xué)，主要是CAE技術(shù)和聯(lián)合仿真技術(shù)的應(yīng)用（3）人–車–路閉環(huán)系統(tǒng)和主、客觀評價（4）新能源汽車動力學(xué)5、輪胎的基本功能輪胎的基本功能包括：（1）支撐整車質(zhì)量（2）與懸架共同作用，衰減由路面不平引起的振動與沖擊（3）傳遞縱向力，實現(xiàn)驅(qū)動和制動（4）傳遞側(cè)向力，使車輛轉(zhuǎn)向并保證行駛穩(wěn)定性6、什么是輪胎模型輪胎模型描述了輪胎六分力與車輪運動參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，既輪胎在特定條件下的輸入、輸出關(guān)系。根據(jù)車輛動力學(xué)研究內(nèi)容的不同，輪胎模型可分為：輪胎縱滑模型、輪胎側(cè)偏模型側(cè)傾模型、輪胎垂向振動模型。7、制動性的評價指標(biāo)及制動跑偏的原因制動性的評價指標(biāo)有：制動效能、制動效能的穩(wěn)定性、制動時的方向穩(wěn)定性。制動時汽車跑偏的原因有兩個：（1）制動時汽車左右車輪，特別前軸左右車輪（轉(zhuǎn)向輪）制動器的制動力不相等。（2）制動時懸架導(dǎo)向桿系與轉(zhuǎn)向拉桿在運動學(xué)上的不協(xié)調(diào)（互相干涉）。8、ABS與TCS的工作原理ABS一般由輪速傳感器、電控單元和控制壓力調(diào)節(jié)器等組成，在制動過程中，首先由輪速傳感器測出各個車輪的轉(zhuǎn)速，并將這一信息傳遞給控制單元，控制單元根據(jù)信號計算出汽車的滑移率，并把控制信號傳給壓力控制調(diào)節(jié)器，壓力控制調(diào)節(jié)器根據(jù)信號增減各個車輪的控制壓力，從而控制汽車的滑移率保持在20XX右，防止車輪抱死。TCS是在ABS的的基礎(chǔ)值上發(fā)展而來的，它是由發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、驅(qū)動輪制動力矩調(diào)節(jié)、差速器鎖止調(diào)節(jié)、離合器/變速器控制組成，通過控制驅(qū)動輪上的驅(qū)動力來防止驅(qū)動打滑，用來提高汽車起步、加速及在滑溜路面行駛時的牽引力和確保行駛穩(wěn)定性。建模題1.運動方程兩自由度模型的運動方程1Csz2(KsKt)z1Ksz2KtZ0z1Cszm11Csz2Ksz1Ksz20m1z2Csz對于一個常系數(shù)的線性系統(tǒng)，當(dāng)輸入量是一個簡諧函數(shù)時，輸出量也是與輸入量同頻率的簡諧函數(shù)，但兩者的幅值不同，相位也不同。輸入為輸出為z0Z0eitz1Z1ei(t)Z1ez0iz2Z2ez1Z1eH1()i(t)Z2ez0ii輸出為i(t)Z1ez0H1()z0z2Z2ei(t)Z2ez0H2()z0i為頻率響應(yīng)函數(shù)H2()車輪、車身的速度和加速度為：z1iz1z1z125z2iz2z2z222以上各式代入兩自由度模型的運動方程，得：Kt[Csi(Ksm2)]z1H1()2z0Csi(KtKsm1)CsiKsCsiKsCsi(Ksm22)Kt(CsiKs)z2H2()2z0Csi(KtKsm1)CsiKsCsiKs2拉格朗日法：Csi(Ksm2)21U[kt(z1q)2k(z2z1)2]21Dc(z2z1)22TzimizidT()mizidtziTzi07外界廣義激勵力為0。以上各式代入拉格朗日方程，得221T(m1z1m2z2)2Ukt(z1q)k(z2z1)z1Dz1Uk(z2z1)z2c(z2z1)c(z2z1)Dz2mzczcz(kk)zkzkq1112t12t1cz2kz1kz20z2czm1例2.研究汽車上下振動和俯仰振動的力學(xué)模型，選取D點的垂直位移和繞D點的角位移為坐標(biāo)，寫出車體振動的動力學(xué)方程拉格朗日法：解：建立所示簡化的分析模型，x1x29xCxDeDCDx1xDa1Dx2xDa2DTmxCJCC22221122k1(xcl1c)k2(xcl2c)2211TmxCJCC22221122Uk1(xcl1c)k2(xcl2c)22TxcmxcTcJccdT()JccdtcdT()mxcdtxc10T0xcT0cUK1(xcl1c)K2(xcl2c)xcUK1l1(xcl1c)K2l2(xcl2c)cmxcK1(xcl1c)K2(xcl2c)0JccK1l1(xcl1c)K2l2(xcl2c)0m0xcK1K2K1l1K2l2xc0220XXKlKlKlKlc11221122cc不存在慣性耦合第三篇：汽車系統(tǒng)動力學(xué)試卷考試內(nèi)容：1汽車系統(tǒng)動力學(xué)的研究范圍、研究方法、特點及發(fā)展趨勢。2．輪胎側(cè)偏動力學(xué)。掌握輪胎側(cè)偏特性的定義、影響因素、模型類型，能夠建立輪胎側(cè)偏特性簡化理論模型。3．汽車前輪轉(zhuǎn)向和四輪轉(zhuǎn)向動力學(xué)。對于前輪轉(zhuǎn)向汽車，能夠推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，掌握表征汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)及影響因素，瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性的分析；對于四輪轉(zhuǎn)向汽車，能夠推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型，掌握汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法。4．駕駛員汽車閉環(huán)系統(tǒng)動力學(xué)。掌握駕駛員模型類型，閉環(huán)系統(tǒng)研究特點。5．懸架系統(tǒng)動力學(xué)。掌握懸架的分類、特點、評價指標(biāo)，被動懸架、主動懸架系統(tǒng)模型的建立，懸架系統(tǒng)特性分析。6．控制技術(shù)在汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究中的應(yīng)用。了解PID控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)在汽車系統(tǒng)動力學(xué)研究中的應(yīng)用。第四篇：系統(tǒng)動力學(xué)基于系統(tǒng)動力學(xué)下的城市公交系統(tǒng)發(fā)展分析及其對策10090109汪玲摘要：本文針對城市公交系統(tǒng)復(fù)雜、非線性、延遲性等特點，采用定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立城市公交系統(tǒng)模型，并通過對模型的分析提出針對城市公交系統(tǒng)的相應(yīng)的政策性建議，以求改善城市公交系統(tǒng)現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動力學(xué)；公交系統(tǒng)；模型一、建模背景和目標(biāo)城市交通是城市社會、經(jīng)濟活動的動脈和紐帶,對城市經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高起著非常重要的作用。根據(jù)國內(nèi)外城市交通發(fā)展的經(jīng)驗,優(yōu)先發(fā)展公共交通是解決城市交通問題的根本途徑之一。但是,目前我國各城市在進行公共交通系統(tǒng)建立的工作中,普遍遇到的一個問題是:大量的城市基礎(chǔ)要素與交通信息未被充分的表達出來,給城市的現(xiàn)代化管理帶來了諸多困難。如何充分利用現(xiàn)有的城市道路基礎(chǔ)設(shè)施,使車與車、車與路、車與乘客相互協(xié)調(diào),提高公交車輛的營運效率,為市民提供便捷的查詢及管理系統(tǒng),是現(xiàn)代公共交通發(fā)展急需解決的問題。城市公交系統(tǒng)是以固定班次、固定線路、固定、站牌服務(wù)城市居民的運輸系統(tǒng)，本質(zhì)上是一種公用服務(wù)事業(yè)。一個城市的人口、經(jīng)濟、文化、環(huán)境等都與城市公交系統(tǒng)有著密切聯(lián)系，而城市公交系統(tǒng)卻與公交服務(wù)水平、公交車輛數(shù)、道路擁堵程度、私家小汽車數(shù)量等因素有關(guān)，而且各因素之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系。純粹的定量分析或定性分析難以對其進行準確全面的分析。本文采用系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立公交系統(tǒng)動力學(xué)模型，對城市公交系統(tǒng)服務(wù)水平的影響因素進行分析。二、流率基本入樹模型2.1流位流率系按定性分析問題主要建立5個流位流率系：1、流位：公交系統(tǒng)服務(wù)水平L1(t)（百分制）流率：服務(wù)水平變化量R1(t)（百分制/天）2、流位：公交車輛數(shù)L2(t)（輛）流率：公交車輛數(shù)變化量R2(t)（輛/天）3、流位：道路擁堵程度L3(t)（百分制）流率：道路擁堵程度變化量R3(t)（百分制/天）4、流位：小汽車數(shù)量L4(t)（輛）流率：小汽車數(shù)量變化量R4(t)（百分制/天）5、流位：公交專用道數(shù)L5(t)流率：公交專用道數(shù)變化量R2(t)該模型的流位流率系為：{（L1(t)，R1(t)），（L2(t)，R2(t)），（L3(t)，R3(t)），（L4(t)，R4(t)），（L5(t)，R5(t)）}2.2二部分圖通過實際系統(tǒng)分析，得到圖2-1所示的5個流位變量控制流率變量的定性分析二部分圖。R1(t)R2(t)R3(t)R4(t)R5(t)L1(t)L2(t)L3(t)L4(t)L5(t)圖2-15個流位變量控制流率變量的定性分析二部分圖：（1）由于線路上的公交車輛數(shù)L2(t)的增加，發(fā)車的班次密度則會增加，乘客出行時的候車時間就會減少，這就代表公交客運服務(wù)水平的提高。與此同時，公交司機的駕駛的技術(shù)水平的高低以及公車專用道的覆蓋率的多少會影響公交的平均車速，從而影響乘客乘坐公交的安全性，而公交專用道數(shù)量的增加，可以使公交車的行駛速度加快，道路擁堵程度L3(t)的不確定性也會直接影響R1(t)，所以流位L2(t)、L3(t)、L5(t)共同控制著公交系統(tǒng)服務(wù)水平變化量R1(t)流率的變化。（2）由于公交車輛數(shù)L2(t)的增加，使得營運收入的增加，在公交公司資金充足時，有能力購置更多的公交車，公交服務(wù)水平L1(t)的提高，會使得公交的吸引力增加，公交客運量就會增加，從而也會使得公交營運收入的增加；所以流位L1(t)、L2(t)共同控制著公交車輛數(shù)變化量R2(t)流率的變化。（3）由于公交數(shù)量L2(t)和小汽車數(shù)量L4(t)的不斷增加，會使得道路上的車輛數(shù)越來越多，從而使得道路變得越來越擁堵，隨著公交服務(wù)水平的提高，公交吸引力增加，公交的客運量會增加，會使得道路上擁擠的人群減少，從而使得道路擁擠程度減少，同時，公交專用道的增加會使得非公交專用道上的車輛數(shù)減少，從而使道路擁堵程度降低，所以流位L1(t)、L2(t)、L4(t)、L5(t)共同控制著道路擁堵程度變化量R3(t)流率的變化。（4）由于公交系統(tǒng)服務(wù)水平L1(t)不斷提高，會使得出行乘客的候車時間減少，使得公交吸引力提高，從而抑制著小汽車數(shù)量的增加。由于公交車輛數(shù)L2(t)的增加，公交的營運收入增加，票價會調(diào)低，再次使得公交吸引力增加；同時，道路擁堵程度L3(t)的惡化，會使得線路上的小汽車數(shù)量逐漸減少，然而，隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，小汽車的數(shù)量會不斷增加，所以流位L1(t)、L2(t)、L3(t)共同控制著小汽車數(shù)量變化量R4(t)流率的變化。（5）由于公交車輛數(shù)的不斷增加，以及道路擁堵程度的加劇會使得對道路的需求增加，所以流位L2(t)、L3(t)共同控制著公交專用道數(shù)變化量R5(t)流率的變化。2.3流率基本入樹模型通過流位變量控制流率變量的路徑分析，建立下述5個基本入樹模型，如圖2-3（(a)T1(t)、(b)T2(t)、(c)T3(t)、(d)T4(t)、(e)T5(t)）：公交系統(tǒng)服務(wù)水平L1(t)公交車數(shù)量L2(t)服務(wù)水平變化率R1(t)--+候車時間--公交車輛數(shù)變化率R2(t)+營運收入++公交客運量+公交吸引力+服務(wù)水平L1(t)安全水平+班次密度平均車速++公交車輛數(shù)L2(t)公交專用道數(shù)L5(t)技術(shù)水平道路擁堵程度L3(t)(a)公交系統(tǒng)服務(wù)水平變化量基本入樹T1(t)(b)公交車輛數(shù)變化量基本入樹T2(t)小汽車數(shù)量L4(t)道路擁堵程度R3(t)-+-+公交客運量+公交吸引力+服務(wù)水平L1(t)道路擁堵程度L3(t)小汽車數(shù)量變化量R4(t)+-公交吸引力-+票價-公交服務(wù)水平L1(t)營運收入+公交車輛數(shù)L2(t)非公交專用道上的車輛數(shù)-經(jīng)濟發(fā)展水平公交車輛數(shù)L2(t)小汽車數(shù)量L4(t)公交專用道數(shù)L5(t)(b)道路擁堵程度變化量基本入樹T3(t)(b)小汽車數(shù)量變化量基本入樹T4(t)專用車道數(shù)L5(t)專用車道數(shù)變化量R5(t)+道路需求++道路擁堵程度L3(t)公交車輛數(shù)L2(t)(b)人均基本空間標(biāo)準基本入樹T5(t)圖2-2三、基于基模分析生成管理對策3.1G12(t),G13(t)基模的生成從入樹T1(t)出發(fā)求二階極小基模,考察T1(t)UTi(t)(i=2，3，4，5，6)，又因為入樹T2，T3中含流位L1(t)，因此從入樹T1出發(fā)的二階極小基模有G12(t)=T1(t)UT2(t),G13(t)=T1(t)UT3(t)。G12(t),G13(t)的流圖結(jié)構(gòu)如下（圖3-1）:公交車輛數(shù)L2(t)公交車輛數(shù)R2(t)+道路擁堵程度L3(t)++-小汽車數(shù)量L4(t)道路擁堵程度R3(t)-公交客運量++公交吸引力++班次密度-候車時間-平均車速+公交專用道L5(t)-公交服務(wù)水平R1(t)+安全水平+技術(shù)水平+營運收入+公交客運量+公交吸引力+公交服務(wù)水平L1(t)-道路擁堵程度L3(t)非公交專用道上的車輛數(shù)-平均車速-道L5(t)候車時間-班次密度+公交車輛數(shù)L2(t)-公交服務(wù)水平R1(t)+安全水平+技術(shù)水平公交服務(wù)水平L1(t)G12(t)公交服務(wù)水平與公交車輛G13(t)公交服務(wù)水平受道路擁堵數(shù)增長二階極小基模程度制約二階極小基模圖3-1（1）二階極小基模G12(t)揭示了要改善公交服務(wù)水平，首先得提高公交車輛數(shù)，只有公交車輛數(shù)增加了，才能直接有效增加班次密度，減少乘客的候車時間，從而達到了公交服務(wù)水平的提高。根據(jù)對基模的分析，可以得到管理方針為：公交公司可以通過增加公交車輛數(shù)來實現(xiàn)公交服務(wù)水平的提高。（2）二階極小基模G13(t)揭示了若道路擁堵程度嚴峻，會導(dǎo)致乘客到達目的地的時間加長，也會使得乘客心里焦慮不安，讓乘客感到不滿意，說明了公交服務(wù)水平的降低。根據(jù)對基模的分析，可以得到管理方針為：可以通過加強對交通道路的疏通管理來使道路擁堵程度降低，也可以通過對公交司機的培訓(xùn)，當(dāng)?shù)缆窊矶聲r能夠安撫乘客們焦急的心情，從而來實現(xiàn)服務(wù)水平的提高。3.2G35(t)基模的生成從入樹T3(t)出發(fā)求二階極小基模,考察T3(t)UTi(t)(i=2，3，4，5，6)，又因為入樹T5中含流位L3(t)，因此從入樹T3出發(fā)的二階極小基模有G35(t)=T3(t)UT5(t)。G35(t)的流圖結(jié)構(gòu)如下（圖3-2）:公交專用道L5(t)-非公交專用道車輛數(shù)-道路擁堵程度變化量R3(t)++-公交客運量+公交吸引力+公交服務(wù)水L1(t)公交車輛數(shù)L2(t)公交專用道變化量R5(t)—+道路需求++道路擁堵程度L3(t)小汽車數(shù)量L4(t)圖3-2:G35(t)道路擁堵程度受公交專用道數(shù)制約二階極小基模（1）二階極小基模G35(t)說明道路擁堵程度會隨著公交專用道數(shù)的增加而降低。根據(jù)對基模的分析，可以得到管理方針為：通過增設(shè)公交專用道，讓更多的公交車從公交專用道上行駛，可以使得非公交專用道上的車輛減少，從而減輕了道路擁堵的程度。3.3G134(t)基模的生成綜合分析二階極小基模集，只有小汽車數(shù)量入樹T4(t)未進入二階極小基模，而小汽車數(shù)量入樹T4(t)的尾中含公交服務(wù)水平流位L1(t)和公交車輛數(shù)L2(t)，而含L1(t)對應(yīng)公交服務(wù)水平入樹T1(t)的二階極小基模有G12(t),G13(t)，但只有公交服務(wù)水平受道路擁堵程度制約二階極小基模G13(t)中的道路擁堵程度變化率R3(t)受小汽車數(shù)量流位L4(t)控制，則G13(t)UT4(t)產(chǎn)生出三階極小基模：G134(t)=G13(t)UT4(t)。G134(t)的流圖結(jié)構(gòu)如下（圖3-3）:道路擁堵程度L3(t)++-道路擁堵程度R3(t)-+非公交專用道上的車輛-數(shù)公交專用道L5(t)-平均車速+-候車時間-班次密度+-公交車輛數(shù)L2(t)公交服務(wù)水平R1(t)+安全水平+技術(shù)水平+小汽車數(shù)量L4(t)公交客運量-小汽車數(shù)量+變化量R4(t)公交吸引力-+公交服務(wù)票價水平L1(t)-營運收入+圖3-3:G123(t)服務(wù)水平、道路擁堵與小汽車數(shù)量增長三階基模（1）三階基模G123(t)揭示了道路擁堵程度的加劇會制約車輛的行駛速度，從而增加了乘客們的候車時間，使得公交服務(wù)水平降低；隨著公交服務(wù)水平的降低使得公交吸引力降低，會導(dǎo)致線路上小汽車數(shù)量增加；然而，當(dāng)線路上的小汽車數(shù)量增加時會導(dǎo)致道路擁堵程度加劇，從而形成了一個正反饋環(huán)。根據(jù)對基模的分析，可以得到管理方針為：小汽車數(shù)量的增加會導(dǎo)致道路擁擠程度的增長，而簡單地限制小汽車數(shù)量增長有可能阻礙經(jīng)濟的發(fā)展。因此，比較合理的方法是減少進入內(nèi)環(huán)線的車輛數(shù)量，加大內(nèi)環(huán)線上公共交通的便捷性。要達到這一目標(biāo)，可以結(jié)合公共交通樞紐站與軌道交通車站設(shè)置低價位或免費停車設(shè)施，方便私人汽車停放以換乘公交進入市區(qū)。四、結(jié)束語4.1總結(jié)公共交通系統(tǒng)是復(fù)雜龐大的客運系統(tǒng)，信息對整個系統(tǒng)高效運行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，整合公交系統(tǒng)現(xiàn)有信息資源，建立公交基礎(chǔ)信息平臺，統(tǒng)一信息管理標(biāo)準是公交系統(tǒng)信息化工作重點，也是智能公交系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。我國部分城市已同程度的開發(fā)了公交基礎(chǔ)信息平臺，相關(guān)領(lǐng)域的研究工作也逐漸起步。希望能有更多的人進行研究。本系統(tǒng)運用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立了關(guān)于公交系統(tǒng)的動力學(xué)模型，分析了影響公交系統(tǒng)服務(wù)水平的因素以及各因素之間存在的各種復(fù)雜的相互作用關(guān)系。此次分析過后發(fā)現(xiàn)：由于系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種結(jié)構(gòu)模型，適合反映個變量間錯綜復(fù)雜的因果關(guān)系，可以得到難以用數(shù)學(xué)分析得到的系統(tǒng)特性參數(shù)和調(diào)整的合理模式，所以不失為研究城市公交系統(tǒng)的一種有力工具。4.2參考文獻［1］張國伍．交通運輸系統(tǒng)分析［M］．四川：西南交通大學(xué)出版社．［2］張國伍．交通運輸系統(tǒng)動力學(xué)［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社．［3］王其藩．高級系統(tǒng)動力學(xué)［M］．北京：清華大學(xué)出版社．［4］王大淼，楊忠海，滕春賢．公路客運系統(tǒng)動態(tài)模擬Ⅱ［J］．哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報，20XX，21(2):261-262.［5］鄭晨輝，楊國利，王大淼．城市公交系統(tǒng)動態(tài)模擬Ⅱ［J］．哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報，20XX，20XX):255-257.［6］吳克文，柯偉．基于復(fù)雜供應(yīng)鏈庫存管理策略的系統(tǒng)動力學(xué)研究Ⅱ［J］．物流技術(shù)，20XX,(4):39-42.第五篇：系統(tǒng)動力學(xué)原理5.1系統(tǒng)動力學(xué)理論5.1.1系統(tǒng)動力學(xué)的概念系統(tǒng)動力學(xué)（簡稱SD—SystemDynamics），是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）的福瑞斯特（J.W．Forrester）教授創(chuàng)造的，一門以控制論、信息論、決策論等有關(guān)理論為理論基礎(chǔ)，以計算機仿真技術(shù)為手段，定量研究非線性、高階次、多重反饋復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)科。它也是一門認識系統(tǒng)問題并解決系統(tǒng)問題的綜合交叉學(xué)科[1-3]。從系統(tǒng)方法論來說：系統(tǒng)動力學(xué)是結(jié)構(gòu)的方法、功能的方法和歷史的方法的統(tǒng)一。它基于系統(tǒng)論，吸收了控制論、信息論的精髓，是一門綜合自然科學(xué)和社會科學(xué)的橫向?qū)W科。系統(tǒng)動力學(xué)對問題的理解，是基于系統(tǒng)行為與內(nèi)在機制間的相互緊密的依賴關(guān)系，并且透過數(shù)學(xué)模型的建立與操作的過程而獲得的，逐步發(fā)掘出產(chǎn)生變化形態(tài)的因、果關(guān)系，系統(tǒng)動力學(xué)稱之為結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)動力學(xué)模型不但能夠?qū)⑾到y(tǒng)論中的因果邏輯關(guān)系與控制論中的反饋原理相結(jié)合，還能夠從區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)部和結(jié)構(gòu)入手，針對系統(tǒng)問題采用非線性約束，動態(tài)跟蹤其變化情況，實時反饋調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)，尋求最完善的系統(tǒng)行為模式，建立最優(yōu)化的模擬方案。5.1.2系統(tǒng)動力學(xué)的特點系統(tǒng)動力學(xué)是一門基于系統(tǒng)內(nèi)部變量的因果關(guān)系，通過建模仿真方法，全面動態(tài)研究系統(tǒng)問題的學(xué)科，它具有如下特點[4-8]：（1）系統(tǒng)動力學(xué)能夠研究工業(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、社會、生態(tài)等多學(xué)科系統(tǒng)問題。系統(tǒng)動力學(xué)模型能夠明確反映系統(tǒng)內(nèi)部、外部因素間的相互關(guān)系。隨著調(diào)整系統(tǒng)中的控制因素，可以實時觀測系統(tǒng)行為的變化趨勢。它通過將研究對象劃分為若干子系統(tǒng)，并且建立各個子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，建立整體與各組成元素相協(xié)調(diào)的機制，強調(diào)宏觀與微觀相結(jié)合、實時調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，多方面、多角度、綜合性地研究系統(tǒng)問題。（2）系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種因果關(guān)系機理性模型，它強調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境相互聯(lián)系、相互作用；它的行為模式與特性主要由系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)結(jié)構(gòu)和反饋機制所決定，不受外界因素干擾。系統(tǒng)中所包含的變量是隨時間變化的，因此運用該模型可以模擬長期性和周期性系統(tǒng)問題。（3）系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種結(jié)構(gòu)模型，不需要提供特別精確的參數(shù)，著重于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的研究。它處理問題的方法是定性與定量結(jié)合統(tǒng)一，分析、綜合與推理的方法。以定性分析為先導(dǎo)，盡可能采用“白化”技術(shù)，然后再以定量分析為支持，把不良結(jié)構(gòu)盡可能相對地“良化”，兩者相輔相成，和諧統(tǒng)一，逐步深化。（4）系統(tǒng)動力學(xué)模型針對高階次、非線性、時變性系統(tǒng)問題的求解不是采用傳統(tǒng)的降階方法，而是采用數(shù)字模擬技術(shù)，因此系統(tǒng)動力學(xué)可在宏觀與微觀層次上對復(fù)雜的多層次、多部門的大系統(tǒng)進行綜合研究。（5）系統(tǒng)動力學(xué)的建模過程便于實現(xiàn)建模人員、決策人員和專家群眾的三結(jié)合，便于運用各種數(shù)據(jù)、資料、人們的經(jīng)驗與知識、也便于汲取、融匯其他系統(tǒng)學(xué)科與其他科學(xué)的精髓。5.1.3系統(tǒng)動力學(xué)的結(jié)構(gòu)模式[9-10]系統(tǒng)動力學(xué)對系統(tǒng)問題的研究，是基于系統(tǒng)內(nèi)在行為模式、與結(jié)構(gòu)間緊密的依賴關(guān)系，通過建立數(shù)學(xué)模型，逐步發(fā)掘出產(chǎn)生變化形態(tài)的因、果關(guān)系。系統(tǒng)動力學(xué)的基本思想是充分認識系統(tǒng)中的反饋和延遲，并按照一定的規(guī)則從因果邏輯關(guān)系圖中逐步建立系統(tǒng)動力學(xué)流程圖的結(jié)構(gòu)模式。圖1因果關(guān)系圖圖2SD流程圖（一）因果關(guān)系圖因果箭：連接因果要素的有向線段。箭尾始于原因，箭頭終于結(jié)果。因果關(guān)系有正負極之分。正（＋）為加強，負（—）為減弱。因果鏈：因果關(guān)系具有傳遞性。在同一鏈中，若含有奇數(shù)條極性為負的因果箭，則整條因果鏈是負的因果鏈，否則，該條因果鏈為極性正。因果反饋回路：原因和結(jié)果的相互作用形成因果關(guān)系回路（因果反饋回路）。是一種封閉的、首位相接的因果鏈，其極性判別如因果鏈。反饋的概念是普遍存在的。以取暖系統(tǒng)產(chǎn)生熱量溫暖房間為例，屋內(nèi)一個和它相連的探測器將室溫的信息返回給取暖系統(tǒng)，以此來控制系統(tǒng)的開關(guān)，因此也控制了屋內(nèi)的溫度。室溫探測器是反饋裝置，它和爐子、管道、抽風(fēng)機一起組成了一個反饋系統(tǒng)。（二）流程圖流程圖是系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)模型的基本形式，繪制流程圖是系統(tǒng)動力學(xué)建模的核心內(nèi)容。（1）流（Flow）：系統(tǒng)中的活動和行為，通常只區(qū)分實物流和信息流；（2）水準（Level）：系統(tǒng)中子系統(tǒng)的狀態(tài)，是實物流的積累；（3）速率（Rate）：系統(tǒng)中流的活動狀態(tài)，是流的時間變化；在SD中，R表示決策函數(shù)；（4）參數(shù)量（Parameter）：系統(tǒng)中的各種常數(shù)；（5）輔助變量（AuxiliaryVariable）：其作用在于簡化R，使復(fù)雜