Імітаційне моделювання - Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)
Реквізити навчальної дисципліни
| Рівень вищої освіти | Перший (бакалаврський) |
| Галузь знань | 12 Інформаційні технології |
| Спеціальність | 126 Інформаційні системи та технології |
| Освітня програма | Інтегровані інформаційні системи, Інформаційні управляючі системи та технології, Інформаційне забезпечення робототехнічних систем |
| Статус дисципліни | Вибіркова (цикл професійної підготовки) |
| Форма навчання | Заочна/дистанційна |
| Рік підготовки, семестр | 4 курс, осінній семестр |
| Обсяг дисципліни | 4 кредити (120 годин (36 – лекції, 18 – лабораторні, 66 - СРС)) |
| Семестровий контроль/ контрольні заходи | залік, модульний контроль |
| Розклад занять | http://rozklad.kpi.ua |
| Мова викладання | Українська |
| Інформація про керівника курсу / викладачів | Лектор, лабораторні: к.т.н., доцент Сокульський Олег Євгенович, моб. (063) 427-77-09 |
| Розміщення курсу | https://do.ipo.kpi.ua/course/view.php?id=250 |
Програма навчальної дисципліни
Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання
Необхідність вивчення навчальної дисципліни. Коли явища в системі занадто складні й різноманітні, аналітична модель стає лише грубим наближенням. У таких умовах дослідник змушений застосовувати імітаційне моделювання. В імітаційній моделі поведінка системи описується за допомогою набору алгоритмів із застосуванням певної мови програмування, які реалізують ситуації, що виникають у реальній системі. Імітаційні моделі характеризуються точним відображенням певного процесу або явища. Тому математичні моделі, які входять до їх складу, виявляються досить складними, у них присутні нелінійні й стохастичні залежності й змінні.
Мета дисципліни. У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен
знати:
- основні види імітаційних моделей, принципи імітаційного моделювання, визначення та характеристики базової випадкової величини, приклади базових датчиків, основні методи імітації випадкових величин з дискретними та абсолютно неперервними розподілами, принципи моделювання випадкових векторів та процесів, зокрема, систем масового обслуговування;
- методи верифікації результатів моделювання.
вміти:
- моделювати значення базової випадкової величини, проводити верифікацію отриманих результатів моделювання, моделювати вибірки заданих об’ємів для випадкових величин з дискретними та абсолютно неперервними розподілами, моделювати значення випадкових векторів та процесів;
- застосовувати імітаційні моделі для прогнозу та узгодженості з реальними статистичними даними.
Предмет дисципліни: методи імітаційного моделювання, імітаційні моделі, програмні пакети імітаційного моделювання.
Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)
Пререквізити: вміти користуватися комп’ютером на рівні адміністратора та програмувати.
Міждисциплінарні зв’язки. Дисципліна базується на дисциплінах: «Математичний аналіз», «Диференціальні рівняння», «Програмування», «Дискретна математика», «Теорія ймовірностей та математична статистика», «Моделювання систем та процесів», «Системи масового обслуговування».
Постреквізити. Дисципліни, які будуть використовувати результати навчання даного курсу: «Переддипломна практика», «Дипломне проектування».
Зміст навчальної дисципліни
Розділ 1.
Тема 1.1. Загальні положення та визначення в моделюванні систем.
Тема 1.2. Елементи теорії ймовірності.
Тема 1.3. Метод Монте-Карло.
Тема 1.4. Системна динаміка.
Тема 1.5. Агентне моделювання.
Тема 1.6. Моделі систем масового обслуговування.
Розділ 2.
Тема 2.1. Загальноцільова мова імітаційного моделювання GPSS.
Тема 2.2. Моделювання систем масового обслуговування за допомогою системи MATLAB / Simulink / SimEvents.
Розділ 3.
Тема 3.1. Технологія імітаційного моделювання.
Тема 3.2. Програмне забезпечення імітаційного моделювання.
Тема 3.3. Планування та проведення експериментів з моделями.
Тема 3.4. Прийняття рішень за результатами моделювання.
Навчальні матеріали та ресурси
Базова література
1. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания / Л. Клейнрок. – М. : Машиностроение, 1979. – 432 с.
2. Саати Т. Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения / Т. Л. Саати. – М. : Советское радио, 1965. – 520 с.
3. Овчаров Л. А. Прикладные задачи теории массового обслуживания / Л. А. Овчаров. – М. : Машиностроение, 1969. – 324 с.
4. Гнеденко Б. В. Введение в теорию массового обслуживания / Б. В. Гнеденко, И. Н. Коваленко. – М. : Наука, 1966. – 431 с.
5. Кофман А. Массовое обслуживание. Теория и приложения / А. Кофман, Р. Крюон . – М. : Мир, 1965. – 303 с.
Додаткова література
1. Дубовик В. П. Вища математика / В. П. Дубовик, І. І. Юрик. – Київ : Ігнатекс-Україна, 2013. – 648 с.
2. Донченко В.С. Теорія ймовірностей та математична статистика для соціальних наук: навчальний посібник / В. С. Донченко, М. В.-С. Сидоров. – Київ : ВПС Київський університет, 2015. – 400 с. 3. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей / Б. В. Гнеденко. – М. : Наука, 1965. – 400 с.
4. Гнеденко Б. В. Курс теории вероятностей / Б. В. Гнеденко. – М. : Наука, 1965. – 400 с
5. Вентцель Е. С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения / Е. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. – М. : Наука, 1991. – 384 с.
Навчальний контент
Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)
Лекційні заняття.
| № з/п | Назва теми лекції та перелік основних питань |
|---|---|
| 1 | Тема 1.1. Загальні положення та визначення в моделюванні систем. Поняття системи. Засоби дослідження системи. Поняття моделі. Співвідношення між моделлю та системою. Класифікація моделей. Вимоги до моделей. Основні види моделювання. Декомпозиція систем. Формальні методи побудови моделей. Принципи побудови моделей. Технологія моделювання. Література: основна література – 3, 4; додаткова – 3. |
| 2 | Тема 1.2. Елементи теорії ймовірності. Основні поняття і визначення. Закони розподілення випадкових величин. Числові характеристики випадкових величин. Твірна функція і перетворення Лапласа. Типові розподіли випадкових величин. Література: основна література – 1,4; додаткова – 2, 5. |
| 3 | Тема 1.3. Метод Монте-Карло. Визначення методу. Задача Бюффона. Визначення площі методом Монте-Карло. Оцінка достовірності отриманих результатів. Обчислення одномірних інтегралів. Обчислення багатомірних інтегралів. Література: основна література – 2; додаткова – 1. |
| 4 | Тема 1.4. Системна динаміка. Історія виникнення. Елементи моделі системної динаміки (рівні, потоки, вентилі, канали інформації, лінії затримки, допоміжні змінні). Принципи побудови моделі. Програмні засоби системної динаміки. Література: основна література – 2; додаткова – 1. |
Тема 1.5. Агентне моделювання. Загальні відомості. Історія виникнення. Головні ідеї (об'єктна орієнтованість, еволюція агентів (їх здатність до навчання), складність обчислення). Властивості агентів. Приклади застосування. Програмні засоби агентного моделювання. Література: основна література – 1, 5; додаткова – 5. |
|
| 5-6 | Тема 1.6. Моделі систем масового обслуговування. Характеристики систем масового обслуговування. Типи систем масового обслуговування. Формула Литтла. Одноканальні системи масового обслуговування. Багатоканальні системи масового обслуговування. Моделі систем масового обслуговування. Мережі систем масового обслуговування. Література: основна література – 2, 5; додаткова – 4. |
| 7-10 | Тема 2.1. Загальноцільова мова імітаційного моделювання GPSS. Основні концепції системи GPSS. Основні блоки і оператори GPSS. Блоки перенаправлення транзакцій GPSS. Блоки витіснення заявок і недоступності пристроїв GPSS. Блоки організації циклів, розщеплення / збірки транзакцій GPSS. Системні числові атрибути. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
| 11-12 | Тема 2.2. . Моделювання систем масового обслуговування за допомогою системи MATLAB / Simulink / SimEvents. Загальний опис SimEvents. Блок джерела вимог. Блок прийому вимог. Блоки вимірюючих елементів. Блоки черг. Блоки пристроїв обслуговування. Блоки визначення часу. Блоки маршрутизації транзактів. Модель системи масового обслуговування M/M/1. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
| 13 | Тема 3.1. Технологія імітаційного моделювання. Доцільність використання імітаційного моделювання. Методи проектування імітаційних моделей. Формулювання проблеми та змістовна постановка задачі. Розроблення концептуальної моделі. Вибір засобів реалізації імітаційної моделі. Розроблення структурної схеми імітаційної моделі та опису її функціонування. Програмна реалізація імітаційної моделі. Перевірка достовірності і правильності імітаційних моделей. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
| 14 | Тема 3.2. Програмне забезпечення імітаційного моделювання. Принципи побудови мов моделювання. Квазіпаралельна робота програм у модельному часі. Стани процесів. Організація керування процесом моделювання. Системи планування в мовах моделювання. Історія розвитку засобів імітаційного моделювання. Розвиток технології імітаційного моделювання на Україні. Сучасний етап розвитку імітаційного моделювання. Сучасні системи імітаційного моделювання. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
| 15-17 | Тема 3.3. Планування та проведення експериментів з моделями. Проблеми планування імітаційних експериментів. Оцінювання точності результатів моделювання. Методи зниження дисперсії. Факторний план. Дисперсійний аналіз ANOVA. Особливості планування експериментів. Повний факторний експеримент. Дробовий дворівневий факторний експеримент. Пошук екстремальних значень на поверхні відгуку. Прискорення процесу імітаційного моделювання. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
| 18 | Тема 3.4. Прийняття рішень за результатами моделювання. Подання результатів моделювання. Методи прийняття рішень. Методи оптимізації. Використання методів оптимізації під час проектування. Прийняття рішень щодо удосконалення системи. Порівняння альтернативних варіантів системи. Література: основна література – 1, 3; додаткова – 2. |
Лабораторні заняття.
Призначення лабораторних робіт — закріпити, розширити й поглибити знання, здобуті студентами на лекціях та під час самостійного вивчення ними першоджерел.
Основні завдання циклу лабораторних робіт:
- оволодіти методологією вирішення різноманітних проблем з використанням аналітичних і обчислювальних методів імітаційного моделювання;
- отримати вміння застосовувати програмні засоби імітаційного моделювання в підтримці процесів прийняття рішень.
| № з/п | Назва лабораторної роботи |
|---|---|
| 1 | Моделювання методом Монте-Карло |
| 2 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/1:FIFO/1/∞ |
| 3 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/1:FIFO/∞/∞ |
| 4 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/1:LIFO/∞/∞ |
| 5 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/1:FIFO/N/∞ |
| 6 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/c:FIFO/N/∞ |
| 7 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/D/1:FIFO/∞/∞ |
| 8 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/D/1:FIFO/∞/∞ |
| 9 | Моделювання системи масового обслуговування виду M/M/c:FIFO/N/N |
Самостійна робота студента/аспіранта
| № з/п | Назва теми, що виноситься на самостійне опрацювання | Кількість годин СРС |
|---|---|---|
| 1 | Критерії оптимізації систем масового обслуговування. | 10 |
| 2 | Оптимізація інтенсивності обслуговування за критерієм максимуму прибутку. | 10 |
| 3 | Оптимізація СМО з чергою за критерієм максимуму прибутку. | 10 |
| 4 | Оптимізація СМО за критерієм мінімуму економічних втрат від відмов в обслуговуванні. | 10 |
| 5 | Оптимізація СМО за критерієм мінімума собівартості робіт. | 10 |
| 6 | Моделювання і оптимізація інформаційно-комп’ютерних систем. | 10 |
| 7 | Підготовка до заліку. | 16 |
Політика та контроль
Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)
Система вимог, які ставляться перед студентом:
- відвідування лекційних та лабораторних занять є обов’язковою складовою вивчення матеріалу;
- на лекції викладач користується власним презентаційним матеріалом;
- викладач використовує LMS Moodle для викладання матеріалу поточної лекції, додаткових ресурсів, лабораторних робіт та інше;
- викладач відкриває доступ до певної директорії LMS Moodle для завантаження електронних звітів з лабораторних робіт;
- на лекції заборонено відволікати викладача від викладання матеріалу. Усі питання студенти задають в кінці лекції у відведений для цього час;
- лабораторні роботи захищаються студентом особисто. Бали за лабораторну роботу враховуються лише за наявності електронного звіту;
- етапи модульної контрольні роботи та семестровий контроль відбуваються шляхом тестування на лабораторних заняттях без застосування допоміжних засобів (мобільні телефони, планшети та ін.) за допомогою програмного забезпечення для контролю та перевірки знань SunRav TestOfficePro Pro або LMS Moodle;
- заохочувальні бали виставляються за: активну участь на лекціях; участь у факультетських та інститутських олімпіадах з навчальних дисциплін, участь у конкурсах робіт, підготовка оглядів наукових праць, презентацій по одній із тем СРС тощо. Кількість заохочуваних балів - не більше 10;
- студенти повинні сумлінно та самостійно (крім випадків, які санкціоновано передбачають групову роботу) виконувати навчальні та дослідницькі завдання, поважати наукові та навчальні здобутки інших, посилатися на джерела, з яких береться інформація, незалежно від того, в якому вигляді вона опублікована – в електронному чи паперовому, у разі виникнення труднощів під час виконання навчальних чи дослідницьких завдань звертатися за санкціонованою допомогою до колег, викладачів та наукових керівників, робити оригінальну роботу для кожної дисципліни, використовувати у науковій та навчальній діяльності тільки надійні та достовірні джерела інформації, нагадувати колегам про неприпустимість порушення академічної чесності;
- неприйнятними у навчальній та науково-дослідницькій діяльності для студентів є:
1) Плагіат – навмисне чи усвідомлене оприлюднення (опублікування), повністю або частково, чужого твору (тексту або ідей) під іменем особи, яка не є автором цього твору, без належного оформлення посилань.
2) Шахрайство, а саме:
- фальсифікація або фабрикація інформації, наукових результатів та наступне використання їх в академічній роботі;
- підробка підписів в офіційних документах (залікових книжках, актах, звітах, угодах тощо);
- використання під час контрольних заходів заборонених допоміжних матеріалів або технічних засобів (шпаргалки, мікронавушники, телефони, планшети тощо);
- посилання на джерела, які не використовувалися в роботі;
- списування (реплікація) при складанні будь-якого виду підсумкового або поточного контролю;
- проходження процедур контролю знань підставними особами;
- здавання або репрезентація різними особами робіт з однаковим змістом як результату навчальної чи наукової діяльності.
3) Несанкціонована співпраця, а саме:
- надання допомоги для здійснення акту академічної нечесності − навмисна чи усвідомлена допомога або спроба допомоги іншому вчинити акт академічної нечесності;
- придбання в інших осіб чи організацій з наступним поданням як власних результатів навчальної та наукової діяльності (звітів, рефератів, контрольних, розрахункових, курсових, дипломних та магістерських робіт, есе, статей, монографій, навчальних посібників тощо).
4) Пропонування чи отримання неправомірної винагороди при оцінюванні результатів успішності, виконання навчальних чи дослідницьких завдань.
5) Використання родинних або службових зв’язків для отримання позитивної або вищої оцінки при складанні будь-якого виду підсумкового контролю або переваг у роботі.
Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)
1. Рейтинг студента з кредитного модуля розраховується виходячи із 100-бальної шкали та складається з балів, що студент отримує за:
виконання лабораторних робіт (9 робіт);
виконання модульної контрольної роботи (3 етапи).
2. Критерії нарахування балів:
2.1. Виконання лабораторних робіт:
бездоганна робота – 5 балів;
є несуттєві недоліки у підготовці та/або виконанні роботи – 4 бали;
є певні недоліки у підготовці та/або виконанні роботи – 3 бали;
є суттєві недоліки у підготовці та/або виконанні роботи – 2 бали;
є дуже суттєві недоліки у підготовці та/або виконанні роботи – 1 бал;
робота не виконана, не захищена або здана невчасно – 0 балів.
Кожна невдала спроба здачі лабораторної роботи - -0,5 балів.
2.2. Виконання модульної контрольної роботи (МКР):
- 0-55 балів загалом за всі три етапи.
3. Етапи модульного контролю проводяться шляхом електронного тестування за допомогою програми Sunrav TestOfficePro 5 або LMS Moodle, які використовується для створення тестів, проведення тестування і обробки його результатів. Загальна кількість питань – 100. Ваговий бал модульного контролю – 55 балів.
Правильна відповідь на питання – 0,55 бали.
Частково правильна відповідь на питання – більше 0 та менше 0,55 балів.
Неправильна відповідь на питання – 0 балів.
4. Сума рейтингових балів, отриманих студентом протягом семестру, за умови відсутності заборгованостей по лабораторним роботам, переводиться до підсумкової оцінки згідно з таблицею:
| Бали | Оцінка |
|---|---|
| 100…95 | Зараховано |
| 94…85 | |
| 84…75 | |
| 74…65 | |
| 64…60 | |
| Менше 60 | Не зараховано |
| є не зараховані лабораторні роботи | Не допущено |
5. Якщо здобувач, за невиконання умов допуску до семестрового контролю, отримав у відомості семестрового контролю запис «не допущений» або виконав умови допуску до семестрового контролю, але за результатами екзамену отримав оцінку «незадовільно», йому надається право (після виконання всіх умов допуску) на дві спроби для її ліквідування шляхом електронного тестування за допомогою програми Sunrav TestOfficePro 5 або LMS Moodle. Для отримання задовільної оцінки (60 балів) здобувач повинен набрати не менше 72 балів зі 100 (з урахуванням можливості відгадування правильних відповідей).
Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)
• для забезпечення якісного контролю рівня знань перелік питань, які виносяться на модульний та семестровий контроль, студентам не надається;
• на початку семестру викладач аналізує існуючі курси по тематиці дисципліни та пропонує пройти відповідні безкоштовні курси студентам. Після отриманням студентом сертифікату проходження дистанційних чи онлайн курсів за відповідною тематикою, викладач додає до рейтингу студента певну кількість балів за попередньою домовленістю з групою.
Робочу програму навчальної дисципліни (Силабус):
Складено доцент, к.т.н., Сокульський Олег Євгенович
Ухвалено кафедрою ІСТ (протокол № __ від __.__.2022 р.)
Погоджено Методичною комісією факультету (протокол № __ від __.__.2022 р.)
