КУРСОВАЯ РАБОТА
Курсовая работа предназначена для знакомства студента с основными приемами и технологиями моделирования систем.
Для выполнения курсовой работы студент обязан освоить систему проектирования и моделирования, язык программирования и проектирования, систему оформления документов. При работе над курсовой работой следует использовать рекомендуемую литературу.
Цель курсовой работы научить студента осуществлять декомпозицию сложных систем, проектировать статические, динамические, детерминированные и стохастические модели систем, проектировать модели элементов систем, собирать их в единый проект, ставить задачу моделирования (прямую, обратную, структурную), настраивать модель, рассчитывать траекторию движения системы, управлять системой и составляющими ее объектами, строить интерфейс системы управления, оценивать точность моделирования и интерпретировать результаты, проводить компьютерный эксперимент на моделях, проводить синтез моделей, оформлять отчет о проекте и проведенном исследовании.
Курсовая работа является самостоятельно выполняемым заданием, предназначена для усвоения обучаемым современных инструментов и технологий моделирования, требует разработки студентом целостного законченного проекта. Рекомендуется выполнять работу в следующем порядке.
1. Согласовать с преподавателем название курсовой работы, объект моделирования.
2. Проанализировать техническую (экономическую, социальную, биологическую) систему. Определить механизм ее действия. Определить свойства системы, поведение, свойства и поведение составляющих элементов. Определить разбиение на объекты. Определить группы объектов. Определить переменные.
3. Выделить и описать входные, выходные и внутренние переменные каждого объекта и системы в целом. Определить задачу, решаемую на модели. Определить и формализовать критерий функционирования моделируемой системы. Определить на множестве входных переменных переменные управления и возмущения.
4. Спроектировать модель каждого элемента. Протестировать поведение и свойства каждого спроектированного объекта на модели.
5. Осуществить настройку параметров модели.
6. Соединить связями переменные объектов, объединив их в систему.
7. Сконструировать интерфейс системы - пульт управления входными переменными, пульт наблюдения для выходными переменными и значением критерия.
8. Спроектировать гиперссылочную систему помощи к системе управления.
9. Произвести отладку системы в целом.
10. Спланировать и провести компьютерный эксперимент. Проинтерпретировать результаты. Оценить точность и достоверность результатов. Представить результаты экспериментов в таблицах и графиках.
11. Проанализировать результаты экспериментов. Найти рациональное решение, обосновать его. Сделать выводы и рекомендации по улучшению системы.
12. Оформить документацию на интерфейс, систему управления в твердой копии с использованием пакета MSWord. Представить отчет и дискету с файлом программы, графических файлов и документации.
Рекомендуется выполнять работу последовательно в четыре этапа:
1. Описание объектов системы, составление их математического и алгоритмического описания, составление структуры системы с описанием связей
2. Отладка системы
3. Конструирование интерфейса пользователя
4. Проведение компьютерных экспериментов над моделью
5. Написание отчета
Результатом работы и содержанием отчета является:
· проект (след процесса проектирования), он же является документацией и частью отчета;
· конструктор предметной области, позволяющий изменять систему;
· собранная работоспособная демонстрационная схема;
· наборы данных для демонстрации исследованных режимов работы схемы (задачи);
· исследования и выводы.
Работа должна продемонстрировать умение студента: проектировать модели в современной компьютерной среде, формализовать предметную область, строить структурные модели, связывать их с графическими (двух или трехмерными) образами, реализовывать эффективный интерфейс с моделью, планировать компьютерный эксперимент и исследовать систему.
Отчет и модель должны четко фиксировать:
· перечень элементов системы и базовый состав системы, подробную схему системы;
· структуру элемента (переменные - входные, выходные, внутренние, параметры, диапазон изменения, кодирование, функция, графический образ, перечисление механизмов, ограничений, целей, законов);
· описание законов функционирования, свойств каждого объекта системы;
· описание связей (какой объект с каким и по каким переменным связан; тип связи - постоянные, виртуальные, структурные, полевые);
· описание интерфейса, системы визуализации (связь элементов образов с переменными);
· описание задач, решаемых на модели;
· критерии функционирования системы, список переменных управления, их ограничения и цена, формулировка задачи синтеза рационального решения, список переменных возмущения,
· метод исследования, фактографические результаты исследования (таблица экспериментов и графики);
· рациональное решение, выводы.
Объем отчета не регламентируется. Рекомендуемый объем – 10-16 страниц с 4-8 иллюстрациями. Предпочтителен отчет, подготовленный компьютерным способом. При подготовке отчета следует учитывать требования ГОСТ на техническую документацию. Отчет может быть представлен также в форме HTML страниц.
Основное требование к отчету – ясность изложения, следование требованиям ГОСТ на оформление. Смотри приложение 1. Основное требование к проекту – адекватность поведения модели, ясность структуры системы, принципа ее действия, конструктивность и функциональность модели системы, четкость постановки задачи, наблюдаемость поведения, структуры и свойств модели, способность к управлению со стороны пользователя, наличие четких комментариев.
Отчет должен содержать титульный лист, содержание, описание проекта с необходимыми иллюстрациями и видеограммами, список литературы. К отчету прилагается дискета, содержащая проект.
Для математических моделей исследование включает:
- определение связи эффективного времени моделирования и точности результата; - оценку дисперсии выходных переменных модели по входным воздействиям; - оценку области устойчивости модели.
Для моделей управления исследование включает:
- определение связи "результат - уровень управления - уровень помех"; - нахождение рациональных решений.
Для моделей – тренажеров исследование включает:
- определение границ адекватности тренажера;
- нахождение рациональных стратегий поведения оператора на модели тренажере;
- доказательство вариативности, функциональности модели на примерах. Для обучающихся моделей исследование включает:
- связь времени обучения и объем предъявляемого материала; - оценку разброса результатов.
Задания на курсовую работу
1. Системы массового обслуживания.
Задается структура системы, интенсивность потоков заявок, интенсивность работы каналов обслуживания, емкости очередей, дисциплины обслуживания.
Исследуется влияние показателей системы массового обслуживания в зависимости от структуры системы и ее параметров. Исследуются показатели эффективности использования ресурсов для получения продукции в условиях возмущений, нахождение лучших рабочих точек функционирования процесса.
2. Модели климата.
Задается конфигурация материков, островов, океанов, морей, рек, гор, направления ветра и течений, широтная диаграмма распределения влажности и температуры, диаграмма ландшафтов в осях «температура - влажность».
Исследуется влияние рельефа, конфигурации материков, статистики течений и ветра на ландшафт местности.
3. Имитация поведения транспортных аппаратов (самолет, ракета, вертолет, корабль, яхта, подводная лодка, дирижабль, воздушный шар, поезд) в пространстве.
Задается множество управляемых и возмущающих воздействий, цель функционирования.
Исследуется характер движения средства, его эффективность функционирования.
Исследуются показатели эффективности использования ресурсов для достижения цели в условиях возмущений, нахождение лучших рабочих точек функционирования процесса.
4. Модели цифровых и аналоговых электронных и электрических устройств (каналов связи, преобразователей).
Задается набор устройств и структура систем, конструируемых из них.
Исследуется соответствие отношений выходных сигналов к входным сигналам в модельной области и реальной. Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки систем, наглядность функционирования систем, управляемость ими, простота сбор
5. Модели механических устройств
Задается набор устройств и структура систем, конструируемых из них.
Исследуется соответствие отношений выходных сигналов к входным сигналам в модельной области и реальной. Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки систем, наглядность функционирования систем, простота сборки.
6. Модели виртуального мира (производство, строительство, транспорт).
Задается набор устройств и структура систем, конструируемых из них. Имитируется взаимодействие устройств между собой в виртуальном мире. Имитируется управление модели трехмерным внешним видом.
Исследуется возможность взаимодействия устройств между собой в любых сочетаниях при их формальной модельной независимости. Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки систем, возможность взаимодействия (чувствования).
7. Модели технологических процессов
Задается описание технологического процесса, его существенные переменные. Имитируется функционирование технологического процесса. В модель должна быть встроена система оповещения об особых состояниях процесса, режимы автоматического и ручного ведения процесса.
Исследуются показатели эффективности использования ресурсов для получения продукции в условиях возмущений, нахождение лучших рабочих точек функционирования процесса.
Показателем проекта является наглядность для оператора и управляемость процесса, адекватность имитации.
8. Экономические системы (банк, сделка, магазин, предприятие, отрасль)
Задается описание экономической системы, ее существенные переменные. Имитируется функционирование экономической системы. В модель должна быть встроена система оповещения об особых состояниях процесса, режимы автоматического и ручного ведения процесса, обратные связи для взаимовлияния экономических факторов, пульт воздействия на систему, система расчета оценки экономических показателей системы в целом.
Исследуются показатели эффективности использования ресурсов для получения прибыли в условиях возмущений, нахождение лучших рабочих точек функционирования экономического процесса.
Показателем проекта является наглядность и управляемость процесса, адекватность имитации.
9. Городское хозяйство (образование, коммунальное хозяйство)
Задается описание отрасли городского хозяйства, ее существенные переменные. Имитируется функционирование системы. В модель должна быть встроена система оповещения об особых состояниях процесса, режимы автоматического и ручного ведения процесса, обратные связи для учета взаимовлияния факторов, пульт воздействия на систему, система расчета оценки экономических и социальных показателей системы в целом.
Исследуются показатели эффективности использования ресурсов для получения наилучших результатов системы в условиях возмущений, нахождение лучших рабочих точек функционирования процесса.
Показателем проекта является наглядность и управляемость процесса, адекватность имитации.
10. Дом (проектирование дома, конструктивные силовые элементы, коммуникации, теплопроводность, дизайн)
Задается аспект имитации, перечень элементов и функции системы в целом.
Имитируется функционирование системы. В модель должна быть встроена система оповещения об особых состояниях процесса, пульт управления системой, система оценки показателей системы в целом.
Исследуются показатели оценки получаемого проекта дома.
Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки вариантов системы.
11. Сети (транспортные, электрические, информационные, водоснабжения)
Задается аспект имитации, перечень элементов и функции системы в целом.
Имитируется функционирование системы. В модель должна быть встроены пульты управления элементами системы, пульт наблюдения за поведением системы.
Исследуются показатели оценки получаемого проекта сети.
Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки вариантов системы.
12. Эволюция систем (растительный, животный мир, мир технических устройств)
Задается аспект имитации, перечень элементов и функции системы в целом, множество генома, показатели (критерии) отбора средой.
Имитируется эволюция системы под воздействием мутаций, скрещивания и отбора. В модель должна быть встроена система наблюдения за ходом эволюции и структурой генома, строиться дерево эволюции, отображаться внешний вид эволюционирующего вида. Управление скоростью эволюции, дисперсией, критериями отбора.
Исследуются показатели эволюционирующего вида, динамика улучшения показателей.
Показателем проекта является наглядность процесса эволюции, управляемость им.
13. Модели адаптивных систем (системы ПВО, машинки Брайтенберга, коллективы автоматов Цетлина, кибернетические системы)
Имитируется процесс взаимодействия способных к адаптации устройств между собой и в окружающей среде. Оценивается наглядность поведения системы, показателей процесса адаптации элементов. Исследуется скорость адаптации, влияние различных механизмов на способность к адаптации (скорость, предел адаптации).
14. Обучающие системы (лабораторные стенды с экспертными системами)
Имитируется ряд технологических операций, требующих усвоения оператором или учащимся. Требуется в наглядной форме под управлением оператора (учащегося) имитировать процесс выполнения операций, а в случае ошибки в действиях средствами экспертной системы направлять действия обучаемого.
Исследуется статистические оценки действий группы обучаемых и влияние условий обучения (возмущений и ограничений) на их значения.
Показатель проекта – наглядность и гибкость взаимодействия с обучаемым.
15. Моделирование классификаций
Имитируется действие системы по выведению дерева классификации при воздействии на нее примерами. Оценивается способность алгоритма производить классификацию, составлять кластеры, строить наглядную картину классов. Исследуется изменение дерева классификации в зависимости от изменения признаков в описании примеров.
16. Модели передаточных звеньев
Имитация характеристик автоматических устройств в описании Лапласа. В проекте оценивается корректность проектирования системы автоматики в частотной и временной областях. Исследуется изменение характеристик при введении в систему корректирующих звеньев и обратных связей.
17. Модели систем безопасности
Задается аспект имитации, перечень элементов и функции системы в целом.
Имитируется функционирование элементов и системы охраны и безопасности.. В модель должна быть встроена система оповещения об особых состояниях охраняемых объектов, пульт управления системой, система оценки показателей системы в целом.
Исследуются показатели оценки получаемых вариантов проекта.
Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки вариантов системы.
18. Модели лингвистических систем
Исследуется лингвистическая система, способность к разбору, преобразованию, синтезу слов, сообщений и контекстов. Исследуется уровень ошибок, допускаемых системой в преобразованиях с текстом в зависимости от сложности структуры текста. Оцениваются функциональные возможности системы, наглядность и корректность процессов преобразования и разбора текстов, способность модели к диалогу.
19. Моделирование нейронных сетей
Задается аспект имитации. Имитируется функционирование нейронной сети. В модель должны быть встроены пульт управления элементами системы, пульт наблюдения за поведением системы.
Исследуются способность нейронной сети к реализации исследуемой функции и обучению, скорость обучения, в том числе при наличии помех.
Показателем проекта является функциональность и универсальность набора конструктивных элементов для сборки вариантов системы.
20. Модели исполнителей алгоритмов и вычислительных устройств
Модель должна наглядно имитировать работу исполнителя по описанию вводимого алгоритма.
Оценивается интерфейс системы, наглядность протекающих процессов, безошибочность работы исполнителя, устойчивость к ошибкам, возможность вмешательства оператора в процесс отладки, механизмы экономии операторского труда.
21. Модель экспертной системы
Исследуется процесс обучения и экспертизы имитируемый экспертной системой. Оценивается способность модели к обучению, дообучению, переобучению, экспертизе. Оценивается наглядность, способность к объяснению. Исследуется скорость обучения, в том числе и в условиях помех и дезинформации.
22. Модель для исследования надежности работы системы
Исследуется влияние структуры, законов распределения ошибок элементов на работу системы в целом.
Оценивается возможность манипулирования системой, наглядность работы системы, система показателей оценки работоспособности системы.