Моделирование

Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины МОДЕЛИРОВАНИЕ Для подготовки бакалавров по направлению 552800 – “Информатика и вычислительная техника”

Санкт-Петербург 2002

2 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

“УТВЕРЖДАЮ” Проректор по учебной работе проф. ___________ Ушаков В.Н. “_____”_______________2002 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины МОДЕЛИРОВАНИЕ Для подготовки бакалавров по направлению 552800 – “Информатика и вычислительная техника”

Факультет компьютерных технологий и информатики Кафедра вычислительной техники Курс – 2 Семестр – 4 Лекции

30 ч.

Практические занятия

30 ч.

Аудиторные занятия Самостоятельные занятия Всего часов

Экзамен

60 ч. 80 ч. 140 ч.

2002

семестр 4

3 Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры вычислительной техники “____”_______________2002 г., протокол №______. Рабочая программа согласована с рабочими программами изученных ранее дисциплин: 1) Высшая математика Рабочая программа одобрена методической комиссией факультета компьютерных технологий и информатики “____”_____________2002 г.

4 Цели и задачи дисциплины: Цель дисциплины – ознакомление с основными понятиями и методами теории моделирования и их использованием при решении задач анализа и синтеза средств вычислительной техники. Требования к уровню освоения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: 1. Знать основные принципы и возможности моделирования, организацию постановки и проведения модельного эксперимента; 2. Уметь строить несложные модели средств вычислительной техники, планировать модельный эксперимент и интерпретировать его результаты; 3. Иметь представление о современных языках моделирования, их возможностях и тенденции их развития. Содержание рабочей программы ВВЕДЕНИЕ Предмет курса, его связь с другими дисциплинами учебного плана, значение в подготовке инженеров - системотехников. Моделирование как метод научного познания и метод решения технических задач. Обзор литературы по курсу. Раздел 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ Тема 1. Основные понятия моделирования Аналогия. Подобие. Модель. Модель как способ существования знаний. Модель как целевое отображение оригинала, действительности. Гносеологическая и прагматическая функции моделей. Условия реализации свойств моделей. Соответствие между моделью и действительностью: сходство и различия. Множественность моделей. Классификация моделей по способу воплощения и способу реализации моделирования, по степени отражения времени и неопределенности. Модели физические, абстрактные, имитационные; аналитические и статистические. Модели статические и динамические; детерминированные, вероятностные и игровые. Непрерывные, дискретные и непрерывно-дискретные модели. Тема 2. Организация процесса моделирования Основные этапы моделирования. Постановка задачи исследования объекта, процесса или явления. Параметры и характеристики исследуемых объектов. Установление причинно-следственных связей между ними. Концептуальная модель. Математическое описание модели. Выбор типа модели, средств и языков моделирования. Реализация модели. Планирование и организация модельного эксперимента. Интерпретация результатов моделирования. Оценка достоверности модели.

5 Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Тема 3. Вычислительная система (ВС) как объект моделирования Основные подсистемы ВС, их функции. Взаимодействие подсистем. Стохастическая природа функционирования ВС. Особенности моделирования ВС на программном, микропрограммном и схемотехническом уровнях. Лингвистические, программные и технические средства моделирования ВС. Тема 4. Стохастические модели ВС Системы с дискретными состояниями. Дискретное и непрерывное время. Графовые модели алгоритмов и программ и их использование для оценки вычислительных ресурсов при решении задачи. Эквивалентные преобразования графовых моделей. Марковский случайный процесс. Дискретные и непрерывные марковские цепи. Потоки событий. Простейший поток событий. Типовые графы состояний. Сведение немарковского процесса к марковскому. Методы псевдосостояний и вложенных цепей. Системы массового обслуживания (СМО). Параметры и характеристики СМО. СМО с простейшими и произвольными потоками событий. Сети массового обслуживания с простейшими потоками событий. Раздел 3. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Тема 5. Основные понятия имитационного моделирования Активности, события, процессы. Взаимосвязь физического, модельного и машинного времени. Организация псевдопараллелизма в имитационных моделях. Механизмы системного времени. Календарь событий. Планирование событий. Тема 6. Системный уровень моделирования ВС Цели и задачи моделирования ВС на системном уровне. Языки моделирования, ориентированные на события. Основные операторы и возможности языка SIMSCRIPT. Языки моделирования, ориентированные на транзакты. Основные операторы и возможности языка GPSS. Языки моделирования, ориентированные на процессы. Основные операторы и возможности языка SIMULA. Примеры имитационных моделей, использующих возможности языков различного типа. Тема 7. Микропрограммный уровень моделирования ВС Цели и задачи моделирования ВС на микропрограммном уровне. Способы формального описания структуры и функционирования дискретных устройств. Средства и возможности языка описания (моделирования) и синтезирования аппаратных средств высокого уровня VHDL. Способность описания объектов на различных уровнях абстракции: параллельных процессов, межрегистровых передач, конечных автоматов. Поведенческие и структурные имитационные модели.

6 Тема 8. Схемотехнический уровень моделирования ВС Цели и задачи моделирования ВС на схемотехническом уровне. Модели сигналов и функциональных элементов. Функции программ моделирования на логическом уровне PC-LOGS и на электрическом уровне Pspice, совместимых с системой автоматизированного проектирования P-CAD. Раздел 4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Тема 9. Организация статистического моделирования Математические основы метода Монте-Карло. Центральная предельная теорема. Закон больших чисел. Моделирование случайных факторов: случайных чисел, событий, потоков событий. Моделирование случайных величин с произвольными законами распределения. Проверка качества последовательности псевдослучайных чисел: стохастичности, независимости, равномерности. Определение длины периода и длины отрезка апериодичности. Тема 10. Планирование машинного эксперимента с моделями Основные понятия теории планирования экспериментов. Факторы управляемые, наблюдаемые, случайные, количественные, качественные. Факторное пространство. Функция реакции. Поверхность реакции. Полный факторный эксперимент. Дробный факторный эксперимент. Стратегическое планирование машинного эксперимента. Построение плана эксперимента. Выбор числа факторов. Построение функции реакции. Анализ стохастичности результатов машинного эксперимента. Учет влияния ограниченности машинных ресурсов на проведение эксперимента. Тактическое планирование машинного эксперимента. Определение начальных условий и их влияния на достижение установившегося режима при моделировании. Обеспечение точности и достоверности результатов моделирования. Уменьшение разброса оценок характеристик процесса функционирования моделируемых объектов. Выбор правил автоматической остановки машинного эксперимента. Тема 11. Обработка и анализ результатов моделирования Особенности сбора и статистической обработки результатов моделирования при использовании ЭВМ. Методы сокращения объема хранимых данных. Определение эмпирических законов распределения результатов эксперимента. Проверка гипотез относительно вида закона распределения. Анализ и интерпретация результатов моделирования. Корреляционный анализ. Регрессионный анализ. Дисперсионный анализ. Анализ чувствительности модели. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перспективы развития методов моделирования и их применения для решения задач анализа и синтеза сложных объектов.

7 Перечень практических занятий №

1 2 3 4 5 6 7 8,9 10 11 12 13 14 15

Наименование темы занятия

Построение графовых моделей алгоритмов и программ Эквивалентные преобразования графовых моделей алгоритмов и программ Оценка трудоемкости алгоритма с помощью аппарата дискретных марковских цепей Типовые графы состояний, используемые в теории марковских случайных процессов Немарковские случайные процессы, сводящиеся к марковским Разомкнутые СМО без очереди Разомкнутые СМО с ограниченной и неограниченной очередью СМО с произвольными потоками событий. Выбор оптимальной организации вычислительного процесса Разомкнутые стохастические сети Замкнутые стохастические сети Разработка имитационной модели многопроцессорной вычислительной системы на GPSS Разработка имитационной модели системы оперативной обработки данных на GPSS Построение математической модели вычислительной системы по методу полного факторного эксперимента Обработка и анализ результатов моделирования

Номер темы программы

4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 6 6 10 11

8 Распределение учебных часов по темам и видам занятий № темы

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11

Объем учебных часов

Название разделов и тем

Лекции

ВВЕДЕНИЕ Раздел 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ Основные понятия теории моделирования Организация процесса моделирования Раздел 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Вычислительная система (ВС) как объект моделирования Стохастические модели ВС Раздел 3. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Основные понятия имитационного моделирования Системный уровень моделирования ВС Микропрограммный уровень моделирования ВС Схемотехнический уровень моделирования ВС Раздел 4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Организация статистического моделирования Планирование машинного эксперимента с моделями Обработка и анализ результатов моделирования ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИТОГО:

30

Аудит. занятия

Самост. работа

Всего

Семестр

0.5

0.5

1

1.5

4

2

2

3

5

4

2

2

2

4

4

1

1

2

3

4

Лабор. занятия

Практ. занятия

7

22

29

29

58

4

2

2

4

4

8

4

3 2

2

5 2

10 4

15 6

4 4

2

2

4

6

4

3

3

6

9

4

3

2

5

8

13

4

2

2

4

6

10

4

0.5

1

1.5

4

60

80

140

0.5

30

ЛИТЕРАТУРА Основная

№

Название, библиографическое описание

1

Вероятностные методы в вычислительной технике. Учеб. Пособие для вузов по спец. ЭВМ/ А.В. Крайников, Б.А. Курдиков, А.Н. Лебедев и др.; Под ред. А.Н.Лебедева и Е.А.Чернявского. – М.: Высш. шк., 1986. Лебедев А.Н. и др. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. Основы теории вычислительных систем: Учеб. Пособие для вузов; Под ред. С.А. Майорова. – М.: Высш. шк., 1986. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учебник для вузов по спец. «Автоматизированные системы управления». – М.: Высш. шк., 1986.

2 3 4

Л

Пз (С).

К-во экз. в библ. (на каф.)

4

4

151(0)

4

4

0

4

4

123(0)

4

4

372(0)

Гриф

9 Дополнительная №

Название, библиографическое описание

1

Автоматизация проектирования вычислительных систем. Языки моделирования и базы данных; Под ред. М. Брейера. – М.: Мир, 1979. Шрайбер Д. Моделирование на GPSS. – М.: Машиностроение, 1980. Шеннон Р. Имитационное моделирование – искусство и наука. – М.: Мир, 1978. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. – М.: Мир, 1981. Голованов О.В., Дуванов С.Г. и др. Моделирование сложных дискретных систем на ЭВМ 3-го поколения. – М.: Энергия, 1978.

2 3 4 5

К-во экз. в библ. (на каф.)

30(0) 24(0) 36(0) 16(0) 15(0)

10

Автор к.т.н., доцент

Степашкин Г.И.

Рецензент к.т.н., доцент кафедры МО ЭВМ

Романцев В.В.

Зав. кафедрой вычислительной техники д.т.н., профессор

Пузанков Д.В.

Декан факультета компьютерных технологий и информатики д.т.н., профессор

Герасимов И.В.

Программа согласована: Зав. кафедрой вычислительной техники д.т.н., профессор

Пузанков Д.В.

Зав. отделом учебной литературы

Киселева Т.В.

Председатель методической комиссии факультета компьютерных технологий и информатики к.т.н., доцент

Чугунов Л.А.

Руководитель методического отдела к.т.н., доцент

Марасина Л.А.