Моделирование систем методами математического программирования

СЕМИНАРЫ СПЕЦИАЛИСТОВ

 

Методические указания

к выполнению практических работ

для студентов направления подготовки 09.03.04

«Программная инженерия»

 

 

Курган 2016

 

 

Кафедра: «Программное обеспечение автоматизированных систем»

 

Направление подготовки: 09.03.04 «Программная инженерия»

 

Дисциплина: «Семинары специалистов»

 

Составил: канд. техн. наук, доцент А.М. Семахин.

 

 

Утверждены

на заседании кафедры «29»  июня 2016 г.

 

 

Рекомендованы методическим советом университета

 

              «12» декабря       2016 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                         5

1 Моделирование систем методами математического                            

программирования                                                                          5

   1.1 Методы линейного программирования          5

            1.1.1 Симплекс метод                                                      6

            1.1.2 Метод Гаусса-Жордана                                          6

   1.2 Методы целочисленного программирования         7

            1.2.1 Метод отсекающих плоскостей                              7

            2.2.2 Метод ветвей и границ                                               8

     1.3 Практическая работа №1                                             

        «Метод отсечения в моделировании систем»                        10

                    1.3.1 Варианты заданий                                           10

                    1.3.2 Методические указания                                  11

               1.3.3 Контрольные вопросы                             12

2 Нелинейные модели. Методы одномерной оптимизации                12

     2.1 Постановка задачи нелинейного программирования         12

     2.2 Методы нелинейной одномерной оптимизации               13

            2.2.1 Алгоритм Свенна                                                       13

            2.2.2 Метод золотого сечения                                         14

     2.3 Практическая работа №2. Методы Свенна                              

и золотого сечения в определении решения на экстремум                     

унимодальной функции                                                                    15

            2.3.1 Варианты заданий                                                      15

            2.3.2 Методические указания                                          16

            2.3.3 Контрольные вопросы                                               16

3 Сетевое планирование и управление в моделировании                   

информационных систем                                                            16

   3.1 Сетевое планирования в условиях определённости            16

   3.2 Сетевое планирования в условиях неопределённости 18

     3.3 Расчёт параметров сетевого графика                                   19

     3.4 Практическая работа №3. «Сетевое моделирование систем 24

            3.4.1 Варианты заданий 1                                         24

            3.4.2 Методические указания                                 24

            3.4.3 Варианты заданий 2                                              25

        3.4.4  Контрольные вопросы                                    29

4 Имитационное моделирование систем                                          29

     4.1 Этапы имитационного моделирования                                29

     4.2 Структура типовой имитационной модели                         29

     4.3 Генерация псевдослучайных чисел                             30

     4.4 Моделирование случайных событий                                   30

     4.5 Моделирование случайных величин                                    30

     4.6 Моделирование случайных векторов                                  

     4.7 Практическая работа №4                                             31

            «Последовательное обслуживание с                              

            блокировками и ограниченным буфером»                        31

                4.7.1 Варианты заданий 1                                               32

                4.7.2 Варианты заданий 2                                               34

                4.7.3 Методические указания                                  42

           4.7.4 Контрольные вопросы                                 42

5 Системы массового обслуживания в моделировании систем          43

     5.1 Основные понятия и определения. Классификация             

систем массового обслуживания                                                      43

     5. 2 Моделирование систем массового обслуживания              43

     5.3 Модели массового обслуживания                           44

            5.3.1 Одноканальная система массового обслуживания   

с отказами в обслуживании                                                              44

            5.3.2 Многоканальная система массового обслуживания     

с отказами в обслуживании                                                              45

            5.3.3 Одноканальная система массового обслуживания   

с ограниченной длиной очереди                                                      47

            5.3.4 Одноканальная система массового обслуживания   

с неограниченной длиной очереди                                                      48

            5.3.5 Многоканальная система массового обслуживания     

с ограниченной длиной очереди                                                      50

            5.3.6 Многоканальная система массового обслуживания     

с неограниченной длиной очереди                                                      51

     5.4 Практическая работа №5. Модели систем массового             

обслуживания                                                                              53

                    5.4.1 Варианты заданий                                              54

                    5.4.2 Методические указания                                  55

                    5.4.3 Контрольные вопросы                                        56

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                        56

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ                                       56

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Дисциплина «Семинары специалистов» (6 семестр) имеет целью дать студентам теоретические знания и практические навыки в разработке математических моделей и формализации алгоритмов методов решения на объектно-ориентированном языке программирования.

Предмет дисциплины – технология разработки математических моделей.

Задачи дисциплины – изучение теоретических основ математического моделирования процессов, явлений и объектов реального мира и приобретение практических навыков разработки программных приложений в интегрированной среде программирования Microsoft Visual Studio, отладки и документирования программ.

Практические занятия (34 часов).

Методические указания содержат теоретическое обоснование и варианты заданий для выполнения практических работ по дисциплине «Семинары специалистов».

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта по подготовке бакалавров по направлению 09.03.04 – «Программная инженерия».

 

Симплекс метод

 

Симплекс-метод – метод обхода угловых точек области допустимых решений (симплекса) с проверкой на оптимальность.

Базисное решение – решение системы уравнений, получаемое приравниванием к нулю  переменных, где  – количество неизвестных,  – количество уравнений.

Допустимое базисное решение – базисное решение, удовлетворяющее требованию неотрицательности правых частей.

Небазисные переменные – переменные, имеющие нулевое значение.

Базисные переменные – переменные, имеющие ненулевое значение.

Включаемая переменная – небазисная переменная, которая будет включена в множество базисных переменных на следующей итерации (при переходе к смежной экстремальной точке).

Исключаемая переменная – базисная переменная, которая на следующей итерации подлежит исключению из множества базисных переменных.

Симплекс-алгоритм состоит из следующих шагов.

Шаг 1. Определение начального допустимого базисного решения.

Шаг 2. Определение включаемой переменной из числа небазисных переменных. Если такой переменной нет, то решение оптимально. Иначе осуществляется переход к шагу 3.

Шаг 3. Определение исключаемой переменной из числа базисных переменных.

Шаг 4. Определение нового базисного решения. Переход на шаг 2 [2].

 

Метод Гаусса-Жордана

 

Метод Гаусса-Жордана (метод исключения переменных) определяет оптимальное решение задачи линейного программирования. Метод Гаусса-Жордана выполняется после определения ведущей строки, ведущего столбца и ведущего элемента симплекс-таблицы.

Ведущая строка – строка симплекс-таблицы, соответствующая исключаемой переменной.

Ведущий столбец – столбец симплекс-таблицы, соответствующий включаемой переменной.

Ведущий элемент – элемент таблицы, находящийся на пересечении ведущего столбца и ведущей строки.

Условие оптимальности. Включаемой переменной в задаче максимизации (минимизации) является небазисная переменная, имеющая в Z-уравнении наибольший отрицательный (положительный) коэффициент. В случае равенства коэффициентов для нескольких небазисных переменных выбор делается произвольно. Если все коэффициенты при небазисных переменных в Z-уранении неотрицательны (неположительны), полученное решение является оптимальным [2].

Условие допустимости. В задачах максимизации и минимизации в качестве исключаемой переменной выбирается базисная переменная, для которой отношение постоянной в правой части соответствующего ограничения к (положительному) коэффициенту ведущего столбца минимально. В случае равенства этого отношения для нескольких базисных переменных выбор делается произвольно [2].

Метод Гаусса-Жордана включает две вычислительные процедуры.

1 Формирование новой ведущей строки.

Новая ведущая строка=Старая ведущая строка/Ведущий элемент.

2 Формирование остальных новых уравнений.

Новое уравнение=Старое уравнение–(Коэффициент ведущего столбца старого уравнения)*(Новая ведущая строка) [2]

 

Метод отсекающих плоскостей

 

Метод отсекающих плоскостей разработан Р. Гомори в 1957-1958 годах. Алгоритм метода включает этапы:

Этап 1. Ослабленная задача. Целочисленность искомых переменных игнорируется, симплекс-методом определяется оптимальный план.

Этап 2. Расширенная задача. Если план нецелочисленный, составляется дополнительное ограничение, “отсекающее” дробную часть искомой переменной. Дополнительное ограничение включается в систему ограничений и решается расширенная задача [3].

 

 

Метод ветвей и границ

 

Метод ветвей и границ применяется для решения полностью или частично целочисленных задач. Предложен А Лэндом и Дж. Дойгом в 1960 г.

Дана математическая модель целочисленного линейного программирования

при ограничениях                                                        (1.3)

Найти вектор , максимизирующий целевую функцию. Для целочисленной переменной можно указать верхнюю и нижнюю границы, в пределах которых содержатся оптимальные значения

 

.                                       (1.4)

 

В начале  итерации метода ветвей и границ необходимо иметь:

1. Список задач линейного программирования, каждая из которых должна быть решена в последующих итерациях.

2. Нижнюю границу оптимального значения линейной формы задачи . На первой итерации в качестве  берется значение целевой функции  в любой целочисленной точке . Если точку указать невозможно, то принимают .

Пусть в результате  итераций метода получили список из  задач:  и существует . Алгоритм метода ветвей и границ содержит этапы:

1 Этап. Выбирается из списка задач линейного программирования задача  для решения, . Задача  решается.

2 Этап. Если задача  имеет решение , то переходим к этапу 3. Иначе – исключаем задачу  из списка, = . Переход к этапу 1. При  делаем вывод, что исходная задача не имеет решения и процесс решения заканчивается.

3 Этап. Если , то переходим к этапу 4. В противном случае задача  исключается из списка. Переход к этапу 1.

4 Этап. Если все компоненты вектора  удовлетворяют условию целочисленности, то переходим к этапу 5. В противном случае задача  из списка исключается. План  запоминается, . Переход к этапу 1. При  вектор  является решением исходной задачи и процесс решения заканчивается.

5 Этап Задача  из списка исключается. В список включаются две новые задачи линейного программирования – задача  и задача , = . Переход к этапу 1. Процесс разбиения задачи  на две новые задачи линейного программирования осуществляется следующим образом. Пусть  - дробная компонента в полученном оптимальном плане  и  целая часть. Тогда задача  имеет вид:

при ограничениях

                                              (1.5)

Тогда задача  имеет вид:

при ограничениях

                                              (1.6)

Процесс решения продолжается пока не будут решены все задачи линейного программирования из списка. Решение задачи будет  на последней итерации [4].

 

Практическая работа №1

«Метод отсечения в моделировании систем»

 

Цель: получить теоретические знания и практические навыки в моделировании систем методами линейного программирования.

Используемые приемы и технологии: линейное программирование, целочисленное программирование.

Ключевые термины: математическая модель, симплекс-метод, метод отсекающих плоскостей, метод ветвей и границ.

Постановка задачи: Разработайте математическую модель выбора оптимального проекта информационной системы организации.

Разработайте программу, формализующую математическую модель выбора оптимального проекта информационной системы организации на языке С++.

 

Варианты заданий

 

Разработайте программу на языке С++, формализующую алгоритм решения оптимизационной задачи симплекс-методом

 

Вариант 1                     Вариант 2                   Вариант 3

           

при ограничениях         при ограничениях          при ограничениях

                           

Вариант 4                     Вариант 5                   Вариант 6

         

при ограничениях         при ограничениях          при ограничениях

                           

Вариант 7                     Вариант 8                   Вариант 9

     

при ограничениях         при ограничениях          при ограничениях

                               

Вариант 10                   Вариант 11                     Вариант 12

     

при ограничениях         при ограничениях          при ограничениях

                            

 

Методические указания

 

1 Выбрать вариант задания по последней цифре номера зачетной книжки.

2 Разработать математическую модель выбора оптимального проекта информационной системы.

3 Разработать алгоритм решения задачи.

4 Разработать программу выбора оптимального проекта информационной системы.

5 Оформить отчет по практической работе.

Содержание отчета должно включать:

Титульный лист

1 Постановка задачи.

2 Описание алгоритма решения задачи

3 Математическая модель выбора проекта информационной системы организации.

4 Диаграмма классов.

5 Оптимальное решение математической модели информационной системы.

 

1.3. 3 Контрольные вопросы

 

1 Что называется математической моделью?

2 Что называется оптимальным решением?

3 Что называется допустимым решением?

4 Какие этапы метода Гаусса-Жордана?

5 Какой алгоритм метода обыкновенное Жорданово исключение?

6 Какой алгоритм метода модифицированное Жорданово исключение?

7 Какие этапы алгоритма метода отсекающих плоскостей?

8 Какие этапы  алгоритма метода ветвей и границ?

9 Как формулируется условие оптимальности?

10 Как формулируется условие допустимости?

 

Алгоритм Свенна

 

Исходные данные:  – начальная точка,  – шаг поиска ().

Этап 1. Определить , , , .

Этап 2. Если , то  перейти на 4 этап.

Этап 3. Если , то ,  перейти на 4 этап, в противном случае (), , , конец.

Этап 4. . Определить .

Этап 5. Если , то , переход на 4 этап.

Этап 6. Если , то , , конец. В противном случае , , конец.

Случай  (этап 3) не рассматривается, так как он противоречит предположению о модальности функции .

 

Метод золотого сечения

 

Золотое сечение отрезка – деление отрезка на две неравные части таким образом, что отношение длины всего отрезка к длине большей части равно отношению длины большей части к длине меньшей части отрезка. Золотое сечение отрезка  производится двумя точками и , симметричными относительно середины отрезка (рисунок 2.1).

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Золотое сечение

 

Точка производит золотое сечение отрезка , а точка  производит золотое сечение отрезка . На этом свойстве, позволяющем вычислять значение функции в одной пробной точке основан алгоритм золотого сечения.

Алгоритм золотого сечения включает этапы:

Исходные данные:  – отрезок, содержащий точку максимума,  – параметр окончания счёта.

Этап 1. ; , , ;

; ;

; ;

Этап 2. Если , то перейти на 4 этап.

Этап 3. ; ;

; ;

;

, перейти на 5 этап.

Этап 4. ; ; ; ;

;

Этап 5. Если , то , конец.

Этап 6. , перейти на этап 2.

 

Практическая работа №2

Варианты заданий

 

Методом Свенна найти отрезок, содержащий точку экстремума унимодальной функции , уточнить точку экстремума методом золотого сечения, .

Вариант 1.

Вариант 2.

Вариант 3.

Вариант 4.

Вариант 5.

Вариант 6.

Вариант 7.

Вариант 8.

Вариант 9.

Вариант 10.

 

Методические указания

 

1 Разработайте алгоритм программы.

2 Разработайте визуальное приложение, формализующее алгоритм методов одномерной оптимизации:

· создайте проект с помощью мастера Windows Forms Application;

· настройте свойства формы Form1;

· добавьте компоненты на форму;

· создайте и определите функции обработчика событий.

3 Оформите отчет по лабораторной работе, включающий разделы:

· Постановка задачи.

· Теоретическое обоснование.

· Скриншоты программы.

· Код программы (функции обработчиков событий).

· Выводы.

 

2. 3.3 Контрольные вопросы

 

1 Что называется нелинейным программированием?

2 Какая постановка задачи нелинейного программирования?

3 Что называется унимодальной функцией?

4 Что понимается под нелинейной моделью?

5 Какие методы одномерной оптимизации?

6 Сколько и какие этапы включает алгоритм Свенна?

7 Что понимается под золотым сечением?

8 Какое свойство золотого сечения?

9 Какие исходные данные содержит алгоритм метода золотого сечения?

10 Сколько и какие этапы метода золотого сечения?

 

3 Сетевое планирование и управление в моделировании информационных систем

 

3.1 Сетевое планирования в условиях определённости

 

Длина критического пути и топология определяются методом критического пути (Critical Path Method). Для определения длины критического пути рассчитывается ранний (ожидаемый) срок наступления завершающего события. Ранний срок совершения события  определяется по формуле

 

,где                                                                  (3.1)

 - ранний срок совершения  события;

 - продолжительность выполнения  работы.

Поздний (предельный) срок наступления  события определяется по формуле

, где                                                               (3.2)

 – поздний срок совершения  события;

 – продолжительность выполнения  работы.

Ранний срок начала работы – наиболее ранний (минимальный) из возможных моментов начала данной работы при заданной продолжительности работ. Совпадает с ранним сроком наступления начального события

 

, где                                                         (3.3)

 – ранний срок наступления начального события.

Ранний срок окончания работы – наиболее ранний (минимальный) из возможных моментов окончания данной работы при заданной продолжительности работ. Рассчитывается по формуле

 

, где                                       (3.4)

 – ранний срок совершения  события;

 – продолжительность выполнения  работы.

Поздний срок начала работы – наиболее поздний (максимальный) из допустимых моментов начала данной работы, при котором возможно выполнение последующих работ в установленный срок. Определяется по формуле

 

, где                                                  (3.5)

 – поздний срок свершения  события;

 – продолжительность выполнения  работы.

Поздний срок окончания работы – наиболее поздний (максимальный) из допустимых моментов окончания данной работы, при котором возможно выполнение последующих работ в установленный срок.

 

, где                                                              (3.6)

 – поздний срок свершения  события;

Работа участка, несовпадающего с критическим путем сетевого графика, обладает резервом времени. Полный резерв времени работы – максимальное время, на которое можно отсрочить начало или увеличить продолжительность работы  без изменения общего срока выполнения проекта. Определяется по формуле

 

, где                                                          (3.7)

 – поздний срок свершения  события;

 – ранний срок совершения  события;

 – продолжительность выполнения  работы.

Критические работы не имеют резервов времени.

Степень сложности выполнения в заданный срок работы некритического пути определяется коэффициентом напряженности. Коэффициент напряженности рассчитывается по формуле

 

, где                                                   (3.8)

 – полный резерв времени работы ;

 – длина критического пути;

– продолжительность части максимального полного пути, содержащего работу , которая совпадает с критическим путем.

Алгоритм метода критического пути.

1 Ранний и поздний сроки наступления начального события  совпадают.

2 Ранний и поздний сроки наступления конечного события  совпадают.

3 Разность между ранним сроком конечного события  и ранним сроком начального события  совпадает с разностью между поздним сроком конечного события  и поздним сроком начального события  и равна продолжительности работы .

 

3.2 Сетевое планирования в условиях неопределённости

 

В условиях неопределенности время  является случайной величиной, подчиняющееся закону распределения случайной величины ( -распределение, нормальное распределение). Числовые характеристики случайной величины  математическое ожидание, дисперсия и среднеквадратическое отклонение.

Математическое ожидание рассчитывается по формуле

, где                                                  (3.9)

 – оптимистическое время (выполнение работы в благоприятных условиях);

 – пессимистическое время (выполнение работы в неблагоприятных условиях);

 – наиболее вероятное время (выполнение работы в нормальных условиях).

Дисперсия рассчитывается по формуле

, где                                                         (3.10)

 – пессимистическое время;

 – оптимистическое время.

Среднеквадратическое отклонение рассчитывается по формуле

, где                                                               (3.11)

 - дисперсия случайной величины .

Анализ сетевых графиков методом PERT (Program Evaluation and Review Technique) включает расчет временных параметров и оценку вероятности того, что общий срок выполнения проекта  не превысит директивного срока . Если вероятность  мала, например меньше 0,3, то выполнение комплекса работ в заданный срок  находится под угрозой срыва. Необходимо принять дополнительные меры: перераспределение ресурсов по сети, пересмотр состава работ и событий.

Если  значительна, например больше 0,85, то выполнение проекта в заданный срок можно прогнозировать с высокой степенью надежности.

 

Практическая работа №3

«Сетевое моделирование систем»

 

Цель: получить теоретические знания и практические навыки в моделировании процессов управления комплексом работ.

Используемые приемы и технологии: сетевое планирование и управление, сетевое моделирование в условиях определённ