Simulering 5p. Välkomna till kursen i Simulering! Kursen ges som ett samarbete mellan Högskolan i Borlänge och Uppsala Universitet.

Transkript

1 Simulering 5p Intro -1 Välkomna till kursen i Simulering! Kursen ges som ett samarbete mellan Högskolan i Borlänge och Uppsala Universitet. Önskar Peter Hellström Högskolan Dalarna Jan Gulliksen och (Bengt Sandblad) MDI, Uppsala Universitet Simulering och Systemanalys i grundutbildningen i Uppsala Engineering Physics / Materials Physics Simulation and Operations Research Molecular Biotechnology Systems Analysis, Modeling and Simulation Aquatic and Environmental Engineering Simulation and Systems Analysis Information Technology Modeling and Simulation Mathematics and Science programmes Simulation Modeling and Simulation Computer Science Human Computer Interaction Swedish University of Agricultural sciences (SLU) Systems Analysis Intro -2 MDI - Avdelningen för människa-datorinteraktion, Institutionen för Informationsteknologi. Research areas: Human control of complex processes, e.g. train, ship, traffic and industrial control. User centred system design, e.g. methods and techniques for analysis, design and evaluation of user interfaces and user centred systems development. Medical informatics, design methods and tools in medical informatics, telemedicine. Interdisciplinary research team Research activities both theoretical issues and applied research. Kurser Grundläggande människadatorinteraktion Människa-datorinteraktion Konstruktion av användargränssnitt Design och konstruktion av användargränssnitt [NY] Människan och datorn i arbetslivet IT i samhället Simulering Intro -3 1

2 Forskningsprojekt Järnväg HD - MDI Intro -4 HD i samarbete med MDI TOPSim Develop a new train traffic control simulator system. Create an experimental environment for development of new control support systems and operator user interfaces. CATD - Computer Aided Train Dispatching Analysis of the demands that an implementation of a CATD system will have on the surrounding systems. Andra projekt MDI TRAIN Investigates traffic safety related risks, focusing in particular on the train driver worksituation and use of information. TTC Operator interfaces in new train traffic control systems. Create a knowledge base for development of future operator interfaces. Build prototypes of such interfaces. Kursen Simulering Intro -5 Förkunskaper Programmering Modernt programmeringsspråk C, C++, Java, Pascal, Simula, Fortran Fördel om OOP-kunskaper redan finns. Matematik Grundläggande algebra och analys Numeriska metoder Statistik Kursen Simulering, forts. Kursinnehåll Grundläggande Systemanalys Begreppen System, Modell och Systemanalytiskt arbete. Simuleringens grunder Simuleringsbegrepp, modelltyper, tidssekvensering etc. Händelsestyrd simulering Händelser, Händelselista etc. Tidsstyrd simulering Differensekvationer, Integrationsmetoder etc. Pseudoparallell modellering och simulering Parallella processer Tillämpningar (Övningar, Labbar och Projekt) Studier och konstruktion av enkla verkliga modeller. Användning av OOP och ett modern OO-språk (JAVA). Verktyg Powersim Java + Simuleringsbibliotek (GPSS/Arena) (Matlab ) Intro -6 2

3 Kursen Simulering, forts. Intro -7 Obligatoriska uppgifter En inlämningsuppgift Utförs i en mindre grupp och inneb är att ta fram lösningar för några mindre problem. Skall även muntligt redovisas. Tre laborationer De två första laborationerna omfattar uppgifter i simuleringsspråket PowerSim. Den tredje laborationen har som syfte att ge en introduktion till programspråket Java och det aktuella simuleringsbiblioteket. Redovisas i labsalen eller som inlämningsuppgift. En mindre projektuppgift Projektuppgiften inneb är att genomföra en n ågot mer omfattande simuleringsuppgift i Java. Redovisas med en skriftlig rapport. Kursen Simulering, forts. Intro -8 Kurslitteratur Kurspärm som säljes i den lokala bokhandeln till ett lågt pris, innehållande kursinfo, -plan, olika kompendiedelar, exempelsamling m m. Lämplig grundläggande Java-bok. T ex Java Direkt, Skansholm, Studentlitteratur eller motsvarande. Examination Skriftlig tentamina. För godkänd kurs fordras Godkänd tentamen (3p) Att inlämningsuppgiften, samtliga laborationer och projektuppgiften är godk ända (2p) Inlämningsuppgiften skall vara inlämnade senast dag för muntlig redovisning. Laborationerna och projektuppgiften skall vara inlämnade senast dag för ordinarie tentamen. Vad är Systemanalys? Intro -9 Studier av olika komplexa företeelser i vår omgivning eller Systemanalysen är en metodvetenskap som ger teorier och tekniker för en formaliserad beskrivning, analys och/eller planering (styrning) av komplexa system av en mycket vid art Modellbyggnad, Simulering, Optimering. Tonvikten ligger på systemet som helhet och inte på delarna! Struktur Relationer mellan komponenter Helheten är större än summan av delarna. 1+1=3 ( 1+1=0 ) Ett antal bokst äver => ett (flera olika) skriftspråk Centrala begrepp System Modell Generell arbetsgång 3

4 Vad är Systemanalys? Forts. Intro -10 Nuvarande inriktning har påverkats av utvecklingen inom framförallt Tillämpad matematik Operationsanalys (Turing) Optimeringslära Reglerteknik metodik för att beskriva, analysera och styra tekniska system. Systemteori Formell beskrivningsmetodik för komplexa system. Cybernetik Beskriva kommunikations-och styrmekanismer av såväl teknisk som icketeknisk art. Datalogi och Datorteknik Symbolspråk för att bygga modeller. Ger möjligheter till en snabb analys. Vad är Systemanalys? Forts. Intro -11 Sammanfattning Formellt representera kunskap om ett (problemområde) system. Med hjälp av den formella representationen, Modellen, studera det aktuella systemet. Sammanfatta resultatet till ett beslutsunderlag. Syftet med studien är utgångspunkt för det systemanalytiska arbetet Arbetet genomförs i ett antal faser, det s k Systemanalytiska projektet (arbetsgången). Tekniker och redskap från ett flertal områden används i det Systemanalytiska projektet Matematik, statistik, systemteori, datalogi etc. Varför systemanalys? Intro -12 I dagens vetenskapliga arbete är det ofta inte tillräckligt att bara studera enskilda komponenter eller starkt avgränsade frågeställningar. För att förstå beteendet hos t ex biologiska eller tekniska system är det nödvändigt att också förstå relationen och samspelet mellan komponenterna. Systemanalysen ger metoder och tekniker för att just studera olika komplexa system! 4

5 System Intro -13 En mängd komponenter förenade till en helhet. Varje delkomponent har ett eget beteende och interagerar med övriga komponenter. Systemhierarki Intro -14 System Aggregationsnivå 1 etc Delsystem Delsystem Delsystem etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc etc Syftet! Systemgräns och Systemets växelverkan med omgivningen Intro -15 Bilförare Påverkan på systemet (instorhet) Systemgräns Bil Avgränsat System Störning från omgivningen Vind, Vägbeläggning Position, hastighet Systemets beteende (instorhet) 5

6 Modeller och modellering Intro -16 Mental modell (tankemodell) subjektiv En modell utgör en abstraktion eller avbildning av ett system. Modellens utseende bestäms av syftet. System och modell Intro -17 Omgivningens påverkan System Systemets beteende Abstraktion Indata Modell Modellbeteende Modelltyper Intro -18 Ikoniska modeller Skalmodeller Modelltåg, bostadsområdesmodell Analoga modeller Biologiska, elektriska eller mekaniska system representerade av en elektrisk krets, där strömmarna motsvarar flöden i systemet. Symboliska modeller Systemets komponenter och samband representeras av symboler. T ex matematiska, datastrukturer i programspråk etc. 6

7 Varför använda (formella) modeller? Intro -19 Ett verkligt system existerar inte. Får/kan/vill ej experimentera med det verkliga systemet. Dyrt, riskabelt, tidskrävande. Systemets omgivning kan ej kontrolleras. Experimentera i laboratoriemiljö! En modell kan lättare studeras, diskuteras och kritiseras. Själva modellbyggnadsprocessen ger kunskaper och erfarenheter. Bra ur pedagogiska hjälpmedel. Notera dock! Varje modell utgör en förenkling av verkligheten och måste valideras, d v s dess giltighet måste testas och verifieras. Innan den används! Problemlösningsprocessen Intro -20 Omgivningens påverkan System Systemets beteende Indataselektion Abstraktion Slutsatser Indata Modell Modellbeteende metod/lösningsteknik (Simulering, Optimering, Analytisk beskrivning, ) Vad bestämmer modellens utseende? Intro -21 Systemets art Studiens syfte Använda metoder och tekniker Modell 7

8 Det systemanalytiska projektet Intro -22 Problemvarseblivning DATA DATA DATA DATA Problemformulering Modellering Validering Problemlösning Resultatutvärdering Resultatpresentation Implementation Iterativ arbetsgång! Lösningstekniker Intro -23 Rent analytisk lösning Sällan möjlig att formulera. Operationsanalytiska Ofta optimerande. Begränsad användbarhet. Simulering Nästan generellt användbara. Vad är operationsanalys? Intro -24 Grundläggande optimeringslära Tillämpningsområden: Lagerproblem, transportproblem, produktionsplanering, Resursdimensionering, projektplanering, investeringar, beslutsteori En samling metoder för att finna optimala beslutsregler i olika praktiska problemsituationer. 8

9 Vad är simulering? Intro -25 Enligt Nationalencyklopedin: Simulering 1. Att representera ett system med ett annat i avsikt att studera dess dynamiska uppförande eller för att under laboratorieförhållanden träna behärskandet av systemet. 2. Medveten efterhärmning av sjukdomssymptom gjord i uppenbart vinstsyfte. Vad är simulering? Forts. Intro -26 Simulering = Problemlösning genom modellexperiment. Modellen överförs i form av ett exekverbart program. En experimentserie med modellen planeras och genomförs. Experimenten utvärderas => Lösningen. nästan allt kan simuleras. Latin: Simulator = Efterhärmare. Simulo = Avbilda genom härmning. Simuleringstillämpningar Intro -27 Beskrivning och analys av komplexa system Inom t ex teknik, biologi, ekologi, medicin, ekonomi. Planering och styrning av system T ex av tillverkningsprocesser, fordon, trafik, medicinsk terapi. Utbildning och träning på handhavande av system T ex med hjälp av simulatorer inom flyg, järnväg, processindustri, fordonsstyrning, företagsledning. 9

10 Språk för simulering Intro -28 Det finns en stor mängd. I kursen använder vi Powersim Trevligt gränssnitt, lätt att lära. Java med Simulabibliotek Generellt OO-språk Omfattande bibliotek. Ersätter Simula. Sammanfattning! Intro -29 System Modell Generell Systemanalytisk arbetsgång Olika sorters system, men samma metodik i problemlösningsprocessen!! Lösningsteknik: SIMULERING 10