010300_b2.v.3_modelirovanie_informacionnyh_processov

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Факультет компьютерных наук и информационных технологий
УТВЕРЖДАЮ
_______________________
"_____"__________________20___ г.
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Моделирование информационных процессов
Направление подготовки
010300 – Фундаментальная информатика и информационные
технологии
Профиль подготовки
Информатика и компьютерные науки
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Саратов
2011
2
1. Цели освоения дисциплины
Целью дисциплины является изучение фундаментальных основ теории моделирования
информационных систем и протекающих в них процессов, методики разработки
компьютерных моделей, методов и средств осуществления имитационного моделирования
и обработки результатов вычислительных экспериментов, а также формирование
представления о работе с современными инструментальными системами моделирования.
2.Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Математический и
естественнонаучный цикл. Вариативная часть» ФГОС-3.
Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные у
обучающихся в результате изучения курсов «Основы программирования», «Введение в
объектно-ориентированное программирование», «Дифференциальные и разностные
уравнения», «Теория вероятностей и математическая статистика».
Сформированные
в
процессе
изучения
дисциплины
«Моделирование
информационных процессов» компетенции, необходимы студенту при изучении
дисциплин «Моделирование комбинированных динамических систем», «Программная
инженерия», «Параллельные вычисления», «Интеллектуальные системы».
3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
 способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
 способность профессионально решать задачи производственной и технологической
деятельности с учетом современных достижений науки и техники, включая: разработку
алгоритмических и программных решений в области системного и прикладного
программирования; разработку математических, информационных и имитационных
моделей по тематике выполняемых исследований; создание информационных ресурсов
глобальных сетей, образовательного контента, прикладных баз данных; разработку
тестов и средств тестирования систем и средств на соответствие стандартам и
исходным требованиям; разработку эргономичных человеко-машинных интерфейсов (в
соответствии с профилизацией) (ПК-2);
 способность профессионально владеть базовыми математическими знаниями и
информационными технологиями, эффективно применять их для решения научнотехнических задач и прикладных задач, связанных с развитием и использованием
информационных технологий (ПК-8);
 способность осуществлять на практике современные методологии управления
жизненным циклом и качеством систем, программных средств и сервисов
информационных технологий (ПК-9);
 способность реализовывать процессы управления качеством производственной
деятельности, связанной с созданием и использованием систем информационных
технологий, осуществлять мониторинг и оценку качества процессов производственной
деятельности (ПК-12);
 способность составлять и контролировать план выполняемой работы, планировать
необходимые для выполнения работы ресурсы, оценивать результаты собственной
работы (ПК-13);
 уверенное знание теоретических и методических основ, понимание функциональных
возможностей,
следующих
предметных
областей
(ПК-25):
разработка
информационных систем; моделирование и анализ программного обеспечения;
технологии мультимедиа; архитектура и организация компьютеров; конфигурирование
и использование операционных систем; разработка и принципы сетевых технологий;
3
человеко-машинное взаимодействие; приложения и использование баз данных;
социальные и этические вопросы ИТ; анализ технических требований;
 способность квалифицированно применять в профессиональной деятельности
современные языки программирования и языки баз данных, методологии системной
инженерии, системы автоматизации проектирования, электронные библиотеки и
коллекции, сетевые технологии, библиотеки и пакеты программ, современные
профессиональные стандарты информационных технологий (ПК-27);
 способность решать задачи производственной и технологической деятельности на
высоком профессиональном уровне, включая: разработку алгоритмических и
программных решений в области системного и прикладного программирования;
разработку математических, информационных и имитационных моделей по тематике
выполняемых опытно-конструкторских работ и проектов; создание информационных
ресурсов глобальных сетей, образовательного контента, прикладных баз данных;
разработку тестов и средств тестирования систем и средств на соответствие стандартам
и исходным требованиям; разработку эргономичных человеко-машинных интерфейсов
в соответствии с профилизацией (ПК-28)







В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
основные классы моделей и методы моделирования, принципы построения моделей
информационных процессов, методы формализации, алгоритмизации и реализации
моделей с помощью современных компьютерных средств;
методы проведении вычислительных экспериментов с использованием техники
имитационного моделирования;
методы построения моделей систем различного класса с использованием
соответствующих инструментальных средств;
Уметь:
использовать основные классы моделей и методы моделирования;
использовать принципы построения моделей информационных процессов;
использовать методы формализации, алгоритмизации и реализации моделей с
помощью современных компьютерных средств.
Владеть
теоретическими основами математического и компьютерного моделирования
информационно-вычислительных систем.
4
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов (54
часa аудиторных).
№
п/
п
Раздел дисциплины
1
Общие принципы
построения моделей
информационных
процессов и систем
Объектноориентированное
моделирование
информационных
процессов и язык UML
Моделирование
информационноизмерительной
техники. Дискретные и
непрерывные
динамические системы.
Моделирование
процессов
распознавания
информации
и
нейронные сети
Моделирование систем
массового
обслуживания
2
3
4
5
ИТОГО
Сем
естр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая
самостоятельную работу
студентов и
трудоемкость (в часах)
5
1-4
Л:8
Пр:3
СP:11
5
5-7
Л:6
Пр:4
СР:11
Контрольная
работа № 1
5
8-11
Л:8
Пр:4
СР:11
Контрольная
работа № 2
5
12-15
Л:8
Пр:4
СР:11
Контрольная
работа № 2
5
16-18
Л:6
Пр:3
СР:10
Контрольная
работа № 2
Промежуточная
аттестация
36
18
54
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы
промежуточно
й аттестации
(по
семестрам)
Контрольная
работа № 1
Зачет
Раздел «Общие принципы построения моделей информационных процессов и
систем». Моделирование как метод научного познания, роль и место вычислительного
эксперимента в исследовательской деятельности. Классификация моделей: понятия
математической и компьютерной модели, имитационное моделирование. Моделирование
непрерывных, дискретных и гибридных систем. Принципы системного подхода в
моделировании. Понятия компонентного и объектно-ориентированного моделирования.
Использование моделирования при исследовании и проектировании информационных
систем. Основные подходы к математическому моделированию. Непрерывные и
дискретные, детерминированные и стохастические модели. Сетевые модели и
синхронизация событий. Общая последовательность разработки и реализации
5
компьютерных моделей информационных систем.
Практическая
работа:
Построение
математических
моделей
типовых
информационных процессов.
Самостоятельная работа: Сети Петри. Модель «процессы и ресурсы»
функционирования программ в параллельном программировании.
Раздел «Объектно-ориентированное моделирование информационных процессов
и язык UML». Базовые понятия классов и объектов. Связь объектно-ориентированного
моделирования с языками программирования. Наследование и полиморфизм в объектноориентированном моделировании, типы данных и пакеты. Унифицированный язык
моделирования UML. Использование объектно-ориентированного подхода и основные
понятия и компоненты языка. Диаграммы классов. Диаграммы вариантов использования.
Диаграммы взаимодействия. Диаграммы состояния и деятельности. Поддержка средств
документирования и сопровождения проектов в MS Visual Studio.
Практическая работа: Генерация диаграмм UML при разработке и документировании
программных решений и проектов в Microsoft Visual Studio 2010.
Самостоятельная
работа:
Изучение
свободно
распространяемых
средств
моделирования информационных процессов средствами UML.
Раздел «Моделирование информационно-измерительной техники. Дискретные и
непрерывные динамические системы». Динамические системы с точки зрения входновыходных информационных моделей математической кибернетики. Конечные автоматы
как дискретные динамические системы. Непрерывные системы в форме систем
обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений с
запаздывающими аргументами и интегродифференциальных уравнений. Типовые
элементы непрерывных динамических систем с точки зрения теории автоматического
управления. Принципы компонентного компьютерного моделирования. Иерархические
системы. Блоки и связи между ними. Ориентированные и неориентированные блоки и
связи. Неявные взаимодействия компонентов.
Практическая работа: реализация визуального компьютерного моделирования
дискретных и непрерывных динамических систем в подсистемах Simulink и Stateflow
математического пакета MATLAB. Основные библиотечные блоки. Последовательность
построения и отладки Simulink-моделей непрерывных динамических систем. Stateflow:
диаграммы состояний и графы переключений конечных автоматов. Средства анализа
результатов моделирования.
Самостоятельная
работа.
Аналог
теоремы
Коши
для
обыкновенных
дифференциальных уравнений с запаздывающими аргументами. Метод D-разбиений для
построения областей устойчивости управляемых динамических систем в пространстве
параметров обратных связей.
Раздел «Моделирование процессов распознавания информации и нейронные
сети». Понятие нейронной сети. Модели нейронов: персептроны, сигмоидальные
нейроны, адаптивные линейные нейроны и т. д. Однонаправленные многослойные сети
сигмоидального типа. Алгоритмы обучения: обратного распространения ошибки и
градиентные (наискорейшего спуска, градиентные и т.д.). Сравнение эффективности
алгоритмов обучения. Радиальные нейронные сети.
Практическая работа. Моделирование процессов распознавания средствами
расширения Neural Network Toolbox пакета MATLAB.
Самостоятельная работа: алгоритм Левенберга-Марквардта решения систем
нелинейных уравнений и обеспечение численной устойчивости процесса обучения
нейронных сетей.
Раздел «Моделирование систем массового обслуживания». Дискретно-событийный
подход к моделированию. Проблемно-ориентированный подход к моделированию систем
с очередями. Понятие о статистическом имитационном моделировании. Общие принципы
моделирования информационных и вычислительных процессов. Базовые сведения о
6
системе: объекты, переменные и выражения, функции. Модель системы: модельное время
и статистика. Внутренняя организация: списки и общая внутренняя последовательность
событий.
Практические занятия: Моделирование типовой и пиковой нагрузки в системах
массового обслуживания средствами MATLAB.
Самостоятельная работа: применение основных предельных теорем теории
вероятностей в статистическом моделировании.
5. Образовательные технологии
Рекомендуемые образовательные технологии: лекции, практические работы,
самостоятельная работа студентов.
При
проведении занятий планируется использование таких активных и
интерактивных форм занятий, как промежуточное тестирование, перекрестный опрос,
мультимедийные презентации, обсуждение результатов выполнения практических работ.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
1. Леоненков А. В. Самоучитель UML - 2-е изд. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 427 с. ;
Грэхем И. Объектно-ориентированные методы: Принципы и практика. - 3-е изд. - М. ;
СПб. ; Киев : Изд. дом "Вильямс", 2004. - 879 с.
2. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 1 : Линейные системы. - М. :
ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 287 с.; Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2 :
Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. - М. : ФИЗМАТЛИТ,
2004. – 463 с.
3. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. - М. : Финансы и статистика,
2004. - 343 с.; Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети,
генетические алгоритмы и нечёткие системы. - М. : Горячая линия - Телеком, 2006. 383 с.
б) дополнительная литература:
1. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: Идеи. Методы.
Примеры. – М. : Наука: Физ.-мат. лит, 2005. – 316 c.
2. Ввседение в математическое моделирование / Под ред. П. В. Трусова. – М. : Логос,
2004. – 439 c
3. Сирота А. А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем –
М. : Техносфера, 2006. - 279 с.
4. Ван дер Аалст В., Ван Хей К. Управление потоками работ. Модели, методы и системы; /
под ред. И. А. Ломазовой. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2007.
5. Ануфриев И. Е., Смирнов А. Б., Смирнова Е. Н. Matlab 7: учеб. пособие - СПб. : БХВПетербург, 2005. - 1080 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Система программирования Microsoft Visual Studio 2010 (MS Visual C#).
Система компьютерной математики MATLAB 2008 b.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекционная аудитория с возможностью демонстрации электронных презентаций при
7
уровне освещения, достаточном для работы с конспектом.
Компьютерный класс, оснащенный соответствующим программным обеспечением.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки
«Информатика и компьютерные науки».
Автор
профессор
___________
Д. К. Андрейченко
Программа одобрена на заседании кафедры математического обеспечения
вычислительных комплексов и информационных систем от «___» _______ 2011 года,
протокол № ____.
И. о. зав. кафедрой
математического обеспечения вычислительных
комплексов и информационных систем,
профессор
Декан факультета КНиИТ,
доцент
___________
Д. К. Андрейченко
___________
А. Г. Федорова