CC BY
29Возможности применения метода имитационного моделирования в школьном курсе информатики на примере моделирования работы железнодорожной станции
Новгородцева Татьяна Юрьевна,
к.т.н., доцент, кафедра «Информатики и методики обучения информатике», ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет» E-mail: [email protected]
Лесников Иван Николаевич,
к.э.н., доцент, кафедра «Информатики и методики обучения информатике», ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет» E-mail: [email protected]
Дядькин Юрий Алексеевич,
старший преподаватель, кафедра «Информатики и методики обучения информатике», ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет» E-mail: [email protected]
Родионов Алексей Владимирович,
к.т.н., доцент, кафедра «Информатики и методики обучения информатике», ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет» E-mail: [email protected]
Ляшенко Светлана Александровна,
студент, кафедра «Информатики и методики обучения информатике», ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет» E-mail: [email protected]
Имитационное моделирование является одним из самых сложных разделов в школьном курсе информатики. В связи с этим в статье представлена проблема повышения мотивации к обучению школьников образовательных учреждений «РЖД», их дальнейшей ориентации на обучение в сфере железнодорожного транспорта. Здесь рассматривается метод имитационного моделирования, особенности его применения и преемственность использования данного метода учителями информатики в процессе обучения школьников. Также в статье описываются библиотеки, входящие в состав программы для изучения метода имитационного моделировании AnyLogic, которые позволят моделировать движение поездов с помощью железнодорожной библиотеки, движение пешеходов с помощью пешеходной библиотеки и моделировать взаимодействие пешеходов с прибывающими поездами с помощью библиотеки моделирования процессов. Моделирование и проведение эксперимента с помощью программного средства AnyLogic происходит с использованием в совокупности с пешеходной, железнодорожной библиотекой и библиотекой моделирования процессов. Для примера приведён компьютерный эксперимент, который показывает особенности работы двух железнодорожных станций и анализ полученных результатов в ходе работы модели при изменении основных показателей. Такая модель работы железнодорожной станции позволит школьникам понимать работу «железной дороги».
Ключевые слова: имитационное моделирование, железнодорожная станция, информатика.
На сегодняшний день компания ОАО «Российские Железные Дороги» является крупнейшей российской государственной компанией. На данный момент данная организация насчитывает 275 общеобразовательных учреждений, в которых обучаются и воспитываются около 42 тыс. детей. В свою очередь, компания ставит задачу перед школами и лицеями «РЖД», которая заключается в том, что выпускники (не менее 60-70%) должны выбрать после окончания 11 класса техникумы, колледжи и ВУЗы железнодорожного транспорта. Исходя из этого, перед администрацией и педагогами образовательных учреждений «РЖД» возникает весомый вопрос: каким образом можно повысить мотивацию обучающихся и ориентировать их на выбор дальнейшего образования в образовательных учреждениях железнодорожного транспорта.
Стоит отметить, что мотивация обучающихся должна быть комплексной, а именно, со стороны образовательной организации должны быть выработаны методики обучения, которые являются некими ориентирами на сферу железнодорожного транспорта для обучающихся.
Разработка новых методик или коррекция устаревших должна вестись не только среди педагогов дополнительного образования, но и среди предметных объединений педагогов образовательных организаций, поскольку основную массу времени дети проводят, получая новые знания во время основного и обязательного учебного процесса.
Цель работы заключается в обосновании актуальности использования метода имитационного моделирования в школе на примере построения имитационной модели железнодорожной станции. Проект реализован в программном средстве АпуЬодю, в котором обеспечивается ввод исходных данных, их обработка, исполнение алгоритма имитации нужного процесса и получение необходимых выходных данных.
Задачи, решаемые в ходе выполнения проекта:
- Обосновать преемственность использования метода имитационного моделирования в школе;
- Обзор железнодорожной библиотеки программного средства АпуЬодю;
- Создать формализованное описание модели;
- Провести модельный эксперимент на AnyLogic;
- Проанализировать полученные результаты. Метод имитационного моделирования может выступать одним из лучших инструментов в школьном курсе информатики. Данный метод имеет широкое практическое применение со вре-
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
мён СССР (в 1960-1980 гг.) [3]. В тот промежуток времени с помощью имитационного моделирования люди обрабатывали многие значимые практические задачи регионального уровня, а также многих отраслей и предприятий. Но в период с конца 1980-х и в 1990-е годы стремительное развитие приостановилось [4].
Обращая внимание на сферу экономики, стоит сказать, что Россия и Страны СНГ на данный момент практически не применяют имитационное моделирование в разрешении экономических задач, в то время как США и страны Европы активно используют имитационное моделирование для решения данного круга задач. Эксперты отмечают, что на данный момент ситуация оборачивается в лучшую сторону, так как отдельные негосударственные организации начинают использовать или уже применяют методы имитационного моделирования в своих проектах экономической направленности [1].
На сегодняшний день самыми распространёнными областями применения методов имитационного моделирования в России являются следующие отрасли:
- металлургия;
- лёгкая промышленность;
- электроника;
- железные дороги;
- судостроение и авиастроение;
- пищевая промышленность;
- строительство военной техники.
Большинство моделей применяют для исследования и анализа детальных объектов производства, работы технического оборудования, а также для выбора оптимальной стратегии планирования, управления ресурсами, логистическими процессами и т.п [2].
В средних образовательных школах Российской Федерации, в том числе и в общеобразовательных школах «РЖД», несмотря на очевидную пользу, не обучают основам имитационного моделирования.
Необходимость знакомства школьников с методом имитационного моделирования должна быть обоснована тем, что у них должна формироваться культура моделирования и принятия решений, поскольку сначала необходимо обдумать последствия и составить соответствующий план, затем - действовать.
Использование железнодорожной библиотеки программного средства AnyLogic даёт возможность моделирования, а также визуализации работы железной дороги разной сложности и масштаба. Данная библиотека предоставляет возможности планирования и управления транспортными средствами железнодорожной сферы.
Логика движения поездов задаётся с помощью диаграммы процесса, в то же время каждый поезд обладает своими определёнными свойствами о и имеет некоторые состояния.
Железнодорожная библиотека имеет целый на-еЗ бор различных инструментов для моделирования, ав которые способствуют упрощению задач планиро-
вания, оптимизирования железнодорожных перевозок и т.д.
В библиотеке содержится семь объектов:
- Тга^оигсе (создает поезд, размещает на пути и включает агента-поезд в процесс);
- TrainDisponce (убирает поезд из модели);
- TrainMoveTo (регулирует движение поезда -вперёд или назад);
- ТгатСоир1е (соединяет вагоны, касающиеся друг друга);
- Тгат0есоир1е (отсоединяет заданное количество вагонов, при этом создавая новый поезд из отсоединенных вагонов);
- ТгатЕ^ег (помещает агент-поезд на заданный путь конкретной железнодорожной сети, используется обычно в связке с ТгатЕхй);
- ТгатЕхй (извлекает из сети и передает заявку-поезд в диаграмму процесса, используется обычно в связке с ТгатЕ^ег).
Библиотека позволяет анимировать пути, стрелки и вагоны в виде 3D анимации, что позволяет наглядно показать преимущества и недостатки разработанной имитационной модели [5].
Для демонстрации работы железнодорожной библиотеки нами была построена модель, которая сочетает в себе следующие компоненты: электропоезда, пассажиры и пригородное сообщение. Все перечисленные компоненты взаимодействуют друг с другом. Основная часть моделирования состоит в создании агентной модели.
Для создания модели были использованы три библиотеки: железнодорожная, пешеходная и библиотека моделирования процессов.
Платформа! Платформа^
Рисунок 1. Модель местности и расположения ж/д путей в 20
Компоненты библиотек, входящие в состав диаграммы процесса взаимосвязаны между собой и представляют единую систему движения поездов и пассажиров, а также взаимодействия агентов-пассажиров с агентами-поездами. Модель местности и расположения железнодорожных путей в 20-изображении продемонстрированы на рис. 1.
На рис. 2 эта же модель демонстрируется в 30-изображении.
Рисунок 2. Модель местности и расположения ж/д путей в 30
Здесь мы видим два железнодорожных пути и две железнодорожные станции, на каждой из которых располагается две платформы. Пассажиры выбирают платформу, соответствующую направлению движения поезда.
На рис. 3 демонстрируется работа модели, а именно взаимодействие пассажиров с прибывшим поездом к станции 1.
Таблица 2. Описание диаграммы процесса поездов на ж/д пути 1(пешеходная библиотека)
Рисунок 3. Взаимодействие пассажиров с прибывшим поездом
Здесь электропоезда генерируются блоком sourceTrain1 (играет роль депо). Диаграмма процесса для движения поездов по первому пути и перемещения пассажиров представлена на рис. 4. Рассмотрим таблицу 1, в которой описываются блоки железнодорожной библиотеки для поездов, появляющихся на первом пути.
Рисунок 4. Диаграмма процесса 1
Таблица 1. Описание диаграммы процесса поездов на ж/д пути 1(ж/д библиотека)
Блок Описание
Задаёт направление движения поезда по пути 1 после его появления в модели к платформе 1.
Задаёт направление движения поезда по пути 1 от платформы 1 (станция Л) до платформы 2 (станция B).
toTrainExit1 Задаёт направление движения поезда от платформы 2 (станция В) к точке выхода поезда из модели.
^атЕхК1 Удаляет поезд из модели.
Мы видим, что в диаграмме процесса также содержатся блоки пешеходной библиотеки. Появление пассажиров генерируется блоком soursePeople1. Описание блоков представлено в таблице 2.
Для того, чтобы все блоки образовали единый процесс, необходимо использовать блоки библиотеки моделирования процессов, описание которых представлено в таблице 3.
Рассмотрим процесс 2, где моделируется движение и взаимодействие с пассажирами поездов, появляющихся на пути 2 (рис. 5).
Блок Описание
Задаёт ожидание пассажиров прибывающего поезда к станции Л.
доТоРМопп1 Направляет пассажира к точке посадки в поезд с платформы 1 станции Л.
до1пТгат1 Осуществляет посадку пассажира в прибывший поезд.
доОиСТгат1 Осуществляет выход пассажира из поезда на платформу 2 станции В.
доТоЕхй1 Задаёт направление движения пассажира к точке выхода из модели на платформе 2 станции В.
реор1еЕхй1 Удаляет пассажира из модели
Таблица 3. Описание диаграммы процесса поездов на ж/д пути 1(библиотека моделирования процессов)
Блок Описание
stopPlatform1 Задерживает поезд на станции Л на время стоянки у платформы 1.
рюкир1 Выбирает на станции первых доступных 400 пассажиров
тТгат1 Моделирует очередь пассажиров на платформе 1.
dropoff1 Удаляет пассажиров из поезда и пересылает их на платформу 2 станции В.
stopPlatform2 Задерживает поезд на станции В на время стоянки у платформы 2.
Аналогично рассмотрим описание всех блоков, входящих в диаграмму процесса 2 (табл. 4). Электропоезда в данном процессе генерируются блоком sourceTrain2, а пассажиры - блоком soursePeople2.
Рисунок 5. Диаграмма процесса 2
Таблица 4. Описание диаграммы процесса поездов на ж/д пути 2
Блок Описание
Железнодорожная библиотека
^Р^отЗ Задаёт направление движения поезда по пути 2 после его появления в модели к платформе 3.
Задаёт направление движения поезда по пути 2 от платформы 3 (станция В) до платформы 4 (станция Л).
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о т О от
З
и о со
Окончание
о с
и
Блок Описание
toTrainExit2 Задаёт направление движения поезда от платформы 4 (станция Л) к точке выхода поезда из модели.
^атЕхй2 Удаляет поезд из модели.
Пешеходная библиотека
wait2 Задаёт ожидание пассажиров прибывающего поезда к станции В.
goToPlatform3 Направляет пассажира к точке посадки в поезд с платформы 3 станции В.
goInTrain2 Осуществляет посадку пассажира в прибывший поезд.
goOutTrain2 Осуществляет выход пассажира из поезда на платформу 4 станции Л.
goToExit2 Задаёт направление движения пассажира к точке выхода из модели на платформе 4 станции Л.
peopleExit2 Удаляет пассажира из модели
Библиотека моделирования процессов
stopPlatform3 Задерживает поезд на станции В на время стоянки у платформы 3.
pickup2 Выбирает на станции первых доступных 400 пассажиров
тТгат2 Моделирует очередь пассажиров на платформе 3.
dropoff2 Удаляет пассажиров из поезда и пересылает их на платформу 4 станции Л.
stopPlatform4 Задерживает поезд на станции Л на время стоянки у платформы 4.
Проведём модельный эксперимент. Для начала зададим начальные значения для генерации пассажиров и поездов. Предположим, что на станцию А приходит 25 человек в минуту, в то время как на станцию В - 20 человек в минуту. Необходимо проверить, при каких условиях удастся перевезти 1000 пассажиров с одной и другой станции в течение часа.
Считаем, что вместимость одного вагона электропоезда - 100 человек. Запустим поезда с одним вагоном. Время между прибытиями поездов считаем равным 10 минут, а время стоянки на каждой станции - 2 минуты.
Так как время между прибытиями равно 10 минут, тогда за час должно пройти 5 поездов, следовательно, установим количество прибытий, равное 5.
Результат первого эксперимента представлен на рисунке 6.
Исходя из эксперимента, можно заметить, что при вместимости одного вагона (100 человек) не удалось перевести за час 1000 заявленных в плане пассажиров. Добавим по одному такому же вагону к каждому поезду и проверим работу модели.
Результат второго эксперимента представлен на рисунке 7.
Исходя из второго эксперимента, можно сделать вывод о том, что двух вагонов будет достаточ-
но для перевозки 1000 пассажиров за час. Но план не выполнен в полной мере для станции В. Интенсивность прибытия пассажиров на станцию В составляет 20 чел/мин, можно предположить, что пассажиры не успевают дойти до поезда, поэтому следует увеличить время стоянки поезда. На данный момент время стоянки составляет 2 минуты в первом и во втором случаях. Увеличим для поездов второго пути время стоянки до 3 минут.
Рисунок 6. Результат первого эксперимента
Рисунок 7. Результат второго эксперимента
Результат 3 эксперимента представлен на рисунке 8.
Рисунок 8. Результат третьего эксперимента
Таким образом, для заданных условий данной модели было установлено, что для выполнения ежечасного плана будет достаточно использовать поезда с двумя вагонами, однако время стоянки поездов на станции В необходимо увеличить до 3-х минут, в противном случае пассажиры не успевают на поезд и план не выполняется в полном объёме.
В данном примере не были задействованы все возможности программы, однако видно насколько просто и наглядно можно проектировать модели различных процессов. С помощью АпуЦодю есть возможность не только увидеть проблемы моделируемого процесса, но и устранить их.
Такой подход к имитационному моделированию, по нашему мнению, является наиболее интересным и современным, поскольку можно не только построить диаграмму процесса, но и настроить его визуализацию, в которой действия и сама обстановка могут быть приближенными к реальности, что несомненно поможет повысить мотивацию школьников.
Моделирование процессов в железнодорожной сфере с помощью программного средства АпуЦодю поможет обучающимся понять, каким образом взаимодействуют между собой объекты на железной дороге, начиная от самых простых задач, содержащих всего один путь железной дороги и расширяя задачу до моделирования движения целой системы поездов, находящихся на нескольких путях, соединённых узлами.
Подводя итог, стоит отметить, что для обучения методу имитационного моделирования необходимо внедрять курсы, которые будут посвящены непосредственно обучению основам имитационного моделирования, и сочетать в себе большой объём интересных практических заданий, выполняемых с помощью программного средства АпуЦодю. Помимо этого, метод имитационного моделирования в сочетании с АпуЦодю прекрасно подойдёт для работы с обучающимися над индивидуальными проектами.
Литература
1. Борщев А.В. Применение имитационного моделирования в России - состояние на 2007 г. [Текст] // Имитационное моделирование. Теория и практика: Сборник докладов третьей всероссийской научно-практической конференции ИММОД2007. Том 1. - СПб.: ФГУП ЦНИИТС, 2007. - с. 11-16.
2. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. / Пер с англ.; Под ред. Ю.П. Адлера и В.Н. Варыгина [Текст] - М.: Статистика, 1978. - Вып.1-221 с.; Вып.2-335 с.
3. Кобелев Н.Б. Основы экономического моделирования сложных экономических систем [Текст] - М.: Вузовский учебник, 2015. 139 с.
4. Рыжиков Ю.И. Аналитический обзор. Имитационное моделирование. Теория и практика. (ИМ-МОД 2005), Том II [Текст] - СПб.: ФГУП ЦНИИ технологии судостроения, 2005. С. 1-14.
5. Help - Anylogic Simulation Software. Железнодорожная библиотека [Электронный ресурс] / URL: https://help.anylogic.ru/index.jsp?nav=%2F0 (дата обращения: 7.05.20)
possibilities of using the simulation method in the school computer science course on the example of modeling the operation of a railway station
Novgorodtseva T. Yu., Lesnikov I.N., Dyadkin Yu.A., Rodionov A.V., Lyashenko S.A.
Irkutsk State University
Simulation is one of the most difficult sections in the school course in computer science. In this regard, the article presents the problem of increasing the motivation for teaching schoolchildren of educational institutions of Russian Railways, their further focus on training in the field of railway transport. Here we consider the method of simulation modeling, the features of its application and the continuity of the use of this method by computer science teachers in the process of teaching students. The article also describes the libraries that are part of the program for studying the AnyLogic simulation method, which will allow you to simulate the movement of trains using a railway library, the movement of pedestrians using a pedestrian library and simulate the interaction of pedestrians with arriving trains using a process modeling library. Modeling and conducting an experiment using the AnyLogic software tool occurs in conjunction with a pedestrian, railway library and a process modeling library. For example, a computer experiment is shown that shows the features of the operation of two railway stations and the analysis of the results obtained during the operation of the model when the main indicators change. This model of the railway station will allow students to understand the work of the «railway».
Keywords: Simulation modeling, railway station, computer science. References
1. Borshchev A.V. Primenenie imitatsionnogo modelirovaniya v Rossii - sostoyanie na 2007 g. [Application of simulation modeling in Russia-state of 2007] [Text] // Imitatsionnoe mode-lirovanie. Teoriya i praktika: Sbornik dokladov tret'ey vserossi-yskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii IMM0D-2007. Tom 1. SPb.: FGUP TsNIITS. 2007. - s. 11-16. [in Russian]
2. Klejnen Dzh. Statisticheskie metody v imitacionnom modelirova-nii. / Per s angl.; Pod red. YU.P. Adlera i V.N. Varygina [Statistical methods in simulation modeling. / Translated from English; edited by Yu.P. Adler and V.N. Varygin] [Text] - M.: Statistika, 1978. - Vyp.1-221 s.; Byp.2-335 s. [in Russian]
3. Kobelev N.B. Osnovy ekonomicheskogo modelirovaniya slozh-nyh ekonomicheskih sistem [Fundamentals of economic modeling of complex economic systems] [Text] - M.: Vuzovskij ucheb-nik, 2015. 139 s. [in Russian]
4. Ryzhikov YU.I. Analiticheskij obzor. Imitacionnoe modelirovanie. Teoriya i praktika. (IM-M0D2005), Tom II [Analytical review. Simulation modeling. Theory and practice. (IM-M0D2005), Volume II] [Text] - SPb.: FGUP CNII tekhnologii sudostroeniya, 2005. S. 1-14. [in Russian]
5. Help - Anylogic Simulation Software. ZHeleznodorozhnaya bib-lioteka [Help - Anylogic Simulation Software. Railway library] ° [Electronic resource] / URL: https://help.anylogic.ru/index. Р jsp?nav=%2F0 (accessed: 7.05.20) [in Russian] g
m
IE IE О m
П m 1=1
m
C3
m О от
З
ы о со
