4042
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
Лесоустроительное моделирование и АСУ-лесхоз
Методические указания для самостоятельной работы студентов специальности 260400 (250201) – Лесное хозяйство (электронный ресурс)
Воронеж 2013
2
УДК 630*5.001.57
Сериков, М. Т. Лесоустроительное моделирование и АСУ-лесхоз [Электронный ресурс] : методические указания для самостоятельной работы студентов специальности 260400 (250201) – Лесное хозяйство / М. Т. Сериков, А. В. Мироненко, А.Н. Водолажский ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2013. – 43 с.
Издаѐтся по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА».
Рецензент, ведущий специалист ФГУП «Рослесинфорг» «Воронежлеспроект» Кабанцов А.П.
3
Введение
Диалоговый вычислительный комплекс позволяет выполнять лабораторные работы в автоматизированном режиме, т.е. осуществлять математическое моделирование с помощью вычислительного эксперимента. В состав вычислительного комплекса входит пакет программного обеспечения, особенности работы с которым описаны в настоящих методических указаниях, дополняющих учебное пособие «Основы математического моделирования в лесоустройстве» [1].
Вычислительный комплекс инсталлирован (установлен) на жесткий диск персонального компьютера (ПК) и запускается на выполнение с помощью ярлыка на «Рабочем столе».
Для выполнения лабораторных работ необходимо:
1)получить у преподавателя индивидуальные задания – исходные данные для математического моделирования на примере проведения ряда вычислительных экспериментов;
2)иметь знания и элементарные навыки работы на ПК, полученные в ходе освоения учебных дисциплин «Информатика», «Моделирование экосистем»;
3)при прослушивании курса лекций усвоить специальную терминологию, приведенную в кратком словаре терминов учебного пособия [1];
4)иметь стандартные листы бумаги формата А4 для написания пояснительной записки курсовой работы с использованием расчѐтнографических материалов лабораторных работ.
1. Порядок работы на персональном компьютере
Включение персонального компьютера осуществляется кнопкой на передней панели системного блока. Загрузка операционной системы Windows XP происходит автоматически. Запуск диалогового вычислительного комплекса для выполнения расчѐтов выполняется двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «Моделирование», расположенном на «Рабочем столе» ПК в папке «Моделирование в лесоустройстве».
4
После запуска вычислительного комплекса на экране ПК появится диалоговое окно, в верхней строке которого расположено меню (рис.1)
Рис.1 Главное меню программы
Завершение работы в программе производится щелчком левой кнопкой мыши на пункте №3 – «Выход» или на красной кнопке в правом верхнем углу диалогового окна программы.
2. Объѐм и содержание лабораторных работ
Лабораторные работы выполняются в течение девятого семестра. Для этого отводится 24 часа учебного времени. Кроме того, комплексное изучение учебных материалов осуществляется в ходе самостоятельной работы студентов - 40 часов, лекций - 16 часов. Всего – 80 часов.
Лабораторные работы состоят из четырех частей. Они начинаются разделом: «Введение в математическое моделирование. Этапы вычислительного эксперимента», в котором преследуется цель развить навыки общения с ПК, помочь усвоить содержание каждого этапа вычислительного эксперимента, реализуя системный подход к процессу моделирования на элементарном примере.
Вторая и третья части лабораторных работ носят профессиональноприкладной характер и посвящены математическому моделированию лесоустроительных нормативов, характеризующих статическое состояние объектов и процессы их развития. Четвертая часть посвящена вычислительному эксперименту по моделированию динамики лесного фонда.
5
3. Пояснительная записка к разделам курсовой работы, выполняемой по результатам лабораторных работ
Курсовая работа выполняется по результатам целого ряда вычислительных экспериментов, осуществляемых в ходе лабораторных работа. Она оформляется на стандартных листах формата А4 в пределах пронумерованных разделов. Каждый подраздел должен содержать табличные формы исходных данных либо результатов счѐта, их графические иллюстрации и пояснительную записку. Наиболее ответственным моментом является составление пояснительной записки, которая должна носить конкретный характер, анализируя каждый вычислительный эксперимент по всем его этапам. При завершении работы, материалы подлежат брошюровке в папке с обложкой, распечатанной на ПК. Завершенная работа подлежит защите с дифференцированной оценкой.
3.1 Выполнение 1-го раздела курсовой работы
Курсовую работу следует начинать с раздела:
«1. Введение в математическое моделирование. Этапы вычислительного эксперимента на примере игральной кости» (в курсовой работе без кавычек).
Порядок выполнения следующий.
Необходимо тщательно изучить пояснения к разделу или подразделу, помещенные в настоящем методическом указании и учебном пособии [1]. По ходу уяснить встретившиеся не совсем понятные термины по краткому словарю терминов этого пособия.
У преподавателя получить исходные данные для проведения вычислительного эксперимента и внимательно ознакомиться с ними, уяснив описание моделируемого объекта или процесса и сущность задачи.
Произвести на персональном компьютере необходимые вычисления с распечаткой результатов и их интерпретацией.
При необходимости выполнить графические иллюстрации в виде рисунков и графиков.
Составить пояснительную записку к полученным распечаткам (таблицам) и рисункам, начиная писать еѐ текст сразу после заголовка, а таблицы и рисунки размещая по тексту. Начинать надо с определения, что такое
6
вычислительный эксперимент, нарисовать схему его этапов, обозначив еѐ как рис.1.1. В учебном пособии [1] она приведена на рис. 2.6.
Пояснительная записка каждого подраздела должна содержать описание и анализ каждого этапа вычислительного эксперимента, изображенного на этой схеме. В качестве примера в этом пособии составлена пояснительная записка для модели бросания игральной кости. Можно воспользоваться этим материалом как аналогией, а чтобы не случилось простого переписывания нужно:
а) выполнить расчѐты по индивидуальным заданиям, полученным у преподавателя;
б) выполнить раздел 1, состоящий из двух подразделов: “1.1. Решение дескриптивной задачи”,
“1.2. Оптимизационное имитационное моделирование”, добившись тем самым разделение задачи.
Задача для 1.1: “Определить расчѐтную вероятность или относительную частоту выпадения каждого числа очков (k) для конкретной серии бросков” (указать количество бросков). Величину серии для еѐ подстановки в формулировку данной задачи согласовать с преподавателем. Вычислительный эксперимент, направленный на решение этой задачи, должен быть проанализирован и описан по всем этапам.
В ходе реализации вычислительного эксперимента (1.1) после описания модели и алгоритма следует привести блок-схему алгоритма, которая использовалась для составления программы. Блок-схема – структурная форма алгоритма, обозначить еѐ как рис.1.2.
Получение распечатки программы производится на ПК путем выбора из главного меню пункта “1. Программы”, а затем подпункта “1.1 Моделирование числа, выпавшего при бросании игральной кости (дескриптивная задача)”.
На экране ПК появится диалоговое окно, показанное на рис.2.
7
Рис.2 Программа расчѐта чисел, выпадающих при бросании игральной кости
После ввода длины серии и нажатия кнопки «Начать броски» программа начнет имитацию бросков игральной кости, реализуя алгоритм, использующий генератор случайных чисел, с одновременным подсчѐтом количества выпадений каждой грани. В диалоговом окне данной программы после окончания расчѐта появится таблица с результатом эксперимента (рис.3).
8
Рис.3 Результаты счѐта по программе имитации бросания игральной кости
Для лучшего понимания закономерностей данного вычислительного эксперимента, можно запустить расчѐт несколько раз, вводя различную длину серии бросков, при этом, анализируя относительную частоту выпадения каждой грани, а также обратить внимание, как изменяется разница между максимальной и минимальной частотой выпадения граней игральной кости с увеличением длины серии бросков.
В завершении нужно ввести длину серии бросков, согласованную с преподавателем и, получив на экране таблицу расчѐта, нажать на командную кнопку в левом нижнем углу диалогового окна с обозначением принтера (рис.3) для получения распечатки результатов счѐта на принтере.
Далее все оформляется как в примере учебного пособия, вплоть до анализа результатов счѐта.
Затем меняем задачу, делая еѐ оптимизационной. Еѐ решение осуществляется в лабораторной работе к разделу 1.2.
9
Задача для 1.2: «Определить “лучшее” количество бросков при критериях оптимальности: число бросков наименьшее для достижения приблизительного равенства расчѐтной вероятности выпадения чисел до … (указывается конкретная величина разницы)».
Эту величину разницы между максимальной и минимальной относительной частотой выпадения граней кубика задаѐт студенту преподаватель. Она должна фиксироваться в тексте задачи.
На рис. 4 показано диалоговое окно программы «1.2 Моделирование чисел, выпавших при бросании игральной кости (оптимизационная задача)».
Рис. 4 Программа решения оптимизационной задачи
В качестве исходных данных в программу вводится критерий оптимальности − заданная разница между максимальной и минимальной относительной частотами выпадения граней игральной кости. После команды «Начать броски» программа, используя итерационный метод (метод перебора вариантов), автоматически увеличивая длину серии бросков с 1000 до 1000000,
10
подбирает такое количество бросков, при котором разница вероятностей выпадения граней совпадет с заданной разницей.
ВНИМАНИЕ! Не следует вводить заданное число меньше 0.01, т.к. поиск оптимальной серии бросков может затянуться во времени. Если все же программа очень долго выполняет расчѐт, можно прервать процесс нажатием клавиши «ESC»
Распечатка результатов счѐта выполняется, как и в предыдущей программе. При составлении пояснительной записки к 1.2 описание сходных с 1.1 этапов вычислительного эксперимента можно не выполнять, отразив лишь особенности. Более подробно следует анализировать логические рассуждения
(умозаключения) при выборе оптимальной серии бросков. Итак, порядок работы над разделом 1:
Прочитать указанную выше информацию в учебном пособии. Выбрать самостоятельно длину серии бросков N для решения дескриптивной задачи. Получить у преподавателя величину разницы вероятности выпадения чисел (Ymax-Ymin) для решения оптимизационной задачи. Набрать и распечатать текст программы счѐта на языке БЕЙСИК, произвести счѐт для решения дескриптивной задачи, затем оптимизационной. Написать пояснительную записку, озаглавив еѐ раздел и подразделы, помещая по еѐ тексту распечатки, блок-схему, текст программы, результаты счѐта (можно наклеивать).
3.2 Выполнение раздела «2. Моделирование лесоустроительных нормативов для таксации растущих деревьев в статике»
В качестве примера предлагается построить объѐмные таблицы по разрядам высот для конкретной породы, используя математическую модель образующей стволов. Метод математического моделирования значительно снижает трудоѐмкость выполнения задачи, так как не требует привлечения материалов большой статистической выборки и предполагает использование ЭВМ. Достаточно одного модельного дерева – среднего или модального, в зависимости от выбранной цели моделирования. Важно не ошибиться в подборе такого дерева, поскольку математическая модель образующей еѐ ствола будет распространена на всю генеральную совокупность.
О принципах расчѐта параметров модельного дерева прочитайте в учебном пособии [1], где рассматривается определение диаметров ствола, однако, более важным показателем при выполнении задания является форма ствола. Чаще