Simulátor výtahu

Téma: Objektově orientované programování, simulace, fronty a algoritmy plánování.

Úloha „Simulátor výtahu“ modeluje provoz výtahu v budově s několika patry.
Cílem je navrhnout a implementovat systém, který obsluhuje požadavky cestujících podle zvolené strategie.

Princip problému

Výtah je fyzický systém, který:

• má aktuální patro (CurrentElevatorFloor) a směr pohybu (CurrentElevatorDirection: nahoru / dolů / nečinný),
• spravuje čekající požadavky (PendingRequests) – cestující čekající na vyzvednutí,
• spravuje aktivní cestující (ActiveRiders) – cestující uvnitř výtahu směřující k cílovým patrům.

Každý krok simulace (TickOneTimeUnit) představuje jednu časovou jednotku:

• výtah se může pohnout o jedno patro (MoveUp/MoveDown),
• výtah může otevřít dveře (OpenDoors) – vyložit a naložit cestující,
• výtah může čekat nečinně (NoAction),
• během simulace průběžně přicházejí nové náhodné požadavky.

Myšlenka algoritmu

Chování výtahu závisí na zvolené strategii obsluhy (IElevatorStrategy), která rozhoduje o dalším kroku.

Implementované strategie:

1. FIFO (First-In-First-Out) – obsluhuje požadavky v pořadí příchodu:
   • Nejprve vyloží první aktivní cestující, pokud je na cílovém patře
   • Poté vyzvedne čekající cestující z prvního požadavku, pokud je na správném patře
   • Jinak se pohybuje směrem k cíli prvního požadavku/cestujícího

Další strategie lze implementovat rozšířením rozhraní IElevatorStrategy.

🏆 Turnaj strategií

Aplikace nyní podporuje turnajový režim, který automaticky:

• Objeví všechny strategie v projektu
• Spustí každou strategii na více různých scénářích (seedech)
• Agreguje statistiky a vytvoří žebříček výkonnosti
• Seřadí strategie podle průměrné celkové doby (lower is better)

Jak přidat novou strategii:

1. Vytvořte novou třídu ve složce Strategies/
2. Implementujte IElevatorStrategy
3. Strategie se automaticky objeví v turnaji!

Detailní návod: viz TURNAJ_NAVOD.md

Konfigurace turnaje v Program.cs:

• TournamentMode = true/false – zapne/vypne turnajový režim
• TournamentSeeds = { 42017, 12345, 99999, 54321, 77777 } – pole seedů pro různé scénáře (výchozí: 5 seedů)

Implementované třídy

Hlavní komponenty

• ElevatorSystem – řídící třída výtahu s vlastnostmi:

  • CurrentElevatorFloor – aktuální patro
  • CurrentElevatorDirection – směr pohybu
  • PendingRequests – čekající požadavky
  • ActiveRiders – cestující ve výtahu
  • Statistics – sledování metrik

• RiderRequest – požadavek cestujícího:

  • From – výchozí patro
  • To – cílové patro
  • CreatedAt – čas vytvoření požadavku
  • PickedUpAt – čas vyzvednutí
  • CompletedAt – čas dokončení

• Building – konfigurace budovy (min/max patro, validace)

• Statistics – sledování výkonnosti strategie:

  • Průměrná doba čekání na vyzvednutí
  • Průměrná doba cesty
  • Průměrná celková doba
  • Celkový kumulativní čas (hlavní metrika pro porovnání)

Turnajový systém

• StrategyTournament – správa turnaje strategií:

  • Automatické objevování všech strategií v projektu
  • Spuštění každé strategie na více seedech
  • Agregace statistik přes všechny běhy
  • Seřazení výsledků podle průměrné celkové doby

• StrategyResult – výsledek jedné strategie v turnaji:

  • Název strategie
  • Agregované statistiky (průměrné časy, počet dokončených požadavků)

Příklad výstupu

Režim turnaje

=== ELEVATOR SIMULATION ===

🏁 STARTING STRATEGY TOURNAMENT
   Testing with 5 different scenarios (seeds)

📋 Found 2 strategies:
   - FIFO
   - NEARESTFIRST

Running FIFO...
  Seed 1/5 (seed=42017): Completed=9, Avg Total=47,22, Avg Wait=42,56
  Seed 2/5 (seed=12345): Completed=8, Avg Total=35,12, Avg Wait=29,50
  Seed 3/5 (seed=99999): Completed=7, Avg Total=30,00, Avg Wait=26,57
  Seed 4/5 (seed=54321): Completed=3, Avg Total=29,33, Avg Wait=22,67
  Seed 5/5 (seed=77777): Completed=6, Avg Total=31,83, Avg Wait=26,83
  → Overall: Avg Total Time = 36,00

Running NEARESTFIRST...
  Seed 1/5 (seed=42017): Completed=9, Avg Total=34,78, Avg Wait=30,11
  Seed 2/5 (seed=12345): Completed=8, Avg Total=34,12, Avg Wait=28,50
  Seed 3/5 (seed=99999): Completed=7, Avg Total=30,00, Avg Wait=26,57
  Seed 4/5 (seed=54321): Completed=3, Avg Total=27,67, Avg Wait=21,00
  Seed 5/5 (seed=77777): Completed=6, Avg Total=23,33, Avg Wait=19,50
  → Overall: Avg Total Time = 30,00

====================================================================================================
TOURNAMENT RESULTS - RANKED BY AVERAGE TOTAL TIME
====================================================================================================

Rank   Strategy             Avg Total    Avg Wait     Avg Travel   Completed 
----------------------------------------------------------------------------------------------------
1      NEARESTFIRST         30,00        26,00        4,00         33        
2      FIFO                 36,00        31,00        5,00         33        
====================================================================================================

🏆 WINNER: NEARESTFIRST with average total time of 30,00 steps

Režim jedné strategie

[01] 📞 Request #1: floor 2 → 7
[01] ⬆️  Move up to floor 1
[02] ⬆️  Move up to floor 2
[03] 🚪 Pick up passenger at floor 2 (→ 7)
[04] ⬆️  Move up to floor 3
[05] ⬆️  Move up to floor 4
[06] ⬆️  Move up to floor 5
[07] ⬆️  Move up to floor 6
[08] ⬆️  Move up to floor 7
[09] 🚪 Drop off passenger at floor 7

[20] ✅ Simulation completed

==================================================
SIMULATION STATISTICS
==================================================
Completed requests:      6
Average wait time:       4.33 steps
Average travel time:     5.17 steps
Average total time:      9.50 steps
Total cumulative time:   57 steps
==================================================

Konfigurace simulace

V souboru Program.cs:

Základní parametry

• TimeForRequests = 20 – doba generování nových požadavků
• MaxFloor = 9 – nejvyšší patro budovy (0-9)
• RequestDensityPercent = 0.30 – pravděpodobnost vytvoření požadavku v každém kroku (30%)
• RandomSeed = 42017 – seed pro reprodukovatelnost (používá se v single mode)

Turnajový režim

• TournamentMode = true – zapne turnajový režim (false = test jedné strategie)
• TournamentSeeds = { 42017, 12345, 99999, 54321, 77777 } – pole seedů pro různé scénáře

Jak přidat novou strategii

1. Vytvořte novou třídu ve složce Strategies/
2. Implementujte rozhraní IElevatorStrategy
3. Implementujte metodu DecideNextMove(ElevatorSystem elevator)
4. Strategie bude automaticky objevena a zařazena do turnaje

Příklad:

namespace ElevatorSimulation.Strategies;

public class MojeStrategieStrategy : IElevatorStrategy
{
    public MoveResult DecideNextMove(ElevatorSystem elevator)
    {
        // Váš algoritmus zde
        // Máte přístup k:
        // - elevator.CurrentElevatorFloor
        // - elevator.CurrentElevatorDirection
        // - elevator.PendingRequests
        // - elevator.ActiveRiders
        // - elevator.Building
        
        return MoveResult.NoAction; // nebo MoveUp, MoveDown, OpenDoors
    }
}

Strategie se automaticky objeví v turnaji pod názvem "MOJESTRATEGIE" (bez přípony "Strategy").

Rozšíření projektu

Možnosti dalšího vývoje:

• Implementujte nové strategie (např. směrnou, optimalizační, SCAN)
• Přidejte podporu více výtahů koordinovaných dispečerem
• Rozšiřte vizualizaci (grafické zobrazení budovy a výtahů)
• Přidejte omezení kapacity výtahu
• Implementujte prioritní požadavky (např. požární poplach)

Doporučené zdroje

• Elevator algorithm – Wikipedia
• Simulation basics – Wikipedia