エレベータのシミュレータ

泉、怒る

エレベータを作る

while 1
getOff() /* 人を降ろす
getOn() /* 人を乗せる
moveElevator() /* エレベータを動かす
endwhile

floor(3,7)=1

floor(3,7)=2

「リスト｣というデータ表現

floor(3)=[7]

floor(3)=[6 7]

floor(3)=[1 2 6 7]

floor(3)=[1 2]

floor(3)=[]

• プログラム入力の注意
  リスト1はこれまでのリストとは違った形式で､掲載されています。X-BASICは関数を定義していく
  ことでプログラムするということは皆さんもうご承知でしょう。関数はどのような順番で並んでいても
  プログラムの実行には関係ありません。プログラムで使う大域変数とそれに続くメインルーチンだけは
  プログラム先頭になければいけない、という規則があるだけです。そこで今回のリストは関数ごとに分載することにしました。
  
  リストにはAとBの2つの部分に分かれているものがあります。このときAの部分には大域変数やメイン
  ルーチンが書いてあります。リスト１はこの形式です。Aの部分は必ずプログラムの先頭に書いてください。
  Bの部分は関数群です。説明のまとまりごとに関数をまとめてあります。これらはメインルーチン
  の後ろならばどこに書いてもかまいません。A、Bの区別のないリストも同じです。入力する際は、
  仮につけてある行番号の後ろの':'を省いて、適当な行番号から(たとえば1000行から)ひとつずつ
  行番号を増やしながら入力していくと簡単でいいでしょう。
  
  分載したリストを少しずつ入力していくことで、プログラムができあがっていく過程を経験していただける
  のではないかと思います。
  
  
• 新しいデータ表現を使う前に
  まずは新しいデータ表現に名前をつけておきましょう。ここでは「リスト」と呼ぶことにします。
  プログラムのリストと混乱しそうですが、こういった形式のデータ表現がすでにリストと命名されている
  のでそれに従います。以後プログラムのリストは｢プログラムリスト」と呼んで区別しましょう。本格的
  なリストはもう少し複雑な形をしているのですが、ここでは単に数字を並べて[と]でくくったものと
  しておきます。[と]の間に書いてあるものを「リストの要素」と呼びます。したがってここで扱うのは
  「要素が数値(しかも整数)だけのリスト」ということになりますね。
  
  本格的なリストでは、数値や変数、文字や文字列、さらにはリストをも要素として持つことができます。
  これらを可変個並べて扱えるという柔軟さから、LOGOやSmalltalk、Prologといった言語でもリストが
  採用されています。最も有名なのはLispで、その名はListProcessorからきているというリスト処理の親分です。
  Lispでは数値として整数、浮動小数点数、有理数、複素数、無限長整数が扱え、ベクトル、
  配列もサポートするなど、充実しています。
  
  
• リストを入れる変数と空のリスト
  リストを入れる変数には、整数型の変数を使います。また空のリストを表すのに、EMPTYという変数を使います。
  したがって、変数xに空のリストをセットするには、

  int x
  x=EMPTY
  

  とすればOKです。
  
  
• initList:リストを使う準備をする
  
  リストはX-BASICのデータではありませんので、リストを使えるよう準備しなければなりません。
  これを行うのがinitList関数で、プログラム実行の最初にこの関数を実行する必要があります。
  プログラムリスト1のメインルーチンは、単にこの関数を呼び出しているだけです。
  
  
• addData:リストに要素を加える

  addData(要素,リスト)

  リストに要素をつけ加えてできた新しいリストを返します。要素は整数です。xという変数に[1]をセットするなら、

  int x x = EMPTY /* x=[ ]
  x = addData(1,x) /* x=[1]

  あるいは、

  int x
  x=addData(1,EMPTY)

  とします。addDataはリストの｢前に｣要素をつけ加えますので、

  int x,i
  x=EMPTY
  for i=1 to 3
  x=addData(i,x)
  next
  

  とした結果は、

  [3 2 1]

  と、逆順になります。
  
  
• concat:2つのリストをつなぐ

  concat(リスト1,リスト2)

  リスト1の後ろにリスト2をつないだリストを返します。これはリスト1とリスト2をつないだ新しいリストを作るものではなく、
  リスト1の最後を強制的にリスト2につなぎます。したがって、xに[1 2 3]が、yに[4 5]がセットされているときに、

  int z
  z=concat(x,y)

  とすると、zに[1 2 3 4 5]がセットされるだけでなく、xも[1 2 3 4 5]に変わってしまいます。
  変数にリストをセットする方法は以上のaddDataとconcatしかありません。リストはX-BASICのデータではないので、

  int x x=[1 2 3]

  などということはできません。注意してください。
  
  
• head:リストの先頭要素を取り出す

  head(リスト)

  リストの先頭要素を返します。xが[2 3 5]のとき、

  print head(x)

  を実行すると「2」が表示されます。
  
  
• tail:リストの先頭要素を除く

  tail(リスト)

  リストの先頭要素を除いた残りのリストを返します。xが[1 2 3]のとき、

  tail(x)

  を実行すると、[2 3]が返されることになります。
  これは実際に先頭要素を取り除いてしまう関数ではありませんので、xには[1 2 3]がセットされたままです。
  リストの残りの部分がどうなっているのかを調べるのに使います。
  
  
• delData:リストから要素を削除する

  delData(削除位置,リスト)

  リストの削除位置にある要素を取り除いたリストを返します。削除位置の指定方法はちょっと変わっていて、
  リストのtailをとって削除したいデータが先頭にくるようにしたリストで指定します。
  xが[1 2 3 4]のとき、3を削除するなら、

  x=delData(tail(tail(x)),x)

  となります。tail(tail(x))は[3 4]ですから、先頭要素である3が削除されるというわけです。
  一見、削除したい位置を数値で指定するほうが(上の例ならdelData(3,x)としたほうが)便利なように見えますが、
  プログラム中で使うにはリストで指定したほうが便利なのです。この例はあとでお見せします。
  
  
• printList:リストを表示する

  printList(リスト)

  リストはprint命令では表示できません。そこで､リストを目に見える形で表示するための関数です。
  この関数で表示できるのはリストだけです。head関数では必ず要素(整数)が返りますので、

  printList(head(x))

  などとすると、変なものが表示されたりエラーになったりします。必ずリストが入っている変数かtail関数の値を、
  printListで表示するように注意してください。なおEMPTYは[]と表示されます。
  そのほかプログラムリスト1にはnewData、gc、といった関数が宣言されていますが、これらはリストを
  処理するための下請け関数です。リストを使う際には意識する必要はありませんのでここでは説明を省略します。
  
  
• 使用上の注意
  要素を削除するときは、必ずdelData関数を使用するようにしてください。xに[1 2 3]がセット
  されているとします。先頭の要素を削除するのに、

  x=tail(x)

  でも目的を達することはできます。しかし、摩訶不思議なメカニズムによってゴミが発生してしまうのです。
  どのような摩訶不思議によってゴミが発生するのかはひとまず置いておくとして、データを削除するには
  必ずdelDataを使うことを覚えておいてください。先の例なら、
  

  x=delData(x,x)

  となります。
  

リスト処理ブログラムの実行

renum

int x

x=EMPTY

printList(x)

x=addData(1,x)

printList(x)

for i=2 to 5:x:addData(i,x):next

z=append(x,y)

printList(z)

エレベ一夕の乗客を作る

for i=1 to 10:print rnd():next

for i=1 to 10
print int(rnd()*7)+1
next

int ff /* floor from
int ft /* floor to
ff=int(md()*7)+1
repeat
ft=int(md()*7)+1
until ff<>ft

int floor(7)
int i
for i=1 to 7
floor(i)=EMPTY
next

floor(ff)=addData(ff,floor(ff))

floor(n,0)

print chr$(5)

arrival()

int i
for i=1 to 100:arrival():next

乗客の乗り降りのシミュレート

int pass=EMPTY

• エレベータに乗るアルゴリズム
  簡単な乗るほうから考えていきましょう。エレベータがいる階で人が待っているかどうかは、
  

  floor(elevator,0) /* 下に降りる人
  floor(elevator,1) /* 上に昇る人
  

  を調べればわかります。これがEMPTYでなければ乗客がいるということです。エレベータが上に動いているなら、

  pas=concat(floor(elevatoer,1),pass)

  として、上に向かう人をっ乗客に加えればOkですね。
  
  乗客を乗せた後は、

  floor(elevator,1)=EMPTY

  でエレベーター待ちの人を空リストにしておきます。
  
  リストを削除するにはdelData関数を使わなければならなかったはずではないのか、と思われるかもしれません。
  ここでやっているのは各階で待っている人をエレベーターに移しただけ。EMPTYを代入してしまっても平気なのです。
  関数getOnは、以上のような考え方で作ってあります。30行でエレベーターの方向と乗客の有無を調べ、
  条件が合えば31,32行でエレベーターで人を乗せます。
  下に向かうときも同様です。人を乗せたあと、33,39行でエレベータ待ちのリストを表示してある座標
  にカーソルを移動させ、42行以降で待ちリストを表示し直しています。
  
  
• エレベータから降りるアルゴリズム
  エレベータにはいろいろな階に行く人が乗っています。たとえば1階にいるエレベータに乗っている人が、

  [2 3 2 7 4 7]

  となっているとしましょう。各階のエレベータ待ちのリストと同じように、エレベータの乗客は目的階
  で表現されています。
  
  エレベータが2階に到着すると、このリストから2階で降りる人だけが取り除かれ、

  [3 7 4 7]

  とならなければなりません。このような処理はどうすれば実現できるでしょうか。ちょっと考えてみると、
  結構面倒な処理になりそうですね。
  
  これにはうまい解決法があります。
  

  int chk chk=pass

  として、降ろす乗客かどうかを判断するためのチェック用リストをまず用意します。チェック用リスト
  にはpassを代入しておきます。続いてchkのheadを調べ、降ろす乗客ならば、

  pass=delData(chk,pass)

  としてpassからその要素を取り除きます。headが降ろす乗客でなければ、

  chk=tail(chk)

  でchkのtail部分を取り出し、再びそのheadが降ろす乗客かどうかを調べるわけです。ここでtailをとった結果を
  直接chkに代入しているのが気になるかもしれませんね。しかしこれはデータを削除している
  わけではありません。降ろすべき乗客かどうかを調べる位置を移動しているだけです。乗客リストの本体は
  passが保持しており、乗客を降ろす(データを削除する)必要のあるときはちゃんと、
  

  pass=delData(chk,pass)

  で降ろしていますので安心してください。
  
  getOff関数はこの作業をchkがEMPTYでない間繰り返し、passのすべての要素について降ろすべきか
  そうでないかを調べながら処理を行っています。乗客がelevatorと同じ、すなわちエレベータのいる階が
  乗客の降りる階だった場合の処理は13～16行で行っています。13行でtmp変数にtail(chk)をセットしているのは、
  14行のdelData関数でchkの先頭要素を削除したあとからtail(chk)を取ることができないからです。
  削除されたのですからtailを取れないのはあたりまえですね。tmpに取っておいた
  リストを15行で再びchkに戻し、ループを続けるようになっています。
  
  最後に19行で乗客が空リストかどうかを調べ、もしそうならvectorを0にします。つまり、エレベータ
  を止めるわけです。もう乗客がいなくなったのですから、止めてしまってかまいませんね。このあと各階
  の様子を調べ、待っている人がいれば迎えに動くことになります。
  
  これら2つの関数の中で、waitという変数を操作する部分を/*でコメントにしてあります。これは全体が
  できたあとで、よりそれらしい動きを作るためにつけ加えた部分です。省略せず、コメントのまま
  入力しておいてください。
  
  
• プログラムのチェック
  ではプログラムを入力し、チェックしてみることにしましょう。チェック用の簡単な関数testをプログラム
  リスト5に用意しましたので、これも入力してください。test関数は、まず乗客を降ろし、次に乗客を乗せ、
  現在の乗客の様子を座標(0,21)に表示する関数です。
  
  プログラムをrunすると、画面に各階の様子が表示されましたね。まだエレベータを待っている人は誰もいません。そこで、

  for i=0 to 50:arrival():next
  locate 0,21

  として、乗客を発生させます。次にエレベータの方向を決めます。

  vector=1

  です。これでエレベータは上向きに動きます。

  test()

  と入力してみましょう。1階で待っている人がエレベータに乗り込みましたか？カーソルが数行上に
  戻っていることと思います。画面がスクロールしてしまうのを防ぐ目的でこうなっています。コントロールキー
  を押しながらZを押し、カーソル以降を消去しておきましょう。続いて、
  

  elevator=2:test()

  を実行してみてください。2階で降りる人が(もしいれば)降り、2階で待っていた人が乗り込んで来ましたか。
  以下、3,4,……,7とエレベータを動かしていってみましょう。7階ですべての人が降りてしまったら、今度は、

  vector=-1

  でエレベータを下に動かすことにします。

  test()

  で乗客を乗せ、先程と同じ要領で、

  elevator=6:test()

  などとしながら、1階まで降りてきてみましょう。シミュレーションはうまくいっているようですね。
  
  

エレベータを動かす

• エレベータの動き
  moveElevator関数はエレベータを動かす関数です。最初は方向の決定とエレベータの動きを両方扱う
  関数として作ったのですが、方向の決定は別関数になっていたほうが扱いやすいだろうと考え独立させたので
  実に簡単な関数になっています。またこの結果、エレベータシミュレーションプログラムは、

  while 1
  arrival() /* 乗客の到着
  direction() /* 方向の決定
  getOff() /* 乗客が降りる
  getOn() /* 乗客が乗る
  moveElevator() /* エレベーターを動かす
  endwhile

  という形で実現されることになります。
  
  8～12行はプログラムリスト４で説明したwaitを扱っている部分です。ここはwaitが0ならばエレベーターを
  移動方向に従って１回分動かし、そうでなければればwaitを0にするという処理を行っています。つ
  まりwaitが0でなければエレベータはその場所から動かないのです。
  
  プログラムリスト4では、乗客の乗り降りがあった場合だけwaitを1増やすようになっています。
  先のwhile～endwhileループと合わせて考えてみましょう。もしgetOff関数で乗客が降りればwaitが1になり、
  次のgetOn関数はプログラムリスト4の29行のif文によってなにもせずに終了。moveElevator関数は
  waitを0にするだけでエレベータを動かしませんから、これも実働なしです。再びループを回って
  getOff関数にやってきますが、もう降ろす人はいないのでなにもせずに終了。getOn関数はここで初めて
  人を乗せることができます。人を乗せた結果再びwaitは1になりますから、moveElevator関数は
  waitを0にするだけで実働なし。再びループを回って、getOff関数、getOn関数共に実働なしとなって、
  やっとエレベータは動きます。人が最もイライラするのもこの部分ですね。人が乗っていればエレベータは
  なかなか自分のところへやってきません。
  
  エレベータの状態を表示するのに18行のような方法を使ってみました。これでvectorによって3つの
  状態を表示することができます。vectorは-1,0,1の3つの状態を取ります。なぜ表示できるのか考えて
  みてください。また同時にエレベータの乗客も表示しています。
  
  
• エレベータの動く方向を決定する
  つぎはエレベータの命ともいうべき、移動方向決定関数directionです。ここでlower、upperという2つの
  関数が使われています。プログラムリスト6の51行以降に用意してあるこれらの関数は、次のような働きをします。
  
  lower関数は、elevator(現在エレベータのいる階)より下にエレベータを待っている人がいれば1を、
  そうでなければ0を返す関数です。upper関数はelevatorより上に待っている人がいるかどうかを返す
  関数です。これら2つの関数を使って、direction関数は次のように作ってあります。
  
  エレベータの状態は大きく2つに分けることができます。エレベータが動いているか止まっているかです。
  22～31行はエレベータが止まっているときの方向決定部分です。エレベータの止まっている階に
  乗客がいるかどうかを調べ、いるならそれによって動く方向を決定します。誰もいないときにはlower、
  upper関数を使ってほかの階を調べ、乗客がいるときには新しい方向を決めます。
  
  エレベータが動いているときは、さらに2つの状態に分けることができます。乗客が乗っているか空かです。
  乗客が乗っているならなにもすることはありません。33行以降は空の場合の決定法です。
  
  
• エレベータが上に動いているとき 1)エレベータのいる階に下に行く人が待っていて
  2)上に行く人はいなくて
  3)上の階でエレベータを待っている人もいなければ、エレベータの移動方向を下向きに変えます。
  
  
• エレベータが下に動いているとき
  1')エレベータのいる階に上に行く人がいて
  2')下に行く人はいなくて
  3')下の階で待っている人もいなければエレベータの移動方向を上向きに変えます。
  
  これはエレベータを呼んだとき、エレベータが自分の階に到着して乗り込む状態をプログラムにしたものです。
  3階から下に行こうとして、1階に止まっているエレベータを呼んでも、4階に下に行こう
  としている人がいるなら、エレベータはまず4階の人を迎えに行きます。この嵐のようなif文で、ちゃんと
  処理できていることを確認してみてください。
  

全体を見張る関数

print time$

エレベータの改造(またはデバッグ)

エレベータの数を増やす

int elevator /* エレベータのいる階
int vector /* 動いている方向
int pass /* 乗客
int wait /* 乗り降り時の待ち

int Elevator(1) /* エレベータのいる階
int Vector(1) /* 動いている方向
int Pass(1) /* 乗客
int Wait(1) /* 乗り降り時の待ち

エレベータのアルゴリズム

3150 direction(i)

3150 direction1(i)

待ち時間を計る

timer=300
x=addData(1,-1) /* xに[1]をセット
setTime(x)

timer= 35
x=addData(2,x) /* x = [2 1]
setTime(x)

print getTime(x) /* 2階に行く人

print getTime(tail(x)) /* 1階に行く人

より賢いエレベータにするには

お約束など

1. 転載は禁止です。
2. このプログラムを使って発生したのいかなる問題にも、当方は関知しません。
3. 感想などありましたらお寄せください。