Моделирование систем лекция. Моделирование систем. Литература по теме Тема Модели на основе метода статистических испытаний
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
Тема 6. Моделирующие комплексы Цели изучения темы: изучить сущность подхода на основе методологии имитационного моделирования к анализу и синтезу информационных процессов и систем. Задачи изучения темы: изучить сущность и границы применимости метода статистических испытаний; изучить основные принципы компьютерной имитации стохастических процессов; понять возможности моделирующих комплексов для создания и применения имитационных моделей. Успешно изучив тему, Вы: получите представление о: когда применяется и как практически реализуется модель на основе метода статистических испытаний; принципах построения и механизме программной имитации стохастических процессов; будете знать: как можно создавать модели с помощью систем имитационного моделирования; из чего состоят и как следует анализировать результаты прогонов программной модели. Вопросы темы: 1. Подходы к программной реализации программных моделей. Основные функции систем имитационного моделирования. 2. Отличительные особенности моделирующего комплекса Pilgrim. 3. Концептуальные единицы системы Pilgrim. 4. Граф Pilgrim-модели одноканальной СМО. 96 Вопрос 1. Подходы к программной реализации программных моделей. Основные функции систем имитационного моделирования. Имитационную модель нужно создавать. Для этого можно применять обычный алгоритмический язык или специальное программное обеспечение – систему моделирования (simulation system). Специфика такой системы определяется технологией работы, набором языковых средств, сервисных программ и приемов моделирования. Имитационная модель должна отражать большое число параметров, логику и закономерности поведения моделируемого объекта во времени (временная динамика) и в пространстве (пространственная динамика). Моделирование объектов экономики связано с понятием финансовой динамики объекта. Имитационное моделирование представляет собой процесс, реализуемый с помощью средств вычислительной техники, позволяющий автоматизировать решение таких задач как: 1. Создание или модификация имитационной модели. 2. Проведение модельных экспериментов и интерпретация получаемых результатов. В случаях разработки сложных моделей, предназначенных для проведения большого объема экспериментов, для решения этих задач используются моделирующие комплексы (системы). К числу основных требований, предъявляемых к моделирующим системам, относятся следующие: 1. Рациональный состав функциональных возможностей, обеспечивающий баланс между высокой эффективностью разработки моделей, с одной стороны, и простотой овладения этими функциями пользователями системы, с другой стороны. 2. Открытость системы с точки зрения возможностей подключения других ресурсов (в частности, результаты моделирования, используемые для принятия управленческих решений, могут передаваться из моделирующей системы в базы данных экономической информационной системы, например, через интерфейс ODBC – если моделирование проводится в среде Windows – либо в процессе моделирования обращаться к данным, хранящимся в базе данных). 3. Оптимальный баланс между уровнем общности используемых в системе средств, обеспечивающих сокращение времени разработки модели, и универсальностью в смысле возможности использования системы для разработки моделей достаточно широкого класса. 4. Экономическая целесообразность, означающая, что эффект от применения системы к решению практических задач в течение периода ее промышленной эксплуатации существенно превысит затраты на создание системы, ее сопровождение и освоение пользователями. 97 С началом развития средств вычислительной техники и обусловленным им прогрессом теории и практики имитационного моделирования создано более 300 языков моделирования дискретных систем и процессов. Примером одной из наиболее старых систем моделирования является система GPSS, которая была разработана сотрудником компании IBM Джеффри Гордоном в 1961 году (он же был и создателем описанного выше событийного алгоритма). Система и по сей день остается в числе наиболее распространенных и в своей несколько усеченной версии доступна для свободного применения. Вопрос 2. Отличительные особенности моделирующего комплекса Pilgrim. Другой распространенной в России системой является система Pilgrim, представляющая собой программный продукт, созданный на объектно-ориентированной основе и учитывающий основные достоинства ряда других моделирующих систем. К достоинствам системы следует отнести: 1. Возможность имитации в одной модели процессов, связанных с движением материальных, информационных и финансовых потоков. 2. Наличие развитой CASE-оболочки, позволяющей конструировать многоуровневые модели в режиме структурного системного анализа. 3. Наличие интерфейсов с базами данных. 4. Возможность для конечного пользователя моделей непосредственно анализировать результаты благодаря формализованной технологии создания функциональных окон наблюдения за моделью с помощью Visual C++, Delphi или других средств. 5. Возможность управления моделями непосредственно в процесс выполнения с помощью специальных окон диалога. С помощью системы Pilgrim можно создавать дискретно- непрерывные модели. Разрабатываемые модели обладают свойством коллективного управления процессом моделирования. В текст модели можно вставлять блоки на языке C++. Различные версии этой системы работали на IBM-совместимых и DEC-совместимых компьютерах под операционными системами семейств Unix или Windows. Система Pilgrim обладает свойством мобильности, т.е. переноса на любую другую платформу при наличии компилятора C++. Поскольку выполняемый код модели в системе Pilgrim является результатом компиляции описания модели, то программные модели отличаются высоким быстродействием. Это позволяет эффективно их применять для решения задач оценивания, принятия управленческих решений и адаптивного выбора вариантов. 98 Полученный в результате компиляции объектный код можно встраивать в программные комплексы или применять на любом объекте, так как для запусков разработанных программных моделей средства системы Pilgrim не требуются. Рассматриваемые далее подходы и методические приемы ориентированы на систему Pilgrim, однако в полной мере сохраняют свою общность и могут использоваться в других моделирующих системах. Вопрос 3. Концептуальные единицы системы Pilgrim. Для построения моделей в системе Pilgrim используются следующие концептуальные и конструкционные элементы. Граф модели. Структурной средой протекания всех моделируемых процессов, независимо от количества уровней структурного анализа, является ориентированный граф. Актор. Представляет собой формальный запрос на какое-либо обслуживание. Актор в отличие от обычных заявок, которые рассматривались при анализе модели массового обслуживания в теме по стохастическим системам, имеет набор динамически изменяющихся свойств и параметров. Актор является динамической единицей любой модели, работающей под управлением имитатора, и может выполнять следующие действия: порождать группы (семейства) других акторов; поглощать другие акторы конкретного семейства; захватывать ресурсы, использовать их в течение некоторого времени, а затем – освобождать; определять времена обслуживания, накапливать информацию о пройденном пути и иметь информацию о своем дальнейшем пути и о путях других акторов. 99 К основным параметрам акторов относятся: уникальный идентификатор актора; идентификатор (номер) семейства, к которому принадлежит актор; наборы различных ресурсов, которые актор может захватывать и использовать какое-то время; время жизни актора; приоритет – неотрицательное число; чем больше приоритет, тем приоритетнее актор (например, в очереди); параметры обслуживания в каком-либо обслуживающем устройстве (включая вероятностные характеристики). Акторами могут быть: требование на перечисление денег; заказ услуг в какой-либо компании; телеграмма, поступающая на узел коммутации сообщений; сигнал о загрязнении какого-либо пункта местности; приказ руководства; покупатель магазина; пассажир самолета; ожидающая анализа проба загрязнения почвы. Пути перемещении акторов по графу стохастической сети определяются логикой функционирования компонентов модели в узлах сети. Узлы. Узлы графа модели представляют собой центры обслуживания акторов (но необязательно массового обслуживания). В узлах акторы могут задерживаться, обслуживаться, порождать семейства новых акторов, уничтожать другие акторы. С точки зрения вычислительных процессов в каждом узле порождается независимый процесс. Вычислительные процессы выполняются параллельно и координируют друг друга. Они протекают в едином модельном времени, в одном пространстве, учитывают временную, пространственную и финансовую динамику. В системе Pilgrim имеется 17 типов узлов, реализующих специальные функции обслуживания. Нумерация и присвоение имен узлам стохастической сети производится разработчиком модели. Актор всегда принадлежит одному из узлов графа и независимо от этого относится к определенной точке пространства или местности, координаты которой могут изменяться. 100 Каждый узел имеет графическое обозначение, функциональное наименование, произвольный уникальный номер и произвольное название. Пути следования акторов обозначаются дугами – сплошными линиями со сплошной стрелкой на одном конце. Возможные воздействия одних узлов на другие узлы изображаются пунктирными линиями со стрелкой на одном конце. Примерами узлов могут служить: счет бухгалтерского учета; бухгалтерия предприятия; производственный (ремонтный) участок; транспортное средство, которое перемещает ресурсы из одной точки пространства в другую; передвижная лаборатория; компьютерный центр коммутации сообщений (или пакетов сообщений); склад ресурсов. Событие. Событием называется факт выхода из узла одного актора. События всегда происходят в определенные моменты времени. Они могут быть связаны и с точкой пространства. Интервалы между двумя соседними событиями в модели – это, как правило, случайные величины. Так, если в момент времени t произошло какое-то событие, а в момент времени t+d должно произойти ближайшее следующее (но не обязательно в этом же узле) и если в модель включены непрерывные компоненты, то очевидно, что передать управление таким компонентам модели можно только на время в пределах интервала (t, t+d). Разработчик модели не может управлять событиями (например, из программы). Поэтому функция управления событиями отдана специальной управляющей программе – координатору, входящей в состав модели. Ресурс. Независимо от своей природы ресурс в процессе моделирования может характеризоваться тремя параметрами: мощностью, остатком и дефицитом. Мощность ресурса – это максимальное число ресурсных единиц, которые можно использовать для различных целей. Остаток ресурса – число незанятых на данный момент единиц, которые можно использовать для удовлетворения акторов. Дефицит ресурса – количество единиц ресурса в суммарном запросе акторов, стоящих в очереди к данному ресурсу. 101 При решении задач динамического управления ресурсами можно выделить три основных типа ресурсов: материальные, информационные и денежные. Пространство. Географическое, декартова плоскость (можно ввести и другие). Узлы, акторы и ресурсы могут быть привязаны к точкам пространства и перемещаться в нем. Вопрос 4. Граф Pilgrim-модели одноканальной СМО. Примером графа модели в системе Pilgrim может служить граф модели рассмотренной ранее одноканальной СМО с неограниченной очередью (Рис. 17): Рис. 17. Граф модели одноканальной СМО Граф модели включает следующие узлы (акторы в имитационной модели означают запросы к системе массового обслуживания). Узел Назначение 101 Узел actor (представляет собой генератор акторов имитационной модели. Акторы генерируются по одному через промежутки времени, величина которых определяется по правилу, заданному пользователем через параметры узла. 102 Узел queue моделирует очередь акторов. 103 Узел serv имитирует прибор, или сервер, осуществляющий какое-либо обслуживание акторов в течение модельного времени, отличного от нуля. С точки зрения имитационной модели обслуживание заключается в задержке актора на заданный промежуток времени. Сервер – это одно- или многоканальный обслуживающий прибор, работающий по правилам абсолютных приоритетов или без них и имеющий стек для «прерванных» акторов (правило относительных приоритетов реализуется в узле типа queue).Аналогично узлу actor время нахождения актора в узле (продолжительность обслуживания) определяется по правилу, заданному пользователем через параметры узла. 104 Узел term представляет собой уничтожитель акторов (терминатор). Он удаляет из программной модели входящие в него акторы. Одновременно узел фиксирует время существования актора, начиная с момента выхода последнего из генератора. 102 Выводы: 1. Для исследования стохастических систем применяется имитационное моделирование. Механизм машинной реализации этой методологии основан на агрегатном описании моделируемых процессов, при котором программным образом воспроизводится последовательность смен моделируемой системой своих состояний. 2. Эффективность применения подхода на основе имитационного моделирования к решению сложных задач можно значительно повысить путем использования моделирующих комплексов. Их применение позволяет значительно сократить затраты на создание модели проведение на ней машинных экспериментов. 3. Повысить эффективность и автоматизировать процессы создания и применения моделей в моделирующих комплексах можно путем построения концептуальной основы, позволяющей получать формализованное описание моделируемого объекта и генерировать на его основе программный код. Основными элементами описание модели в системе Pilgrim являются граф, актор, узел, ресурс, событие, пространство. Вопросы для самопроверки: 1. Решение каких задач можно автоматизировать при помощи моделирующих комплексов? 2. Поясните на блок-схеме логическую последовательность действий по имитации работы одноканальной СМО с очередью. 3. Какие требования предъявляются к моделирующим комплексам? 4. Каковы основные достоинства моделирующей системы Pilgrim? 5. Что представляет собой модель в системе Pilgrim? 6. Что называется актором в модели системы Pilgrim? 7. Что такое узел в системе Pilgrim? 8. Какие узлы системы Pilgrim нужны для моделирования одноканальной системы массового обслуживания? 9. Что такое ресурс в системе Pilgrim? 10. Что является событием в модели системы Pilgrim? Литература по теме: 1. Градов В.М. Компьютерное моделирование: учебник / В.М. Градов, Г.В. Овечкин, П.В. Овечкин, И.В. Рудаков. – М.: ИНФРА-М, 2017. – 264с. 2. Емельянов А.А., Емельянова Н.З. Имитационное моделирование и компьютерный анализ экономических процессов – Смоленск, Универсум, 2013 – 266 с. 103 Тема 7. Языковые средства и конструкции моделирующих комплексов Цели изучения темы: познакомиться с технологией создания Pilgrim-модели; выяснить состав результатов моделирования; изучить правила выполнения основных этапов технологии создания и использования модели. Задачи изучения темы: понять назначение языковых средств системы Pilgrim; выяснить состав, структуру и форматы выходных параметров моделирования. Успешно изучив тему, Вы: получите представление о: основных языковых средствах системы Pilgrim; структуре и форматах разделов программной Pilgrim-модели; составе узловых операторов модели; будете знать: как прочитать текст программной модели на исходном языке; как внести изменения модель минуя этап описания ее графа; как собрать исполнительный модуль модели; как запустить модель; как прочитать результаты моделирования; семантику и синтаксис основных узлов. Вопросы темы: 1. Конструктор Gem. 2. Структура модуля исходного текста программной Pilgrim- модели. 3. Узловые операторы Pilgrim. 4. Текст программной Pilgrim-модели СМО. 5. Сборка и запуск исполнительного модуля модели. 6. Состав и форма представления результатов моделирования в системе Pilgrim. 7. Моделирование на языке GPSS. 104 Вопрос 1. Конструктор Gem. Для автоматизации составления описания Pilgrim-модели и получения на его основе исходного текста программной модели в моделирующей системе Pigrim предусмотрен специальный конструктор Gem, основное окно которого после запуска показано на Рис. 18. Рис. 18. Основное окно конструктора Gem Рассмотрим основные возможности и правила работы с конструктором. Результаты проектирования/корректировки модели. Описание модели конструктор сохраняет в файле с расширением pgf (Pilgrim graf file), выполняя команду Сохранить (Сохранить как) меню Файл. Для законченной версии модели разработчик может сгенерировать программный файл модели с расширением cpp, который будет далее скомпилирован в среде Visual C++ и вместе с подключенными библиотеками и ресурсами Pilgrim использован для сборки исполнительного модуля программной модели. Файл с исходным текстом программы создается командой Генерировать С++-файл меню |