Файл: Конспект лекций Для студентов специальности 080801. 65 - приклад.doc

В пятой главе изложены основы моделирования вычислитель­ных и операционных систем (ОС), а в шестом - основы моделирова­ния разных процессов, которые надо знать, чтобы выполнить само­стоятельные задания, приведенные в седьмой главе.

В восьмой главе рассматривается технология работы с про­граммной системой ISS 2000, позволяющей автоматизировать про­цесс создания имитационных моделей на языке GPSS и проведения экспериментов с моделями без написания кода программы. Встроен­ные аналитические средства позволяют определить узкие места в мо­делируемой системе до начала моделирования.

Девятая глава охватывает проблемы построения имитационных проектов и технологии выполнения работ по моделированию и вклю­чает вопросы организации, планирования и проведения эксперимен­тов. Особое внимание уделено вопросам точности получаемых оце­нок по результатам моделирования в переходном и установившемся режиме. Рассмотрен дисперсионный анализ; отсеивающий, оптими­зационный и пользовательский эксперименты, приведены примеры их реализации в GPSS World. Рассмотрены вопросы структурной оп­тимизации моделируемой системы и выбора наилучшего из альтерна­тивных вариантов.

Примеры принятия решений по результатам имитационного мо­делирования приведены в десятой главе.

Одиннадцатая глава включает задания для имитационных про­ектов из разных областей деятельности и охватывает технические, производственные, технологические, организационные и обслужи­вающие системы.

Введение

Компьютерное моделирование нашло практическое применение во всех сферах деятельности человека, начиная от моделей техниче­ских, технологических и организационных систем и заканчивая про­блемами развития человечества и вселенной. Еще с детства человек через игрушки и игры узнает мир и таким образом моделирует дейст­вительность. Вместо того, чтобы учиться на своих ошибках или на ошибках других людей, целесообразно закреплять и проверять по­знание реальной действительности полученными результатами на компьютерной модели. В этом случае есть возможность «проигры­вать» на модели любые ситуации, включая те, при которых реальная система вышла бы из строя. Это позволяет моделировать катастрофы, редкие события и т. п. Одно из преимуществ компьютерного модели­рования - это также моделирование того, что не существует на самом деле, то есть моделирование виртуальной реальности. Вспомним компьютерные игры: сидя в самолете или космическом корабле, мы осуществляем полет так, как будто мы действительно находимся там.

Когда же необходимо использовать компьютерное моделирова­ние? Всегда, когда можно поставить вопрос, «что будет, если ...?». Следовательно, компьютерное моделирование используют, прежде всего, для принятия решений. Модель позволяет проигрывать любые ситуации и получать наиболее эффективные решения проблемы.

Из всех видов моделирования, а это в первую очередь математи­ческое, графическое и прочее, рассмотрим имитационное моделиро­вание. Обзор систем моделирования в работе [3] показывает, что имитационное моделирование является едва ли не самым популяр­ным средством, используемым на практике для этих целей. Основная его ценность состоит в применении методологии системного анализа. Имитационное моделирование разрешает осуществить исследование анализируемой или проектируемой системы по схеме операционного исследования, которое содержит взаимосвязанные этапы:

- содержательная постановка задачи;

- разработка концептуальной модели;

- разработка и программная реализация имитационной модели; проверка правильности,

- достоверности модели и оценка точности результатов модели­рование;

- планирование и проведение экспериментов;

- принятие решений.

Это позволяет использовать имитационное моделирование как универсальный подход для принятия решений в условиях неопреде­ленности с учетом в моделях трудно формализуемых факторов, а также применять основные принципы системного подхода для реше­ния практических задач.

Широкому внедрению этого метода на практике препятствует необходимость создания программных реализаций имитационных моделей, которые воссоздают в модельном времени динамику функ­ционирования моделируемой системы. В отличие от традиционных методов программирования разработка имитационной модели требу­ет перестройки принципов мышления. Недаром принципы, положен­ные в основу имитационного моделирования, дали толчок к развитию объектного программирования. Поэтому усилия разработчиков про­граммных средств имитации направлены на упрощение программных реализаций имитационных моделей: для этих целей создаются спе­циализированные языки и системы. Программные средства имитации в своем развитии изменялись на протяжении нескольких поколений, начиная с языков моделирования и средств автоматизации конструи­рования моделей [4] до генераторов программ [5], интерактивных и интеллектуальных систем [6], распределенных систем моделирова­ния. Основное назначение всех этих средств - уменьшение трудоем­кости создания программных реализаций имитационных моделей и экспериментирования с моделями.

Одним из первых языков моделирования, облегчающих процесс написания имитационных программ, был язык GPSS, созданный в виде конечного продукта Джеффри Гордоном в фирме IBM в 1962 г. Этот язык в свое время входил в первую десятку лучших языков про­граммирования, опережая транслятор с языка АЛГОЛ, и был реали­зован практически на всех типах ЭВМ. В настоящее время есть трансляторы для операционных систем DOS - GPSS/PC, для OS/2 и DOS - GPSS/H и для Windows - GPSS World. Изучение этого языка и создания моделей позволяет понять принципы разработки имитаци­онных программ и научиться работать с имитационными моделями.

GPSS (General Purpose Simulation System - система моделирова­ния общего назначения) - язык моделирования, который используется для построения событийных дискретных имитационных моделей и проведения экспериментов на ЭВМ.

Модели систем на GPSS могут быть записаны в виде блок-схем или представлены в виде последовательности строк программы, эк­вивалентных блок-схеме. Блок-схема - это набор фигур с характер­ными контурами блоков языка GPSS, соединенных между собою ли­ниями. Блоки - это подпрограммы, реализованные средствами макро­ассемблера. В разных версиях языка количество блоков для создания имитационных программ разное и составляет около 40. В язык моде­лирования GPSS входят специальные средства для описания динами­ческого поведения систем через изменение состояний в дискретные моменты времени, то есть время моделирования изменяется случайно от события к событию.

Система GPSS представляет собой язык и транслятор. Как каж­дый язык он содержит словарь и грамматику, с помощью которых могут быть разработаны модели систем определенного типа. Транс­лятор языка работает в две фазы. На первой фазе компиляции прове­ряется синтаксис и семантика написания строк GPSS-программы или всей программы в целом, а на второй (интерпретирующей) осуществ­ляется продвижение транзактов по модели от блока к блоку.

Глава 1. Модели массового обслуживания

1.1. Системы массового обслуживания и их характеристики

С системами массового обслуживания (СМО) мы встречаемся повседневно. Любому из нас приходилось когда-то ждать обслужива­ния в очереди (например, в магазине, на автозаправке, в библиотеке, кафе и т. д.). Аналогичные ситуации возникают при потребности вос­пользоваться телефонной связью или выполнить свою программу на компьютере. Более того, любое производство можно представить как последовательность систем обслуживания. К типичным системам об­служивания относят также ремонтные и медицинские службы, транс­портные системы, аэропорты, вокзалы и другие.

Особое значение приобрели такие системы при изучении про­цессов в информатике. Это, прежде всего, компьютерные системы, сети передачи информации, ОС, базы и банки данных. Системы об­служивания играют значительную роль в повседневной жизни. Опыт моделирования разных типов дискретных событийных систем сви­детельствует о том, что приблизительно 80% этих моделей основаны на СМО.

Что же характеризует эти системы как СМО? Такие системы можно описать, если задать:

1) входящий поток требований или заявок, которые поступают на обслуживание;

2) дисциплину постановки в очередь и выбор из нее;

3) правило, по которому осуществляется обслуживание;

4) выходящий поток требований;

5) режимы работы.

Входящий поток. Для задания входящего потока требований необходимо описать моменты времени их поступления в систему (за­кон поступления) и количество требований, которое поступило одно­временно. Закон поступления может быть детерминированный (на­пример, одно требование поступает каждые 5 мин) или вероятност­ный (требования могут появляться с равной вероятностью в интерва­ле 5±2 мин). В общем случае входящий поток требований описывает­ся распределением вероятностей интервалов времени между сосед­ними требованиями. Часто предполагают, что эти интервалы времени независимые и имеют одинаковое распределение случайных величин, которые образуют стационарный входящий поток требований. Клас­сическая теория массового обслуживания рассматривает так назы­ваемый пуассоновский (простейший) поток требований. Для этого потока число требований k для любого интервала времени распреде­лено по закону Пуассона: