Файл: В.В. Зиновьев Компьютерная имитация и анимация программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 210200.pdf

1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курс «Компьютерная имитация и анимация» изучают студенты в течение 6 семестра. По учебному плану для студентов заочной формы обучения по курсу предусмотрено 6 часов лекций, 2 часа лабораторных занятий и выполнение одной контрольной работы. Всего на изучение курса с учетом самостоятельной работы (78 часов) отводится 86 часов. Изучение курса завершается зачетом в конце 6 семестра.

1.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ,

ЕЕМЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Добиться значительного упрощения и ускорения процесса разработки имитационных моделей возможно за счет использования специализированных языков моделирования (GPSS, SIMAN, SLAM, SIMULA, GASP), которые дополняются в последнее время программами компью-

терной анимации (CINEMA, SIMFACTORY, PROOF Animation), позво-

ляющими отображать динамику работы оборудования на мнемосхеме технологического процесса в ходе имитационного моделирования.

Данная дисциплина основана на лицензионном программном обеспечении – специализированных языках компьютерной имитации GPSS/H и анимации Proof Animation (США). В настоящее время комплекс этих языков является одним из наиболее эффективных и распространенных программных средств моделирования сложных дискретных систем на ЭВМ. Он успешно используется для моделирования систем, формализуемых в виде схем массового обслуживания, с помощью которых описываются многие объекты, рассматриваемые при подготовке студентов специальности Автоматизация технологических процессов (в машиностроении).

Дисциплина «Компьютерная имитация и анимация» должна дать студентам базу, позволяющую использовать современные методы имитационного моделирования при проектировании и анализе автоматизированных технологических процессов.

2

1.1. Цель преподавания дисциплины

Цель преподавания дисциплины − обучение студентов принципам имитационного моделирования технологических процессов с применением языков компьютерной имитации и анимации.

1.2.Задачи изучения дисциплины

Врезультате изучения дисциплины студенты должны овладеть современными математическими и программными средствами имитационного моделирования, освоить специализированные языки компьютерной имитации (GPSS/H) и анимации (Proof Animation), приобрести опыт проведения имитационных экспериментов на динамических моделях.

1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины

Для изучения дисциплины «Компьютерная имитация и анимация» необходимы знания следующих дисциплин: «Математика» (раздел вероятность и статистика: элементарная теория вероятностей, математические основы теории вероятностей, модели случайных процессов, проверка гипотез, принцип максимального правдоподобия, статистические методы обработки экспериментальных данных); «Информатика» (разделы: алгоритмизация и программирование; языки программирования высокого уровня; программное обеспечение); «Моделирование систем» (разделы: основные понятия теории моделирования; классификация видов моделирования; имитационные модели процессов; математические методы моделирования процессов и систем; статистическое моделирование на ЭВМ; оценка точности и достоверности результатов моделирования; инструментальные средства; языки моделирования; анализ и интерпретация результатов моделирования на ЭВМ).

3

2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

ИМЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

2.1. Введение

Основные понятия теории моделирования. Классификация моделей. Краткая характеристика основных видов моделей. Математическое моделирование. Понятие и преимущества имитационного моделирования. Универсальные и специализированные языки программирования. Системы массового обслуживания. Классификация систем массового обслуживания.

Литература: [1, 2, 3, 4].

Методические указания

Изучение данного раздела следует начинать с рассмотрения основных понятий теории моделирования. Особое внимание следует уделить классификационным признакам моделирования систем. Необходимо разобраться, что такое дискретное, непрерывное и комбинированное моделирование. Здесь надо уяснить такие понятия, как математическая модель, аналитическая модель, имитационная модель, понять общее и различия между ними.

При изучении имитационного моделирования необходимо понять его сущность, разобраться, где и в каких случаях оно применяется.

При знакомстве со специализированными языками надо разобраться в их отличительных особенностях по сравнению с универсальными языками.

При знакомстве с математическим аппаратом систем массового обслуживания (СМО) надо понять, в каких случаях появляются задачи, которые наиболее удачно можно решить при помощи СМО. Необходимо рассмотреть основные классификационные признаки СМО: канальность, фазность и т.д. Изучить структурные элементы: источник заявок, входной поток, блок очереди, прибор обслуживания, выходной поток.

4

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое модель производственной системы?

2.Какие существуют классификационные признаки видов моделирования производственных систем?

3.Приведите примеры объектов, которые целесообразно исследовать с помощью математического аппарата систем массового обслуживания (СМО).

4.Назовите элементы СМО, используемые для структурного представления процессов в производстве.

5.Как определяется понятие «имитационное моделирование»?

6.Приведите основные отличительные особенности дискретного и непрерывного моделирования.

7.Какими преимуществами обладают специализированные языки имитационного моделирования по сравнению с универсальными?

2.2. Общие сведения о GPSS/H

Этапы имитационного моделирования с использованием специализированного языка компьютерной имитации GPSS/H. Блоки и управляющие операторы GPSS/H-модели. Типы информации, представляемые в блок-схеме. Требования к символическим именам. Входной формат GPSS/H-модели. Понятие и содержательное значение транзактов. Условия приостановления продвижения транзактов по модели.

Литература: [1, 4, 5, 6, 7, 9].

Методические указания

При изучении этапов моделирования при помощи специализированного языка GPSS/H необходимо подробно рассмотреть последовательность действий на каждом этапе. Четко и ясно представлять, для чего нужен каждый этап. Здесь необходимо понять, что в процессе моделирования какие-то этапы могут быть пропущены или добавлены, но от этого не

5

изменится основная последовательность процесса создания GPSS/H- модели и проведения на ней экспериментов.

При первом знакомстве со специализированным языком компьютерной имитации GPSS/H необходимо понять идею моделирования – транзактный способ отображения динамики процессов. Необходимо изучить типы информации, представляемые в GPSS/H-моделях. Четко и ясно понять содержательное значение и предназначение динамических элементов GPSS/H-модели – транзактов. Надо изучить функциональное назначение и отличие управляющих операторов и блоков. Уяснить, что работа GPSSмодели заключается в перемещении транзактов от одних блоков к другим аналогично тому, как в СМО перемещаются заявки, соответствующие транзактам.

Необходимо обратить внимание на построение блок-схемы и на типы информации в блок-схеме.

Особое внимание следует уделить формату написания GPSS/H- программы. Хотя такая программа создается простым переводом блоксхемы в строчный вид, но от правильности этого перевода зависит правильность работы модели.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные этапы моделирования на GPSS/H.

2.Какие типы информации содержит GPSS/H-модель?

3.Каково содержательное значение транзактов и блоков?

4.Какими типами информации обладает каждый блок GPSS/H- модели?

5.Что из себя представляет формат написания GPSS/H-программы?

6.В чем отличие управляющих операторов от боков?

2.3. Моделирование начала, течения и окончания технологических процессов

Внесение транзактов в модель (блок GENERATE). Удаление транзактов из модели (блок TERMINATE). Таймер модельного времени. Счетчик завершения моделирования. Управляющий оператор STARТ. Реали-

6

зация задержки во времени (блок ADVANCE). Управляющие операторы, необходимые для запуска GPSS/H-программы.

Литература: [4, 5, 6, 7, 9].

Методические указания

Без объектов, изучаемых в данном разделе, не обходится ни одна

GPSS/H-модель.

При рассмотрении блока GENERATE, через который транзакты входят в модель, необходимо обратить внимание на способ реализации поступления транзактов. Также надо обратить внимание на то, что в модели может быть несколько таких блоков, и через каждый из них могут поставляться транзакты в модель. Все разработчики должны задавать спецификацию распределения интервалов времени поступления в блоке GENERATE. Такая информация задается при помощи специальных операндов. Вообще блок GENERATE имеет 8 операндов. В данном разделе рекомендуется рассмотреть только 5 из них: A, B, C, D и E. При их изучении особое внимание следует уделить примерам.

При изучении блока, удаляющего транзакты из модели, необходимо обратить внимание на его особенности. Блок TERMINATE тесным образом связан с счетчиком завершения моделирования, с управляющим оператором START и с таймером модельного времени. Поэтому рекомендуется изучать эти три понятия параллельно. Необходимо разобраться, как влияют количество боков TERMINATE и значения, стоящие в их операндах, на счетчик завершения и на процесс моделирования. Подобно изучению блока GENERATE здесь также надо обратить внимание на примеры, где блок TERMINATE и управляющий оператор START используются для управления процессом моделирования.

При изучении блока ADVANCE внимание следует обратить на его особенности.

При изучении раздела рекомендуется рассматривать простейшее (равномерное) распределение интервалов поступления транзактов и времени их задержки для того, чтобы не отвлекаться на виды распределений, а заниматься изучением функционального назначения блоков. Примене-

7

ние более сложных видов распределений требует использования функций, рассмотрение которых рекомендуется отложить.

Изучение данного раздела следует завершить рассмотрением управляющих операторов, необходимых для успешного запуска GPSS/H- модели. Здесь надо обратить внимание на то, что хотя функциональное назначение и формат написания этих управляющих операторов прост, без их присутствия на своих местах интерпретатор не запустит модель.

Изучение материала в соответствии с приведенной выше тематикой уже достаточно для построения и запуска простых моделей. Поэтому для лучшего усвоения рекомендуется разработать простую модель и запустить ее так, чтобы интерпретатор не выдавал ошибок.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите функциональное назначение и особенности блоков

GENERATE, TERMINATE и ADVANCE. Какие производствен-

ные процессы можно смоделировать при помощи этих блоков?

2.Какие операнды и для чего используются в блоках GENERATE, TERMINATE и ADVANCE?

3.Напишите блок GPSS/H-модели, который будет создавать транзакты через каждые 6 единиц времени с уровнем приоритета, равным 2.

4.Каким образом можно смоделировать выполнение некоторой технологической операции, продолжительность которой колеблется в интервале от 2,75 до 4,75 единиц?

5.Из каких элементов состоит таймер модельного времени и как он функционирует?

6.Какой сегмент необходимо добавить в GPSS/H-модель, чтобы моделирование завершилось по истечении 480 единиц времени?

7.Что нужно сделать в GPSS/H-модели, состоящей из одного сегмента, чтобы моделирование завершилось после уничтожения 100 транзактов?

8.Наличие каких управляющих операторов и блоков необходимо для успешного запуска GPSS/H-модели?

8

2.4. Моделирование технологического оборудования и накопителей

Моделирование прибора обслуживания (блоки SEIZE и RELEASE). Статистика, собираемая для приборов. Варианты использования приборов в GPSS/H-моделях. Моделирование параллельно работающих приборов (блоки ENTER и LEAVE). Управляющий оператор STORAGE. Регистратор очереди в GPSS/H-моделях (блоки QUEUE и DEPART). Статистика, собираемая для очереди. Ошибки при использовании регистратора очереди.

Литература: [4, 5, 6, 7, 9].

Методические указания

Данный раздел посвящен основным элементам СМО: обслуживающим приборам и очередям. Поэтому рекомендуется повторить разд. 2.1, связанный с теорией систем массового обслуживания.

При изучении приборов внимание надо обратить на то, что блоки SEIZE и RELEASE дополняют друг друга и могут существовать только в паре. Надо разобраться с распространенной ошибкой, возникающей в результате того, что транзакт, не занимавший прибор, может его покинуть. Приборы в GPSS/H-модели могут быть размещены по разным схемам. Рекомендуется изучить эти схемы для повышения гибкости при разработке моделей. Для целесообразного использования приборов также необходимо изучить их особенности и стандартную статистику, собираемую интерпретатором GPSS/H.

Функции многоканального устройства (МУ) аналогичны функциям прибора обслуживания, но имеются и отличия. Поэтому надо обратить внимание на то, какие объекты моделируются МУ, а не приборами. Особое внимание надо обратить на то, что для задания МУ недостаточно двух блоков, как для задания приборов, а нужен еще специальный управляющий оператор. Необходимо рассмотреть влияние операнда В, который обозначает число занимаемых модулей в МУ, а также влияние этого параметра на собираемую статистику относительно многоканального устройства.

9

При изучении регистраторов очереди надо разобраться, где и в каких местах моделей могут скапливаться транзакты, при помощи каких блоков и для чего регистраторы вводятся в модель. Необходимо изучить события, происходящие при занятии и освобождении регистратора очереди, а также статистику, собираемую для очередей. Особое внимание следует обратить на ошибки при использовании регистраторов очереди.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие события происходят при занятии и освобождении прибора обслуживания?

2.Какие бывают варианты использования приборов в GPSS/H- моделях?

3.Что такое многоканальное устройство и как оно представляется в

GPSS/H?

4.Какую функцию выполняет управляющий оператор STORAGE S(BUFFER),2 в некоторой GPSS/H-модели?

5.Сколько одновременно транзактов может войти в многоканальное устройство FOX, если в GPSS/H-программе стоит управляющий оператор STORAGE S(FOX),5?

6.Перечислите блоки GPSS/H-модели, используемые для определения характеристик очередей и потоков заявок в системе, и назовите особенности этих блоков.

7.Назовите ошибки при использовании регистраторов очереди.

2.5.Моделирование случайных событий. Получение и интерпретация ре-

зультатов моделирования

Использование распределений вероятностей в GPSS/H-моделях. Генераторы случайных чисел. Определение функций в GPSS/H-моделях пользователем. Управляющий оператор FUNCTION. Формирование случайных величин с заданным законом распределения. Стандартный файл отчета моделирования. Основные разделы стандартного файла отчета моделирования. Информация, представляемая в разделах.

Литература: [4, 5, 6, 7, 9].