Системы имитационного моделирования. Язык GPSS

Имитационное моделирование (ИМ) применяется для исследования и проектирования таких сложных систем и процессов, как предприятия, информационные сети, мировые динамики в экономике или экологии и т.д. Имитационная модель системы – это программа, в которой определяются все наиболее существенные элементы и связи в системе и задаются начальные значения параметров, соответствующие некоторому «нулевому» моменту времени, а все последующие изменения, происходящие в системе по закону причин и следствий, вычисляются на ЭВМ автоматически при выполнении программы. Такой метод моделирования не требует составления уравнений и, тем более, не требует их решения. При этом он позволяет отображать и исследовать поведение системы с любой детальностью и точностью. Выполнение имитационной модели называется имитационным экспериментом (ИЭ). В ходе ИЭ компьютер имитирует функционирование системы и вычисляет все необходимые характеристики свойств, проявляемых системой. ИЭ подобен натурному эксперименту. Однако он позволяет, в отличие от натурного метода, экспериментировать с системами, которых еще или уже нет, позволяет предсказывать поведение существующих систем в будущем, изучать их поведение в чрезвычайных условиях. Он дешевле и быстрее натурных экспериментов.

Наиболее распространенным языком для имитационного моделирования непрерывных систем является язык DYNAMO, для дискретных – язык GPSS. Система моделирования GPSS (General Purpose Simulation System) разработана фирмой IBM (International Business Machines). Основные составные части системы GPSS - это язык GPSS и соответствующий ему языковой процессор. Существует довольно много версий языка GPSS. Из них наиболее широко распространенными и доступными версиями являются GPSS/360 (4-6), GPSS-V (7) и GPSS\PC. Пользователь, изучивший язык GPSS/360, с легкостью может перейти к применению любой другой версии GPSS. Язык GPSS получил наиболее широкое распространение по сравнению с другими языками моделирования. Он включен в институтские учебные курсы по моделированию систем у нас в стране и изучается в аналогичных курсах во многих колледжах и университетах США и других стран. В последнее время фирмой Wolverine Software разработана новейшая версия языка GPSS, называемая GPSS/H+PROOF. В этой версии добавлены графические средства манипулирования с блок-схемами, возможность использования анимации и гибкий интерфейс связи с языком программирования C++ [1]. Язык DYNAMO проще, чем GPSS. Язык СЛАМ объединяет в одной оболочке языки GPSS и DYNAMO, т.е. позволяет строить непрерывно-дискретные модели систем и «имеет практически неограниченные возможности» Объекты языка GPSS – это наиболее простые математические модели, входящие в состав языка, с помощью которых можно конструировать более сложные модели, модели сложных реальных систем. Из этих объектов можно составлять, например, модели предприятий, модели транспортных систем города, модели сложных организационно-технических систем, таких как информационно-вычислительные сети, авиационные перевозки, торгово-финансовые комплексы и т.д. Благодаря тому, что объекты GPSS отражают лишь определенный вид отношений в реальных системах, число основных объектов GPSS невелико. К числу основных объектов GPSS относятся блоки, транзакты, устройства, памяти и очереди. Блоки представляют собой пространственные части или узлы реальных систем. Оказывается, что практически любую сложную систему можно разделить на части, каждая из которых функционирует по одному из типовых алгоритмов. Такие типовые части систем и представлены блоками GPSS. Выполняя пространственное разбиение реальных систем на блоки, следует иметь в виду не физическое пространство, в котором система существует как физическая данность, а пространство функциональное, которое определяется организацией взаимодействия составных частей и элементов системы. Например, на предприятии составными частями, узлами функционального пространства являются места обработки и хранения: склады, транспортные средства, станки, сборочные конвейеры и т.д. Транзакты – это динамические объекты, которые перемещаются в модели и вступают во взаимодействие с другими объектами. Число транзактов может быть любым, транзакты могут порождаться, размножаться, склеиваться и уничтожаться. При моделировании дорожной сети города транзакты могут соответствовать автомобилям, при моделировании производственного процесса – изделиям, при моделировании финансовых потоков – деньгам и товарам. При моделировании информационно-вычислительных систем транзактами обычно представляют программы и данные. В самом абстрактном применении транзакт соответствует причинно-следственной связи, т.е. передаче некоторого взаимодействия. В блоках могут выполняться такие операции, как создание транзактов (блок GENERATE), задержка транзактов на заданное время (блок ADVANCE), занятие транзактом некоторого устройства (блок SEIZE) и т.д. Устройство – это объект, который может находиться в одном из двух состояний: свободно или занято. В каждый момент времени устройство может быть занято только одним транзактом. Если транзакт пытается занять уже занятое устройство, он помещается в очередь, т.е. переводится в состояние ожидания. Когда занятое устройство освобождается, то проверяется наличие очереди транзактов к нему. Если такая очередь имеется, то первый из ожидающих транзактов извлекается из очереди и занимает устройство. Все эти операции выполняются в блоке SEIZE автоматически, т.е. их не нужно программировать. Кроме того, блок SEIZE автоматически собирает статистику об устройстве, в которую входит, например, коэффициент загрузки устройства, т.е. доля времени, в течение которой устройство было занято (работало) по отношению ко всему времени моделирования. Коэффициент загрузки можно определить и другими словами: он равен среднему числу транзактов, занимающих устройство. Очевидно, что коэффициент загрузки устройства всегда находится в пределах между 0 и1. Эту величину называют также коэффициентом использования устройства. Память – это объект, который имеет заданную емкость. Емкость выражается целым числом единиц и описывается в модели картой STORAGE. Карты (от слова перфокарта) не являются блоками, т.е. транзакты в них не входят. Карты просто описывают перед началом моделирования те или иные объекты, которые будут входить в состав модели. Внешне карты, как и блоки, имеют вид программной строки и отличаются от блоков только по своему наименованию. Память в отличие от устройства может быть занята одновременно несколькими транзактами. Когда транзакт пытается занять некоторое число единиц памяти, выполняется проверка, имеется ли в наличии достаточно свободных единиц. Если имеется, то транзакт занимает их. В противном случае он задерживается в очереди. Когда какой-либо транзакт освобождает несколько единиц памяти, выполняется проверка, есть ли транзакты в очереди к памяти. Если такие транзакты имеются, то первый из них пытается занять нужное ему число единиц, т.е. либо входит в память, либо продолжает оставаться в очереди (при недостаточном месте в памяти). Независимо от исхода этой проверки после нее выполняется проверка возможности в память второму транзакту из очереди, т.к. для второго транзакта места может оказаться достаточно. Далее проверки продолжаются до конца очереди. Тем самым реализуется рациональная дисциплина использования памяти. Эти операции выполняются в блоке ENTER. В нем также собирается статистика об использовании памяти. Транзакт может освобождать иное число единиц памяти, чем занимал. В отличие от устройства, транзакт может освобождать память, которую не занимал. Устройствами можно моделировать такие объекты реальных систем, как канал связи, процессор ЭВМ, функциональное место в банке (кассир, контролер и т.п.), станок, рабочего, продавца и т.д. Память может изображать автостоянку, склад, память компьютера и т.п.

Имитационной моделью системы называют программу, которая воспроизводит процесс функционирования моделируемой системы во времени в соответствии с тем, как действуют причинно-следственные связи в этой системе и ее окружающей среде. При этом, как правило, система разбивается на определенное количество объектов, для которых формально описаны их возможные состояния, числовые и логические атрибуты и правила взаимодействия. Такие объекты представляются в программе в виде соответствующих наборов данных. В начальный момент времени в программе задается начальное состояние системы. Все последующие состояния вычисляются на основе предыдущих состояний в соответствии с причинно-следственными связями. Таким образом, имитационная модель воспроизводит в численном виде динамику системы. Наряду с этим модель включает средства для сбора данных по системе или отображения текущих состояний системы на экран. Выполнение имитационной модели называют прогоном модели. При необходимости варьирования параметров модели или начальных условий, а также а также для накопления статистических данных может потребоваться большое количество прогонов. Выполнение прогонов модели называют имитационным экспериментом. Основные классы систем: С точки зрения имитационного моделирования системы подразделяются на детерминированные и стохастические, в зависимости от того, присутствуют ли в системе случайные факторы (если присутствуют, то система стохастическая); а также на непрерывные и дискретные. В непрерывных системах все переменные являются непрерывными функциями времени. В дискретных системах все переменные могут изменяться лишь в некоторый момент времени, множество которых дискретно, между этими моментами времени не изменяются. В тоже время, сами переменные Х1, Х2... и время t - являются непрерывными величинами. Изменения, происходящие в дискретной системе называют событиями. Автоматизированные системы(АС) при имитационном моделировании наиболее удобно представлять виде стохастических дискретных систем. Типичным примером такого представления данных может служить СМО(система массового обслуживания). При обработке статистических данных, при моделировании АС следует учитывать, что воспроизводимые воспроизводимые случайные процессы всегда имеют переходный процесс и могут быть неэргодическими, поэтому наиболее общая схема имитационного эксперимента включает несколько независимых потоков с последующим усреднением полученных реализаций случайного процесса по множеству прогонов. Имитационная модель (ИМ) - программа, при выполнении которой на ЭВМ в численном виде воспроизводится процесс функционирования системы в соответствии с известным причинно-следственным механизмом, определяющим состояния элементов системы в очередные моменты времени через их состояния в прошлом. Системы делятся на непрерывные (все переменные представляют собой непрерывные функции времени) и дискретные. Соответственно языки программирования ИМ систем делятся на языки моделирования дискретных систем, языки моделирования непрерывных систем, языки моделирования непрерывно - дискретных систем. Всего известно несколько сотен хорошо документированных языков ИМ. Наиболее распространенным и проверенным считается язык GPSS. ИМ отличается от аналитического тем, что не требует составления и решения уравнений, не связано с применением формальных понятий определенного мат. аппарата, уровень детализации при моделировании может быть произвольным. Поэтому реальная система может быть промоделирована с любой точностью (единственное ограничение - хорошее знание исследуемой системы). Выполнение ИМ на ЭВМ называется имитационным экспериментом (ИЭ). Чтобы накопить информацию о показателях функционирования системы применяют два метода планирования ИЭ: параллельный эксперимент - при заданном начальном состоянии системы прогон модели осуществляется N раз. В каждом прогоне начальные значения датчиков БСВ (непрерывная случайная величина, равномерная распределенная на интервале от 0 до 1). В результате получается N независимых реализаций процесса. Так как все реализации независимы, можно находить не только среднее значение процесса, но и определить точность результата усреднения классическими методами. Результат усреднения дает информацию обо всем процессе, включая фазы переходного и стационарного процессов. Последовательный эксперимент - основан на применении теоремы об эргодическом процессе: "для эргодического процесса среднее по множеству равно среднему по времени". В последовательном эксперименте выполняется один достаточно длинный прогон, в котором среднее значение процесса определяется как среднее по времени. Последовательный эксперимент позволяет рассчитывать оценки достаточно легко, но в нем теряется информация о переходном процессе. Имитационное моделирование (ИМ) применяется для исследования и проектирования таких сложных систем и процессов, как предприятия, информационные сети, мировые динамики в экономике или экологии и т.д. Имитационная модель системы – это программа, в которой определяются все наиболее существенные элементы и связи в системе и задаются начальные значения параметров, соответствующие некоторому «нулевому» моменту времени, а все последующие изменения, происходящие в системе по закону причин и следствий, вычисляются на ЭВМ автоматически при выполнении программы. Такой метод моделирования не требует составления уравнений и, тем более, не требует их решения. При этом он позволяет отображать и исследовать поведение системы с любой детальностью и точностью. Выполнение имитационной модели называется имитационным экспериментом (ИЭ). В ходе ИЭ компьютер имитирует функционирование системы и вычисляет все необходимые характеристики свойств, проявляемых системой. ИЭ подобен натурному эксперименту. Однако он позволяет, в отличие от натурного метода, экспериментировать с системами, которых еще или уже нет, позволяет предсказывать поведение существующих систем в будущем, изучать их поведение в чрезвычайных условиях. Он дешевле и быстрее натурных экспериментов. Этапы ИМ: Постановка задачи, Схема процесса и предварительный анализ, Разработка модели, Планирование эксперимента.