Выбор и обоснование инструментальных средств

Использование современных ЭВМ, вычислительных комплексов и сетей является мощным средством реализации имитационных моделей и исследования с их помощью характеристик процессов функционирования систем. В ряде случаев в зависимости от сложности объекта моделирования, т. е. системы, рационально использование персональных ЭВМ или локальных вычислительных сетей. В любом случае эффективность исследования системы на программно-реализуемой модели, прежде всего, зависит от правильности схемы моделирующего алгоритма, совершенства программы и только косвенным образом зависит от технических характеристик ЭВМ, применяемой для моделирования. Большое значение при реализации модели на ЭВМ играет правильный выбор языка моделирования.

Выбор конкретного языка для решения задачи моделирования системы дает в распоряжение исследователю тщательно разработанную систему абстракций, предоставляющих основу для формализации процесса функционирования исследуемой системы. Высокий уровень проблемной ориентации языка моделирования значительно упрощает програм­мирование моделей, а специально предусмотренные в нем возмож­ности сбора, обработки и вывода результатов моделирования позволяют быстро и подробно анализировать возможные исходы имитационного эксперимента с моделью [Советов, уч].

Основными моментами, характеризующими качество языков моделирования, являются:

удобство описания процесса функциони­рования системы;

удобство ввода исходных данных моделирова­ния и варьирования структуры, алгоритмов и параметров модели;

реализуемость статистического моделирования;

эффективность анализа и вывода результатов моделирования;

простота отладки и кон­троля работы моделирующей программы;

доступность восприятия и использования языка.

Перечисленным требованиям при исследовании и проектирова­нии различных систем отвечают такие наиболее известные языки моделирования дискретных событий, как SIMULA, SIMSCRIPT, GPSS, SOL, CSL и др.

Если же предпочтение отдается блочной конструкции модели при наличии минимального опыта в программировании, то следует выбирать ЯИМ транзактов типа GPSS, BOSS, но при этом надо помнить, что они негибки и требуют большого объема памяти и затрат машинного времени на прогон программ моделирования.

Специализиро­ванные языки и системы моделирования являются одним из базо­вых средств современной информационной технологии [35]. В по­следнее время наблюдается широкое развитие данных средств, со­вершенствование их возможностей и пользовательского интерфей­са. Имеются программные пакеты GSPT, Vissim, SIMEX, GPSS/H, Stella, SimPack, DOBSim, Mosis, QSIM, SIMPLORER, Modsim и де­сятки других [2,48]. Реализация систем моделирования на персональ­ных компьютерах расширила сферу их использования в качестве простого и эффективного средства поддержки этапа проектирова­ния сложных объектов и систем.

Анализ рынка средств моделирования показывает, что наиболь­шую популярность получили транзактно-ориентированные языки класса GPSS. Это пакеты GPSS/World, GPSS/H, GPSS/PC, Micro-GRSS. Языки данного класса хорошо согласуются с удобным опи­санием модели системы в форме Q-схемы (системы массового об­служивания).

Система моделирования GPSS/World, отличающаяся возможно­стью установки на персональные компьютеры разного класса. Пакет функционирует на персональных компьютерах моделей с i386 и выше, имеет более 70 типов блоков и команд, а также около 50 системных параметров. В процессе прогона имитационной модели обеспечивается возможность посто­янного наблюдения в шести интерактивных графических окнах (ма­шинная мультипликация, работа одноканальных и многоканальных устройств, функционирование блоков, отображение таблиц и мат­риц). Система выдает отчет о результатах моделирования, содер­жащий широкий спектр параметров блоков, устройств, очередей, таблиц, пользовательских списков.

Язык GPSS представляет собой интерпретирующую языковую сис­тему, применяющуюся для описания пространственного движения объектов. Такие динамические объекты в языке GPSS называются транзактами и представляют собой элементы потока. В процессе имитации транзакты «создаются» и «уничтожаются». Функцию каждого из них можно представить как движение через модель с поочередным воздействием на ее блоки. Функциональный аппарат языка образуют блоки, описывающие логику модели, сообщая транзактам, куда двигаться и что делать дальше. Данные для ЭВМ подготавливаются в виде последовательности операторов блоков и операторов команд, которая составляется по схеме модели, набранной из стандартных символов. Созданная GPSS-программа, работая в режиме интерпретации, генерирует и передает транзакты из блока в блок в соответствии с правилами, устанавливаемыми блоками. Каждый переход транзакта приписывается к определен­ному моменту системного времени.

Пакет прикладных программ моделирования и исследо­вания на ЭВМ дискретных систем [2]. Для ПЭВМ имеется версия языка GPSS/World. Основное достоинство этого пакета — наличие необходимого набора типовых элементов (устройств, накопите­лей, переключателей и т. п.), соответствующих компонентам реальных систем (на­пример, формализуемых в виде Q-схем), и программная реализация алгоритмов их функционирования, позволяющая строить сложные модели, сохраняя привычную для исследователя или разработчика систем запись.

В пакете GPSS для представления моделируемой системы в виде машинной модели используется язык блок-диаграмм. Блок-диаграммой в пакете GPSS называется графическое представление операций, происходящих в моделируемой системе. В этом случае блок-диаграмма описывает взаимодействия, происходящие внутри моделируемой системы в процессе ее функционирования.

Для пакета GPSS были введены некоторые условности и общие представления о моделируемых системах. Введение таких обобщений позволило создать язык блок-диаграмм, в котором блоки соответствуют некоторым действиям, встреча­ющимся в системах исследуемого класса. Вводимый набор блоков для блок-диа­грамм однозначно определяет наборы операторов языка, осуществляющих описание структуры моделируемой системы, и логических правил, определяющих ее функци­онирование.

В блок-диаграммах GPSS блоки представляют собой выполняемые над динами­ческими объектами операции, а стрелки между блоками отражают маршруты перед­вижения данных объектов по системе. Альтернативные ситуации отражаются более чем одной стрелкой, выходящей из блока.

Таким образом, процесс создания модели на языке блок-диаграмм GPSS сводится к:

декомпозиции исходной системы до уровня элементарных операций, используемых в пакете GPSS,

формированию фиксированной схемы, отражающей последовательность элементарных операций, выполняемых над динамическими объектами,

определению набора логико-вероятностных правил продвижения пото­ков объектов по имеющейся схеме.

Построение блок-диаграмм GPSS предполагает знакомство программиста с на­бором операторов пакета GPSS. Набор операторов языка однозначно соответствует набору блоков для описания блок-диаграмм, поэтому построение блок-диаграммы не является самоцелью, а лишь промежуточным этапом при построении имитацион­ной модели исследуемой системы с использованием операторов пакета GPSS.

Язык GPSS был специально разработан для построения имита­ционных моделей сложных дискретных систем и относится к ин­терпретирующим языковым системам, применяемым, в основном, для имитации пространственно-временного движения объектов различной природы при фиксированной структуре блочной схе­мы. Формальными моделями, для имитации которых она используется, являются системы массового обслуживания, конечные и вероятностные автоматы, сети Петри, агрегаты [12].

Система GPSS World предназначена для имитационного модели­рования сложных дискретных систем. Имитационное моделиро­вание обеспечивает возможность испытания, оценки и проведе­ния экспериментов с предлагаемой системой без каких-либо не­посредственных воздействий на нее. При имитационном модели­ровании проводится эксперимент с программой, которая является моделью системы. Несколько часов, недель или лет работы ис­следуемой системы могут быть промоделированы на ЭВМ за не­сколько секунд или минут. В большинстве случаев модель являет­ся не точным аналогом системы, а скорее ее символическим изо­бражением. Однако такая модель позволяет проводить измерения, которые невозможно провести каким-либо другим способом.