Общие правила построения и способы реализации моделей на эвм.

Общие правила построения и способы реализации моделей на ЭВМ.

Постановка задачи машинного моделирования.

Необходимо
дать четкую формулировку задачи, обратив особое внимание на
существование такой задачи и необходимость машинного моделирования, на выбор методики решения задачи с учетом имеющихся
машинных ресурсов, на определение масштаба задачи и возможность ее разбиения на подзадачи.

При выполнении курсовой ра-
боты корректная постановка задачи моделирования конкретной
системы (процесса) должна содержаться в выдаваемом задании. Для
более детального изучения объекта моделирования необходимо ознакомиться с рекомендуемой литературой в данной области. От уровня понимания разработчиком
модели процессов, протекающих в моделируемой системе, во
многом будет зависеть адекватность дальнейших эвристических
переходов. На этом же подэтапе нужно решить вопрос о разбиении
поставленной задачи на подзадачи в зависимости от ее сложности
(затрат ресурсов на получение требуемого результата моделиро-
вания). Причем возможно возвращение к вопросу о необходимости такой декомпозиции при выполнении последующих этапов
(подэтапов) моделирования.

При рассмотрении задачи моделирования фрагмента СПД
можно, исходя из ее масштаба, не проводить разбиение на подзадачи. Такое разбиение уже было проведено, когда в этом примере
для моделирования была выбрана не вся СПД, а только ее фрагмент. Следовательно можно
сделать вывод о невозможности использования для исследования
вероятностно-временных характеристик СПД и ее фрагмента аналитических методов, а также о необходимости ориентации на чисто имитационный или, если это окажется возможным, комбинированный (аналитико-имитационный) подход. В качестве инструментальной машины для выполнения практикума выбраны
ПЭВМ.

Установление основного содержания модели.

На этом этапе
определяется основное содержание концептуальной модели и выбирается путь (метод) построения математической модели на основе принятых гипотез и предположений. При этом переходе
должны учитываться следующие особенности:

• исходная формули-
  ровка задачи моделирования;
• функция и структура системы S,
  взаимодействие ее элементов, взаимодействия внешней средой Е;
  возможные средства решения задачи моделирования.

Для задачи моделирования процесса функционирования фрагмента СПД, исходя из содержательной постановки задачи моделирования, можно предположить, что процессы, происходящие в
этом объекте моделирования, являются по своей сути процессами
обслуживания [1], Поэтому рационально описать эти процессы на языке Q-схем, не заботясь пока о возможности получения
вероятностно-временных характеристик аналитическими метода-
ми.

Основное внимание обращается на адекватность перехода от
концептуальной модели М _к к конкретной Q-схеме. Возможным
средством машинной реализации этой модели в такой постановке
может быть пакет GPSS, хорошо приспособленный именно для
моделирования процессов обслуживания.

Обоснование критериев оценки эффективности системы.

Для
возможности оценки качества процесса функционирования моделируемой системы S необходимо выбрать (если она не задана) совокупность критериев оценки эффективности, т. е. в математической постановке задача сводится к получению соотношений
(формул, алгоритмов) для оценки эффективности в функции параметров и переменных систем S с учетом воздействий внешней
среды Е.

Для данного примера в качестве критериев оценки эффективности процесса функционирования фрагмента СПД заданы вероятностно-временные характеристики, которые рассмотрены ра-
нее.

SIMULATE

EXPON FUNCTION RN1,C24

0,0/.100,.104/.200,.222/.300,.355/.400,.509/.500,.690/.600,.915/.700,2.200

.750,1.380.800,1.600/.840,1.830/.880,2.120/.900,2.300/.920,2.520/.940,2.810/.950,2.990/9

,3.200/.970,3.500/.980,3.900/.990,4.600/.995,5.300/.998,5.200/.999,7/1.8

MET1 ENTER BUF4,1

SEIZE CPU1 Обработка в CPU1

ADVANCE 2

LEAVE BUF4,1

RELEASE CPU1

ENTER BUF1,1

TEST E P2,1,MET4

TEST E P1,20,COP1

SPLIT 1,NEX1

MARK

COP1 MATCH COP1

LEAVE BUF1,1

ASSEMBLE 2

TABULATE TAB1

TERMINATE

MET4 SEIZE DCH1

LEAVE BUF1,1

TRANSFER,DEX1

NEX1 SEIZE DCH1

RELEASE CPU2

ASSIGN 1,1

MET2 ENTER BUF2,1

SEIZE CPU2

ADVANCE 2 Обработка в CPU2

LEAVE BUF2,1

RELEASE CPU2

ENTER BUF3,1

TEST E P2,2,MET5

TEST E P1,20,COP2

SPLIT 1,NEX2

COP2 MATCH COP2

LEAVE BUF3,1

TERMINATE

MET5 SEIZE DCH2

LEAVE BUF3,1

TRANSFER,DEX2

NEX2 SEIZE DCH2

RELEASE DCH2

ASSIGN 1,1

TRANSFER,MET2

GEN2 GENERATE 25,FNSEXPON

ASSIGN 1,20

ASSIGN 2,2

TRANSFER,MET2

GEN1 GENERATE 25,FNSEXPON

ASSIGN 1,20

ASSIGN 2,1

TRANSFER,MET1

TERMINATE 1

START 1

REPORT REPORT.GPS

WINDOW TABLES

 

Рис. 7. Текст GPSS-программы моделирования СПД

 

С учетом использования для реализации модели процесса функционирования СПД языка GPSS врассматриваемом примере такая проверка не требуется, так как средствами пакета обеспечивается однозначный переход от блок-диаграммы GPSS крабочей программе.

2.8. Проведение программирования модели. При достаточной подробной схеме программы, отражающей все операции логической схемы модели, можно приступить к программированию модели. Если имеется адекватная схема программы, то программированием модели занимается только программист без участия и помoщи со стороны разработчика модели (при выполнении курсовой работы студент выступает как в роли разработчика модели, так и в роли программиста).

В данном примере переход от блок-диаграммы GPSS к программе является формальным шагом, так как заключается в записи пространственной структуры в линейном виде, что не требует специальных навыков. GPSS-программа, полученная из блок-диаграммы, приведена на рис. 7

2.9. Проверка достоверности программы. Эта проверка является последней на этапе машинной реализации модели и должна проводиться либо путем обратного перевода программы при решении различных тестовых задач, либо объединением всех частей программы и проверки ее в целом. На этом подэтапе необходимо также уточнить оценки затрат машинного времени на моделирование.

Для рассматриваемого примера моделирования фрагмента СПД сгенерированные GPSS рабочие программы однозначно соответствуют блок-диаграмме и не требуют такой проверки, что еще раз подчеркивает преимущества использования для моделирования специализированных пакетов прикладных программ, реализованных на базе языков имитационного моделирования. Проведенная повторная оценка затрат машинного времен и на прогон модели подтверждает, что это время не превышает 2..3 мин в зависимости от типа ПЭВМ.

2.10. Составление технической документации по второму этапу. Для завершения этапа машинной реализации модели необходимо составить техническую документацию, содержащую логическую схему модели и ее описание, схему программы и принятые обозначения, полный текст программы, перечень входных и выходных величин с пояснениями, инструкцию по работе с программой, оценку затрат машинного времени на моделирование.

Техническая документация по второму этапу моделирования должна составляться при выполнении курсовой работы непосредственно при реализации соответствующих подэтапов. В рассматриваемом примере входные переменные в GPSS-программе задаются в явном виде, а выходные — определяются стандартным выводом редактора вывода GPSS. Работа с программой заключается в загрузке ее в инструментальную ПЭВМ под управлением MS DOS. При оформлении программной документации второго этапа необходимо строго придерживаться стандартов ЕСПД.

CPU1 1185 0.237 2.00 1 0 0 0 0 0

DCH1 777 0.839 10.81 1 1565 0 0 0 10

CPU2 1158 0.231 2.00 1 1553 0 0 0 0

DCH2 778 0.798 10.26 1 1568 0 0 0 5

 

Рис. 8. Статистика о функционировании устройств

 

BUF1 20 6 0 19 1185 1 5.76 0.288 0 0

BUF2 20 19 0 5 1158 1 0.30 0.015 0 0

BUF3 20 9 0 15 1157 1 4.64 0.232 0 0

BUF4 20 20 0 4 1185 1 0.31 0.015 0 0

Рис. 9. Статистика о функционировании накопителей

устройства СПД и обобщенная статистика процесса передачи пакетов в рассматриваемом фрагменте СПД. На основе этого можно получить полное представление о процессах, происходящих в СПД, исследование которых намечалось провести при постановке задачи моделирования в данном примере.

3.5. Представление результатов моделирования. На третьем этапе моделирования окончательно решается вопрос о форме представления результатов моделирования (таблицы, графики, диаграммы, гистограммы, схемы и т. п.) В каждом конкретном случае целесообразно выбирается наиболее подходящая форма представления результатов моделирования, так как это существенно влияет на эффективность дальнейшего использования результатов заказчиком. В большинстве случаев удобнее результаты моделирования сводить в таблицы, хотя графики позволяют более наглядно иллюстрировать полученные результаты.

В рассматриваемом примере моделирования фрагмента СПД наряду со стандартной статистикой о функционировании устройств (рис. 8) и накопителей (рис. 9) использованы также возможности GPSS по сбору статистики в виде таблицы (рис. 10), на основе чего построена машинная гистограмма распределения времени передачи пакета данных по фрагменту СПД, которая приведена на рис. 11.

 

TABLE MEAN STD.DEV. RETRY RANGE FREQUENCY CUM.

GIST 98.95 48.20 0

10 - 30 80 5.18

30 - 50 210 18.78

50 - 70 218 32.90

70 - 90 230 47.80

90 - 110 228 62.56

110 - 130 182 74.35

130 - 150 118 81.99

150 - 170 140 91.06

170 - 190 74 95.85

190 - 210 40 98.45

210 - 230 14 99.35

230 - 250 10 100.00

 

Рис. 10. Статистическая таблица характеристик процесса функционирования СПД

Рис. 11. Гистограмма распределения времени передачи пакета данных в СПД

Применение статистической таблицы позволило получить более широкий набор характеристик процесса передачи пакетов в СПД, а гистограмма более наглядно представила полученные в результате моделирования характеристики процесса функционирования СПД. Кроме того, с помощью такой гистограммы можно достаточно просто оценить некоторые дополнительные характеристики, например сделать и проверить предположения о характере закона распределения времени передачи пакета, оценить вероятность превышения заданного времени передачи пакета и т. д.

3.6. Интерпретация результатов моделирования. После получения и предварительного анализа результатов моделирования они должны быть интерпретированы относительно моделируемого объекта, т. е. системы S. Таким образом, основным содержанием этого подэтапа является переход от информации, полученной в результате машинного эксперимента с моделью М_м, к информации, применимой непосредственно к объекту моделирования, на основании которой и будуг делаться выводы относительно характеристик процесса функционирования исследуемой системы S.

В рассматриваемом примере модели процесса функционирования фрагмента СПД, специальной интерпретации результатов моделирования не требуется, так как,

во-первых, не проводилось масштабирование переменных и, следовательно, нет необходимости в их переводе в исходные значения;

во-вторых, при формализации и алгоритмизации объекта моделирования реальные элементы системы не подвергались декомпозиции, а были смоделированы соответствующими объектами языка GPSS, вследствие чего статистика, полученная по объектам языка, непосредственно является статистикой элементов исходной моделируемой системы;

в-третьих, специальные статистики о процессе функционирования СПД организовывались так, чтобы исключить неоднозначность понимания.

Таким образом, в рассматриваемом примере полученные результаты моделирования отражают характеристики процесса функционирования исследуемого объекта, т.е. фрагмента СПД, и выражены в размерности реальных физических величин, характеризующих СПД.

3.7. Подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций. Проведение этого подэтапа тесно связано с предыдущим. При подведении итогов моделирования должны быть отмечены главные особенности полученных в соответствии с планом эксперимента результатов, проведена проверка гипотез и предположений и сделаны выводы на основании полученных результатов моделирования. Все это позволяет сформулировать рекомендации по практическому использованию заказчиком полученных результатов моделирования, например, на этапе проектирования конкретной системы S.

Для рассматриваемого примера моделирования процесса функционирования фрагмента СПД можно сделать вывод, что полученные на ПЭВМ результаты отражают основные особенности функционирования объекта и позволяют качественно и количественно оценить его поведение. На основе полученных оценок характеристик можно, например, дать следующие рекомендации. Загрузка процессоров — порядка 25%, а загрузка каналов связи СПД приближается к 90%, т. е. очевидна несбалансированность производительностей процессоров и каналов связи СПД. Поэтому в зависимости от допустимого времени передачи пакета в СПД можно либо снизить производительность процессоров, что удешевит систему, либо повысить производительность каналов связи, обеспечивая при этом заданное качество передачи данных.

3.8. Составление технической документации по третьему этапу. Эта документация является окончательной и результирующей и включает в себя план проведения машинного эксперимента, наборы исходных данных для моделирования, результаты моделирования системы, анализ и оценку полученных результатов, пути дальнейшего совершенствования машинной модели. Документация по моделированию конкретной системы S на ПЭВМ должна содержать весь комплект технической документации по каждому из трех рассмотренных этапов, оформленный в соответствии с требованиями государственных стандартов.

Для рассматриваемого примера моделирования фрагмента СПД содержание перечисленных документов было уже рассмотрено в процессе выполнения этапов и подэтапов моделирования.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1.Что называется машинной моделью системы?

2. В чем заключается достоинство имитационного моделирования как метода исследования сложных систем?

3. Какие проверки достоверности модели выполняются на различных этапах моделирования на ЭВМ?

4. Какая документация оформляется на имитационную модель как программный продукт?

5. В чем сущность интерпретации результатов машинного моделирования системы?

 

 

 

Общие правила построения и способы реализации моделей на ЭВМ.