Лекция 1 Моделирование систем Доц. Бабалова Ирина Филипповна 2017 год 1
Введение Моделирование – это совокупность методик для совершенствования исследования сложных систем В настоящее время моделирование используется во всех направлениях деятельности человека. Большинство систем моделирования ориентируется на конкретные области техники: em. Plant – машиностроение, Delmia – судостроение, Netrac – телекоммуникация и связь, VHDL - цифровые устройства. Системы общего назначения GPSS World, Anylogic, Simula, Process. Model, Auto. Mod. General Purpose Simulation System 2
История Система GPSS была разработана сотрудником фирмы IBM Джефри Гордоном в 1961 году. Гордоном были созданы 5 первых версий языка: GPSS (1961), GPSS II (1963), GPSS III (1965), GPSS/360 (1967) и GPSS V (1971). Известный ранее только специалистам, в нашей стране этот программный пакет завоевал популярность после издания в СССР в 1980 году монографии Т Дж. Шрайбера. В ней была рассмотрена одна из ранних версий языка — GPSS/360, а также основные особенности более мощной версии — GPSS V, поддерживаемой компанией IBM, у нас она была более известна как пакет моделирования дискретных систем (ПМДС). Этот пакет работал в среде подсистемы диалоговой обработки системы виртуальных машин единой серии (ПДО СВМ ЕС) ЭВМ. После окончания поддержки GPSS V компанией IBM следующей версией стала система GPSS/H компании Wolverine Software разработанная в 1978 году под руководством Дж. Хенриксена. В 1984 году появилась первая версия GPSS для персональных компьютеров с операционной системой DOS — GPSS/PC. Она была разработана компанией Minuteman Software под руководством С. Кокса. Конец XX века ознаменовался разработкой компанией Minuteman Software программного продукта GPSS World, увидевшей свет в 1993 году. За сравнительно небольшой период времени было выпущено несколько его версий, причем в каждой последующей возможности системы моделирования наращивались. Помимо этих основных версий существует также Micro. GPSS, разработанная Ингольфом Сталлом в Швеции, — это упрощенная версия, предназначенная для изучения языка GPSS, и Web. GPSS, также предназначенная для изучения работы системы и разработки простейших имитационных моделей в сети интернет. 3
Литература 1. 32471_gpss_world_reference 2. GPSS_EE_Help 3. gpss_new 4. Девятков В. В. Руководство пользователя по GPSS World. Издательство «Мастер Лайн» , 2002 г. 384 с. 4
Курс «Моделирование цифровых устройств и системы автоматизированного проектирования Тема 1. Общие цели моделирования. Понятие о моделях и их классификация. Основные уровни моделирования сложных систем. Имитационное моделирование концептуальных и реальных объектов. Основы формализации сложных систем при имитационном моделировании. Аналитическое представление сложной системы. Характеристики реальных сложных систем. Понятие события, процесса, активности. Тема 2. Имитационное моделирование вычислительных систем. Описание поведения сложной системы для построения имитационной модели. Принципы моделирования параллельных процессов и одновременных событий. Способы реализации квазипараллелизма в моделях. Способы формализации вычислительной системы для организации в имитационных моделях квазипараллелизма: просмотр активностей, составление расписания событий, транзактный, процессный, агрегатный. 5
Тема 3. Элементы теории массового обслуживания. Организация случайных событий и потоков заявок. Закон Пуассона и его использование для описания процессов в системах массового обслуживания. Описание различных функций распределения случайных событий в системе моделирования. Аналитические зависимости для анализа характеристик вычислительной системы как системы массового обслуживания. Тема 4. Показатели работоспособности вычислительной системы: быстродействие, загрузка ЭВМ, производительность. Основные факторы, определяющие производительность вычислительной системы. Одномерный и многомерный потоки заявок. Закон сохранения времени ожидания. Характеристики различных дисциплин обслуживания. Зависимость характеристик вычислительной системы от ее конфигурации. 6
Определение модели Модель – это материальный или теоретически сконструированный объект, который заменяет реальный объект и в процессе познания находится с реальным объектом в отношении сходства типа изоморфизма, аналогии, физического сходства. В каждой модели сохраняются некоторые важные для данного исследования свойства. Зависимость между объектом и его моделью не природная, но хорошая модель позволяет получить новые знания об объекте. Соотношение между реальным объектом и моделью 7
Наиболее полная теория моделирования изложена в книге Р. Шеннона «Имитационное моделирование систем – искусство и наука / пер. с англ. - М. : Мир, 1978 – 418 с. » Основные качества модели 1. Модель не существует изолированно от объекта, так как она строится на основе реального объекта. 2. Модель при всем своем сходстве с оригиналом по основным признакам, всегда отличается от оригинала. Чаще всего модель отражает те свойства оригинала, которые существенны для того, кто использует реальный объект. 3. Модель всегда имеет целевое назначение. Модель представляет некую систему исследований, служащую средством получения информации о реальном объекте. 8
Общая теория моделирования Классификации моделей Способы реализации модели Характер воспроизводимых свойств объектов Способы получения информации о поведении модели. 9
Имитационное моделирование Это метод исследования, основанный на том, что изучаемая динамическая система заменяется имитатором и с ним проводятся эксперименты с целью получения информации об изучаемой системе. Чтобы решить задачу имитационного моделирования нужно обеспечить взаимодействие трех видов познания: логического, физического, семиотического. Логическое познание – способ описания объекта – формулы, алгоритмы Физическое познание – представление результата формализации некоторыми аналогами 10 Семиотическое познание - система знаков, символов для представления и интерпретации результатов моделирования
Определение целей имитационного моделирования 1. Осмысление реального объекта. 2. Эксперимент над объектом (вместо эксперимента над реальным объектом) с интерпретацией результатов экспериментирования. 3. Прогнозирование характеристик и поведения системы. 4. Организация взаимодействия с устройствами обработки информации о работе системы. 5. Обучение и тренировка пользователей системы.
1. Формализация описания поведения объектов сложных систем 2. Описание функционирования реального объекта для построения ИМ 3. Структурная схема имитационных моделей 4. Понятие квазипараллелизма в моделях СС 5. Организация квазипараллелизма в имитационных моделях 12
Разработка имитационной модели Представление результатов моделирования, их анализ и описание рекомендаций по проектированию или эксплуатации исследуемых Цифровых Систем требует знания теории вероятностей и методов планирования эксперимента, что обычно предполагается в инженерном образовании. Написание программы модели не будет представлять большой сложности, так как язык описания компонент и их характеристик достаточно прост и создан по правилам формирования языков 13 программирования.
Тема реферата Основы теории вероятностей и математической статистики 1. Основные понятия теории вероятностей. 2. Понятие о функциях распределения случайных событий. 3. Способы описания функций распределения. Основные параметры функций распределения. 4. Формулы для вычисления параметров функций для указанных ниже распределений: • Равномерный закон Материал представлять в электронном • Экспоненциальный закон виде. • Закон Пуассона Адрес почты: irina-babalova@rambler. ru • Нормальный закон • Закон Парето 5. Области применения функций распределения каждого из названны видов функций. Срок выполнения 3 недели. Объём работы не более 4 страниц формата А 4. Необходимо представить графики всех названных функций 14 с указанием на графиках параметров функций распределения.
Общность СМО и Вычислительных СИСТЕМ Анализ вычислительных и информационных систем показывает, что они могут быть описаны, как системы СМО. В ВС есть определенный набор компонент, к которым предъявляются требования по обработке запросов. Эти требования не всегда могут быть реализованы в связи с тем, что количество предоставляемых ресурсов ограничено. Наиболее трудоемкими этапами моделирования являются шаги по представлению вычислительных систем в формате компонент СМО, определению и описанию характеристик этих компонент. Надо суметь четко сформулировать требования к системе и знать законы ее функционирования. 15
Системы массового обслуживания Определение Дискретная система со счетным и конечным числом состояний, переходы между которыми происходят скачками под влиянием внешних и внутренних воздействий (событий). Структура СМО с одним обслуживающим ресурсом Очередь Объект t выхода t поступления (интервалы времён поступления заявок) t обслуживания Формирование очереди происходит при t обсл >t поступления Очередь – это абстрактный объект. В СМО всегда есть очереди. 16
Организация процесса моделирования Система моделирует поведение реального объекта (СМО) продвижением транзакта в пространстве состояний ресурсов системы Входная заявка Выходные переменные Пространство состояний объектов системы Транзакты, входящие в систему, в соответствии с законом их поступления продвигаются по объектам системы. Поведение объекта – это взаимодействие статических объектов с динамическими объектами и отражение результатов этого взаимодействия в информационных 17 объектах
Определение транзакта Транзакт, это абстрактный объект модели, связанный с входными воздействиями на объект. Время существования Транзакта это время моделирования всего объекта или время в той части модели, в которой этот транзакт двигался. Каждый транзакт имеет свои атрибуты и параметры, не связанные со временем. Все транзакты модели имеют свой порядковый номер. Основные блоки, работающие с транзактами: Generate, Terminate, Priority, Mark, Assign, Gate, Test, Transfer, Advance, Split, Assembly, Gather, Matсh 18
Описание потоков заявок • Поток заявок описывается моментами времени поступления заявок в систему и количеством заявок , поступивших в систему одновременно. • Законы поступления заявок могут быть детерминированными или случайными • Элементы теории вероятностей • Характеристики законов распределения случайных значений • Простейший поток и его свойства • Генерация случайных величин по закону Пуассона • Вычисление значений функций распределения через равномерно распределенные случайные числа на 19 заданном интервале времен. Теорема.
Состав системы GPSS World 1. Язык для описания моделей и командный язык для связи пользователя и моделирующей программы 2. Транслятор, состоящий из синтаксического анализатора интерпретирующего типа и препроцессора, формирующего результаты моделирования 3. Монитор – управляющая программа, выполняющая построчный анализ программы – 20 модели и исполнение каждой строки программы
Классификация абстрактных объектов системы GPSS Тип объекта Состав Отображение Динамический Транзакт и блоки управления его движением Время моделирования С 1 , М 1, MP 1 Статический Устройство Накопитель Переключатель Состояние объекта: Занят, свободен Частично занят Вычислительный Переменные Значения атрибутов Функции Генераторы объектов случайных чисел Информационный Таблицы, Списки, Очереди, Графики Вывод в файл результатов в формате системы 21
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Механизм создания времени генерации транзактов Механизм управления количеством запусков модели Атрибуты транзактов Блоки для сбора статистики процесса моделирования Визуализация процесса моделирования Создание программы модели Запуск программы модели ОКНО результатов Файл результатов (вывод таблиц) Лабораторная работа № 1 Основные блоки, работающие с транзактами: Generate, Terminate, Priority, Mark, Assign, Gate, Test, Transfer, Advance, Split, Assembly, Gather, Matсh 22
Формирование входных воздействий в системе GPSS World Случайные входные воздействия описываются законами времен появления заявок Система позволяет использовать множество генераторов случайных чисел RN 1, RN 2, …. RN 100…. Система моделирования автоматически настраивается на заданный диапазон входных воздействий. [ A, B ] Наиболее известные функции распределения случайных чисел - это нормальное и пуассоновское, экспоненциальное, равномерное. . GENERATE 150, 50 GENERATE (Exponential(1, 0, 150)) GENERATE (Poisson(2, 150)) GENERATE (Normal(1, 150, 50)) =10
Пояснения к решению задачи моделирования входных воздействий Условие задачи. Определить число сгенерированных транзактов. Записать блок GENERATE, генерирующий транзакты на отрезке [100, 200]. Время генерации транзактов 50000. Запустить модель 10 раз. 3. Таблица запусков модели: Погрешности всегда записываются только с одной цифрой в соответствующем разряде. i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Mean 151, 632 148, 875 149, 211 150, 095 149, 986 152, 533 150, 111 150, 544 150, 979 S. D. 29, 606 29, 69 28, 62 30, 151 28, 848 28, 481 29, 396 29, 757 30, 036 10 150, 802 29, 702 Среднее 24
Визуализация процесса моделирования Равномерный закон времён поступления заявок GENERATE 150, 30 …………………… ADVANCE TABULATE tt 1 TERMINATE GENERATE 1000000 TERMINATE 1 tt 1 table x 1, 0, 10, 50 Задач отрезок Generate вх [120, 180] Объект Terminate Вых Операнды блока TABLE: A – стандартный числовой атрибут или переменная. В примере отражается изменение модельного времени для равномерно распределенных случайных времен Значения времен поступления появления транзактов. заявок B – начало отсчета C - интервал D – количество 25 интервалов
Моделирование экспоненциального распределения времен поступления заявок В описании функции распределения времен поступления заявок значения параметров: 1 - номер генератора случайных чисел S – сдвиг распределения σ =среднее квадратичное отклонение Все параметры – положительные 26
GENERATE (Normal(1, 150, 10)) SAVEVALUE 1, c 1 ……………. Моделирование ADVANCE 10 нормального закона времен TABULATE tt 1 TERMINATE поступления заявок GENERATE 1000000 TERMINATE 1 Отрезок времён поступления tt 1 table x 1, 0, 5, 50 заявок [120, 180] В описании нормального закона mx =150 σx =10 Учитываем, что значимый разброс значений не превышает 3σ 27
ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ 1. Найти учебную литературу по моделированию 2. Установить на своих компьютерах систему имитационного моделирования GPSS World (GPSSW) 3. Найти каталог примеров и просмотреть самые простые примеры. Адрес последней версии системы для университетов: http: //primat. org/load/poleznyj_soft/modelirovanie/ gpss_world_besplatnaja_studencheskaja_versija/28 -1 -0 -117 Адрес почты для присылки ваших работ: irina-babalova@rambler. ru 28
Скачать презентацию Лекция 1 Моделирование систем Доц Бабалова Ирина Филипповна
Л_1_К_М_17.pptx