Введение. Краткие сведения из теории. Принципы работы  системы GPSS

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Министерство образования Российской Федерации

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ   УКАЗАНИЯ K ПРАКТИКУМУ

Факультет ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

Специальность 210100 - УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА

                                                В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вологда

ББК 32.96

УДК 62.529

Моделирование систем. Методические указания к практикуму. - Вологда: ВоГТУ, 2003. – 42 с.

В методических указаниях излагаются вопросы организации имитационного моделирования систем на ЭВМ, даются рекомендации по методике, основным этапам и технологии машинного моделирования. Существенное место отведено практической реализации моделей систем на языке GPSS.. Приведены алгоритмы, тексты программ и примеры, а также варианты заданий для моделирования.

Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения, обучающихся по направлению 651900 - автоматизация и управление и специальности 210100 - управление и информатика в технических системах.

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ

Составитель: В.Н. Тюкин, канд. техн. наук, доцент

Рецензент: В.Н. Бакаев, канд. техн. наук, доцент

               кафедры УиВС ВоГТУ

ВВЕДЕНИЕ

Данный практикум ориентирован на исследование математических (имитационных) моделей и методов, применяемых при проектировании автоматизированных систем управления различных уровней, а также на освоение информационной технологии в автоматизации исследования сложных систем на базе методов моделирования на ЭВМ. Цель практикума – выработать у студентов умение самостоятельно применять для решения конкретных инженерных задач исследования систем знания по моделированию, полученные из лекционного курса.

Использование ЭВМ является мощным средством реализации моделей и исследования с их помощью характеристик процессов функционирования систем. Успех или неудача любого исследования системы на программно реализуемой модели прежде всего зависит от правильности схемы моделирующего алгоритма, совершенства программы и в меньшей степени зависит от технических характеристик ЭВМ. Большое значение при реализации модели на ЭВМ имеет вопрос правильного выбора языка моделирования. 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.

Этим требованиям в полной мере удовлетворяет язык (система) GPSS (General Purpose Simulation System).

Научиться моделированию как рабочему инструменту инженера, освоить его широкие возможности можно только при овладении приемами и технологией практического решения задач моделирования процессов функционирования систем на ЭВМ. Эту цель и преследуют данные методические указания.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В математических моделях (ММ) сложных объектов, представляемых в виде систем массового обслуживания (СМО), фигурируют средства обслуживания, называемые обслуживающими аппаратами (ОА), и обслуживаемые заявки, называемые транзактами. Так, в модели производственной линии ОА отображают рабочие места, а транзакты – поступающие на обработку детали, материалы, инструмент.

Состояние СМО характеризуется состояниями ОА, транзактов и очередей к ОА. Состояние ОА описывается двоичной переменной, которая может принимать значения «занят» или «свободен». Переменная, характеризующая состояние транзакта, может иметь значения «обслуживание» или «ожидание». Состояние очереди характеризуется количеством находящихся в ней транзактов.

Имитационная модель СМО представляет собой алгоритм, отражающий поведение СМО, т.е. отражающий изменения состояния СМО во времени при заданных потоках заявок, поступающих на входы системы. Параметры входных потоков заявок – внешние параметры СМО. Выходными параметрами являются величины, характеризующие свойства системы – качество ее функционирования. Примеры выходных параметров: производительность СМО – среднее число заявок, обслуживаемых в единицу времени; коэффициенты загрузки оборудования – отношения времен обслуживания к общему времени в каждом ОА: среднее время обслуживания одной заявки. Основное свойство ОА, учитываемое в модели СМО, – это затраты времени на обслуживание, поэтому внутренними параметрами в модели СМО являются величины, характеризующие это свойство ОА. Обычно время обслуживания рассматривается как случайная величина, и в качестве внутренних параметров фигурируют параметры закона распределения этой величины.

Имитационное моделирование позволяет исследовать СМО при различных типах входных потоков и интенсивностях поступления заявок на входы, при вариациях параметров ОА, при различных дисциплинах обслуживания заявок. Дисциплина обслуживания – правило, по которому заявки поступают из очередей на обслуживание. Величина, характеризующая право на первоочередное обслуживание, называется приоритетом. В моделях СМО заявки, приходящие на вход занятого ОА, образуют очереди, отдельные для заявок каждого приоритета. При освобождении ОА на обслуживание принимается заявка из непустой очереди с наиболее высоким приоритетом.

Основной тип ОА – устройства, именно в них происходит обработка транзактов с затратами времени. К ОА относятся также накопители, отображающие средства хранения обрабатываемых деталей в производственных линиях. Накопители характеризуются не временем обслуживания заявок, а емкостью – максимально возможным количеством одновременно находящихся в накопителе заявок.

К элементам имитационных моделей СМО, кроме ОА, относятся также узлы и источники заявок. Связи ОА между собой реализуют узлы, т.е. характеризуют правила, по которым заявки направляются к тому или иному ОА.

Для описания моделей СМО при их исследовании на ЭВМ разработаны специальные языки имитационного моделирования.

Система GPSS [6] предназначена для имитационного моделирования систем массового обслуживания и является наиболее популярной в настоящее время. Одним их главных достоинств языка GPSS является то, что модели на GPSS компактны, что является следствием того, что в GPSS встроено максимально возможное число логических программ, необходимых для моделирования систем. Для автоматизации процесса программирования моделей при моделировании систем в GPSS применен язык блок-схем (диаграмм). 

Блок-диаграмма - это графическое представление операций, происходящих внутри системы. Другими словами, блок-диаграмма описывает взаимодействие событий внутри системы. Линии, соединяющие блоки, указывают маршруты потоков сообщений или описывают последова­тельность выполняемых событий. В случае нескольких вариантов действий от блока отходят несколько линий. Если же к блоку подходят несколько линий, то это означает, что выполняемая операция является общей для двух или более последовательностей блоков. Выбор логических путей мо­жет основываться на статистических или логических условиях, действу­ющих в момент выбора.

В GPSS имеется определенное количество типов блоков для задания объектов и операций над ними. Каждому блоку соответствует графическое изображение на блок-диаграмме. Стрелки между блоками указывают маршруты потоков сообщений.

Далее, для того, чтобы применить язык моделирования GPSS, каждый блок блок-диаграммы заменяется соответствующим оператором GPSS.

Язык имитационного моделирования GPSS реализован на персональных вычислительных машинах в виде системы GPSS/PC [7, 8]. Система GPSS/PC в своем составе имеет специализированный язык для написания текстов моделей и симулятор с этого языка. Пакет построен в предположении, что моделью сложной дискретной системы является описание ее элементов и логических правил их взаимодействия в процессе функционирования моделируемой системы. Для определенного класса моделируемых систем выделен ограниченный набор абстрактных элементов, называемых объектами. Набор логических правил также небольшой и описывается определенным числом стандартных операций.

Основу GPSS/PC составляют программы, описывающие функционирование блоков моделей, и специальная программа – симулятор, которая выполняет следующие функции: обеспечение заданных маршрутов движения динамических элементов модели – транзактов (заявок на обслуживание); планирование событий, происходящих в модели; выполнение их в нарастающей временной последовательности; продвижение модельного времени; сбор статистической информации о функционировании модели.

Объекты GPSS подразделяются на 7 категорий и 14 типов и позволяют, с одной стороны, описывать их взаимодействие сравнительно несложными набороми операций, с другой – достаточно просто и наглядно представить процесс функционирования исследуемой системы, формализуемой в виде Q-схемы [1].

Динамическими объектами GPSS/PC являются транзакты, которые представляют собой единицы исследуемых потоков. Транзакты продвигаются по фиксированной структуре моделирующей программы, заданной блоками, и производят при этом ряд определенных действий.

Логика модели, пути движения транзактов задаются объектами аппаратной категории, т.е. блоками.

В процессе моделирования системы происходит взаимодействие одних объектов с другими, в результате чего изменяется состояние модели. Такие изменения называются событиями. Для обеспечения правильной последовательности обработки событий во времени в GPSS/PC предусмотрен «системный таймер», хранящий значения абсолютного времени модели. Все временные интервалы задаются целыми числами. Поэтому при составлении модели за единицу принимается минимальный удовлетворяющий интервал времени.

В GPSS/PC имеются два основных типа объектов: транзакты и блоки. Практически все изменения состояний модели происходят в результате входа транзактов в блоки и выполнения блоками своих функций. Всем блокам GPSS/PC присваиваются порядковые номера.

Транзакты представляют собой описания динамических процессов в реальных системах. В процессе моделирования транзакты можно «генерировать» и «уничтожать» Любой транзакт может иметь от 0 до 1020 параметров. Параметры транзакта могут быть использованы для сбора статистической информации, а также для задания значений операндов некоторых блоков модели. Другой важный атрибут транзактов – уровень приоритета. Он может быть задан в пределах от 0 до 127. При выполнении моделирования в спорных ситуациях раньше происходит обработка того транзакта, приоритет которого выше.

Блоки GPSS/PC используются для описания функций моделируемой системы и управляют движением транзактов. Изменение состояния модели происходит в результате поступления транзактов в соответствующие блоки и выполнения подпрограмм, связанных с этими блоками. После выполнения соответствующей подпрограммы транзакт либо передается в следующий блок, либо задерживается на некоторое время в блоке. Каждый блок имеет два атрибута: счетчик входов в блок, который содержит данные о текущем содержимом блока; общий счетчик транзактов, прошедших через блок с начала моделирования или момента обнуления статистики. Содержимое счетчиков меняется автоматически.

Модели на GPSS строятся по сегментно (каждый сегмент “продвигает” определенный тип транзакта) следующим образом:

1) из допустимого множества блоков выбираются нужные;

2) их выстраивают в блок-схему для того, чтобы в процессе использования модели они как бы взаимодействовали друг с другом;

3) после того, как модель создана, взаимодействие между блоками моделей аналогично взаимодействию элементов моделируемых реальных систем;

4) после того, как блок-схема разработана, создается текст программы.

Написание текста программы на GPSS, как правило, является чисто технической процедурой.

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов