1 ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ

2 Кафедра «Автоматика и управление в технических системах» направление – Автоматизация и управление специальность – Управление и информатика в технических системах МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ Лекция 19 Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем. Преподаватель: Трофимова Ольга Геннадиевна, доц., к.т.н.

3 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем Цель изучения материала: овладеть навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, научиться проводить сравнительный анализ языков имитационного моделирования на основе эффективности языков, научиться выбирать язык моделирования системы, овладеть навыками работы с пакетами прикладных программ моделирования систем (ППМ), овладеть навыками работы с автоматизированной системой моделирования (АСМ), изучить структуру ППМ, овладеть навыками работы с программными средствами ППМ.

4 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем Компетенций, формирующиеся в процессе знакомства с материалом: готовность учитывать современные тенденции развития информатики и вычислительной техники, компьютерных технологий в своей профессиональной деятельности; приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии; разрабатывать модели информационных систем, включая модели систем управления; использовать современные инструментальные средства и технологии имитационного моделирования;

5 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем Содержание лекции 19 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Сравнение эффективности языков. Выбор языка моделирования системы. Пакеты прикладных программ моделирования систем. Автоматизированная система моделирования (АСМ) и пакеты прикладных программ моделирования (ППМ). Структура ППМ. Программные средства ППМ.

6 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. При анализе эффективности использования для моделирования конкретной системы того или иного ЯИМ (или ЯОН) выделяют несколько важных свойств языков: возможность описания структуры и алгоритмов поведения исследуемой системы S в терминах языка; простота применения для построения модели М, ее машинной реализации и обработки результатов моделирования; предпочтение пользователя, обычно отдаваемое языку, который ему более знаком или который обладает большей степенью универсальности, и т.д.

7 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Результаты сравнения различных языков при моделировании сведены в табл Языки даны в порядке уменьшения их эффективности. Таблица 5.1 Возможности языкаПростота примененияПредпочтение пользователя SIMULA SIMSCRIPT GPSS SIMSCRIPT SIMULA SIMSCRIPT GPSS SIMULA

8 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Основываясь на классификации языков (рис. 5.3) и исходя из оценки эффективности (табл. 5.1), выбор языка для решения задачи машинного моделирования конкретной системы S можно представить в виде дерева решений (рис. 5.4).

9 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы Рис Дерево решений выбора языка для моделиро- вания системы

10 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Исходя из: - постановки задачи машинного моделирования конкретной системы, - поставленных целей, - выбранных критериев оценки эффективности - заданных ограничений (блок 1), можно сделать вывод о размерности задачи моделирования и требуемой точности и достоверности ее решения (блок 2). Для задач большой размерности моделирование на АВМ (блок 3) позволяет получить достаточно высокую точность.

11 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если в модели при моделировании системы имеют место как непрерывные, так и дискретные переменные, отражающие динамику системы и логику ее поведения (блок 4), то рекомендуется использовать для моделирования ГВК (блок 5). Если моделирование конкретной системы S представляет собой единичный акт (блок 6), то, вероятно, в ущерб концептуальной выразительности модели и отладочным средствам для проверки логики машинной модели следует выбрать более распространенные и более гибкие ЯОН (блок 7).

12 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если при моделировании на универсальной ЭВМ выбран непрерывный подход (блок 8), то следует остановить выбор на одном из языков, позволяющих отразить динамику системы при наличии обратных связей (блок 9). При этом могут быть приняты языки непрерывного типа DYNAMO, MIMIC либо комбинированные (дискретно-непрерывные) – GASP.

13 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если в основу модели положена дискретная математическая схема и в ней при построении моделирующего алгоритма используется «принцип t» или «принцип dz», причем имитируются взаимодействующие элементы статической природы при неравномерности событий во времени (блок 10), то рационально воспользоваться ЯИМ, ориентированным на действия, например FORSIM, CSL.

14 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если в модели описывается малое число взаимодействующих процессов и имеется большое число элементов (блок 12), то целесообразно выбрать для построения моделирующих алгоритмов «принцип t» и остановиться на ЯИМ событий (блок 13), например SIMSCRIPT, GASP и т. п.

15 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если для программирования модели более эффективен ЯИМ, позволяющий описать большое число взаимодействующих процессов (блок 14), то следует использовать языки процессов (блок 15), которые не связаны с использованием блоков только определенных типов, например в транзактных языках. Наиболее распространенными языками описания процессов являются языки SIMULA и SOL.

16 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. И наконец, если предпочтение отдается блочной конструкции модели при наличии минимального опыта в программировании (блок 16), то следует выбирать ЯИМ транзактов типа GPSS, BOSS (блок 17), но при этом надо помнить, что они негибки и требуют большого объема памяти и затрат машинного времени на прогон программ моделирования.

17 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Если перечисленные средства по той или иной причине не подходят для целей моделирования конкретной системы (блок 18), то надо снова провести модификацию модели либо попытаться решить задачу с использованием ЯОН на универсальной ЭВМ.

18 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Выбор языка моделирования системы. Примеры дискретных, непрерывных и комбинированных ЯИМ приведены в табл. 5.2.

19 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Автоматизированная система моделирования (АСМ) АСМ позволяет повысить эффективность выполнения пользователем следующих этапов имитационного моделирования: преобразование к типовым математическим схемам элементов моделируемой системы и построение схем сопряжения; обработка и анализ результатов моделирования системы; реализация интерактивного режима с пользователем в процессе моделирования системы.

20 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Пакеты прикладных программ моделирования (ППМ) ППМ – это комплекс взаимосвязанных программ моделирования и средств системного обеспечения (программных и языковых), предназначенных для автоматизации решения задач моделирования. Весь круг работ, связанных с разработкой алгоритмов и программ моделирования, а также с подготовкой и проведением машинных экспериментов, называется автоматизацией моделирования и реализуется в виде конкретных АСМ.

21 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) В структуре ППМ можно выделить три основных компонента: - функциональное наполнение, - язык заданий, - системное наполнение.

22 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Функциональное наполнение пакета отражает специфику предметной области применительно к конкретному объекту моделирования, т.е. системе, и представляет собой совокупность модулей. Под модулем здесь понимается конструктивный элемент, используемый на различных стадиях функционирования пакета. Язык (языки), на котором записываются модули функционального наполнения, будем называть базовым языком ППМ.

23 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Состав функционального наполнения пакета, его мощность или полнота охвата им предметной области отражают объем прикладных знаний, заложенных в ППМ, т.е. потенциальный уровень тематической квалификации пакета. Одной из ключевых проблем разработки ППМ является модуляризация – разбиение функционального наполнения пакета на модули. Различают программные модули, модули данных и модули документации.

24 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Язык заданий пакета является средством общения пользователя (разработчика или исследователя машинной модели процесса функционирования системы) с пакетом. Он позволяет описывать последовательность выполнения различных операций, обеспечивающих решение задачи моделирования, или постановку задачи моделирования, по которой эта последовательность строится автоматически. Именно через язык заданий пользователь воспринимает и оценивает, какие «вычислительные услуги» предоставляет АСМ и насколько удобно их использование.

25 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Общая структура и стиль языка заданий ППМ в значительной степени зависят от режима работы. Можно выделить два основных режима проведения моделирования: активный, предусматривающий при создании конкретных рабочих программ модели модификацию и настройку имеющихся модулей функционального наполнения, а также разработку новых модулей; пассивный, предусматривающий проведение машинных экспериментов с моделью без модификации функционального наполнения ППМ.

26 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Активный режим работы предназначен для специалистов, создающих программное обеспечение АСМ. Пассивный режим работы предназначен для деятельности так называемых конечных пользователей, т.е. специалистов, которые не обязательно имеют высокий уровень подготовки в области программирования.

27 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Характерной особенностью языков заданий пакетов в активном режиме является их направленность на описание схем программ моделирования процессов. Такие языки называют языками сборки. Основные средства: конструирования схем программ, в которых указывается порядок выполнения и взаимодействия модулей; развития или модификации функционального наполнения ППМ; управления процессами генерации и исполнения рабочей программы, реализующей задание пользователя.

28 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Главная цель разработки языка заданий ППМ, обеспечивающего решение задач моделирования в пассивном режиме, заключается в том, чтобы «спрятать» от конечного пользователя основную массу алгоритмических подробностей моделирования конкретной системы. Такие языки, называемые языками запросов, ориентированы обычно на формулирование содержательных постановок задач, т.е. запросов, указывающих, «что необходимо получить», без явного задания того, «как это получить».

29 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Системное наполнение пакета представляет собой совокупность программ, которые обеспечивают выполнение заданий и взаимодействие пользователя с пакетом. Системное наполнение организует использование потенциала знаний, заложенных в функциональном наполнении в соответствии с возможностями, предусмотренными в языке заданий ППМ. Язык, на котором пишутся программы системного наполнения пакета, называется инструментальным языком ППМ.

30 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Реализация функций системного наполнения ППМ осуществляется на основе согласованного использования: штатных общецелевых средств системного обеспечения; средств системного наполнения, расширяющих и сопрягающих возможности компонентов штатного обеспечения; специальных средств системного наполнения, выполняющих управляющие, архивные и обрабатывающие процедуры, с учетом специфики моделирования процесса функционирования системы.

31 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) Традиционными составляющими системного наполнения пакета являются: - резидентный монитор, осуществляющий интерфейс как между отдельными компонентами системного наполнения, так и между ними и штатным программным обеспечением; - транслятор входных заданий, формирующий внутреннее представление заданий и реализуемый обычно в виде макрогенератора или препроцессора; - интерпретатор внутреннего представления задания; - архив функционального наполнения (подсистема хранения программного материала);

32 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Структура (ППМ) - банк данных об объекте моделирования и машинном эксперименте; - монитор организации процесса машинного моделирования (взаимодействия модулей по данным и управлению); - планировщик процесса машинного моделирования, который определяет последовательность выполнения модулей, реализующую задание ППМ; - монитор организации интерактивного взаимодействия с пользователем (исследователем системы).

33 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ ППМ – комплекс программных средств и документов, предназначенных для реализации функционального завершенного алгоритма моделирования процесса функционирования системы и обеспечивающих автоматизацию управления ведением эксперимента с моделью на ЭВМ.

34 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ ППМ не является набором готовых программ для проведения машинных экспериментов с моделью. ППМ представляет собой набор средств для разработки конкретных, удовлетворяющих требованиям пользователя рабочих программ моделирования, служащих для автоматизации определенных функций при: - построении модели, - машинном эксперименте, - обработке результатов моделирования системы.

35 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ К программным средствам ППМ относятся: 1) набор программных модулей (тело пакета), из которых в соответствии с требованиями пользователя по заданному алгоритму набирается конкретная рабочая программа моделирования заданного объекта; 2) управляющая программа, представляющая собой аналог супервизора ЭВМ; 3) средства генерации рабочих программ для конкретного применения при решении задач моделирования систем.

36 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ Различают две разновидности генерации рабочих программ моделирования: статическую и динамическую. При статической генерации из отдельных модулей формируется рабочая программа моделирования. При этом определяются: - устройства ввода-вывода информации, - описываются на специальном языке генерации свойства разрабатываемой программы. Программа моделирования является одновариантной, и при внесения изменений в процесс моделирования системы требуется проведение новой генерации.

37 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ При динамической генерации заранее оговариваются все варианты рабочей программы моделирования системы. При решении конкретной задачи моделирования, т.е. перед каждым новым прогоном программы в ходе машинного эксперимента, вводится специальная параметрическая карта, указывающая вариант прогона программы. Монитор пакета собирает необходимые модули и помещает их в оперативную память ЭВМ.

38 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ Условия проведения машинного эксперимента при динамической генерации являются более гибкими, но при этом увеличиваются: затраты машинных ресурсов на моделирование (увеличивается объем памяти и время моделирования каждого варианта модели системы).

39 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ Кроме использования программных модулей, входящих в тело ППМ, пользователь имеет возможность подключать свои собственные программы моделирования в точках пользователя. Имеется также возможность замены имеющихся модулей ППМ на собственные. Это расширяет возможности моделирования различных вариантов систем.

40 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Пакеты прикладных программ моделирования систем Программные средства ППМ Кроме программных средств ППМ содержит комплект документов. В состав комплекта документов ППМ входят: - проектная документация, являющаяся документацией разработчиков пакета, - пользовательская документация, необходимая для эксплуатации пакета при решении конкретных задач моделирования.

41 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем Выводы и заключение по лекции: овладели навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, научились проводить сравнительный анализ языков имитационного моделирования на основе эффективности языков, научились выбирать язык моделирования системы, овладели навыками работы с пакетами прикладных программ моделирования систем (ППМ), овладели навыками работы с автоматизированной системой моделирования (АСМ), изучили структуру ППМ, овладели навыками работы с программными средствами ППМ.

42 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнение эффективности языков. Пакеты прикладных программ моделирования систем Перечень источников: 1. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: Учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., с.: ил. 2. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: Учебник для вузов. М.: Наука, с. Список дополнительной литературы по теме: 3. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование систем массового обслуживания с помощью GPSS: методические указания к лабораторным работам/Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 4. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование автоматических систем с помощью пакета программ VISSIM: методические указания к лабораторным работам / Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 5 Дружинина О.Г. Имитационное моделирование систем управления с помощью пакета программ VISSIM: методические указания к лабораторным работам / : ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, с. 6. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование D-схем с помощью пакета программ MATLAB: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Моделирование систем» / О.Г. Дружинина, Морозова В.А., Андреев Д.В. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, с. 7. Дружинина О.Г. Имитационное моделирование непрерывно-детерминированных систем с помощью пакета программ MATLAB: Методические указания к лабораторным работам по курсу "Моделирование систем" / О.Г. Дружинина, Морозова В.А., Андреев Д.В. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, с.