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 18 Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования Сравнительный анализ языков имитационного моделирования. Преподаватель: Трофимова Ольга Геннадиевна, доц., к.т.н.

3 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Цель изучения материала: овладеть навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, изучить основы систематизации языков имитационного моделирования, изучить достоинства и недостатки языков имитационного моделирования, изучить подходы к разработке языков моделирования, изучить архитектуру языков моделирования, научиться задавать время в машинной модели, изучить требования к языкам имитационного моделирования, научиться проводить сравнительный анализ языков имитационного моделирования на основе классификации языков моделирования.

4 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования 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. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Содержание лекции 18 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Моделирование систем и языки программирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования. Подходы к разработке языков моделирования. Архитектура языков моделирования. Задание времени в машинной модели. Требования к языкам имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования

6 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Моделирование систем и языки программирования Алгоритмические языки при моделировании систем являются вспомогательным аппаратом разработки, машинной реализации и анализа характеристик моделей. Языки моделирования имеют: - высокий уровень проблемной ориентации – систему абстракций для формализации процесса функционирования системы – упрощает программирование моделей, - специальные блоки сбора, обработки и вывода результатов моделирования позволяют быстро и подробно анализировать возможные варианты эксперимента.

7 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Моделирование систем и языки программирования Язык моделирования представляет собой процедурно-ориентированный язык, обладающий специфическими чертами. Процедурно-ориентированные языки, в отличие от машинно-ориентированных языков, к не связаны ни с какой ЭВМ и предназначены для определенного класса задач, включают в себя инструкции, удобные для формулировки способов решения типичных задач этого класса.

8 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Моделирование систем и языки программирования Качество языков моделирования характеризуется: удобством описания процесса функционирования системы; удобством ввода исходных данных моделирования и варьирования структуры, алгоритмов и параметров модели; реализуемостью статистического моделирования; эффективностью анализа и вывода результатов моделирования; простотой отладки и контроля работы моделирующей программы; доступностью восприятия и использования языка.

9 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования Преимущества языков имитационного моделирования (ЯИМ) по сравнению с универсальными языками общего назначения (ЯОН): 1) язык моделирования содержит абстрактные конструкции, непосредственно отражающие понятия, в которых представлена формализованная модель, и близкие концептуальному уровню описания моделируемой системы. Это упрощает программирование имитатора, позволяет автоматизировать выявление многих ошибок в программах;

10 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования 2) языки моделирования имеют эффективный встроенный механизм продвижения модельного времени (календарь событий, методы интегрирования и др.), средства разрешения временных узлов; 3) языки моделирования, как правило, содержат встроенные датчики случайных чисел, генераторы других типовых воздействий;

11 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования 4) в языках моделирования автоматизирован сбор стандартной статистики и других результатов моделирования, имеются средства автоматизации выдачи этих результатов в табличной или графической форме; 5) языки моделирования имеют средства, упрощающие программирование имитационных экспериментов, в частности, автоматизирующие установку начального состояния и перезапуск модели.

12 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования Недостатки языков имитационного моделирования: 1) используются только стандартные формы вывода результатов моделирования; 2) недостаточная распространенность языков моделирования, которые не входят в штатное программное обеспечение операционных систем;

13 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования 3) необходимость дополнительного обучения языкам моделирования и, как следствие, недостаток программистов, хорошо владеющих языками моделирования; 4) отсутствие гибкости и широких возможностей, присущих универсальным языкам программирования.

14 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Подходы к разработке языков моделирования Различают два подхода: непрерывный и дискретный. Поэтому ЯИМ делятся на две группы: для имитации непрерывных и дискретных процессов. Для моделирования дискретных процессов используется ЭВМ, обладающая большей надежностью в эксплуатации, позволяющая получить высокую точность результатов и обеспечивающая адекватность дискретных моделей реальным процессам, протекающим в системах.

15 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Подходы к разработке языков моделирования Для моделирования непрерывных процессов могут быть использованы не только АВМ, но и ЭВМ. ЭВМ имитируют различные непрерывные процессы. Моделирование осуществляется с помощью численных решений дифференциальных уравнений при использовании стандартного пошагового метода.

16 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Архитектура языков моделирования Архитектуру ЯИМ, т.е. концепцию взаимосвязей элементов языка как сложной системы, и технологию перехода от системы к ее машинной модели можно представить следующим образом: 1) объекты моделирования (системы S) описываются (отображаются в языке) с помощью некоторых атрибутов языка;

17 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Архитектура языков моделирования 2) атрибуты взаимодействуют с процессами, адекватными реально протекающим явлениям в моделируемой системе S; 3) процессы требуют конкретных условий, определяющих логическую основу и последовательность взаимодействия этих процессов во времени;

18 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Архитектура языков моделирования 4) условия влияют на события, имеющие место внутри объекта моделирования (системы S) и при взаимодействии с внешней средой Е; 5) события изменяют состояния модели системы М в пространстве и во времени. Типовая схема архитектуры ЯИМ и технология его использования при моделировании систем показана на рис. 5.1.

19 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Архитектура языков моделирования Рис Типовая схема архитектуры ЯИМ и технология его использования

20 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Функционирование модели протекает в искусственном (не в реальном и не в машинном) времени, обеспечивая появление событий в требуемом порядке, согласно логике работы исследуемой системы, и с надлежащими временными интервалами между ними. Компоненты машинной модели действуют последовательно, так как реализуются с помощью ЭВМ последовательного действия, а некоторые элементы реальной системы функционируют одновременно (параллельно).

21 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Поскольку в различных частях объекта моделирования события могут возникать одновременно, то для сохранения адекватности причинно-следственных временных связей в ЯИМ имеется «механизм» задания времени для синхронизации действий элементов модели системы.

22 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Основные функции механизма задания времени : 1) корректировка временной координаты состояния системы («продвижение» времени, организация «часов»); 2) обеспечение согласованности различных блоков и событий в системе (синхронизация во времени, координация с другими блоками).

23 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Существует два основных подхода к заданию времени: с помощью постоянных и переменных интервалов времени, которым соответствуют два принципа реализации моделирующих алгоритмов, т.е. «принцип t» и «принцип dz».

24 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Рассмотрим соответствующие способы управления временем в модели на примере, показанном на рис По оси реального времени отложена последовательность событий в системе {s i } во времени. События s 4 и s 5 происходят одновременно (рис. 5.2, а). Под действием событий s i изменяются состояния модели z i в момент времени t zi, причем такое изменение происходит скачком dz.

25 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели a S1S2 S3 S4S5 S6 0 t ts1 ts2 ts3 ts4 = ts5 ts6 б 0 t t t1' t2' t3' t4' t5' в Z1 Z2 Z3 Z4,Z5 Z6 0 t t1' t2'' t3''t4'' t5'' Рис Способы управления временем в модели системы

26 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели В модели, построенной по «принципу t» (рис. 5.2, б), моменты системного времени будут последовательно принимать значения t 1 '= t, t 2 '=2 t, t 3 '=3 t, t 4 '=4 t, t 5 '=5 t. Эти моменты системного времени t j '( t) никак не связаны с моментами появления событий s i, которые имитируются в модели системы. Системное время при этом получает постоянное приращение, выбираемое и задаваемое перед началом имитационного эксперимента.

27 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели В модели, построенной по «принципу dz» (рис. 5.2, в), изменение времени наступает в момент смены состояния системы, и последовательность моментов системного времени имеет вид: t 1 ''=tz 1, t 2 ''=tz 2, t 3 ''=tz 3, t 4 ''=tz 4, t 5 ''=tz 5, т.е. моменты системного времени t k ''(dz) непосредственно связаны с моментами появления событий в системе s i.

28 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели У каждого из этих методов есть свои преимущества с точки зрения адекватного отражения реальных событий в системе S и затрат машинных ресурсов на моделирование. При использовании «принципа dz» события обрабатываются последовательно, и время смещается каждый раз вперед до начала следующего события. В модели, построенной по «принципу t», обработка событий происходит по группам, пакетам или множествам событий.

29 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Если t задана неправильно, то результаты могут получиться недостоверными, так как все события появляются в верхней границе каждого интервала моделирования. При «принципе dz» одновременная обработка событий в модели осуществляется, если эти события появляются одновременно и в реальной системе. Это позволяет избежать необходимости искусственного введения ранжирования событий при их обработке в конце интервала t.

30 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели При моделировании по «принципу t» можно добиться хорошей аппроксимации: для этого t должно быть малым, чтобы два неодновременных события не попали в один и тот же временной интервал.

31 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Задание времени в машинной модели Но уменьшение t приводит к увеличению затрат машинного времени на моделирование, так как значительная часть тратится на корректировку «часов» и отслеживание событий, которых в большинстве интервалов может и не быть. При этом даже при сильном «сжатии» t два неодновременных события могут попасть в один и тот же временной интервал t, что создает ложное представление об их одновременности.

32 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования В ЯИМ должен быть предусмотрен следующий набор программных средств и понятий, которые не встречаются в обычных ЯОН: Совмещение. Параллельно протекающие в реальных системах процессы представляются с помощью последовательно работающей ЭВМ. Языки моделирования позволяют обойти эту трудность путем введения понятия системного времени, используемого для представления упорядоченных во времени событий.

33 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования Размер. Большинство моделируемых систем имеет сложную структуру и алгоритмы поведения, а их модели велики по объему. Поэтому используют динамическое распределение памяти, когда компоненты модели системы появляются в оперативной памяти ЭВМ или покидают ее в зависимости от текущего состояния. Важным аспектом реализуемости модели на ЭВМ в этом случае является блочность ее конструкции, т.е. возможность разбиения модели на блоки, подблоки.

34 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования Изменения. Динамические системы связаны с движением и характеризуются развитием процесса. Пространственная конфигурация этих систем претерпевает изменения по времени. Поэтому во всех ЯИМ предусматривают обработку списков, отражающих изменения состояний процесса функционирования моделируемой системы S.

35 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования Взаимосвязанность. Условия, необходимые для свершения различных событий в модели процесса функционирования системы S, могут оказаться весьма сложными из-за наличия большого количества взаимных связей между компонентами модели. Для разрешения связанных с этим вопросом трудностей в большинство ЯИМ включают соответствующие логические возможности и понятия теории множеств.

36 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования Стохастичность. Для моделирования случайных событий и процессов используют специальные программы генерации последовательностей псевдослучайных чисел, квазиравномерно распределенных на заданном интервале. На основе этих последовательностей можно получить стохастические воздействия на модель, имитируемые случайными величинами с соответствующим законом распределения.

37 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Требования к языкам имитационного моделирования Анализ. Для получения наглядного и удобного в практическом отношении ответа на вопросы, решаемые методом машинного моделирования, необходимо получать статистические характеристики процесса функционирования модели системы. Поэтому предусматривают в языках моделирования способы статистической обработки и анализа результатов моделирования.

38 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Классификация языков для программирования моделей систем приведена на рис Для моделирования систем используются: - универсальные ЯОН, - процедурно-ориентированные ЯОН, - специализированные ЯИМ. Имеющиеся ЯИМ можно разбить на три основные группы, соответствующие трем типам математических схем: непрерывные, дискретные и комбинированные.

39 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Рис Классификация языков для программирования моделей систем

40 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Непрерывное представление системы S сводится к составлению дифференциальных уравнений. С помощью ДУ устанавливается связь между эндогенными и экзогенными переменными модели. Например, это реализовано в языке MIMIC. Когда экзогенные переменные модели принимают дискретные значения, уравнения являются разностными. Такой подход реализован, например, в языке DYNAMO.

41 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Представление системы в виде типовой схемы, в которой участвуют как непрерывные, так и дискретные величины, называется комбинированным. Примером языка, реализующего комбинированный подход, является GASP. Состояние модели системы описывается набором переменных, часть которых меняется во времени непрерывно. Законы изменения непрерывных компонент заложены в структуру, объединяющую дифференциальные уравнения и условия относительно переменных.

42 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Предполагается, что в системе могут наступать события двух типов: 1) события, зависящие от состояния z i, 2) события, зависящие от времени t i. Для событий первого типа процесс моделирования состоит в продвижении системного времени от момента наступления события до следующего аналогичного момента. События второго типа наступают в результате выполнения условий, относящихся к законам изменения непрерывных переменных. События приводят к изменениям состояния модели системы и законов изменения непрерывных компонент.

43 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования В рамках дискретного подхода можно выделить несколько принципиально различных групп ЯИМ. Первая группа ЯИМ подразумевает наличие списка событий, отличающих моменты начала выполнения операций. Продвижение времени осуществляется по событиям. В моменты наступления этих событий производятся необходимые операции, включая операции пополнения списка событий. Примером языка событий является язык SIMSCRIPT.

44 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования В языке SIMSCRIPT модель состоит из элементов, с которыми происходят события, представляющие собой последовательность предложений, изменяющих состояния моделируемой системы в различные моменты времени. Моделирование с помощью языка SIMSCRIPT включает в себя следующие этапы:

45 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Этапы: 1) элементы моделируемой системы S описываются и вводятся с помощью карт определений; 2) вводятся начальные условия; 3) фиксируются и вводятся исходные значения временных параметров; 4) составляются подпрограммы для каждого события; 5) составляется перечень событий и указывается время свершения каждого эндогенного события.

46 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Этапы: 1) элементы моделируемой системы S описываются и вводятся с помощью карт определений; 2) вводятся начальные условия; 3) фиксируются и вводятся исходные значения временных параметров; 4) составляются подпрограммы для каждого события; 5) составляется перечень событий и указывается время свершения каждого эндогенного события.

47 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Команды языка SIMSCRIPT группируются : - операции над временными объектами, - арифметические и логические операции - команды управления, - команды ввода-вывода, - специальные команды обработки результатов. К центральным понятиям языка SIMSCRIPT относятся обработка списков с компонентами, определяемыми пользователем, и последовательность событий в системном времени. Имеются специальные языковые средства для работы с множествами.

48 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования При использовании ЯИМ второй группы после пересчета системного времени просмотр действий с целью проверки выполнения условий начала или окончания какого-либо действия производится непрерывно. Просмотр действий определяет очередность появления событий. Языки данного типа имеют в своей основе поисковый алгоритм, и динамика системы описывается в терминах действий. Примером языка действий (работ) является ЯИМ FORSIM.

49 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Язык FORSIM – пакет прикладных программ, который позволяет оперировать только фиксированными массивами данных, описывающих объекты моделируемой системы. С его помощью нельзя имитировать системы переменного состава. Язык FORSIM удобен для описания систем с большим числом разнообразных ресурсов, так как он позволяет записывать условия их доступности в компактной форме.

50 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования Третья группа ЯИМ описывает системы, поведение которой определяется процессами, т.е. последовательностью событий, связь между которыми устанавливается с помощью набора специальных отношений. Пример языка процессов – язык SIMULA, в котором осуществляется блочное представление моделируемой системы. Процесс задается набором признаков, характеризующих его структуру, и программой функционирования. Функционирование каждого процесса разбивается на этапы, протекающие в системном времени.

51 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования В четвертую группу выделены ЯИМ типа GPSS, хотя принципиально их можно отнести к группе языков процессов. 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.

52 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Основы классификации языков моделирования В процессе имитации транзакты «создаются» и «уничтожаются». Функцию каждого из них можно представить как движение через модель с поочередным воздействием на ее блоки. GPSS-программа генерирует и передает транзакты из блока в блок в соответствии с правилами, устанавливаемыми блоками. Каждый переход транзакта приписывается к определенному моменту системного времени.

53 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования Выводы и заключение по лекции: овладели навыками работы с инструментальными средствами моделирования систем, изучили основы систематизации языков имитационного моделирования, изучили достоинства и недостатки языков имитационного моделирования, изучили подходы к разработке языков моделирования, изучили архитектуру языков моделирования, научились задавать время в машинной модели, изучили требования к языкам имитационного моделирования, научились проводить сравнительный анализ языков имитационного моделирования на основе классификации языков моделирования.

54 Раздел 5. Инструментальные средства моделирования систем. Основы систематизации языков имитационного моделирования. Сравнительный анализ языков имитационного моделирования 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.