Имитационное моделирование

Содержание:

 

Реферат

Курсовая работа состоит из 28 стр

Количество рисунков – 8

Ключевые слова:

Имитационное моделирование, анализ, генератор, очередь, процесс, ресурс, узел, модель.

 

Введение

Имитационное моделирование реализуется  посредством набора математических инструментальных средств, специальных компьютерных программ и приемов, позволяющих с помощью компьютера провести целенаправленное моделирование в режиме «имитации» структуры и функций сложного процесса и оптимизацию некоторых его параметров. Набор программных средств и приемов моделирования определяет специфику системы моделирования – специального программного обеспечения.

В отличие от других видов и способов математического моделирования  с применением ЭВМ имитационное моделирование имеет свою специфику: запуск в компьютере взаимодействующих  вычислительных процессов, которые являются по своим временным параметрам – с точностью до масштабов времени и пространства – аналогами исследуемых процессов.

Имитационное моделирование как  особая информационная технология состоит  из следующих основных этапов:

1. Структурный анализ процессов. Проводится формализация структуры сложного реального  процесса путем разложения его на подпроцессы, выполняющие определенные функции и имеющие взаимные функциональные связи согласно легенде, разработанной рабочей экспертной группой. Выявленные подпроцессы, в свою очередь, могут разделяться на другие функциональные  подпроцессы. Структура общего моделируемого процесса может быть представлена в виде графа,  имеющего иерархическую многослойную структуру, в результате появляется формализованное изображение имитационной модели в графическом виде

2. Формализованное описание модели. Графическое изображение имитационной модели, функции,  выполняемые каждым подпроцессом, условия взаимодействия всех подпроцессов и особенности  поведения моделируемого процесса. Для этого существуют различные способы:

• описание вручную на языке типа GPSS, Pilgrim и даже на Visual Basic.
• автоматизированное описание с помощью компьютерного графического конструктора во время  проведения структурного анализа. Такой конструктор, создающий описание модели, имеется в составе системы моделирования Pilgrim.

3. Построение модели. Обычно это трансляция и редактирование связей (сборка модели), верификация параметров.

Верификация параметров модели выполняется в соответствии с легендой, на основании которой построена модель, с помощью специально выбранных тестовых примеров.

4. Проведение экстремального эксперимента для оптимизации определенных параметров реального процесса.

Концепция имитационного моделирования  требует предварительного знакомства читателя с методом Монте-Карло, с методологией проведения проверок статистических гипотез, с устройством программных датчиков случайных (псевдослучайных) величин и с особенностями законов распределения случайных величин при моделировании экономических процессов, которые не рассматриваются в типовых программах дисциплины «Теория вероятностей».

Кроме того, необходимо рассмотреть  специальные стохастические сетевые  модели, которые дают представление  о временных диаграммах специальных имитационных процессов при выполнении программной модели.

 

1. Основные объекты моделирующей объектно-ориентированной информационной модели

Моделирующая система выполняет  следующие основные функции:

1. предоставляет разработчику средства для формализованного описания дискретных компонентов, выполнения различных работ, для задания структуры графа и привязки объектов модели к координатной сетке общего информационного поля;
2. осуществляет координацию событий, определение путей прохождения транзактов, изменение состояний узлов и передачу управления моделям непрерывных компонентов.

Такая система позволяет передавать результаты моделирования, используемые для принятия управленческих решений, из модели в базы данных экономической информационной системы (например, через интерфейс ODBC - Open Data Base Connectivity, если моделирование проводится в среде Windows) либо «подкачивать» актуализируемые во времени параметры в модель из баз данных.

Существуют шесть основных понятий, на которых базируется концепция моделирующей системы.

1. Граф модели. Все процессы, независимо от количества уровней структурного анализа, объединяются в виде направленного графа. Пример изображения модели в виде многослойного иерархического графа, полученного при структурном анализе процесса, показан на рис. 1.

Рисунок 1 - Многослойный граф

2. Транзакт - это формальный запрос на какое-либо обслуживание. Транзакт в отличие от обычных заявок, которые рассматриваются при анализе моделей массового обслуживания, имеет набор динамически изменяющихся особых свойств и параметров. Пути миграции транзактов по графу стохастической сети определяются логикой функционирования компонентов модели в узлах сети.

Транзакт является динамической единицей любой модели, работающей под управлением имитатора.

Транзакт может выполнять следующие действия:

• порождать группы (семейства) других транзактов;
• поглощать другие транзакты конкретного семейства;
• захватывать ресурсы и использовать их некоторое время, а затем - освобождать;
• определять времена обслуживания, накапливать информацию о пройденном пути и иметь информацию о своем дальнейшем пути и о путях других транзактов.

Примеры транзактов:

• требование на перечисление денег;
• заказ на выполнение работ в фирме;
• телеграмма, поступающая на узел коммутации сообщений;
• приказ руководства;
• покупатель в магазине;

3. Узлы графа сети представляют собой центры обслуживания транзактов. В узлах транзакты могут задерживаться, обслуживаться, порождать семейства новых транзактов, уничтожать другие транзакты. С точки зрения вычислительных процессов в каждом узле порождается независимый процесс. Вычислительные процессы выполняются параллельно и координируют друг друга. Они реализуются в едином модельном времени, в одном пространстве, учитывают временную, пространственную и финансовую динамику.

Нумерация и присвоение имен узлам стохастической сети производится разработчиком модели. Следует учесть, что транзакт всегда принадлежит одному из узлов графа и независимо от этого относится к определенной точке пространства или местности, координаты которой могут изменяться.

Примеры узлов:

• счет бухгалтерского учета;
• бухгалтерия;
• производственный (ремонтный) участок;
• генератор или размножитель транзактов;
• склад ресурсов.

4. Событием называется факт выхода из узла одного транзакта. События всегда происходят в определенные моменты времени. Они могут быть связаны и с точкой пространства. Интервалы между двумя соседними событиями в модели - это, как правило, случайные величины. Разработчик модели практически не может управлять событиями.

5. Ресурс независимо от его природы в процессе моделирования может характеризоваться тремя общими параметрами: мощностью, остатком и дефицитом. Мощность ресурса - это максимальное число ресурсных единиц, которые можно использовать для различных целей. Остаток ресурса - число незанятых на данный момент единиц, которые можно использовать для удовлетворения транзактов. Дефицит ресурса - количество единиц ресурса в суммарном запросе транзактов, стоящих в очереди к данному ресурсу.

При решении задач динамического управления ресурсами можно выделить три основных типа: материальные, информационные и денежные ресурсы.

6. Пространство - географическое, декартова плоскость (можно ввести и другие). Узлы, транзакты и ресурсы могут быть привязаны к точкам пространства и мигрировать в нем.

 

2. Внутренняя реализация  модели

Внутренняя реализация модели использует объектно-ориентированный способ представления  экономических процессов. Транзакты, узлы, события и ресурсы - основные объекты имитационной модели. Взаимодействие таких объектов показано на рис. 2, где обозначены следующие моделирующие функции: ag, key, queue, dynam, ргос, term, el и e2.

В различных моделирующих системах имеются разные способы представления узлов графа. Это связано с отличительными свойствами таких систем. Например, в системе GPSS узлы называются блоками; причем количество различных типов блоков более сотни, что затрудняет восприятие графа модели. В системе Pilgrim имеется всего 17 типов узлов, которые функционально перекрывают все возможности блоков GPSS и предоставляют дополнительные средства, которые в GPSS отсутствуют:

• возможность работы с непрерывными процессами;
• моделирование пространственной динамики;
• работу с ресурсами, представляющими собой деньги и материальные ценности, счета бухгалтерского учета, банковские счета.

Имеется система обозначений узлов, помогающая «читать» граф модели. Каждый узел имеет греческое обозначение, функциональное наименование, произвольный уникальный номер и произвольное название (например: наименование - serv, номер - 123, название - «Мастерская»). Пути транзактов обозначаются дугами - сплошными линиями со сплошной стрелкой на одном конце. Возможны информационные воздействия из одних узлов на другие; направления таких воздействий изображаются пунктирными линиями со сплошной стрелкой на одном конце. Если моделируются бухгалтерские проводки или перечисления денег, то пути денежных сумм со счета на счет показываются пунктирными линиями с штриховой стрелкой.

Рисунок 2 - Пример взаимодействия объектов имитационной модели

2.1 Основные процессы  и действия узлов модели

Рассмотрим основные процессы и  действия, которые могут выполняться в различных узлах модели. Подробные описания таких действий на уровне языка моделирования и соответствующие правила будут приведены в последующих разделах.

Генератор транзактов (с бесконечной  емкостью) имеет наименование ag. Узлы-генераторы создают новые транзакты и передают их в другие узлы модели. Параметры генератора в случае необходимости можно изменить посредством информационного воздействия из другого узла с помощью сигнала cheg (здесь и далее сигнал – это специальная функция, выполненная транзактом, находящимся в одном узле, в отношении другого узла).

Очередь (с относительными приоритетами или без приоритетов) имеет наименование queue. Если приоритеты не учитываются, то транзакты упорядочиваются в очереди в порядке поступления. Когда приоритеты учитываются, транзакт попадает не в «хвост» очереди, а в конец своей приоритетной группы.

Узел обслуживания с  многими параллельными каналами имеет наименование serv. Обслуживание может быть в порядке поступления транзакта в освободившийся канал либо по правилу абсолютных приоритетов.

Терминатор, убирающий транзакты из модели, имеет наименование term. Транзакт, поступающий в терминатор, уничтожается. В терминаторе фиксируется время жизни транзакта.

Управляемый генератор (размножитель) транзактов имеет наименование creat. Он позволяет создавать новые семейства транзактов. Дело в том, что транзакты, создаваемые обычными генераторами ag, принадлежат семейству с номером 0. Если возникает необходимость создать новое семейство с ненулевым номером, то соответствующее требование содержится в порождающем транзакте, поступающем на вход creat

Управляемый терминатор транзактов имеет наименование delet. Иногда в модели возникает необходимость уничтожить (поглотить) заданное число транзактов, принадлежащих конкретному семейству.

Клапан, перекрывающий  путь транзактам, имеет наименование key. Если на клапан воздействовать сигналом hold из какого-либо узла, то клапан перекрывается и транзакты не могут через него проходить. Сигнал rels из другого узла открывает клапан.

Очередь с пространственно-зависимыми приоритетами имеет наименование dynam. Транзакты, попадающие в такую очередь, привязаны к точкам пространства. Очередь обслуживается специальным узлом ргос, работающим в режиме пространственных перемещений. Смысл обслуживания транзактов заключается в том, чтобы посетить все точки пространства, с которыми связаны транзакты. При поступлении каждого нового транзакта, если он не единственный в очереди, происходит переупорядочение очереди таким образом, чтобы суммарный путь посещения точек был минимальным. Не следует считать, что при этом решается задача коммивояжера: для решения такой задачи в нулевой момент времени имеется вся информация о точках пространства. В данном же случае информация о новых точках поступает во время движения, когда некоторые точки уже посещены. Рассмотренное правило работы узла dynam в литературе называется «алгоритмом скорой помощи».

Управляемый процесс (непрерывный  или пространственный) имеет наименование ргос. Этот узел работает в трех взаимно исключающих режимах:

1. моделирование управляемого непрерывного процесса (например, процесса в химическом реакторе);
2. моделирование доступа к оперативным информационным ресурсам;
3. моделирование пространственных перемещений (например, вертолета или корабля по поверхности Земли).

В первом режиме после входа транзакта  в узел запускается непрерывная модель, являющаяся функцией на языке С++, имеющая параметр «время». Такой моделью могут быть математическая формула или разностное уравнение, или другое.

Второй режим отличается от предыдущего только тем, что непрерывные процессы в узле не моделируются, так как они не нужны для моделирования доступа к информационным ресурсам.