Реализация имитационной модели с использованием специального языка моделирования - GPSS (Genеral Purpose Simulation System)

Содержание

 

 

Аннотация…………………………………………………………………………3 

 

					ВА В ПВО 230102.ФРИТ ПЗ
Изм	Лист	№ докум.	Подп	Дата
Разраб.					Компьютерное моделирование  систем массового обслуживания	лит.			лист	листов
Пров.							У		2
						Каф,АС и ПО   Гр.
Вариант

 

 

Аннотация

 

В курсовой работе показана реализация имитационной модели с использованием специального языка моделирования - GPSS (Genеral Purpose Simulation System). Проведены основные этапы моделирования производственного процесса, которые заключаются:

1. Разбор классификационных признаков.
2. Составление алгоритма и Q-схемы, поясняющие принцип организации рабочего процесса.
3. Разработка структуры программы в виде блок-диаграммы.
4. Составление текста программы по блок-диаграмме
5. Проведение эксперимента.
6. Анализ результатов.

Курсовая работа предназначена для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Информационные системы и технологии», а также для людей, интересующихся компьютерным имитационным моделированием.

 

 

 

 

 

Введение 

 

Процессы функционирования различных систем и сетей связи  могут быть представлены той или  иной совокупностью систем массового  обслуживания (СМО) - стохастических, динамических, дискретно-непрерывных математических моделей. Исследование характеристик таких моделей может проводиться либо аналитическими методами, либо путем имитационного моделирования.

Имитационная модель отображает стохастический процесс  смены дискретных состояний СМО в непрерывном времени в форме моделирующего алгоритма. При его реализации на ЭВМ производится накопление статистических данных по тем атрибутам модели, характеристики которых являются предметом исследований. По окончании моделирования накопленная статистика обрабатывается, и результаты моделирования получаются в виде выборочных распределений исследуемых величин или их выборочных моментов. Таким образом, при имитационном моделировании систем массового обслуживания речь всегда идет о статистическом имитационном моделировании.

Сложные функции моделирующего  алгоритма могут быть реализованы  средствами универсальных языков программирования (Паскаль, Си), что предоставляет  неограниченные возможности в разработке, отладке и использовании модели. Однако подобная гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на разработку и программирование весьма сложных моделирующих алгоритмов, оперирующих со списковыми структурами данных. Альтернативой этому является использование специализированных языков имитационного моделирования. 

Специализированные языки  имеют средства описания структуры  и процесса функционирования моделируемой системы, что значительно облегчает  и упрощает программирование имитационных моделей, поскольку основные функции  моделирующего алгоритм, а при этом реализуются автоматически. Программы имитационных моделей на специализированных языках моделирования близки к описаниям моделируемых систем на естественном языке, что позволяет конструировать сложные имитационные модели пользователям, не являющимся профессиональными программистами. 

Одним из наиболее эффективных  и распространенных языков моделирования  сложных дискретных систем является в настоящее время язык GPSS (General Purpose Simulation System). Он может быть с наибольшим успехом использован для моделирования систем, формализуемых в виде систем массового обслуживания. В качестве объектов языка используются аналоги таких стандартных компонентов СМО, как заявки, обслуживающие приборы, очереди и т.п. Достаточный набор подобных компонентов позволяет конструировать сложные имитационные модели, сохраняя привычную терминологию СМО.

Язык моделирования  дискретных систем GPSS разработан фирмой IBM в начале 70-х годов XX века и является одним из самых распространенных в мире специализированных языков программирования. Система моделирования GPSS/PC (различных версий) является торговой маркой фирмы MINUTEMAN Software. Однако стоит отметить, что GPSS/PC предназначен для работы в операционной системе MS DOS. Поэтому имеются ограничения, которые в ряде случаев не позволяют осуществить разработку и эксплуатацию моделей сложных систем с требуемой степенью детализации. Отмеченных недостатков практически не имеет общецелевая система моделирования GPSS World, также разработанная компанией MINUTEMAN (США), но уже в 1993 году, которая позже так же претерпела некоторые изменения.

GPSS - интегрирующая языковая  система, применяющаяся для описания  пространственного движения объектов. Такие динамические объекты в  языке GPSS называются транзактами и представляют собой элементы потока. Транзакты "создаются" и "уничтожаются". Функцию каждого из них можно представить как движение через модель М с поочерёдным воздействием на её блоки. Функциональный аппарат языка образуют блоки, описывающие логику модели, сообщая транзактам, куда двигаться и что делать дальше. Данные для ЭВМ подготавливаются в виде пакета управляющих и определяющих карт, которым составляется по схеме модели, набранной из стандартных символов. Созданная программа GPSS, работая в режиме интерпретации, генерирует и передаёт транзакты из блока в блок. Каждый переход транзакта приписывается к определенному моменту системного времени. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Построение концептуальной модели

 

Концептуальная (содержательная) модель – это абстрактная модель, определяющая структуру моделируемой системы, свойства ее элементов и причинно-следственные связи, присущие системе и существенные для достижения цели моделирования, а затем провести формализацию её в виде Q-схемы, т.е. перейти от словесного описания объекта моделирования к его математической модели. Наиболее ответственными моментами на этом этапе является упрощение описания системы, т.е. отделение собственно системы от внешней среды и выбор основного содержания модели путём отбрасывания всего второстепенного с точки зрения поставленной цели моделирования.

 

1.1 Основные понятия и определения

 

Задание,  которое  необходимо  выполнить,  относится  к категории задач массового обслуживания.

Система массового обслуживания - это совокупность последовательно  связанных между собой входящих потоков требований на обслуживание (машин, самолетов, пользователей), накопителей, очередей, каналов обслуживания (станций техобслуживания, аэродромов, ЭВМ) и выходящих потоков требований после обслуживания.

Рассмотрим основные определения, которые используются в системе массового обслуживания.

Требование (транзакт) – это объект, поступающий в систему и нуждающийся в определенном обслуживании в данной системе. Требование является активным элементом в моделируемой системе. Под требованием можно понимать сообщение, машину, изделие, информацию, пользователя и т. д.

Параметры требования – это набор значений, связанных с требованием. Каждое требование может иметь любое число параметров. Каждый параметр имеет номер – положительное число. Необходимо создать параметры требования и присвоить им значения до того, как они будут использоваться. Одним из параметров является: приоритет, определяющий предпочтение, которое требование получает, когда оно вместе с другими требованиями ожидает один и тот же ресурс. Требования с более высокими приоритетными значениями получают предпочтение. Эффект приоритета заключается в том, что требование с более высоким приоритетом будет выбрано на обслуживание раньше требований с низким приоритетом.

Канал обслуживания – устройство, в котором выполняется обслуживание требования.

Основным параметром канала обслуживания является время  обслуживания, которое, как правило, является случайной.

Накопитель – это место временного расположения требований, нуждающихся в обслуживании. Накопители характеризуются не временем обслуживания требований, а емкостью - максимально возможным количеством одновременно находящихся в накопителе требований. Обобщенная схема модели задает общий порядок действий без каких-либо уточняющих деталей.

Q-схема - схема, условно-графическое обозначение которой позволяет представить модель системы массового обслуживания в графическом виде.

Блок-диаграмма   – графическое  представление  процессов, происходящих в моделируемой системе, таким образом, она описывает взаимодействия, происходящие внутри  системы  в  процессе ее функционирования.

 

 

 

 

1.2 Постановка задачи

 

Имеется некоторый производственный процесс, который реализуется линией с тремя последовательно установленными агрегатами: А,Б и В. поток продукции, который поступает от агрегата А является пуассоновским со средней нормой выработки 10 изделий за час. Агрегат Б функционирует по равномерному закону с продолжительностью обработки 6±4 минут. закон распределения времени обслуживания изделий агрегатом В приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Вероятность	0,1	0,2	0,4	0,2	0,1
Продолжительность обслуживания, мин.	2	3	4	5	6

 

При скоплении на входе  агрегата В двух и более изделий  в технологической линии возникает  затор.

Промоделировать функционирование линии на протяжении 100 ч.

Определить общее время  затора на входе агрегата В. Построить  гистограмму распределения продолжительности  заторов.

 

1.3 Классификационные признаки моделируемой системы

 

Каждую модель можно классифицировать по нескольким признакам.

Из текста задания можно сделать следующие выводы о моделируемом процессе:

1) По характеру поступления  заявок в модель различают  системы с равномерным и случайным потоками поступления. Т.к. поступление транзактов происходит согласно пуассоновскому закону распределения, то следует считать поток поступления заявок случайным.

2) По количеству требований, поступающих в единицу времени,  потоки делятся на ординарные  и неординарные. Существует большая вероятность, что в системе одновременно будут находиться более одного транзакта, поэтому поток следует считать неординарным.

3) Различают системы с отказом, с ограничением и с ожиданием без ограничений в зависимости от поведения заявок. По условию поставленной задачи транзакты находятся в системе сколь угодно долго и ожидают в очереди.

4) По характеру обслуживания СМО делятся на системы с детерминированным и случайным временем обслуживания.

5) По количеству каналов обслуживания система является одноканальной, поскольку по одному агрегату, обработка на которых происходит последовательно.

6) Различают однофазные и многофазные системы в зависимости от количества этапов обслуживания. По условию задачи, транзакты поступают на первую станцию, затем переходят на обработку на вторую станцию последовательно. Отсюда делаем вывод – имеем систему с многофазным обслуживанием.

 

1.4 Построение блок-схемы и Q-схемы модели

 

Блок-схема имитационной модели согласно предоставленному заданию  изображена на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Блок-схема имитационной модели

 

Согласно Блок-схеме имитационной модели производственного процесса детали поступают из агрегата А на обработку к агрегату Б, после чего проходят на обработку к агрегату В. Если в очереди агрегата В ожидают два и более продукт, то система регистрирует затор и начинает отсчет времени. Блок-схему имитационной модели, показанную на рисунке 1, можно построить структурную схему в терминах Q-схем. Такая схема изображена на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Структурная схема процесса функционирования

системы в символике Q-схем

 

логика работы имитационной модели такова, что агрегаты поступают  последовательно на каждый агрегат  для обработки, после чего выбывают из системы. Таким образом из агрегата А, который отмечен как «И», проступает пуассоновский поток продукции, который проходит на обработку к агрегату Б (К1). Занятость агрегата Б имитирует клапан Кл1, в этом случае продукция накапливается в очереди перед агрегатов Б (Н1). После обработки на агрегате Б продукция поступает на агрегат В, где образуется очередь в случае его занятости (в случае, если клапан Кл2 находится в закрытом состоянии).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Построение имитационной модели

 

2.1 Разработка блок-диаграммы

 

Так как для  решения поставленной задачи ранее  был выбран язык GPSS, необходимо воспользоваться условно-гpафическими обозначениями данного зыка для построения блок-диаграммы (рисунок 3), которая поможет составить программу GРSS-модели. Составление программы по блок-диаграмме сводится к переводу значения каждого блока в строку программного кода.

 

 

 

Рисунок 3. Блок – диаграмма модели