- •Имитационное моделирование систем
- •Предисловие
- •Список сокращений
- •Введение
- •Глава 1. Основные понятия моделирования систем, классификация моделей и методов с точки зрения философии, моделирование представляет собой один из методов познания мира.
- •1.1. Основные понятия теории моделирования
- •1.2. Основные методы моделирования
- •1.3. Классификация моделей
- •Глава 2. Математическое моделирование систем с использованием марковских случайных процессов
- •2.1. Элементы теории марковских случайных процессов, используемые при моделировании систем
- •2.2. Марковские цепи
- •2.3. Непрерывные цепи Маркова
- •2.4. Финальные вероятности состояний
- •Необходимые и достаточные условия существования финальных вероятностей
- •2.5. Математическое представление потока событий
- •2.6. Компоненты и классификация моделей систем массового обслуживания (смо)
- •2.7. Расчёт основных характеристик смо на основе использования их аналитических моделей
- •Одноканальные системы с отказами
- •Одноканальные системы с ограниченной очередью
- •Многоканальные системы с отказами
- •Многоканальные системы с ограниченной очередью
- •Контрольные вопросы и задания
- •Глава 3. Имитационное моделирование в среде gpss
- •3.1. Общие сведения о языке gpss
- •Основные объекты языка gpss
- •3.3. Основные блоки языка gpss
- •Поступление транзактов в модель
- •Уничтожение транзактов
- •Моделирование работы одноканальных устройств
- •Моделирование очередей
- •Моделирование многоканальных устройств (мку)
- •Изменение маршрута движения транзактов
- •Разработка модели и процесс моделирования в gpss. Пример создания модели
- •Управление процессом моделирования
- •Объекты вычислительной категории языка: переменные и функции. Сохраняемые ячейки
- •Определение и использование функций
- •Работа с параметрами транзакта, приоритеты
- •Блок mark
- •Применение в моделях копий и организация синхронизации движения транзактов
- •Использование блока test
- •Контрольные задания по моделированию Моделирование систем с условием перераспределения заявок в заданном статистическом режиме
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Основные элементы стандартного отчёта
- •Системные числовые атрибуты (сча)
- •Сча транзактов
- •Сча блоков
- •Сча одноканальных устройств
- •Сча очередей
- •Сча таблиц
- •Сча ячеек и матриц ячеек сохраняемых величин
- •Сча вычислительных объектов
- •Сча списков и групп
- •10. Какое действие выполняет этот оператор: transfer both,lab1,lab2
- •11. Какое действие выполняет этот оператор: transfer 0.4,lab1,lab2
- •12. Правильно ли описана эта команда: transfer ,met:
- •13. Какое действие выполняет этот блок: lines1 storage 2
- •Индивидуальные зачётные задания по имитационному моделированию систем
- •4. Реорганизация заправочной станции
- •8. Модель швейного цеха
- •10. Моделирование работы заправочной станции
- •11.Моделирование работы станции скорой помощи
- •13. Модель автобусной остановки
- •14.Моделирование работы кафе
- •15. Задача о конвейере
- •17.Моделирование цеха обработки
- •Алфавитно-предметный указатель
- •Рассказова Марина Николаевна имитационное моделирование систем
- •644099, Омск, Красногвардейская, 9
Глава 3. Имитационное моделирование в среде gpss
Технологии имитационного моделирования и различные подходы к моделированию начали бурно развиваться в прошлом столетии, сначала для систем массового обслуживания, затем для технических систем и сетей. Существуют разные среды моделирования, отличающиеся подходами, средствами, функциональными возможностями. Некоторые из них имеют хороший графический интерфейс, позволяющий наблюдать за процессом моделирования. Из наиболее известных в настоящее время GPSS, Micro Saint, Arena, Anylogic и др. Рассмотрим наиболее распространённую и относительно несложную в освоении среду GPSS [2,5,7].
3.1. Общие сведения о языке gpss
Язык моделирования GPSS/PC (General Purpose Simulation System – общецелевая система моделирования) был разработан компанией Minuteman (США) в 1962 году изначально для моделирования дискретных систем и был предназначен для работы в операционной среде DOS. Язык получил широкое распространение и был включён в учебные курсы по моделированию систем у нас в стране и во многих университетах США и других стран. В последнее десятилетие появилась новая версия языка Gpss World, разработанная под Windows, в которой можно моделировать не только дискретные, но и непрерывные процессы. Эти возможности обеспечиваются как новыми объектами языка, так и включением в состав Gpss World языка PLUS – языка программирования низкого уровня, позволяющего взаимодействовать с другими приложениями и создавать собственные библиотеки процедур. Также эта среда обеспечивает высокую интерактивность и визуальное представление информации.
Студенческая версия GPSS/World бесплатная, имеет ограничения лишь на количество используемых в программе блоков (не более 170). Учебную версию можно получить бесплатно на портале www/minutemansoftware.com/download. Не требует установки, для запуска программы достаточно запустить на выполнение файл GPSSW.exe. После этого откроется среда моделирования GPSS/World. Далее необходимо выбрать пункт меню File/Open и в открывшемся диалоговом окне Новый документ – Создать Model. В результате будет открыто окно Untitled Model1, в котором необходимо набрать текст программы. Файл с программой можно сохранить в файле с расширением .gps (пункты меню File/Save; File/Save As).
Для запуска программы на выполнение необходимо выбрать пункт меню Command/Create Simulation.
В среде моделирования различают объекты: модель – разрабатывается на языке GPSS, состоит из блоков, создаётся при помощи встроенного текстового редактора; процесс моделирования – результат трансляции модели, получаемый после команды Create Simulation, при наличии ошибок транслятор выдаёт список сообщений об ошибках в окне JOURNAL; отчёт по моделированию – автоматически создаваемый файл, содержащий статистическую информацию об объектах, накопленную в процессе моделирования.
Основные объекты языка gpss
Язык основан на схеме транзактов. Транзакт – это объект, который «путешествует» по системе, перемещаясь от блока к блоку, согласно логике передвижений, предписанной в модели. По пути он может задерживаться на определённое время вследствие своей обработки или занятости того или иного оборудования, создавать очереди, пропускать вперёд другие транзакты, согласно их приоритету и т. д. Транзакты имеют прямую аналогию с заявками в СМО. Каждый транзакт может обладать параметрами (до 100), которые могут меняться в соответствии с логикой модели. Параметры нумеруются или им даются имена. Транзактам может присваиваться приоритет, определяющий предпочтение, который может меняться в программе.
Язык GPSS связан с пошаговым выполнением операторов, называемых блоками (фактически, каждый блок – это отдельная подпрограмма). Каждое продвижение транзакта является событием в модели. Комплекс программ, обеспечивающих выполнение событий, называется симулятором (планировщиком). Его функции:
обеспечить продвижение транзактов по заданным маршрутам;
регистрировать время наступления каждого события и выполнение их в нарастающей временной последовательности;
регистрировать статистическую информацию о функционировании модели;
продвигать модельное время в процессе моделирования.
Чтобы обеспечить правильную последовательность обработки событий во времени имеются системные часы, отсчитывающие абсолютное модельное время в единицах, принятых разработчиком. Все отрезки времени описываются положительными числами.
Условно все объекты можно разделить на 7 категорий (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Объекты языка GPSS
Категории |
Типы объектов |
Динамическая |
Транзакты |
Операционная |
Блоки |
Аппаратная |
Одноканальные устройства, многоканальные устройства (памяти), логические ключи |
Вычислительная |
Функции, переменные, СЧА, генераторы случайных чисел |
Статистическая |
Очереди, таблицы |
Запоминающая |
Сохраняемые ячейки, матрицы ячеек |
Группирующая |
Списки, группы транзактов |
Операционные объекты – блоки задают логику функционирования модели системы и определяют пути продвижения транзактов между объектами других категорий. В блоках происходят события четырёх основных типов:
создание и уничтожение транзактов;
задержка транзакта на определённое время;
изменение маршрута движения транзакта, группировка транзактов;
изменение числового атрибута (параметра) транзакта.
Объекты аппаратной категории – это объекты, в которых имитируется процесс обработки транзактов (устройства) или объекты, воздействуя на которые, транзакты меняют их состояние, что влияет на движение других транзактов (логические ключи).
Одноканальное устройство (ОКУ) – оборудование, которое может быть занято только одним транзактом. Например, один узел связи, один мастер, один пункт приёма услуг.
Многоканальные устройства (МКУ) – памяти предназначены для имитации оборудования, осуществляющего параллельную обработку, либо моделирования устройств ограниченной ёмкости (буферы, стоянки транспорта, складские помещения, конвейеры).
Логический ключ – объект, имеющий два состояния «включён» или «выключен», в зависимости от которых другие транзакты определяют пути их дальнейшего следования.
К статистическим объектам относятся очереди и таблицы. В любой системе движение потока заявок может быть задержано из-за недоступности устройства. В этом случае транзакты становятся в очередь. Учёт очередей составляет одну из основных функций планировщика, который автоматически накапливает статистику относительно устройств и очередей. Пользователь может собирать эту информацию в определённых точках модели. Для облегчения табулирования статистической информации предусмотрен объект – таблица, которая используется для получения выборочных распределений, в неё заносится число попаданий конкретного СЧА в некоторый диапазон, а также вычисляется автоматически математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение, распределение может быть представлено графически гистограммой.
Вычислительная категория служит для описания таких ситуаций в процессе моделирования, когда связи между компонентами системы выражаются в виде математических (аналитических или логических) соотношений. С помощью функций пользователь может определять закон поступления транзактов в модель, время и порядок их обработки. В GPSS существует библиотека встроенных функций.
Переменные представляют собой сложные арифметические выражения, которые включают константы, системные числовые атрибуты (СЧА), библиотечные арифметические функции, арифметические и логические операции.
Каждому объекту в GPSS соответствуют атрибуты, описывающие его состояние в данный момент. Они автоматически регистрируются и доступны для использования в течение всего процесса моделирования, называются системными числовыми атрибутами (СЧА). Всего существует более 50 СЧА, наиболее часто используемые приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Таблица основных СЧА
Объект |
СЧА |
Назначение |
Генераторы случайных чисел |
RNi |
Случайное число в диапазоне 0-999, при использовании в качестве аргумента функции в диапазоне [0;0.999] |
Транзакт |
Рi PR M1
MPi |
Значение i-го параметра, Значение приоритета Время пребывания в модели активного транзакта (от MARKдо текущего времени) Время прохождения транзактом некоторого участка модели (вычисляется как разность текущего абсолютного времени и значения i-ого параметра транзакта, определяемого блокомMARKi) |
Очередь |
Qi, Q$имя |
Текущая длина i-ой очереди |
Переменные |
V$имя |
Значение арифметической переменной |
Сохраняемые ячейки |
X$имя |
Значение ячейки памяти |
Функции |
FN$имя |
Значение функции |
Памяти |
S$имя |
Количество занятых каналов в МКУ |
Окончание таблицы 3.2
Объект |
СЧА |
Назначение |
|
R$имя SF$имя |
Количество свободных каналов в МКУ Занятость МКУ: 1– заполнена, 0 – нет |
Одноканальные устройства |
F$имя |
Занятость МКУ: 1– занято, 0 – нет |
Логический ключ |
LS$имя |
Состояние ключа: 1– установлен, 0 – нет |
Например, Р1 – СЧА, обозначающий значение первого параметра транзакта; Q$och – СЧА, обозначающий длину очереди с именем och. Если используется символьное имя, то между СЧА и именем ставится знак $.
К группирующей категории относятся группы транзактов и списки. Существует 5 видов списков: текущих событий, будущих событий, задержки ОКУ или МКУ, отложенных прерываний и пользователя.