3.2 Имитационное моделирование
Имитационное моделирование (ИМ) определяет в моделировании такую область, в которой экспериментальная информация о сложном объекте может быть получена только путем экспериментов с его моделью на ЭВМ.
Имитационное моделирование широко используется на различных этапах жизненного цикла сложных систем: при проектировании – для осуществления многовариантного анализа; при вводе в действие – для поиска "узких" мест; при эксплуатации – для прогнозирования эффекта от возможных модернизаций состава и структуры сложной системы. Сложная система, для которой предполагается создать имитационную модель, должна иметь вероятностный характер функционирования. Поэтому определяющей особенностью имитационного моделирования является требование повторяемости. Выводы, получаемые в результате имитационного моделирования, носят характер статистических показателей, в которых исследуемым параметрам ставятся в соответствие определенные средние значения с набором характеристик их распределения (например, ожидаемое значение с возможными отклонениями), без получения зависимости в аналитическом виде. Особенностью имитационного моделирования является снятие требования единственности критерия, выраженного целевой функцией, так как возможно присоединение к главной цели (например, достижению наименьшей себестоимости или максимума выпуска продукции) дополнительных требований, которые обязательно будут учитываться при поиске оптимального плана управления производством, такие как надежность этого плана.
3.2.1 Общие сведения о gpssw (язык имитационного моделирования gpss в среде ос windows).
Для моделирования сложных систем, формализуемых в виде систем массового обслуживания, наиболее широко применяется специальный язык программирования GPSS (General Purpose Simulation System). В качестве объектов языка используются аналоги таких стандартных компонентов СМО, как заявки, обслуживающие приборы, очереди, что позволяет конструировать сложные имитационные модели, сохраняя привычную терминологию СМО.
Имитационная модель отображает стохастический процесс смены дискретных состояний СМО в непрерывном времени в форме моделирующего алгоритма. Для имитации потоков случайных чисел предусмотрен встроенный датчик случайных чисел, заданный закон распределения получается программным способом. При реализации на ЭВМ имитационной модели 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. Таким образом, при имитационном моделировании систем массового обслуживания речь всегда идет о статистическом моделировании.
Программа, составленная на языке GPSSW, близка к описаниям моделируемых систем на естественном языке, что позволяет конструировать сложные имитационные модели пользователям, не являющимся профессиональными программистами.
Основной модуль пакета представляет собой интегрированную среду, включающую помимо транслятора с входного языка средства ввода и редактирования текста модели, ее отладки и наблюдения за процессом моделирования, а также средства накопления результатов моделирования в базе данных и их статистической обработки. Кроме основного модуля в состав пакета входит модуль создания стандартного отчета GPSS. Этапы моделирования представлены на рис.3.3:
Рисунок 3.3 Процесс моделирования в GPSSW.
Ввод текста исходной программы осуществляется в режиме полноэкранного редактирования, он подвергается трансляции (перевод исходного текста программы во внутренний цифровой код), и в памяти ПК создается так называемая текущая модель, готовая к выполнению.
Текущая модель подвергается "прогону", т.е. непосредственно процессу моделирования. Испытание модели происходит в течение определенного периода, задаваемого пользователем. По результатам прогона создается отчет со стандартными терминами. Процесс моделирования носит циклический характер: в случае необходимости по результатам моделирования вносятся исправления в исходный текст программы, и весь процесс повторяется по вышеприведенной схеме.
Текущая модель, созданная в результате трансляции исходного текста, является совокупностью разного типа объектов, каждый из которых представляет собой некоторый набор чисел в памяти ПК, описывающих свойства и текущее состояние объекта. Объекты GPSSW можно разделить на семь классов: динамические, операционные, аппаратные, статистические, вычислительные, запоминающие и группирующие.
Динамические объекты, соответствующие заявкам в системах массового обслуживания, называются в GPSSW транзактами. Они «создаются» и «уничтожаются» так, как это необходимо по логике модели в процессе моделирования. С каждым транзактом может быть связано произвольное число параметров, несущих в себе необходимую информацию об этом транзакте. Кроме того, транзакты могут иметь различные приоритеты.
Операционные объекты GPSSW, называемые блоками, соответствуют операторам-блокам исходной программы. Они формируют логику модели, давая транзактам указания: куда идти и что делать дальше. Модель системы на GPSSW можно представить совокупностью блоков, объединенных в соответствии с логикой работы реальной системы.
Аппаратные объекты GPSSW — соответствуют обслуживающим приборам (устройствам) в СМО. К ним относятся одноканальные и многоканальные устройства. Одноканальное устройство, которое для краткости далее будем называть просто устройством, может обслуживать одновременно только один транзакт. Многоканальное устройство (МКУ) может обслуживать одновременно несколько транзактов. Многоканальное устройство иногда называют памятью.
Статистические объекты GPSSW служат для сбора и обработки статистических данных о функционировании модели. К ним относятся очереди и таблицы. Каждая очередь обеспечивает сбор и обработку данных о транзактах, задержанных в какой-либо точке модели, например перед одноканальным устройством.
К вычислительным объектам GPSSW относятся переменные (например, арифметические) и функции. Они используются для вычисления некоторых величин, заданных арифметическими или логическими выражениями либо табличными зависимостями.
Запоминающие объекты GPSS/PC обеспечивают хранение в памяти ПК отдельных величин, используемых в модели, а также массивов таких величин. К ним относятся так называемые сохраняемые величины и матрицы сохраняемых величин.
Каждому объекту того или иного класса соответствуют числовые атрибуты, описывающие его состояние в данный момент модельного времени. Кроме того, имеются системные атрибуты, относящиеся не к отдельным объектам, а к модели в целом. Значения атрибутов всех объектов модели по окончании моделирования выводятся в стандартный отчет GPSSW.