книги / Моделирование систем. Практикум

Б.Я. Советов С .А . Яковлев

Моделирование

систем

Практикум

Издание второе, переработанное и дополненное

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов «Информатика и вычислительная техника» и «Информационные системы»

МОСКВА ’«ВЫСШАЯ ШКОЛА»

2003

УДК 519.876.5 ББК 22.18

С56

Р е ц е н з е н т д-р техн наук, профессор М Б И гнат ьев (заведующий кафедрой вычислительных систем и сетей Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения)

Советов, Б.Я.

С 56 Моделирование систем. Практикум: Учеб, пособие для вузов/Б.Я. Советов, С.А. Яковлев.— 2-е изд., перераб. и доп — М.: Высш. шк., 2003.— 295 с.: ил.

ISBN 5-06-004087-9

В пособии, являющемся частью комплексного учебника «Моделирова­ ние систем» (3-е изд), рассмотрены проблемы организации имитационного моделирования систем на персональных компьютерах, даны рекомендации по методике, основным этапам и технологии машинного моделирования Подробно рассмотрены вопросы практической реализации моделей систем на ЭВМ как в лабораторном практикуме, так и при выполнении курсовых работ

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и «Информационные системы» и специальностям «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Информационные системы и технологии»

Оригинал-макет данного издания принадлежит издательству «Высшая шко­ ла», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия из­ дательства запрещено

П Р Е Д И С Л О В И Е

Современный этап развития человечества отличается тем, что на смену века энергетики приходит век информатики. Происходит интенсивное внедрение новых информационных технологий во все сферы деятельности Встает реальная проблема перехода в ин­ формационное общество, для которого приоритетным должно стать развитие образования. Изменяется и структура знаний в об­ ществе. Все бблылее значение для практической жизни приобре­ тают фундаментальные знания, способствующие творческому развитию личности. Важна и конструктивность приобретаемых знаний, умение их структурировать в соответствии с поставленной целью. На базе знаний формируются новые информационные ре­ сурсы общества. Формирование и получение новых знаний долж­ но базироваться на строгой методологии системного подхода, в рамках которого особое место занимает модельный подход. Воз­ можности модельного подхода крайне многообразны как по ис­ пользуемым формальным моделям, так и по способам реализации методов моделирования. Физическое моделирование позволяет получить достоверные результаты для достаточно простых систем.

Сложные по внутренним связям и большие по числу элементов системы трудно поддаются прямым способам моделирования и за­ частую для их построения и изучения переходят к имитационным методам. Появление новейших информационных технологий не только расширяет возможности моделирующих систем, но и по­ зволяет применять большее многообразие моделей и способов их реализации. Совершенствование вычислительной и телекомму­ никационной техники привело к дальнейшему развитию методов машинного моделирования, без которых невозможно изучение процессов и явлений, а также построение больших и сложных сис­ тем. Поэтому дисциплина «Моделирование систем» стала базовой в структуре подготовки бакалавров, магистров и специалистов по ряду направлений высшего профессионального образования. Среди этих направлений прежде всего следует отметить 654600 «Информатика и вычислительная техника», 654700 «Информаци­ онные системы».

3

ВВЕДЕНИЕ

Данный практикум ориентирован на исследование математи­ ческих (аналитических и имитационных) моделей и методов, при­ меняемых при проектировании автоматизированных систем управления различных уровней, распределенных информацион­ ных систем и сетей, автоматизированных систем научных иссле­ дований и комплексных испытаний, а также на освоение новой информационной технологии в автоматизации исследования этих сложных систем на базе метода моделирования на ЭВМ. Цель практикума — выработать у студентов умение самостоятельно применять для решения конкретных инженерных задач исследо­ вания систем знания по моделированию на ЭВМ, полученные из лекционного курса.

Каждая лабораторная работа по дисциплине «Моделирование систем» должна научить студентов самостоятельно решать отдель­ ные прикладные задачи исследования систем на базе метода ма­ шинной имитации; оформлять результаты машинных экспери­ ментов в соответствии с требованиями ГОСТ; выступать перед аудиторией с защитой результатов, полученных при выполнении лабораторных работ по исследованию характеристик систем на ЭВМ. Предполагается, что при выполнении лабораторных работ задачи моделирования ограничены рассмотрением вопросов оценки с помощью имитационных экспериментов вероят­ ностно-временных характеристик для системного исследования процессов функционирования сложных объектов.

Курсовая работа предназначена для практического усвоения студентами основных разделов дисциплины «Моделирование сис­ тем» и ряда ранее прочитанных дисциплин типового учебного пла­ на специальностей 071900-ИСТ, 0737-ИТО и 220200-АСОИУ, за­ крепление знаний по математическим методам и программным средствам системного моделирования, развития практических на­ выков комплексного решения задач исследования и проектирова-

5

ния систем на современных ЭВМ В задачи курсовой работы по дисциплине «Моделирование систем» входятразвитие у студен­ тов навыков научно-исследовательской и проектно-конструктор­ ской работы в области исследования и разработки сложных сис­ тем, постановка и проведение имитационных экспериментов с моделями процессов функционирования систем на современных ЭВМ для оценки их вероятностно-временных характеристик, как наиболее характерных для системного исследования и проектиро­ вания автоматизированных информационных систем; принятие экономически и технически обоснованных инженерных реше­ ний; анализ научно-технической литературы в области систем­ ного моделирования, а также использование стандартов, спра­ вочников, технической документации по математическому и про­ граммному обеспечению ЭВМ и т. д При выполнении курсовой работы следует также руководствоваться общими указаниями по организации и методике проведения курсового проектирования в вузе и методическими материалами по курсовому проектирова­ нию программных продуктов. При выполнении курсовой работы студент должен научиться работать в рамках современных техно­ логий машинной имитации, оформлять программную документа­ цию в соответствии с требованиями ЕСПД. Курсовая работа гото­ вит студента крещению более сложной задачи, завершающей обу­ чение,— дипломному проектированию на базе использования ме­ тода моделирования на ЭВМ для принятия обоснованных проектных решений

В предлагаемом учебном пособии с единых методологических позиций системного машинного моделирования рассмотрены во­ просы организации выполнения курсовых и лабораторных работ на ПЭВМ, даны конкретные указания по выполнению каждой ра­ боты, включая построение концептуальной модели исследуемой в работе системы и ее формализацию, алгоритмизацию и машин­ ную реализацию, получение и интерпретацию результатов моде­ лирования Существенное место в учебном пособии занимают важные вопросы практической реализации моделей с использова­ нием языка моделирования дискретных систем GPSS/PSC в среде Windows—95/98/2000/ХР и MS DOS. Выбор в качестве средств программной реализации моделей в практикуме языка GPSS (General Purpose System Simulator) обусловлен тем, что в настоя­ щее время он является одним из наиболее эффективных и распро­ страненных программных средств моделирования сложных дис-

б

Г л а в а 1

О Р Г А Н И З А Ц И Я И Т Е Х Н О Л О Г И Я В Ы П О Л Н Е Н И Я П Р А К Т И К У М А

ПО К О М П Ь Ю Т Е Р Н О М У

МО Д Е Л И Р О В А Н И Ю

СИ С Т Е М

Впервой главе учебного пособия рассмотрены вопросы организации учеб­ ного процесса при проведении практикума, включая практические занятия, лабораторные работы и курсовое проектирование, приведена технология вы­ полнения практикума инвариантно от объекта моделирования и инструмен­ тальной среды реализации имитационного эксперимента Обобщение получен­ ных результатов в области методологии машинного моделирования дает воз­ можность условно разделить эвристические принципы моделирования на сово­ купность основных правил построения моделей систем S и способов их машинной реализации, причем правила определяют общие свойства, которы­ ми должна обладать построенная машинная модель, а способы реализации дают конкретные приемы получения нужных свойств модели системы S.

1.1.СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИКУМА

Практикум по дисциплине «Моделирование систем» представ­ ляет собой единый комплекс практических занятий, лабораторно­ го практикума и курсовой работы, объединенных единой методо­ логией системного моделирования и технологией использования инструментальных средств моделирования на современных ком­ пьютерах. Методологической базой проведения данного практи­ кума является лекционный курс дисциплины «Моделирование систем» [11—13]. Практические и самостоятельные занятия дают базовую подготовку для выполнения курсовой работы, которая яв­ ляется завершающим этапом практикума по дисциплине «Моде­ лирование систем».

Пояснительная записка к курсовой работе (отчет по лабора­ торной работе) должна давать полное представление о принципе решения поставленной задачи моделирования системы S с обос­ нованием правильности решения задачи на инструментальной

8

ЭВМ. Содержание основных разделов пояснительной записки следующее.

Титульный лист должен соответствовать установленному об­ разцу.

Реферат в сжатой форме должен раскрывать содержание пояс­ нительной записки к курсовой работе по дисциплине «Моделиро­ вание систем».

Содержание включает наименование всех разделов курсовой работы, а также подразделов и пунктов, если они имеют наимено­ вание, с указанием номера страниц, на которых размещается нача­ ло материала разделов, подразделов, пунктов.

Введение содержит постановку задачи, анализ актуальности и цели моделирования системы. Здесь дается краткий анализ воз­ можных методов решения поставленной задачи, но так, чтобы он не заслонял основного содержания проекта. Указываются литера­ турные источники, по которым сделан обзор, что позволяет су­ дить, насколько полно изучена литература по моделированию конкретной системы. Обзор должен содержать краткую оценку из­ ложенных материалов и принципов моделирования.

В основной части излагаются разделы, в которых рассматрива­ ется существо проблемы, даются аналитический обзор возможно­ стей исследования заданного объекта моделирования, обоснова­ ние выбранного подхода к моделированию, описание концепту­ альной модели, формализация и алгоритмизация модели, описа­ ние выбранного математического и программного обеспечения, описание алгоритмов и программ, инструкции по использованию программ при моделировании на конкретной ЭВМ, результаты моделирования, анализ полученных на модели результатов и вы­ воды по их использованию для исследования и разработки объекта моделирования.

В основной части приводится:

—описание моделируемой системы и задание на моделирова­

ние;

—структурная схема модели системы;

—блок-диаграмма GPSS (схемы алгоритмов при использова­ нии других языков программирования);

—текст программы;

—описание текста программы;

—аналитическая оценка характеристик функционирования моделируемой системы;

—результаты моделирования:

а) дневник отладки; б) распечатки отдельных прогоне» модели

в) полученные результаты;

9

—сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета;

—оценки возможных улучшений в работе системы (согласно заданию) и выработка дополнений к имеющейся модели;

—окончательный вариант модели с результатами. Пояснительная записка должна содержать листинги програм­

мы и их описание. При большом объеме эти материалы выносятся в приложение к курсовой работе.

Результаты машинного эксперимента с моделью системы должны быть представлены в форме графиков, таблиц, распечаток и т. п.

Приводится анализ полученных результатов моделирования системы на ЭВМ. При несовпадении расчетных и эксперимен­ тальных результатов необходимо объяснить причины расхожде­ ния.

В заключение необходимо дать качественные и количествен­ ные оценки результатов моделирования, обратив особое внимание на оценки: точности и достоверности результатов моделирования; затрат машинного времени на моделирование и требуемого объе­ ма памяти ЭВМ; технико-экономических факторов.

Следует представить краткий вывод по результатам моделиро­ вания системы (примерно на 0,5 страницы), отметить достоинства выбранного способа моделирования. Если в процессе моделиро­ вания системы был выбран не оптимальный способ, то следует указать причины, обусловившие такое решение, а также нерешен­ ные вопросы, рекомендации по возможному в дальнейшем усо­ вершенствованию алгоритма и программы моделирования.

Список использованной литературы должен содержать пере­ чень источников, использованных при выполнении курсовой ра­ боты. Указывают только те источники, на которые имеются ссыл­ ки в тексте пояснительной записки.

Приложение содержит вспомогательный материал (листинги программ, инструкции по пользованию программами и т. п.).

1.2. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ И СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ НА ЭВМ

В данном параграфе сформулированы эвристические принци­ пы и практические методы реализации машинных моделей про­ цесса функционирования системы S, которые иллюстрируются приложениями к разработке организационно-производственных систем и информационно-вычислительных сетей, т. е. тех классов

Ю