2015-08-21
562
МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ
У GPSS WORLD
Львів - 2010
УДК 004.94(075.8)
Рецензенти В.М.Томашевський – д.т.н., професор кафедри управляючих систем і технології Національного технічного університету “Київський політехнічний інститут”;
Є.В.Бодянський – д.т.н., професор кафедри штучного інтелекту Харківського національного університету радіоелектроніки;
В.В.Пасічник – д.т.н., професор, завідувач кафедри інформаційних систем і мереж Національного університету “Львівська політехніка”.
Соколовський Я.І., Шабатура Ю.В., Крошний І.М., Дендюк М.В. Моделювання систем в середовищі GPSS World. – Львів, 2010. – 358 с.
У навчальному посібнику наведено матеріал, необхідний для вивчення імітаційного моделювання систем в інструментальному середовищі GPSS World для створення імітаційних моделей. Їх застосування показано на конкретних прикладах. Описуються можливості GPSS World для створення та проведення експериментів з моделями. Детально розглянуті методи практичної реалізації моделей систем у лабораторному практикумі.
Посібник розрахований на бакалаврів, що навчаються за напрямами підготовки “Комп’ютерні науки”. Ним можуть скористатися магістри, аспіранти та дослідники для моделювання та дослідження конкретних систем. Посібник буде корисним фахівцям у галузі комп’ютингу та бажаючим самостійно оволодіти методами імітаційного комп’ютерного моделювання.
Короткий зміст
Передмова........................................................................................................ 9
Перелік скорочень......................................................................................... 12
Розділ 1. Загальні питання імітаційного моделювання............................... 13
Розділ 2. Ймовірнісне моделювання............................................................ 33
Розділ 3. Програмне середовище імітаційного моделювання GPSS World 60
Розділ 4. Система імітаційного моделювання GPSS World....................... 81
Розділ 5. Моделі систем з одноканальними пристроями......................... 109
Розділ 6. Створення і відлагодження імітаційних моделей у GPSS World 154
Розділ 7. Моделювання багатоканальних пристроїв у GPSS World........ 177
Розділ 8. Мова Plus та Plus-процедури...................................................... 191
Розділ 9. Технології моделювання у GPSS World.................................... 232
Розділ 10. Лабораторний практикум......................................................... 273
Додатки........................................................................................................ 332
Предметний покажчик................................................................................ 354
Література та посилання............................................................................. 358
Зміст
Передмова........................................................................................................ 9
Перелік скорочень......................................................................................... 12
Розділ 1. Загальні питання імітаційного моделювання
1.1. Моделі процесів і систем................................................................ 13
1.2. Класифікація моделей..................................................................... 17
1.3. Основні визначення та класифікація систем масового обслуговування......................................................................................................... 19
1.3.1. Характеристики систем масового обслуговування................ 20
1.3.2. Вхідний потік вимог................................................................ 23
1.3.3. Стратегії керування потоками вимог...................................... 26
1.3.4. Класифікація систем масового обслуговування..................... 29
Контрольні запитання та завдання........................................................ 31
Розділ 2. Ймовірнісне моделювання
2.1. Метод статистичних випробовувань.............................................. 33
2.2. Генератори випадкових чисел........................................................ 35
2.3. Моделювання випадкових подій та дискретних випадкових величин 39
2.4. Моделювання неперервних випадкових величин......................... 45
2.5. Моделювання нормально-розподілених випадкових величин.... 49
2.6. Моделювання випадкових векторів............................................... 51
2.7. Моделювання випадкових функцій................................................ 53
2.8. Статистична обробка результатів моделювання........................... 54
2.9. Визначення кількості реалізацій під час моделювання випадкових величин............................................................................................ 56
Контрольні запитання та завдання........................................................ 58
Розділ 3. Програмне середовище імітаційного моделювання GPSS World
3.1. Основне меню GPSS World........................................................... 60
3.1.1. Меню File.................................................................................. 62
3.1.2. Меню Edit................................................................................. 66
3.1.3. Меню Search............................................................................. 68
3.1.4. Меню View............................................................................... 68
3.1.5. Меню Command....................................................................... 68
3.1.6. Меню Window і меню Help...................................................... 69
3.2. Панель інструментів GPSS World.................................................. 70
3.3. Вікно моделі у системі GPSS World............................................... 71
3.4. Інтерактивний перегляд значень виразів....................................... 74
3.5. Налаштування параметрів моделювання...................................... 76
Контрольні запитання та завдання........................................................ 80
Розділ 4. Система імітаційного моделювання GPSS World
4.1. Основне меню GPSS World............................................................ 81
4.2. Подання моделей у вигляді блок-діаграм..................................... 88
4.3. Основні складові системи GPSSW.................................................. 91
4.4. Об'єкти обчислювальної категорії................................................. 93
4.4.1. Константи................................................................................. 94
4.4.2. Системні числові атрибути..................................................... 94
4.4.3. Арифметичні і логічні оператори........................................... 96
4.4.4. Бібліотечні математичні функції............................................. 97
4.4.5. Змінні користувача.................................................................. 97
4.4.6. Вирази в операторах GPSS.................................................... 98
4.4.7. Зберігаючі комірки................................................................. 98
4.4.8. Матриці зберігаючих комірок. Оголошення та ініціалізація матриць................................................................................. 100
4.4.9. Арифметичні змінні й арифметичні вирази......................... 102
4.4.10. Булеві змінні........................................................................ 103
4.4.11. Типи функцій....................................................................... 105
Контрольні запитання та завдання...................................................... 108
Розділ 5. Моделі систем з одноканальними пристроями
5.1. Введення транзактів у модель і вилучення їх із неї.................... 109
5.2. Блоки для зміни значень параметрів транзактів........................ 115
5.3. Блоки апаратної категорії зайняття та звільнення одноканальних пристроїв....................................................................................... 117
5.4. Блоки перевірки стану та передавання керування в одноканальних пристроях...................................................................................... 121
5.5. Блоки статистичної категорії....................................................... 124
5.6. Блоки для зміни послідовності руху транзактів у моделі.......... 128
5.7. Блоки апаратної категорії для переривань одноканальних пристроїв....................................................................................................... 136
5.8. Блоки апаратної категорії для переведення одноканальних пристроїв у стан недоступності........................................................................ 144
5.9. Створення і застосування списків користувача.......................... 146
Контрольні запитання та завдання...................................................... 152
Розділ 6. Створення і відлагодження імітаційних моделей у GPSS World
6.1. Основні етапи моделювання у системі GPSSW........................... 154
6.2. Команди GPSS World................................................................... 160
6.3. Інтерактивні можливості GPSS World......................................... 163
6.4. Відлагодження моделей у GPSS World....................................... 170
Контрольні запитання та завдання...................................................... 175
Розділ 7. Моделювання багатоканальних пристроїв у GPSS World
7.1. Блоки зайняття та звільнення багатоканальних пристроїв......... 177
7.2. Блоки апаратної категорії для переведення багатоканальних пристроїв у стан недоступності та відновлення доступності........................ 180
7.3. Блоки перевірки стану багатоканальних пристрів...................... 183
7.4. Моделювання перемикачів........................................................... 187
Контрольні запитання та завдання...................................................... 190
Розділ 8. Мова Plus та Plus-процедури
8.1. Основні елементи мови................................................................. 191
8.2. Побудова виразів.......................................................................... 193
8.3. Plus-оператори та їх призначення................................................ 194
8.4. Вбудована бібліотека процедур................................................... 196
8.5. Генератори випадкових чисел...................................................... 200
8.6. Реалізація методу Ньютона для розв’язування нелінійних рівнянь за допомогою мови Plus.................................................................... 203
8.7. Налагодження Plus-процедур...................................................... 204
8.8. Команда INTEGRATE і блок INTEGRATION для моделювання неперервних систем....................................................................... 206
8.9. Використання PLUS-процедур для моделювання неперервних систем....................................................................................................... 210
8.10. Використання функцій в імітаційних моделях........................... 218
8.10.1. Генерування випадкових чисел для дискретних рівномірних розподілів............................................................................ 220
8.10.2. Генерування випадкових чисел для дискретних нерівномірних розподілів............................................................................ 221
8.10.3. Генерування випадкових чисел для неперервного рівномірного розподілу............................................................................. 223
8.10.4. Генерування випадкових чисел для неперервних нерівномірних розподілів............................................................................ 224
8.10.5. Функції типу E, L і М.......................................................... 227
Контрольні запитання і завдання........................................................ 229
Розділ 9. Технології моделювання у GPSS World
9.1. Основні відомості з теорії планування експериментів................ 232
9.1.1. Повний факторний експеримент........................................... 232
9.1.2. Оцінювання точності результатів моделювання.................. 239
9.2. Дисперсійний аналіз...................................................................... 240
9.2.1. Однофакторний дисперсійний аналіз................................... 241
9.2.2. Двофакторний дисперсійний аналіз...................................... 243
9.3. Технологія дисперсійного аналізу у GPSS World....................... 247
9.4. Технологія регресійного аналізу у GPSS World......................... 258
9.5. Організація експериментів користувача у GPSS World.............. 266
Контрольні запитання і завдання........................................................ 271
Розділ 10. Лабораторний практикум
Лабораторна робота 1. Моделювання випадкових подій і дискретних випадкових величин............................................................................ 273
Лабораторна робота 2. Моделювання неперервних випадкових величин 277
Лабораторна робота 3. Моделювання випадкових векторів і функцій.... 279
Лабораторна робота 4. Моделювання дискретних процесів................... 283
Лабораторна робота 5. Моделювання у GPSSW одноканальних розімкнутих СМО та оцінка якості їх функціонування........................................... 292
Лабораторна робота 6. Моделювання у GPSS World багатоканальних СМО та оцінка якості їх функціонування......................................................... 298
Лабораторна робота 7. Моделювання у GPSS World багатофазних СМО та оцінка якості їх функціонування......................................................... 305
Лабораторна робота 8. Моделювання виробничих систем (на прикладі моделювання роботи транспортного конвеєра та моделювання роботи ділянки цеху)........................................................................................ 308
Лабораторна робота 9. Моделювання роботи ЕОМ для оброблення завдань з різними пріоритетами.......................................................................... 313
Лабораторна робота 10. Моделювання роботи вузла комутації повідомлень.............................................................................................................. 316
Лабораторна робота 11. Моделювання неперервних систем (на прикладі поширення вірусу на системному диску)............................................ 319
Лабораторна робота 12. Дослідження вагомості впливу змінних користувача на об’єкт моделі за допомогою дисперсійного аналізу......................... 322
Лабораторна робота 13. Дослідження вагомості впливу обраних факторів на об’єкт моделі за допомогою експерименту користувача................... 326
Лабораторна робота 14. Оптимізація і прогнозування поведінки системи за допомогю регресійного аналізу.......................................................... 329
Додаток 1. Формати і графічні зображення блоків................................... 332
Додаток 2. Системні числові атрибути GPSS............................................ 338
Додаток 3. Елементи стандартного звіту................................................... 343
Додаток 4. Табличні значення критеріїв.................................................... 351
Предметний покажчик................................................................................ 354
Література та посилання............................................................................. 358
Передмова
Серед сучасних методів наукового пізнання моделювання є загально признаним та ефективним інструментом дослідження сутності різних об’єктів, процесів та явищ. Такі дослідження є багатоетапними складними процесами, у яких розв’язується низка взаємозв’язаних задач, до основних з яких відносяться розроблення моделі, аналіз властивостей, встановлення загальних закономірностей та вироблення управлінських рішень щодо вивчення існуючих та створення нових систем. Область застосування методів комп’ютерного моделювання є надзвичайно широкою і різносторонньою. Це, в свою чергу, породжує і різноманіття методів і програмних засобів, що використовуються у теорії моделювання.
Більшість технічних систем, у тому числі обчислювальних систем і мереж, досліджуються методами імітаційного моделювання з використанням імовірнісних підходів. Під імітаційним моделюванням розуміється розроблення комп’ютерних моделей, постановка і проведення експериментів на них. У цьому аспекті широке застосування знаходять математичні моделі, що відображають структурно-функціональну організацію досліджуваних систем і побудовані на основі теорії систем масового обслуговування.
Визначальним чинником у застосуванні імітаційного моделювання, з точки зору інформаційних технологій, є вибір програмних засобів і мов імітаційного моделювання. Адже програмні системи моделювання оснащені спеціалізованими засобами, які дозволяють скоротити тривалість розроблення імітаційних моделей, використати ефективні можливості щодо організації модельних експериментів на комп’ютері, враховувати у моделях фактор реального часу.
Спеціалізовані програмні інструментарії моделювання, відповідно до видів моделювання, поділяються на три групи: дискретні, неперервні та комбіновані (дискретно-неперервні або неперервно-дискретні). Для моделювання дискретних систем широке застосування отримав програмний продукт фірми Minuteman Software – GPSS World (GPSSW, General Purpose System Simulation World – світова загальноцільова система моделювання). GPSS World розроблена для ОС Windows і максимально орієнтована на використання сучасних інформаційних технологій проектування систем, які забезпечують високу інтерактивність і візуалізацію інформації. Система GPSS World базується на мові імітаційного моделювання GPSS, яка створена у компанії IBM професором Джефрі Гордоном. GPSS World є подальшим розвитком GPSS / PС. Але система GPSS World має розширені можливості, оскільки дозволяє моделювати як дискретні, так і неперервні процеси (блок INTEGRATE). Для усіх класів об’єктів і змінних у GPSS World реалізований динамічний багатовіконний інтерфейс для візуального представлення статистичної інформації у режимі реального часу. Система GPSS World володіє важливими автоматизованими інструментальними засобами проведення дисперсійного (ANOVA) і регресійного аналізів, а також здійснення власного експерименту користувача на основі методології оптимального планування експериментів. Убудована процедурна мова PLUS разом з іншими інструментальними засобами дозволяє будувати моделі під час проведення експериментів і створювати користувачем власні бібліотеки процедур. Система має значний набір команд для керування процесом моделювання. Їх можна використовувати як в інтерактивному режимі, так і включати у моделі.
Даний посібник відповідає навчальній дисципліні “Моделювання систем”, а також значній частині змістових модулів навчальної дисципліни „Прикладне програмне забезпечення в інженерній справі”. У ньому розглядаються методи побудови імітаційних моделей з використанням сучасного ефективного інструментального засобу GPSS World. Поданий у посібнику матеріал має практичну спрямованість.
Посібник складається з десяти розділів, додатку, предметного іменного покажчика. У першому розділі наведено основні поняття і визначення параметрів і характеристик дискретних систем, класифікацію систем і моделей, коротку характеристику систем масового обслуговування. Другий розділ присвячено розгляду методів ймовірнісного моделювання дискретних і випадкових неперервних величин, які дозволяють враховувати вплив випадкових факторів на систему у процесі моделювання. У третьому розділі наведено структуру та опис системи меню інтегрованого середовища імітаційного моделювання GPSS World. Розглядається навчальна версія GPSS World, яку можна безкоштовно отримати за адресою http://www.minutemansoftware.com/downloads.asp (сайт фірми Minuteman Software). У четвертому розділі подані основи побудови мови імітаційного моделювання. Методам створення імітаційних моделей з одноканальними пристроями присвячено п’ятий розділ. Наведені основні засоби GPSS World для моделювання таких систем. Їх застосування показано на конкретних прикладах. У шостому розділі описано етапи створення та відлагодження програм у GPSS World, інтерактивні можливості системи. У сьомому розділі розглядається побудова моделей систем з багатоканальними пристроями. У восьмому розділі описується мова PLUS. Показано її застосування у PLUS-процедурах, а також для моделювання неперервних процесів. Дев’ятий розділ охоплює проблематику технологій моделювання у GPSS World. Наведено основні поняття теорії планування експериментів. Розглянуті вбудовані автоматизовані генератори проведення дисперсійного та регресійного аналізів. Показано можливості GPSS World для створення власних оптимізаційних експериментів користувачем. Десятий розділ включає завдання для виконання лабораторного практикуму. Аналіз застосування комп’ютерних систем моделювання для проведення лабораторних занять і курсового проектування під час викладання дисципліни “Моделювання систем” і споріднених з нею дисциплін у вищих навчальних закладах підтверджують важливість GPSS World (www.gprs.ru).
Кожний розділ завершується запитаннями та завданнями для самоперевірки та контролю засвоєння знань.
У додатках представлено матеріали, які доповнюють та ілюструють основний текст посібника.
У кінці посібника є предметний покажчик з посиланнями на сторінки, які містять основні терміни і поняття, що використовуються у посібнику.
Наведений бібліографічний список не претендує на повноту і містить перелік літературних джерел, які у тій або іншій мірі використовувалися для написання посібника, а також можуть допомогти у поглибленому вивченні курсу.
Для успішного засвоєння матеріалу необхідно мати базові знання з основ дискретної математики, програмування, матричного аналізу, теорії ймовірностей та математичної статистики.
Посібник призначений, перш за все, для студентів, які навчаються за програмою бакалаврів з напряму “Комп’ютерні науки” і вивчають дисципліну “Моделювання систем” та сумісні з нею дисципліни. Матеріали посібника можуть використовуватися бакалаврами і магістрами у процесі підготовки випускних кваліфікаційних робіт, у яких необхідно виконати моделювання і дослідження конкретної системи. Крім того, посібник може бути корисним фахівцям у галузі комп’ютингу та усім бажаючим оволодіти мистецтвом імітаційного моделювання.
Автори висловлюють подяку усім колегам, співпраця з якими позитивно впливала на написання посібника. Окрему вдясність автори висловлюють шановним рецензентам – д.т.н., проф. Томашевському В.М., д.т.н., проф. Бодянському Є.В., д.т.н., проф. Пасічнику В.В. за цінні поради та зауваження, які сприяли покращенню посібника. Ми будемо вдячні всім, хто знайде за можливе подати свої зауваження та конструктивні відгуки про посібник за адресою sokolowskyy@ukr.net. Вони слугуватимуть добрим підґрунтям нашої подальшої роботи.
З повагою – автори.
