Язык заданий пакета

Язык заданий ППМ является средством общения пользователя (разработчика или исследователя машинной модели М_и процесса функционирования системы 5) с пакетом. Он позволяет описывать последовательность выполнения различных операций, обеспечивающих решение задачи моделирования, или постановку задачи моделирования, по которой эта последовательность строится автоматически. Архитектура ППМ, т. е. предоставляющийся пользователю внешний вид АСМ, определяется тем, какие задачи система может решать и какие возможности дает она пользователю. Язык заданий отражает основные архитектурные решения, принятые разработчиками ППМ, стремившимися повысить уровень квалификации вычислительной системы в определенной прикладной области. Именно через язык заданий пользователь воспринимает и оценивает, какие «вычислительные услуги» предоставляет АСМ и насколько удобно их использование, т. е., другими словами, каков фактический уровень тематической квалификации системы.

Общая структура и стиль языка заданий ППМ в значительной степени зависят от дисциплины работы, принятой в обслуживаемой пакетом предметной области. Можно выделить две основные (в определенном смысле противоположные) дисциплины проведения моделирования:

• — активную дисциплину, предусматривающую при создании конкретных рабочих программ модели М_ы модификацию и настройку имеющихся модулей функционального наполнения, а также разработку новых модулей;
• — пассивную дисциплину, предусматривающую проведение машинных экспериментов с моделью М_и без модификации функционального наполнения ППМ.

Активная дисциплина работы свойственна специалистам, создающим программное обеспечение АСМ, а пассивная дисциплина характерна для деятельности так называемых конечных пользователей, т. е. специалистов, которые не обязательно имеют высокий уровень подготовки в области программирования. Такое выделение двух дисциплин работы достаточно условно и преследует цель подчеркнуть контрастность системных подходов, используемых при автоматизации процесса моделирования.

Так, характерной особенностью языков заданий пакетов, обслуживающих проведение моделирования в режиме активной дисциплины, является их направленность на описание схем программ решения конкретных задач моделирования процессов, причем центральное место в таких языках (их обычно называют языками сборки) занимают не средства описания данных и манипулирования ими, что свойственно универсальным процедурно-ориентированным языкам программирования, а средства:

— конструирования схем программ, в которых указывается по;

рядок выполнения и взаимодействия модулей при моделировании конкретной системы 5;

• — развития или модификации функционального наполнения ППМ;
• — управления процессами генерации и исполнения рабочей программы, реализующей задание пользователя.

Главная цель разработки языка заданий ППМ, обеспечивающего решение задач моделирования в режиме пассивной дисциплины, заключается в том, чтобы «спрятать» от конечного пользователя основную массу алгоритмических подробностей моделирования его конкретной системы 5, или, другими словами, повысить уровень не процедурности языка. Такие языки, называемые языками запросов, ориентированы обычно на формулирование содержательных постановок задач, т. е. запросов, указывающих, «что необходимо получить», без явного задания того, «как это получить». Пользователь тем самым избавляется от необходимости конкретизировать способы и средства решения его задачи моделирования конкретной системы 5, что позволяет понизить порог требований к уровню его программистской подготовки.

Язык заданий ППМ может быть реализован как в форме самостоятельного языка, так и в форме встроенного языка, т. е. расширения существующего языка программирования. Независимо от формы реализации разработчик языка должен стремиться к тому, чтобы лексика, синтаксис и семантика языка заданий были как можно ближе к пользовательскому восприятию решаемых задач моделирования, т. е. чтобы языковые конструкции приближались к концептуальной модели М_г.

Системное наполнение пакета. Системное наполнение ППМ представляет собой совокупность программ, которые обеспечивают выполнение заданий и взаимодействие пользователя с пакетом, адекватное дисциплине работы в данной прикладной деятельности. Можно сказать, что системное наполнение организует использование потенциала знаний, заложенных в функциональном наполнении, в соответствии с возможностями, предусмотренными в языке заданий ППМ. Реализация функций системного наполнения ППМ осуществляется на основе согласованного использования:

• — штатных общецелевых средств системного обеспечения;
• — средств системного наполнения, расширяющих и сопрягающих возможности компонентов штатного обеспечения;
• — специальных средств системного наполнения, выполняющих управляющие, архивные и обрабатывающие процедуры с учетом специфики моделирования процесса функционирования системы 5.

Язык (языки), на котором пишутся программы системного наполнения пакета, называется инструментальным языком ППМ.

Можно выделить такие ставшие уже традиционными составляющие системного наполнения пакета:

— резидентный монитор, осуществляющий интерфейс как между отдельными компонентами системного наполнения, так и между ними и штатным программным обеспечением;

• — транслятор входных заданий, формирующий внутреннее представление заданий и реализуемый обычно в виде макрогенератора или препроцессора;
• — интерпретатор внутреннего представления задания;
• — архив функционального наполнения (подсистема хранения программного материала);
• — банк данных об объекте моделирования и машинном эксперименте;
• — монитор организации процесса машинного моделирования (взаимодействия модулей по данным и управлению);
• — планировщик процесса машинного моделирования, который определяет последовательность выполнения модулей, реализующую задание ППМ;
• — монитор организации интерактивного взаимодействия с пользователем (исследователем системы 5).

Программные средства АСМ. Напомним, что под ППМ, ориентированным на решение задач машинного моделирования систем, понимается комплекс программных средств и документов, предназначенных для реализации функционального завершенного алгоритма моделирования процесса функционирования системы 5 и обеспечивающих автоматизацию управления ведением эксперимента с моделью М_м на ЭВМ [17, 37].

Сущность такого определения состоит в том, что ППМ не является набором готовых программ для проведения машинных экспериментов с моделью Л/_м, а представляет собой набор средств для разработки конкретных, удовлетворяющих требованиям пользователя рабочих программ моделирования, служащих для автоматизации определенных функций при построении модели, машинном эксперименте и обработке результатов моделирования системы 5.

К программным средствам ППМ относится набор программных модулей (тело пакета), из которых в соответствии с требованиями пользователя по заданному алгоритму набирается конкретная рабочая программа моделирования заданного объекта. В состав ППМ также входят управляющая программа, представляющая собой аналог супервизора ЭВМ; средства генерации рабочих программ для конкретного применения при решении задач моделирования систем. Специальная программа (монитор) принимает от пользователя информацию о требуемой модификации программ, формирует из набора стандартных модулей законченные рабочие программы, готовые к реализации машинною эксперимента с моделью М_м. Такой процесс генерации (настройки) ППМ на конкретные условия его использования создает значительную гибкость при решении задач автоматизации моделирования различных объектов. Различают две разновидности генерации рабочих программ моделирования: статическую и динамическую.

При статической генерации из отдельных модулей формируется рабочая программа моделирования, необходимая пользователю при исследовании конкретного объекта. При этом определяются необходимые устройства ввода-вывода информации, описываются на специальном языке генерации необходимые свойства разрабатываемой программы. Созданная таким образом программа моделирования является одновариантной и при необходимости внесения изменений в процессе моделирования системы 5 требуется проведение новой генерации.

При динамической генерации заранее оговариваются все варианты рабочей программы моделирования системы Я, которые могут потребоваться пользователю при машинном эксперименте с моделью Л/_м. При решении конкретной задачи моделирования, т. е. перед каждым новым прогоном программы в ходе машинного эксперимента, вводится специальная параметрическая карта, определяющая требуемый на этом прогоне вариант программы. Монитор пакета собирает необходимые модули и помещает их в оперативную память ЭВМ для решения задачи моделирования. Условия проведения машинного эксперимента при динамической генерации являются более гибкими, но при этом увеличиваются затраты машинных ресурсов на моделирование (увеличивается необходимый объем памяти и время моделирования каждого варианта модели системы 5).

Кроме использования программных модулей, входящих в тело ППМ, пользователь имеет возможность подключать свои собственные программы моделирования в точках пользователя. Имеется также возможность замены имеющихся модулей ППМ на собственные, что еще больше расширяет возможности моделирования различных вариантов систем.

Таким образом, программные средства ППМ объединяют в себе три главных качества: 1) содержат алгоритмические решения по проведению моделирования и обработке результатов моделирования систем, доведенные до законченной машинной реализации;

2) имеют механизм автоматической настройки на параметры конкретных машинных экспериментов, задаваемые пользователем пакета на этапе генерации рабочих программ моделирования; 3) позволяют дополнять генерируемые Г1ПМ рабочие программы моделирования пользовательскими блоками, расширяющими возможности проведения машинных экспериментов с конкретными объектами моделирования из заданного класса.

Кроме программных средств ППМ содержит комплект документов, т. е. ППМ является хорошо документированной системой для разработки рабочих программ. Без наличия этой документации использование ППМ становится неэффективным. В состав комплекта документов ППМ входят проектная документация, являющаяся документацией разработчиков пакета, и пользовательская, необходимая для эксплуатации пакета при решении конкретных задач моделирования.

Существенный момент подготовки к генерации рабочих программ моделирования — обеспечение необходимой технической базы, т. е. выбор необходимой для реализации функциональных возможностей ППМ конфигурации технических средств. Это не только выбор типа ЭВМ и используемой версии операционной системы, но и выбор объема памяти, средств сбора, преобразования и представления информации. В описании каждого пакета указывается минимальная конфигурация технических средств, необходимая для его работы. При этом определяющими параметрами являются объем оперативной памяти ЭВМ, количество накопителей, необходимый набор средств ввода-вывода информации. Минимальная конфигурация технических средств обеспечивает удовлетворительную работу ППМ. Некоторое увеличение оперативной и промежуточной памяти, а также использование дополнительных периферийных средств повышает оперативность и расширяет возможности моделирования. Но при этом увеличиваются затраты на технические средства АСМ.

Структурно АСМ можно разбить на следующие комплексы программ: формирования базы данных об объекте моделирования (БДО); формирования базы данных о машинном эксперименте (БДЭ); моделирования процесса функционирования объекта; расширения возможностей ППМ; организации различных режимов работы ППМ.

Комплекс программ формирования БДО реализует все работы по созданию в АСМ сведений о моделируемом объекте, т. е. системе 5. Причем в БДО эти сведения хранятся в стандартной форме, принятой в АСМ. Информация об объекте может корректироваться по мере получения новых сведений в процессе машинного моделирования. Для формирования БДО требуются следующие программы: ввода данных об объекте (сведения об элементах системы, типовых математических схемах и операторах их сопряжения); корректировки введенной информации; перевода в стандартную форму; диспетчеризации процедур ввода; формирования БДО (расположения информации во внешней памяти).

В результате работы комплекса программ формирования БДЭ в АСМ формируется база данных, т. е. сведения, достаточные для проведения конкретных экспериментов с машинной моделью объекта Л/_м. Информация для проведения машинного эксперимента переписывается из БДО и дополняется в соответствии с планом эксперимента факторами, реакциями, критериями оценки и т. п. Для формирования БДЭ необходимы следующие программы: ввода данных о планируемом эксперименте (сведений о факторах, реакциях, начальных состояниях и т. п.); формирования БДЭ (выделения сведений из БДО, необходимых и достаточных для реализации конкретного машинного эксперимента с моделью Л/*); корректировки введенной информации о машинном эксперименте; расположения информации в архивах во внешней и оперативной памяти ЭВМ.

Комплекс программ моделирования процесса функционирования объекта непосредственно осуществляет решение постановленной задачи моделирования, т. е. реализует план ведения машинных экспериментов, их организацию на ЭВМ и обработку промежуточных данных и результатов эксперимента, взаимодействие с пользователем. Для решения задачи моделирования требуются следующие программы: управления машинным экспериментом, реализации стратегии эксперимента и его диспетчеризация; машинной имитации, включая организацию вычислений и взаимосвязь модулей модели М_и обработки и выдачи результатов моделирования системы S в различных режимах взаимодействия с пользователем.

Комплекс программ расширения возможностей ППМ призван обеспечить пользователя средствами генерации новых программ моделирования при различных перестройках (объекта моделирования, машинного эксперимента, обработки результатов и т. п.), возникающих при решении различных задач моделирования. При этом в качестве базового языка пакета может быть выбран либо алгоритмический язык общего назначения, либо язык имитационного моделирования (SIMSCRIPT, SIMULA, GPSS и т. д.).

Комплекс программ организации различных режимов работы ППМ кроме основной работы по диспетчеризации процесса функционирования ППМ призван организовать его работу в режиме диалога с пользователем как на этапе ввода данных об объекте моделирования и эксперименте, корректировки БДО и БДЭ, так и непосредственно в ходе машинного эксперимента с моделью М_и использования мультимедиа технологий. Необходимо также обеспечить режим коллективного пользования пакетом, что существенно расширяет возможности и эффективность ACM.

Обучение методам программной имитации систем. Специализированные языки и системы моделирования являются одним из базовых средств современной информационной технологии [35]. В последнее время наблюдается широкое развитие данных средств, совершенствование их возможностей и пользовательского интерфейса. Имеются программные пакеты GSPT, Vis sim, SIMEX, GPSS/H, Stella, SimPack, DOBSim, Mosis, QSIM, SIMPLORER, Modsim и десятки других [2,48]. Рализация систем моделирования на персональных компьютерах расширила сферу их использования в качестве простого и эффективного средства поддержки этапа проектирования сложных объектов и систем.

Анализ рынка средств моделирования показывает, что наибольшую популярность получили транзактно-ориентированные языки класса GPSS. Это пакеты GPSSI World, GPSS/H, GPSS/PC, Micro— GRSS. Языки данного класса хорошо согласуются с удобным описанием модели системы в форме Q-схемы (системы массового обслуживания).

Система моделирования GPSS/PC, отличающаяся возможностью установки на персональные компьютеры разного класса, была выбрана в качестве базовой для обучения методам программной имитации сложных систем. Пакет функционирует на персональных компьютерах моделей с i386 и выше, имеет более 70 типов блоков и команд, а также около 50 системных параметров. В процессе прогона имитационной модели обеспечивается возможность постоянного наблюдения в шести интерактивных графических окнах (машинная мультипликация, работа одноканальных и многоканальных устройств, функционирование блоков, отображение таблиц и матриц). Система выдает отчет о результатах моделирования, содержащий широкий спектр параметров блоков, устройств, очередей, таблиц, пользовательских списков.

В процессе лабораторного практикума и курсового проектирования обучающиеся приобретают навыки построения концептуальной модели исследуемой системы и ее формализации, алгоритмизации и машинной реализации модели, интерпретации результатов моделирования.

Широкие возможности GPSS/PC позволили создать на ее базе практикум по курсу «Моделирование систем», состоящий из лабораторного практикума и комплекса, поддерживающего курсовое проектирование [38, 39, 40, 51].

Особенности GPSS. Особенности построения и использования в процессе моделирования GPSS целесообразно рассмотреть на конкретном примере такого пакета, который получил широкое распространение в практике моделирования дискретных систем.

Пример 5.1. Рассмотрим пакет прикладных программ моделирования и исследования на ЭВМ дискретных систем [33, 38, 40]. Этот пакет реализован на базе языка б/'&У. Для ПЭВМ имеется версия языка СРББ/РС. Основное достоинство этого пакета — наличие необходимого набора типовых элементов (устройств, накопителей, переключателей и т. п.), соответствующих компонентам реальных систем (например, формализуемых в виде Q-cxeм), и программная реализация алгоритмов их функционирования, позволяющая строить сложные модели, сохраняя привычную для исследователя или разработчика систем 5 запись.

В пакете для представления моделируемой системы 5 в виде машинной модели Л/_м используется язык блок-диаграмм. Блок-диаграммой в пакете 6Р55 называется графическое представление операций, происходящих в моделируемой системе 5. В этом случае блок-диаграмма описывает взаимодействия, происходящие внутри моделируемой системы 5 в процессе ее функционирования.

Рис. 5.5. Схема процесса создания машинной модели с использованием языка СРББ

Для пакета СРББ были введены некоторые условности и общие представления о моделируемых системах.

Введение

таких обобщений позволило создать язык блок-диаграмм, в котором блоки соответствуют некоторым действиям, встречающимся в системах исследуемого класса. Вводимый набор блоков для блок-диаграмм однозначно определяет наборы операторов языка, осуществляющих описание структуры моделируемой системы 5, и логических правил, определяющих ее функционирование.

В блок-диаграммах (7/^>55 блоки представляют собой выполняемые над динамическими объектами операции, а стрелки между блоками отражают маршруты передвижения данных объектов по системе. Альтернативные ситуации отражаются более чем одной стрелкой, выходящей из блока.

Таким образом, процесс создания модели М_м на языке блок-диаграмм (//*55 сводится к декомпозиции исходной системы 5 до уровня элементарных операций, используемых в пакете (ЗДДО, формированию фиксированной схемы, отражающей последовательность элементарных операций, выполняемых над динамическими объектами, и определению набора логико-вероятностных правил продвижения потоков объектов по имеющейся схеме.

Построение блок-диаграмм бРбб предполагает знакомство программиста с набором операторов пакета СРББ. Набор операторов языка однозначно соответствует набору блоков для описания блок-диаграмм, поэтому построение блок-диаграммы не является самоцелью, а лишь промежуточным этапом при построении имитационной модели исследуемой системы 5¹ с использованием операторов пакета СРББ. При этом процесс создания машинной модели М_и можно изобразить в виде схемы, показанной на рис. 5.5.

Условные обозначения, используемые на блок-диаграммах СРББ, представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2.

Продолжение табл. 5.2.

Продолжение табл. 5.2.

Особенности использования ППМ GPSS для моделирования систем, формализуемых в виде Q-схем, рассмотрены в гл. 8, там же приводятся примеры программ, генерированных пакетом GPSS.

Создание ППМ является крупным достижением в автоматизации моделирования больших систем. Однако любой ППМ, созданный на базе ЯИМ, характеризуется некоторой узостью представлений, диктуемой особенностями языка, что является одним из слабых мест традиционных способов имитационного моделирования. В настоящее время проводится много работ по созданию систем моделирования для целых классов объектов, в основу которых положены идеи типизации способов описания структуры и динамики моделируемой системы S. Например, широко распространенной типовой математической схемой, используемой при моделировании организационно-производственных и информационно-вычислительных процессов, является Q-схема. Для создания машинных программ моделирования таких процессов могут быть привлечены такие ЯИМ, как GPSS, SIM SCRIPT и т. д. Тем не менее существуют (и продолжают разрабатываться) ППМ, в основу которых положены алгоритмические языки общего назначения, позволяющие детально и адекватно описать специфику процесса функционирования определенного класса систем и создать более эффективные программы моделирования, причем такие ППМ, ориентированные на определенный класс объектов, способные успешно конкурировать с известными ЯИМ при решении задач моделирования конкретного класса систем.

Примеры дискретных, непрерывных и комбинированных ЯИМ приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3.

Продолжение табл.5.3

Наиболее эффективно использование ППМ при исследовании и разработке систем на основе метода машинного моделирования при реализации диалоговых процедур и концепции базы данных моделирования.