Язык имитационного моделирования

Язык имитационного моделирования

Многие сложные системы, в том числе системы связи и управления, могут быть отнесены к классу систем динамических. Изменения, в которых происходят в дискретные моменты времени. Эти изменения считаются мгновенными и называются событиями. При такой идеализации и соответствующем выборе единицы измерения времени изменения в системе, происходящие между событиями, обычно не принимаются во внимание.

Имитационное моделирование (ИМ) — это метод исследования, который основан на том, что анализируемая динамическая система заменяется имитатором и с ним производятся эксперименты для получения об изучаемой системе. Роль имитатора зачастую выполняет программа ЭВМ.

Сущность имитационного моделирования состоит в том, что функционирование реальной системы отображается в формализованном виде с помощью алгоритмического описания (программы для ЭВМ) и экспериментирование производится не с исследуемой системой, а с ее моделью.

Языки имитационного моделирования должны позволять описывать статическую и динамическую структуру модели (возможные формы существования системыклассы объектов, свойства объектов, связи объектов между собой и со средой, формирование системного времени и управляющую программу).

Для имитационного моделирования используются как универсальные, так и специальные языки. Универсальные языки дают большие возможности программисту в смысле гибкости разработки, отладки и использования модели. Однако это требует больших усилий, затрачиваемых на программирование. В этом случае усложняется порядок выполнения операций, отсчет системного времени и контроль.

Специализированный язык отличается от языка универсального своими специфическими свойствами.

К этим свойствам или требованиям можно отнести:

способность генерировать случайные числа;

возможность генерировать случайные величины и процессы;

возможность «продвигать» время либо на одну единицу t, либо до следующего события;

способность накапливать выходные данные;

способность проводить статистический анализ накапливаемых данных;

способность распределять выходные данные по заранее заданным форматам; имитационный моделирование дискретный алгоритм способность выполнять идентификацию конкретных событий.

Некоторые из языков имитационного моделирования являются и описательными языками. Они близки к естественному языку, поэтому имитационные модели, написанные на таком языке, легче воспринимаются руководителями и специалистами, не имеющими непосредственного отношения к программированию.

Специальные языки цифрового имитационного моделирования делятся на две группы, соответствующие двум видам имитации: дискретных и непрерывных процессов.

Для моделирования непрерывных процессов используются языки:

Динамо — для аппроксимации непрерывных процессов используют дифференциальные уравнения первого порядка;

CSMP, Midas и др. которые помимо блочного построения, применяемого в языке Динамо, еще обладают мощью и удобством алгебраической и логической алгоритмизацией.

Языки для моделирования дискретных процессов можно разбить на четыре категории:

языки, ориентированные на действия (CSL, Farsim IV и др.);

языки, ориентированные на события (Simscript, Simcom и др.);

языки, ориентированные на процессы (Simula, SOL);

языки, ориентированные на потоки сообщений (GPSS, BOSS).

В первой группе действия представлены в модельном времени как мгновенные. В этих языках нет регламентации действиям. Вместо этого исполнительные программы просматривают набор всех условий, от которых зависит появление какого-либо события. И только тогда, когда выполняются все контролируемые условия, происходит изменение состояния и сдвиг времени в этой части программы.

Некоторые задачи удобнее программировать на языке, ориентированном на события. При этом событие регламентировано. Регламентация обеспечивает наступление события именно в тот момент времени, когда динамическое состояние показывает, что сложились условия для его появления.

Языки, ориентированные на процессы, объединяют достоинства первых двух языков, т. е. краткость языков, ориентированных на действия и эффективность языков, ориентированных на события. Написанная на этом языке программа работает как несколько независимых программ: одна посредством просмотра действий, другая посредством регламентирования событий.

Язык GPSS обычно выделяют в отдельную группу. Язык GPSS представляет собой интерпретирующую языковую систему, которую применяют для описания пространственного движения объектов. Большое значение при реализации модели на ЭВМ имеет вопрос правильного выбора языка программирования.

Язык программирования должен отражать внутреннюю структуру понятий при описании широкого круга понятий. Высокий уровень языка моделирования значительно упрощает программирование моделей. Основными моментами при выборе ЯМ является:

• — проблемная ориентация;
• — возможности сбора, обработки, вывода результатов;
• — быстродействие;
• — простота отладки;
• — доступность восприятия.

Этими свойствами обладают процедурные языки высокого уровня. Для моделирования могут быть использованы языки Имитационного моделирования (ЯИМ) и общего назначения (ЯОМ).

Более удобными являются ЯИМ. Они обеспечивают:

ѕ удобство программирования модели системы;

ѕ проблемная ориентация.

Недостатки ЯИМ:

ѕ неэффективность рабочих программ;

ѕ сложность отладки;

ѕ недостаток документации.

Основные функции языка программирования:

ѕ управление процессами (согласование системного и машинного времени);

ѕ управление ресурсами (выбор и распределение ограниченных средств описываемой системы).

Как специализированные языки, ЯИМ обладают некоторыми программными свойствами и понятиями, которые не встречаются в ЯОН. К ним относятся:

Совмещение. Параллельно протекающие в реальных системах S процессы представляются с помощью последовательно работающей ЭВМ. ЯИМ позволяют обойти эту трудность путём введения понятий системного времени.

Размер. ЯИМ используют динамическое распределение памяти, компоненты модели системы М появляются в ОЗУ и исчезают в зависимости от текущего состояния. Эффективность моделирования достигается так же использованием блочных конструкций: блоков, под блоками и т. д.

Изменения. ЯИМ предусматривают обработку списков, отражающих изменения состояний процесса функционирования моделируемой системы на системном уровне.

Взаимосвязь. Для отражения большого количества между компонентами модели в статике и динамике ЯИМ включаем системно организованные логические возможности и реализации теории множеств.

Стохастичность. ЯИМ используют специальные программные генерации последовательностей случайных чисел, программы преобразования в соответствующие законы распределения.

Значительное сокращение времени создания моделей достигается при использовании специальных программных пакетов. Они содержат наборы стандартных модулей, назначением которых является моделирование ситуаций, возникающих в реальных системах. Эти пакеты обычно предметно-ориентированы, поэтому их освоение реальная задача для исследователей систем, имеющих даже небольшой опыт программирования.

Наиболее известными языками моделирования являются SIMULA, SIMSCRIPT, GPSS, SOL, CSL.

Язык DYNAMO используется для решения разностных уравнений.

Представление системы S в виде типовой схемы, в которой участвуют как дискретные, так и непрерывные величины, называются комбинированными. Предполагается, что в системе могут наступать события двух видов:

• 1) события, от состояния Zi;
• 2) события, зависящие от времени t. При использовании языка GAPS на пользователя возлагается работа по составлению на язык FORTRAN подпрограмм, в которых описываются условия наступления событий, законы изменения непрерывной величины, правил перехода из одного состояния в другое. SIMSCRIPT — язык событий, созданный на базе языка FORNRAN. Каждая модель Mj состоит из элементов, с которыми происходят события, представляющие собой последовательность формул, изменяющих состояние моделируемой системы с течением времени. Работа со списками, которые определяются пользователем, последовательность событий в системном времени, работа с множествами. FORSIT — пакет ПП на языке FORNRAN позволяет оперировать только фиксированными массивами данных, описывающих объекты моделируемой системы. Удобно для описания систем с большим числом разнообразных ресурсов. Полное описание динамики модели можно получить с помощью ПП.

SIMULA — расширение языка ALGOL. Блочное представление моделируемой системы. Функционирование процесса разбивается на этапы, происходящие в системном времени. Главная роль в языке SIMULA отводится понятию параллельного оперирования с процессами в системном времени, универсальной обработки списков с процессами в роли компонент.

GPSSинтегрирующая языковая система, применяющаяся для описания пространственного движения объектов. Такие динамические объекты в языке GPSS называются транзактами и представляют собой элементы потока. Транзакты «создаются» и «уничтожаются». Функцию каждого из них можно представить как движение через модель М с поочерёдным воздействием на её блоки. Функциональный аппарат языка образуют блоки, описывающие логику модели, сообщая транзактами, куда двигаться и что делать дальше. Данные для ЭВМ подготавливаются в виде пакета управляющих и определяющих карт, которым составляется по схеме модели, набранной из стандартных символов. Созданная программа GPSS, работая в режиме интерпретации, генерирует и передаёт Транзакты из блока в блок. Каждый переход Транзакты приписывается к определенному моменту системного времени.

При моделировании предпочтение отдают языку, который более знаком, универсален. Вместе с увеличением числа команд возрастают трудности использования ЯИМ. Получены экспертные оценки ЯИМ по степени их эффективности.

Суммарный бал:

SIMULA -11.

SIMSCRIPT -13.

GPSS -12.