Разработка программно-методических средств для организации и проведения цикла лабораторных работ по теме: "Создание имитационных моделей и изучение их свой

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУВПО Рязанский государственный радиотехнический университет Факультет вычислительной техники

230 100 «Информатика и вычислительная техника»

К ЗАЩИТЕ

Заведующий кафедрой ЭВМ

д.т.н., профессор ________________В.К. Злобин

«____"______________________2010 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к квалификационной работе на степень бакалавра

на тему

Разработка программно-методических средств для организации и проведения цикла лабораторных работ по теме: «Создание имитационных моделей и изучение их свойств и характеристик»

Студент

Устинов А.М.

Руководитель работы

Оборина Т.А.

2011 г.

Реферат

Данная выпускная квалификационная работа посвящена разработке программно-методических средств для организации и проведения цикла лабораторных работ по теме: «Создание имитационных моделей и изучение их свойств и характеристик».

Средства разработки — среда программирования GPSS World Student Version 5.2.2, язык программирования — GPSS World.

Назначение разработанных методических средств — изучение языков моделирования на примере языка GPSS World, отработка и закрепление практических навыков использования специальных приемов создания имитационных моделей, а так же изучение их свойств и характеристик при проведении лабораторных работ.

Пояснительная записка состоит из 127 страниц. В ней имеется 47 рисунков и 5 источников. Данная пояснительная записка содержит материалы разработки ПО методических средств для организации и проведения лабораторных работ. Все подготовленные задания решены, составлены программы и алгоритмы, приведено их тестирование, разработана программная документация в соответствии с ТЗ. В приложении приведены тексты методических указаний к лабораторным работам, а так же листинги всех решенных заданий для каждого варианта.

Abstract

This Final qualifying is devoted to the development of software and methodological tools for organizing and conducting the cycle of laboratory work on the topic: «Creating a simulation model and study their properties and characteristics.»

Development tools — programming environment GPSS World Student Version 5.2.2, a programming language — GPSS World.

Purpose designed tools — the study of modeling languages for example the language GPSS World, working out and strengthening of practical skills to use special techniques for simulation models, as well as the study of their properties and characteristics for laboratory work.

Explanatory memorandum consists of 127 pages. There are 47 figures and 5 sources. This explanatory note contains materials of software development methodological tools for organizing and conducting laboratory work. All prepared tasks are solved, made up of programs and algorithms, given their testing, developed the program documentation in accordance with the TOR. The Appendix contains the texts of guidelines for laboratory work, as well as listings of all outstanding tasks for each case.

Реферат

Abstract

1. Постановка задачи и технико-экономическое обоснование темы

2. Теоретическая часть

2.1 Общая характеристика учебной дисциплины «Компьютерное моделирование»

2.2 Язык моделирования GPSS World, его особенности и версии

2.3 Разработка заданий для обучения основным и специальным приемам создания имитационных моделей на языке GPSS World

2.4 Разработка и написание методических указаний, контрольных вопросов

3. Алгоритмическая и программная части

3.1 Разработка алгоритмов

3.2 Разработка программ

4. Разработка программной документации

4.1 Руководство программиста

4.2 Руководство оператора

5. Экспериментальная часть

5.1 Программа и методика испытаний

5.2 Испытания программы

5.3 Выводы по результатам испытаний Заключение Список использованных источников ПРИЛОЖЕНИЕ, А Лабораторные работа № 1,2

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Решение всех заданий лабораторных работ

Введение

Пакет моделирования дискретных систем GPSS World предназначен для имитационного моделирования сложных производственных, вычислительных и информационных систем. Имитационное моделирование обеспечивает возможность испытания, оценки и проведения экспериментов с проектируемой системой без каких-либо воздействий на нее. Эксперимент при имитационном моделировании проводится с программой, которая является моделью системы. Длительные периоды функционирования (дни, часы) исследуемой системы могут быть промоделированы на ЭВМ за несколько минут.

Имитационное моделирование представляет собой один из видов анализа сложных технических систем. Первым шагом при анализе любой конкретной системы являются выделение элементов системы и формулирование логических правил, определяющих порядок взаимодействия этих элементов. Для GPSS World исходным является формальное описание объекта проектирования в виде системы массового обслуживания (СМО). Входным языком является язык GPSS. Необходимо отметить, что средства системы GPSS World ориентированы на построение моделей вычислительных систем и проведение машинного эксперимента с целью их анализа только на самом верхнем (системном) этапе проектирования. Транслятор языка GPSS является транслятором интерпретирующего типа.

Язык GPSS (General Purpose Simulating System — общецелевая система моделирования) относится к классу языков моделирования с транзактами, т. е. ориентирован на описание процессов прохождения заявок, моделируемых транзактами, через элементы вычислительной системы, представленной в виде системы массового обслуживания.

Моделирующая система GPSS (интерпретатор) автоматически выполняет планирование событий, перевод таймера модельного времени, разрешение конфликтов между заявками на приоритетной основе, сбор статистической информации, т. е. логика моделирования в основном встроена в интерпретатор. Модель дискретной системы в интерпретаторе представлена совокупностью абстрактных объектов (элементов) следующих категорий.

1. Динамические объекты — транзакты (сообщения) моделируют заявки. Транзакты могут создаваться, перемещаться по объектам, представляющим в модели оборудование, расщепляться, ликвидироваться. Каждый транзакт может иметь атрибуты — параметры, доступные программисту.

2. Аппаратно-ориентированные объекты представляют в модели ресурсы вычислительной системы. Это устройства, память (многоканальные устройства) и логические переключатели. Устройство может быть свободно или занято определенным транзактом. Состояние памяти характеризуется только количеством свободных и занятых ячеек (их конкретные адреса не фиксируются). Логический переключатель может быть во включенном (S) и выключенном ® состояниях.

3. Вычислительные объекты: арифметические переменные с фиксированной или плавающей точкой, булевские переменные, случайные функции.

4. Запоминающие объекты: ячейки.

5. Статистические объекты: очереди и таблицы для сбора статистических данных.

6. Группирующие объекты: группы и списки.

Программа моделирования, разрабатываемая пользователем, состоит из операционных объектов (блоков, операторов) и управляющих операторов (карт).

Операторы служат для объявления переменных, функций, памяти, действий над транзактами (создание и ликвидация, задержка, изменение маршрута и параметров), действий над устройствами, памятью, переключателями.

Управляющие карты управляют работой интерпретатора (пуск, останов, очистка и т. д.).

Интерпретатор автоматически фиксирует для каждого объекта стандартные числовые атрибуты (СЧА). СЧА могут использоваться в качестве операндов, аргументов функций, таблиц, элементов переменных. Некоторые СЧА (параметры транзактов, значения сохраняемых ячеек памяти) можно изменять программно, основная часть СЧА доступна только для чтения, но не для записи.

Тема данной выпускной квалификационной работы является актуальной, поскольку аналогичных методических указаний для проведения лабораторных работ на языке GPSS World не существует, или они являются устаревшими так как написаны для более ранних версий языка GPSS.

Для достижения поставленных разработка программно-методических средств был выбран язык программирования — GPSS World из-за его широких возможностей имитационного моделирования сложных производственных, вычислительных и информационных систем Краткое содержание разделов пояснительной записки.

1) Постановка задачи и технико-экономическое обоснование темы. Данный раздел содержит необходимы правила которые надо соблюдать при написании того или иного учебно-информационного средства. Осуществляется постановка задачи квалификационной работы.

2) Теоретическая часть. Данный раздел содержит общую характеристику учебной дисциплины, особенности и версии языка, задания для лабораторных работ, методические указания и контрольные вопросы для лабораторных работ.

3) Алгоритмическая и программная части. В данном разделе представлен процесс разработки алгоритмов программ, а так же разработки их программной реализации.

4) Разработка программной документации. Раздел содержит описание руководства пользователя и руководства оператора по использованию разработанных программно-методических средств.

5) Экспериментальная часть. В данном разделе приведены результаты тестирования программной реализации некоторых из решенных заданий. Также приводится анализ характеристик, полученных при помощи разработанных в рамках квалификационной работы программных средств.

1. Постановка задачи и технико-экономическое обоснование темы Задачей данной квалификационной работы является разработка программно-методических средств для организации и проведения цикла лабораторных работ по теме: «Создание имитационных моделей и изучение их свойств и характеристик». Для создания имитационных моделей применяют специальные языки программирования, самым распространенным из них является язык GPSS World. Для разработка лабораторных работ мы будем применять последнюю версию этого языка являющейся бесплатной и свободно распространяемой GPSS World Student Version 5.2.2. Разрабатываемые лабораторные работы построим с построим с учетом особенностей данной версии продукта и его возможностями.

Развивающаяся в настоящее время технология компьютерного обучения должна соподчиняться общим закономерностям процесса обучения-познания. Компьютер требует формализации процессов в виде их моделей.

Обучение есть информационный процесс формирования знаний у субъекта обучения под управлением учителя. Субъект обучения — индивидуум, группа индивидуумов. Знание есть информация, способная генерировать новую информацию.

Ниже приводится декомпозиция процесса обучения на этапы. Это структура процесса обучения с точки зрения учителя. Со стороны обучаемого это структура процесса познания, то есть схема превращения обучения в самообучение, обучаемого — в учителя, движение от знания к новому знанию.

Структура процесса обучения изображена на рис 1. Этап обучения (операция) обозначается прямоугольником, а информация — скруглённым прямоугольником.

Овладение информацией есть уровень знания, заключающийся в способности определить назначение, место информации в содержании предмета и найти нужную информацию, отвечая на вопросы о чём, с чем связано, где найти и т. п.

Понимание есть уровень знания, заключающийся в способности объяснить взаимосвязи между понятиями предметной области, их свойства, отвечая на вопросы почему, откуда следует и т. п.

Умение решать типовые задачи есть уровень знания, заключающийся в способности построить вычислительную схему решения типовой задачи, отвечая на вопрос как решать.

Рисунок 1. Структура процесса обучения Умение решать прикладные задачи предмета есть уровень знания, заключающийся в способности декомпозировать прикладную задачу на типовые, сформировав их математические постановки, и интерпретировать результаты их решения, исходя из целей исходной задачи.

Умение синтезировать междисциплинарные связи есть уровень знания, заключающийся в способности использовать для решения прикладных задач предметной области знания (владение информацией, понимание, умения) различных предметов.

Достижение перечисленных уровней знания связано с привлечением тех или иных технологий обучения и выражается в формировании в сознании обучаемого упомянутых выше смысловых моделей и закреплении механизмов их формирования.

Применительно к разрабатываемым электронным средствам необходимо обратить внимание на развитие таких уровней знания, как:

· владение информацией (содержанием предмета);

· понимание;

· умение решать типовые задачи предмета;

· умение решать прикладные задачи предмета;

· умение синтезировать междисциплинарные связи.

Формы организации учебного процесса.

Рассмотрим возможные способы применения средств информационных и коммуникационных технологий при различных формах организации учебного процесса.

В высшей школе известны следующие формы организации учебного процесса: лекции, семинары (практические занятия), лабораторные работы, самостоятельная работа студентов, курсовое проектирование, дипломное проектирование, практическая и научно-исследовательская работа, экзамены, зачёты и др. В данной квалификационной работе мы разрабатываем такую форму организации учебного процесса как лабораторные работы. Рассмотрим их подробнее.

Лекции

В настоящее время, несмотря на существование значительного арсенала современных технических средств, предназначенных для различных демонстраций, их использование в лекционной работе весьма эпизодично. Существует ряд причин, связанных с особенностями лекционной работы и характеристиками традиционной лекционной аппаратуры, объясняющих такое положение дел. Прежде всего, это большое разнообразие и несовместимость демонстрационной техники. Попытки лектора использовать дополнительные технические средства (кинопроекционные установки, видеомагнитофоны) не всегда эффективны. В данном случае материал получается не очень высокого качества, отсутствуют банки стандартных демонстрационных материалов, что связано с большим разнообразием аппаратуры и ненадежностью носителей информации, а также с трудоёмкостью изготовления новых демонстрационных материалов в условиях учебного заведения.

В то же время современная компьютерная техника обеспечивает возможности для предоставления широкого набора различных демонстраций. В ходе чтения лекций преподаватели вузов все шире используют лекционные мультимедиа-системы, которые позволяют:

· проиллюстрировать излагаемый материал видеоизображением, анимационными роликами, аудио-сопровождением;

· использовать фрагменты лекций или полностью лекции известных педагогов;

· с помощью «электронной доски» или нескольких цветных телевизоров облегчить процесс восприятия информации благодаря использованию интересных, красочных, запоминающихся образов;

· хранить, систематизировать, готовить новые демонстрационные материалы.

Лабораторные занятия

Основными задачами лабораторного занятия являются задачи экспериментального раскрытия теоретических положений изучаемого предмета, задачи ознакомления обучаемых с основными методами проведения научного эксперимента, задачи анализа данных, полученных при обработке результатов лабораторной работы. В начале занятия обычно проводится допуск обучаемых к выполнению лабораторной работы, а в конце занятия проводится контрольный опрос и защита лабораторной работы. На занятии обучаемый знакомится с приборами, образцами современной техники, измерительной аппаратурой, изучает принцип их действия, получает сведения об областях их применения, наблюдает различные физические явления и процессы, осознает их практическую значимость в будущей профессиональной деятельности.

Следует отметить, что в образовательной деятельности часто приходится пользоваться лабораторными установками, стендами и комплексами для того, чтобы повысить наглядность разного рода явлений и процессов. Если компьютер используется как часть такого комплекса, то очевидно, что он должен обеспечить выполнение подобной же функции.

В соответствии с задачами лабораторного занятия при его проведении возможно использование контролирующих, обучающих и моделирующих программ. Наиболее широкое распространение в преподавании различных предметов в школах и вузах получили обучающие и контролирующие программы.

В настоящее время существуют три основных подхода к использованию возможностей средств ИКТ на лабораторных занятиях в технических вузах.

Первый подход основан на использовании программных продуктов, позволяющих осуществить компьютерное моделирование различных явлений и процессов.

Второй подход основан на использовании систем управления реальными агрегатами и лабораторными стендами с помощью ПЭВМ, снабжённых устройствами стыковки и датчиками.

Третий подход основан на использовании и исследовании реальных и виртуальных объектов технологии «виртуальная реальность».

При комплексном применении в учебном процессе средств ИКТ решаются следующие задачи:

· повышается научность, доказательность экспериментов и исследований;

· обучаемые активно участвуют в учебном процессе, что способствует усилению мотивации обучения;

· создаются условия для индивидуального и дифференцированного обучения;

· усиливается информативная емкость и наглядность изучаемого материала;

· развиваются творческие способности, исследовательские навыки, инженерное мышление;

· формируется умение моделировать, проектировать, конструировать;

· создаются условия для индивидуального выбора педагогом наиболее приемлемой для него методики преподавания;

· повышается объективность контроля знаний.

Практические занятия

Целью практического занятия является повторение и закрепление учебного материала, контроль уровня знаний обучаемых по конкретной теме, выработка практических навыков решения задач по данной теме.

К настоящему времени в вузах разработаны экспертные системы, обучающие, контролирующие, моделирующие и другие программные продукты учебного назначения, которые применяются при проведении практических занятий. Компьютеры на практических, групповых и семинарских занятиях могут использоваться как средство для поиска и изучения необходимой информации, для отработки навыков и умений самостоятельно решать разного рода задачи по изучаемому предмету, для проверки знаний и умения решать задачи.

Использование возможностей средств ИКТ при проведении практических занятий в технических вузах способствует:

· лучшему усвоению знаний, умений, навыков;

· повышению информативной емкости изучаемого материала;

· индивидуализации и дифференциации обучения при выборе обучаемым темпа и траектории изучения материала, разделении заданий по уровням сложности;

· повышению объективности контроля знаний;

· формированию таких личностных качеств обучаемых, как творческая активность, самостоятельность, ответственность.

Тестирование

С помощью специальных контролирующих или тестирующих программ можно осуществлять итоговый или рубежный контроль знаний обучаемых. Контролирующие программы могут разрабатываться отдельно либо являться составной частью электронных книг, учебных средств и т. п.

К настоящему времени практически в каждом учебном заведении разработаны и используются для автоматизации контроля знаний самые разнообразные контролирующие программы, экспертные системы и инструментальные программные средства для разработки тестирующих программ.

Тестовые задания могут быть следующих основных видов:

1) закрытый тест, когда используются только предопределенные ответы, в свою очередь делится на следующие подвиды:

· задание-выбор, когда выбирается правильный ответ или несколько правильных ответов из списка имеющихся;

· задание-сопоставление, когда необходимо установить связи или соответствия между двумя списками (например: определить соответствия между списком формул, описывающих закономерности протекания определенных явлений или процессов, и картинками, где изображено протекание этих явлений или процессов);

· задание-ранжирование, когда необходимо установить правильную последовательность действий, например последовательность проведения лабораторного эксперимента;

2) открытый тест, когда обучаемый сам вписывает нужный ответ.

Автоматизация контроля знаний и умений обучаемых во время коллоквиумов, зачетов, экзаменов, защиты курсовых и дипломных работ позволяет повысить объективность контроля, проверить соответствие знаний обучаемых соответствующим государственным и региональным стандартам.

Конференции, семинары, круглые столы

Современные средства коммуникационных технологий позволяют организовать в сети Internet проведение разного рода конференций, семинаров, круглых столов с участием преподавателей, обучаемых и других заинтересованных лиц. В ходе работы в сети происходит обмен самой разнообразной информацией по интересующим вопросам, темам, анализ и изучение зарубежного опыта. Расширяется использование глобальных сетей для осуществления разнообразных совместных проектов. Обучаемые могут получить консультацию у опытных педагогов или специалистов в той или иной предметной области, получить квалифицированную оценку своих достижений в той или иной области и использовать эту информацию в учебных и научных целях.

Все более широкое распространение получают совместные исследовательские работы обучаемых из различных учебных заведений, а также нескольких регионов и стран. Участие обучаемых в конференциях, семинарах, круглых столах, проводимых в сети Internet, способствует формированию таких личностных качеств, как культура общения, коммуникабельность, умение ориентироваться в информации и работать с ней, развивает мышление и интеллект, готовит молодого человека к жизни в информационном обществе.

Самостоятельная работа

Сущность самостоятельной работы обучаемых состоит в самостоятельной учебной деятельности. Ее дидактическая цель заключается в подготовке обучаемых к непрерывному самообразованию на протяжении всей своей профессиональной деятельности.

В настоящее время существует несколько различных подходов к применению современных технологий в самостоятельной работе обучаемых.

Первый подход предполагает использование в самостоятельной деятельности в основном компьютеров и средств информационных технологий. Обучаемые разрабатывают различные программы или используют уже готовые программные продукты и пакеты программ в целях самообучения, самообразования, самовоспитания.

Второй подход основан на использовании в самостоятельной учебной деятельности возможностей средств коммуникационных технологий. Такой подход реализуется там, где есть возможность использования локальных и глобальных сетей.

Основной задачей данной квалификационной работы является разработка лабораторных работ по дисциплине «Компьютерное моделирование».

Таким образом, данные лабораторные работы должны включать в себя методические указания, пример решения задачи подобной тем что представлены в задании, задания (общие для всех или индивидуальные по вариантам), порядок выполнения работы, содержание отчета и контрольные вопросы. В результате ознакомления с этими лабораторными работами и выполнения заданий представленных в них студенты должны закрепить материал полученный ими лекциях и практических занятиях.

Необходимость рассмотрения поставленной задачи обусловлена тем, что в связи с недавним появлением дисциплины «Компьютерное моделирование», для нее не существует достаточно материала для проведения лабораторных работ.

Создаваемые лабораторные работы должны облегчить студентам понимание пройденного теоретического материала, так как при выполнении заданий они смогут проверить их на практике.

2. Теоретическая часть

2.1 Общая характеристика учебной дисциплины «Компьютерное моделирование»

Данная квалификационная работа посвящена разработке лабораторных работ по дисциплине «Компьютерное моделирование». Эти лабораторные работы разрабатываются в соответствии со стандартом ОПД.Ф.06, который представлен ниже.

Понятие модели; классификация моделей, концептуальное моделирование. Математические предпосылки создания имитационной модели. Границы возможностей классических математических методов в системотехнике и экономике. Метод Монте-Карло. Программные средства имитационного моделирования: модели дискретных систем, модели непрерывных процессов, комплексные (дискретно-непрерывные) модели. Планирование компьютерного эксперимента; масштаб времени; датчики случайных величин; потоки, задержки, обслуживание; проверки гипотез о категориях типа событие — явление — поведение; риски и прогнозы. Объекты имитационных моделей: «процесс», «транзакт», «событие», «ресурс» и др. Различные подходы к созданию моделей: транзактно-ориентированный, объектно-ориентированный, событийный. Структурный анализ процессов при использовании объектно-ориентированного подхода. Функциональная модель и ее диаграммы. Уровни детализации функциональной модели системы. Процесс создания двух взаимосвязанных моделей: функциональной структурной и динамической имитационной. Автоматизированное конструирование моделей. Имитация работы объекта экономики в разных измерениях: материальные, информационные, «денежные» потоки. Имитация основных типов процессов: генераторы, очереди, узлы обслуживания, терминаторы и др. Разомкнутые и замкнутые схемы моделей. Работа с объектами типа ресурс. Стратегии управления ресурсами. Практикумы: модели информационных систем, вычислительных сетей и вычислительных процессов; модели бизнес-процессов и анализ рисков; решение оптимизационных задач.

В соответствии с темой данной квалификационной работы и этим стандартом будем разрабатывать будем разрабатывать лабораторные работы для изучения имитационного моделирования. Основываясь на том, что практически любую из моделей изложенных в практической части стандарта можно свести к имитационной модели будем разрабатывать задания для лабораторных работ ориентированные на язык имитационного моделирования GPSS World.

2.2 Язык моделирования GPSS World, его особенности и версии Система GPSS World — мощная универсальная среда моделирования как дискретных, так и непрерывных процессов, предназначенная для профессионального моделирования самых разнообразных процессов и систем. Эта система явилась следующим шагом развития системы GPSS/PC (1984 год), ориентированной на DOS. Обе системы разработаны специалистами фирмы Minuteman Software (основана в 1982 году) под руководством Спрингера Кокса. Сначала система GPSS World появилась в 1994 году с ориентацией на OS/2 фирмы IBM, и только в 2000 году она была реализована под ОС Windows фирмы Microsoft.

В GPSS World появились дополнительные возможности, вот основные из них:

* по всем классам объектов и переменных реализованы динамические графические окна, в которых представляется в реальном времени промежуточная и выходная статистика;

* гибкий процедурный язык PLUS может быть использован для построения моделей и в процедурах проведения эксперимента;

* введены средства поддержки факторного анализа, традиционного дисперсионного (ANOVA) и регрессионного анализа, оптимизация на основе методологии оптимального планирования эксперимента;

* стали доступны элементы непрерывного моделирования;

* решены проблемы с целочисленным модельным временем.

С помощью этой системы, например, можно эффективно моделировать как производственные, так и непроизводственные процессы: функционирование торговых и увеселительных заведений, портов, уличное движение, проведение военных действий, работу редакций, учреждений и сети Internet, различных систем массового обслуживания и т. д. Система имеет большой набор команд для управления процессом моделирования, которые можно как использовать в интерактивном режиме, так и включать в модель. Обеспечена возможность проведения экспериментов, сгенерированных системой, пользовательских и оптимизационных. В системе GPSSW реализована процедура визуализации процесса функционирования модели с использованием методов мультипликации.

Система GPSSW имеет новый высокоскоростной транслятор, работающий в сотни раз быстрее его предшественников. Для быстрого исправления ошибок используется полноэкранный текстовый редактор.

Системы GPSSW и GPSS/PC совместимы и обычно выдают результаты, которые являются статистически неразличимыми. Подобный уровень совместимости доступен простым устранением нескольких различий. Однако с точки зрения функционирования система GPSSW имеет существенное отличие от GPSS/PC. Если система GPSS/PC работает в режиме интерпретаторапострочного выполнения программы, — то GPSSW функционирует в режиме транслятора. Любые ошибки, обнаруженные в течение трансляции, сохраняются в очереди сообщений об ошибках, так что их легко найти и исправить. Курсор автоматически перемещается в местоположение очередной ошибки, и сообщение об ошибке появляется в строке состояния в нижней части главного окна системы.

Другое существенное отличие GPSSW от GPSS/PC заключается в том, что в новой системе нет необходимости нумеровать строки программы. Если же в модели есть нумерация, то система GPSSW ее просто игнорирует. Система включает большое число различных типов окон, упрощающих просмотр и анализ объектов модели. Дружественный интерфейс облегчает работу с системой. В ней имеется библиотека распределений вероятностей, которые можно широко использовать в процессе моделирования. Кроме того, есть библиотека процедур, обеспечивающая манипуляции со строковыми данными и позволяющая выполнять расчеты и широко использовать распределения вероятности.

Система имеет встроенные средства обслуживания, которые поддерживают режим захвата и печати графических окон для выполнения моментальных снимков (Snapshot). Мощный встроенный текстовый редактор предназначен для создания, оперативного изменения, редактирования самых разнообразных имитационных моделей, и имеется большой набор команд для управления процессом моделирования.

Использование системы моделирования GPSS World не только значительно ускоряет процесс моделирования и исследования самых разнообразных систем массового обслуживания и непрерывных процессов, но и позволяет проводить оптимизационные эксперименты. Кудрявцев Е. М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. — М.: ДМК Пресс, 2004. 10 с.

2.2 Разработка заданий для обучения основным и специальным приемам создания имитационных моделей на языке GPSS World

В данной квалификационной работе необходимо разработать программно-методические средства для обучения основным и специальным приемам создания имитационных моделей на языке GPSS World. Для этого целесообразно разделить процесс обучения практическим приемам моделирования на две части, при изучении основных и специальных средств языка на отдельные лабораторные работы:

1. ЛР — целью которой является знакомство с языком программирования GPSS World, его основными операциями, использование их при создании простых моделей.

2. ЛР — целью которой является обучение специальным приемам создания имитационных моделей на языке GPSS World, более подробное изучение языка и его специальных операторов, и использование их для создания более сложных моделей.

На основе изучения языков моделирования, их особенностей, стандартов по дисциплине «Компьютерное моделирование», требований к качеству целесообразно для обучение практическим приемам использовать язык GPSS моделирования систем и процессов на лабораторных работах проводить поэтапно. Вначале следует рассмотреть отдельные задачи на примере показать процесс создания модели на языке GPSS, объяснив возможности использования отдельных операторов, их особенности, а для закрепления полученных знаний и выработки самостоятельных решений предложены конкретные варианты заданий студентам.

Далее подробнее рассмотрим задания для каждой из лабораторных работ.

Лабораторная работа № 1.

Целью данной лабораторной работы является — изучение работы симулятора GPSS World, основных операторов и управляющих карт языка GPSS. Научиться создавать простейшие модели и анализировать статистические данные, полученные в результате моделирования. Для этого необходимо поделить задания на две части.

В первой части необходимо научить студента работе с интерфейсом программы. Для этого разработаем простейшее задание в котором необходимо просто открыть уже готовую программу и запустить ее на выполнение, а также после этого немного ее модифицировав снова повторить запуск. В этом задании студент должен освоиться в данной среде программирования и уже иметь начальное представление как работать с этим приложением.

Далее приведем текст этого задания каким его увидит студент.

Задание 1

Изучение симулятора GPSS World

Варианты 1−9

Порядок выполнения задания

Запустите симулятор GPSS World. Загрузите файл LAB1. GPS из директории, указанной преподавателем. Запустите моделирование командой

START 1

Просмотрите результаты моделирования и запишите их в файл на диске.

Вернитесь к листингу программы и добавьте в него операторы сбора простейшей статистики. Программа примет следующий вид (новые строки выделены жирным шрифтом):

GENERATE 150,10

QUEUE Q1

SEIZE P1

DEPART Q1

ADVANCE 30,10

RELEASE P1

TERMINATE 1

Запустите моделирование. Просмотрите результаты моделирования и запишите их в файл на диске.

Вернитесь к листингу программы и отредактируйте первую строку, чтобы она приобрела вид:

GENERATE 60,15

Запустите моделирование и просмотрите отчет в генераторе отчетов.

Во второй части разработаем конкретные задания для самостоятельного выполнения разделенные по вариантам. Здесь будут приведены уже гораздо более сложные задания требующие знания основных операторов языка и принципа написания программ, эту информацию можно найти в теоретической части этой лабораторной работы.

Далее приведем текст этого задания каким его увидит студент.

Задание 2

Простейшие модели на GPSS

Варианты 1,4,7

Постановка задачи

В парикмахерскую c одним креслом приходят клиенты двух типов. Клиенты первого типа желают только стричься. Клиенты второго типа желают постричься и побриться. Парикмахер обслуживает клиентов в порядке «первым пришел — первым обслужился». Написать GPSS-модель парикмахерской, обеспечив сбор данных об очереди клиентов.

Исходные данные

Все исходные данные по вариантам приведены в табл. 1 (все числовые параметры подчиняются равномерному распределению).

Необходимо реализовать отличие в обслуживании клиентов, которые только стригутся, и клиентов, которые стригутся и бреются.

Порядок обслуживания клиентов парикмахером такой: запросы клиентов, которые стригутся и бреются, обслуживаются только в том случае, когда в очереди нет ни одного запроса клиентов, которые только стригутся. Внутри одного типа дисциплина обслуживания — «первым пришел — первым обслужился». Необходимо создать модель работы парикмахерской, моделирование выполнять в течение восьмичасового рабочего дня.

Таблица 1. Исходные данные

Порядок выполнения задания

1. Создать модель работы склада в соответствии с приведенными данными для дисциплины обслуживания «первым пришел — первым обслужен».

2. Провести ее моделирование в течение 8-часового рабочего дня.

3. Проанализировать полученные результаты.

4. Создать модель работы склада в соответствии с приведенными данными для дисциплины обслуживания «первым пришел — первым обслужен внутри одного типа».

5. Провести ее моделирование в течение 8-часового рабочего дня.

6. Проанализировать полученные результаты.

7. Сравнивая результаты моделирования, сделать вывод о целесообразности введения приоритета.

Варианты 2,5,8

Постановка задачи

Изготовление деталей определенного вида включает длительный процесс сборки, который заканчивается коротким периодом обжига в печи. Поскольку эксплуатация печи обходится очень дорого, несколько сборщиков используют одну печь, в которой одновременно можно обжигать только одну деталь. Сборщик не может начать новую сборку, пока не вытащит из печи предыдущую деталь.

Исходные данные

Необходимо построить на GPSS модель описанного процесса. Определить оптимальное число сборщиков, использующих одну печь, т. е. такое количество, которое дает наибольшую прибыль при моделировании в течение 40 часов модельного времени. Предполагается, что в течение рабочего дня нет перерывов, а рабочими днями являются все дни (без выходных).

Таким образом, сборщик работает в таком режиме:

1) собирает следующую деталь;

2) ожидает возможности использования печи по принципу FIFO;

3) использует печь;

4) возвращается к п. 1.

Время, необходимое на выполнение различных операций, приведено в табл. 2.

Таблица 2. Исходные данные

Порядок выполнения задания

1. Напишите на GPSS модель функционирования этого предприятия.

2. Проведите ее моделирование в течение 40 часов.

3. Проанализируйте полученные статистические данные.

4. Определить оптимальное число сборщиков.

5. Проведите моделирование, изменяя количество сборщиков, в сторону уменьшения и увеличения.

6. Проанализируйте изменения поведения модели.

Замечания

В реальной системе, после того, как сборщик вынимает из печи обожженную деталь, он возвращается и начинает новый этап сборки. В модели после того, как транзакт завершает использование устройства, он должен быть перемещен c помощью блока TRANSFER в блок следующей сборки. Для ограничения общего количества транзактов, циркулирующих в модели, необходимо использовать операнд D блока GENERATE.

Для вычисления прибыли при заданном числе сборщиков необходимо знать, сколько готовых деталей они сделают на протяжении моделируемого периода. Это значение дает количество выходов из печи, т. е. в процессе моделирования нас интересует именно эта величина.

Варианты 3,6,9

Постановка задачи

Морские судна двух типов прибывают в порт, где происходит их разгрузка. В порту есть два буксира, обеспечивающих ввод и вывод кораблей из порта. К первому типу судов относятся корабли малого тоннажа, которые требуют использования одного буксира. Корабли второго типа имеют большие размеры, и для их ввода и вывода из порта требуется два буксира. Из-за различия размеров двух типов кораблей необходимы и причалы различного размера. Кроме того, корабли имеют различное время погрузки-разгрузки. Исходные данные приведены в табл. 3.

Построить модель системы, в которой можно оценить время ожидания кораблями каждого типа входа в порт. (Время ожидания входа в порт включает время ожидания освобождения причала и буксира). Корабль, ожидающий освобождения причала, не обслуживается буксиром до тех пор, пока не будет предоставлен нужный причал. Корабль второго типа не займет буксир до тех пор, пока ему не будут доступны оба буксира.

Исходные данные

Таблица 3. Исходные данные

Порядок выполнения задания

1. Напишите на GPSS модель функционирования порта.

2. Проведите моделирование работы цеха в течении 100 8-часовых рабочих дней.

3. Проанализируйте полученные статистические данные.

4. Оцените эффективность работы причала.

5. Измените количество причалов в данной модели в большую или меньшую сторону.

6. Проведите моделирование в новых условиях.

7. Проанализируйте полученные результаты.

8. Сравните их с предыдущими и сделайте выводы.

Замечания Для установки количества доступных причалов необходимо использовать функцию для определения вместимости накопителя, ее формат записи:

<�Имя> STORAGE A

Где в качестве Имени в данном случае может выступать имя прибора обслуживающего транзакт (причал, буксир).

Лабораторная работа № 2.

Целью данной лабораторной работы является — изучение работы симулятора GPSS World, обучения специальным приемам программирования, работа с файлами и переменными. Для этого необходимо поделить задания на две части.

В первой части необходимо научить студента работать с новыми операторами приведенными в этой работе. Для этого студенту предоставляется возможность модифицировать пример приведенный в теоретической части.

Далее приведем текст этого задания каким его увидит студент.

Модифицировать пример. Ввести третьего рабочего. Если первый рабочий занят — деталь подается ко второму; если и он занят — то к третьему рабочему. При этом третий рабочий должен обрабатывать все поступающие к нему детали. Детали поступают на обработку через интервал времени, равный 3±1,25 мин. Время изготовления деталей первым, вторым и третьим рабочими соответственно равно 14±1,5, 16±2 и 11±2,5 мин. Требуется смоделировать работу всей линии в течение смены. Надо определить число деталей, обработанных каждым рабочим в течение смены, коэффициенты загрузки (использования) рабочих, максимальную и среднюю длину очередей деталей, ожидающих обработки у третьего рабочего, и среднее время пребывания детали в очереди к третьему рабочему. Результат записать в файл. Изменить графическую модель в соответствии с заданием.

Во второй части разработаем конкретные задания для самостоятельного выполнения разделенные по вариантам. Здесь студенту необходимо самому написать программу моделирования сложной системы подобной рассмотренной в примере и сделать соответствующие выводы.

Далее приведем текст этого задания каким его увидит студент.

Варианты 1,5,9

Моделирование работы участка цеха Постановка задачи Промоделируем работу участка цеха, состоящего из трех видов оборудования, обслуживающих два потока изделий. Известны интервалы времени между поступлениями изделий каждого типа на обработку. Известно время изготовления изделия каждого потока на каждом виде оборудования. Продолжительность изготовления изделий на всех видах оборудования определяется равномерным законом распределения.

Задание:

* Создать графическую модель системы

* промоделировать работу участка цеха в течение рабочего дня (8 ч) при двухсменном режиме;

* определить среднюю загрузку каждого вида оборудования, среднее время обработки изделий, длину очередей перед каждым видом оборудования (среднюю и максимальную). Результаты записать в файл.

* На основе полученных данных сделать вывод о необходимость увеличения или уменьшения размера склада перед каждым видом оборудования, необходимого для данного потока изделий;

Исходные данные приведены в табл. 4.

Таблица. 4. Исходные данные

Варианты 2,6,10

Моделирование работы автозаправочной станции Постановка задачи Необходимо промоделировать работу автомобильной заправочной станции (АЗС), которая имеет две заправочные колонки. Известны следующие параметры работы АЗС:

* поток автомобилей, поступающих на заправку, подчиняется экспоненциальному распределению вероятностей с параметрами л и в;

* автомобиль подъезжает к колонке, которая не занята обслуживанием другого автомобиля.

Требуется создать графическую модель системы, промоделировать работу АЗС в течение рабочей смены — 8 ч — и определить параметры функционирования АЗС:

* коэффициент загрузки каждой колонки;

* среднее время обслуживания в каждой колонке;

* максимальное, среднее и текущее число автомобилей в очереди к каждой колонке;

* среднее время нахождения автомобиля в очереди (сохранить значение в переменной).

* результаты записать в файл Замечания Встроенная библиотека процедур GPSS World содержит более 20

вероятностных распределений, в том числе:

* равномерное (Uniform);

* экспоненциальное (Exponential);

* геометрическое (Geometric);

* Пуассона (Poisson);

* Бета (Beta);

* Гамма (Gamma);

* биномиальное (Binomial);

* дискретно-равномерное (Discrete Uniform);

* треугольное (Triangular);

* нормальное (Normal);

* Парето (Pareto); …

Эти распределения имеют широкий диапазон использования.

Функция описывающая экспоненциальный закон распределения:

EXPONENTIAL (A, B, C)

A — номер генератора случайных чисел;

B — величина сдвига, определяющего местоположение распределения (л);

C — величина, C>0, B+C — среднее значение, при B=0 С — величина обратная интенсивности обработки (в).

Тогда экспоненциальный закон распределения выглядит:

В этом случае оператор выглядит:

GENERATE (EXPONENTIAL (1, л, в))

Исходные данные приведены в табл. 5.

Таблица

5. Исходные данные

Варианты 3,7,11

Моделирование работы инструментальной кладовой Постановка задачи В цехе работает инструментальная кладовая по принципу самообслуживания. Поток рабочих (требований) за инструментами равномерный. Каждый рабочий может взять один или несколько инструментов, лежащих на разных стеллажах. Время, необходимое для поиска инструмента на стеллажах, число инструментов, взятых со стеллажа, и вероятности взятия их приведены в табл. 6.

Взяв инструмент в кладовой, рабочий подходит к учетчику, который делает соответствующую отметку в журнале. Время учета пропорционально числу инструментов, взятых рабочим. На оформление одного наименования инструмента требуется 1 мин.

Необходимо определить:

* Создать графическую модель системы

* число посещений рабочими кладовой в течение смены;

* коэффициент использования (загрузки) учетчика;

* максимальную длину очереди в кладовой;

* среднюю длину очереди в кладовой;

* число входов в кладовую без ожидания;

* процент входов в кладовую без ожидания;

* среднее время учета взятого инструмента.

* результаты записать в файл Замечания Для расчета времени учета необходимо создать две функции и вещественную переменную. Первая функция будет моделировать взятие рабочим определенного числа инструментов с первого стеллажа, а вторая функция моделировать взятие рабочим определенного числа инструментов со второго стеллажа. Переменная будет определять время обслуживания учетчиком рабочего, которое зависит от числа инструментов, взятых рабочим с обоих стеллажей.

Исходные данные приведены в табл. 6.

Таблица. 6. Исходные данные

Варианты 4,8,12

Моделирование системы управления качеством Постановка задачи Необходимо промоделировать систему управления качеством производственного процесса, включающего две операции обработки изделия с соответствующим контролем. Известны следующие параметры производственного процесса:

* поток изделий, поступающих на обработку, подчиняется экспоненциальному распределению вероятностей с параметрами л и в;

* время выполнения первой операции определяется с помощью дискретной числовой функции

* время выполнения второй операции определяется с использованием нормального распределения с параметрами м, у.

* устранение брака осуществляется путем возвращения изделия на повторную обработку.

Нужно промоделировать работу системы управления качеством в течение рабочей смены — 8 ч. Создать графическую модель системы. Требуется определить параметры функционирования производственного процесса:

* коэффициент загрузки каждого контролера;

* среднее время обслуживания каждым контролером;

* результаты записать в файл

* создать таблицу для сбора информации в процессе моделирования Замечания В системе GPSSW в библиотеку процедур включено более 20 встроенных распределений вероятности. Эти распределения имеют широкий диапазон использования.

Функция описывающая экспоненциальный закон распределения:

EXPONENTIAL (A, B, C)

A — номер генератора случайных чисел;

B — величина сдвига, определяющего местоположение распределения (л);

C — величина, C>0, B+C — среднее значение, при B=0 С — среднее значение (в).

В этом случае оператор выглядит:

GENERATE (EXPONENTIAL (1, л, в))

Функция описывающая нормального закон распределения:

NORMAL (A, B, C)

A — номер генератора случайных чисел;

B — математическое ожидание (м);

C — среднеквадратическое отклонение (у).

В этом случае оператор выглядит:

GENERATE (NORMAL (1, м, у))

Время выполнения первой операции определяется с помощью дискретной числовой функции, задаваемой семью парами чисел (точек):

(0,0),(.04,9),(.20,13),(.35,17),(.60,25),(.85,35),(1.0,50).

Исходные данные приведены в табл. 7.

Таблица. 7. Исходные данные

2.4 Разработка и написание методических указаний, контрольных вопросов

В данной квалификационной работе в соответствии с ее целью как описано ранее было решено разбить задание на две лабораторные работы, то методические указания и контрольные вопросы так же разобьем на две части.

В первой лабораторной работе так как задания относятся к изучению основных приемов создания имитационных моделей, то в методических указаниях укажем назначения языка GPSS World, его основные операторы, описание работы со средой моделирования и краткую расшифровку стандартной распечатки результатов моделирования. Соответственно в контрольных вопросах так же рассмотрим вопросы связанные с рассмотренными темами.

Далее приведены методические указания и контрольные вопросы какими их увидит студент.

Теоретическая часть

Пакет моделирования дискретных систем GPSS World предназначен для имитационного моделирования сложных производственных, вычислительных и информационных систем. Имитационное моделирование обеспечивает возможность испытания, оценки и проведения экспериментов с проектируемой системой без каких-либо воздействий на нее. Эксперимент при имитационном моделировании проводится с программой, которая является моделью системы. Длительные периоды функционирования (дни, часы) исследуемой системы могут быть промоделированы на ЭВМ за несколько минут.

Имитационное моделирование представляет собой один из видов анализа сложных технических систем. Первым шагом при анализе любой конкретной системы являются выделение элементов системы и формулирование логических правил, определяющих порядок взаимодействия этих элементов. Для GPSS World исходным является формальное описание объекта проектирования в виде системы массового обслуживания (СМО). Входным языком является язык GPSS. Необходимо отметить, что средства системы GPSS World ориентированы на построение моделей вычислительных систем и проведение машинного эксперимента с целью их анализа только на самом верхнем (системном) этапе проектирования. Транслятор языка GPSS является транслятором интерпретирующего типа.