Моделирование систем и языки программирования.

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:

¾ удобство программирования модели системы;

¾ проблемная ориентация.

Недостатки ЯИМ:

¾ неэффективность рабочих программ;

¾ сложность отладки;

¾ недостаток документации.

Основные функции языка программирования:

¾ управление процессами (согласование системного и машинного времени);

¾ 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, подблоков 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.

Анализ. ЯИМ предусматривают системные способы статистической обработки и анализа результатов моделирования.

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

Для языков, используемых в задачах моделирования, можно составить классификацию следующего вида. (см. рис. 9.1.)

Рис. 9.1. Классификация языков моделирования.

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 состоянии Z_i; 2) события, зависящие от времени t. При использовании языка GAPS на пользователь возлагается работа по составлению на яз. 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 M_j состоит из элементов, с которыми происходят события, представляющие собой последовательность формул, изменяющих состояние моделируемой системы с течением времени. Работа со списками, определяемые 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. Удобен 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.

GPSS- интегрирующая 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 транзактам, 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 транзакта 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

Если предпочтение отдаётся блочной конструкции модели при наличии минимального опыта в моделировании, то следует выбрать язык GPSS, но при этом следует помнить, что он негибок, требует большого объёма памяти и затрат машинного времени для счёта.

Язык программирования GPSS

Этот язык с 1968 года входит в математическое обеспечение машин фирмы IBM, один из наиболее популярных языков ИМ.

Общие сведения.

GPSS составлен из объектов и операций (логических правил). Объекты делятся на семь классов:

- динамические (ДО);

- аппаратно-ориентированные (АО);

- статические (СО);

- операционные (ОО);

- вычислительные (ВО);

- запоминающие (ЗО);

- группирующие (ГО).

До — элементы потока обслуживания заявки или "транзакты". Они создаются и уничтожаются, с каждым транзактом может быть связано некоторое число "параметров"

АО — соответствуют элементам оборудования, которые управляются ДО.

К ним относятся:

- накопители;

- устройства;

- логические переключатели.

СО:

- очереди;

- таблицы.

ЗО:

ячейки;

матрицы ячеек.

ГО:

- группы;

- списки.

ВО:

- арифметические и булевы переменные;

- функции.

Каждой очереди соответствует перечень транзактов, задержанных ы какой-либо точке системы и запись длительности этих задержек: T_з={t_iз}.

Таблицы могут использоваться для построения распределений выбранных величин.

ОО - блоки – формируют логику системы, давая транзактам указания, куда идти дальше.

Для того чтобы смоделировать систему, необходимо составить её описание в терминах GPSS, затем симулятор генерирует транзакты, продвигает через заданные блоки и выполняет действия соответствующие блокам. Продвижение создаёт блок GENERATE. Каждое продвижение транзакта является событием, которое должно произойти в определённый момент времени. Симулятор регистрирует время наступления каждого события, затем производит обработку событий в правильной хронологической последовательности.

Если транзакты заблокированы, то симулятор продвинет их тогда, когда изменятся блокирующие правила. Симулятор моделирует часы, их показания в любой момент времени называют абсолютным временем. Относительное время показывает текущее время в модели. При помощи специальной операции относительное время может устанавливаться в нуль и последующий счёт времени будет производиться от этой точки. Другой операцией в нуль могут устанавливаться оба значения времени. Все времена в модели изображаются целыми числами. Симулятор рассчитывает схему по принципу ближайшего события. Центральной задачей симулятора является просмотр и проверка всех возможных событий. Транзакты входят в цепи. Существует пять видов цепей:

1) Цепь текущих событий включает в себя те транзакты, планируемое время наступления которых равно или меньше текущего часового.

2) Цепь будущих событий включает в себя транзакты, время которых не дошло для обслуживания.

3) Цепь прерванных событий.

4) Цепь парных транзактов – в текущий момент времени имеют статус парности (ожидают прибытия синхронизирующих транзактов).

5) Цепь пользователя включает транзакты, которые пользователь удалили из цепи текущих транзактов.

Цепь текущих событий организуется в порядке убывания приоритетов транзактов и в порядке очерёдности поступления.

В зависимости от различных условий и требований пользователь система помещает транзакты в те или иные цепи.

Программа на GPSS создаётся в текстовом редакторе в определённом формате. Формат ввода содержит 3 различные поля: поле метки (позиции 5-9), поле операции (позиции 13-23) и поле переменных (позиции 26-80). Поле переменных содержит подполя, которые обозначены A, B, C, D, …,H. Последующие отделяются от предыдущих запятыми. Пропущенное значение в поле переменных выделяется запятыми (кроме конца поля).

Каждый из объектов требует определённого числа ячеек ОЗУ, в которых во время моделирования хранятся атрибуты объекта (АТО). АТО, к которым может обращаться программист, называются стандартными числовыми атрибутами (СЧА). Все СЧА имеют одно- или 2-х буквенные мнемонические обозначения. Мнемонические обозначения указывают на тип СЧА, а целочисленное значение – на конкретный СЧА.

Номера блоков можно определять символическими обозначениями. При этом обозначение должно включать от 3-х до 5-ти знаков, отличных от пробела, первые три из которых должны быть буквами. Эти ограничения необходимы для того, чтобы избежать смешивания атрибутов системы и символов. Дополнительным ограничением является недопустимость таких специальных знаков, как "–", "+", " ² " и т.д.

Если в полях А, В, С блока представлены стандартные числовые атрибуты N_j или W_j, то необходимо, чтобы номер блока был представлен в качестве аргумента. Если этот номер блока определяется символически, то такое представление должно быть отличным от мнемонических обозначений, указанных СЧА (N или W). В префикса символического имени используется знак доллара $. Пользователь может относительную адресацию. В символической записи CROSS±n символ CROSS указывает на нужный блок, а число n–на номер блока, отсчитываемого от номера блока CROSS. При косвенной адресации предполагается, что нужный аргумент представлен некоторым параметром. Последний обозначается *, за которой следует целое число. Например, S*10 соответствует текущему значению накопителя, номер которого задан параметром 10 (буква S - означает накопитель). Косвенная адресация неприменима только для СЧА С1, М1, RN_n.