Моделирование системы массового обслуживания средствами GPSS World

скачать (2153.8 kb.)

  1   2
Содержание
Введение

. Теоретическая часть

1.1 Компьютерное моделирование

.2 Имитационное моделирование

.3 Инструментальная среда моделирования - GPSS

. Практическая часть

Заключение

Список литературы
Введение
В век компьютерных технологий и всё более глубокого внедрения автоматизированных систем управления на предприятиях особенно востребованным является:

1. умение вести научно-исследовательскую и проектно-конструкторскую работу в области исследования и разработки сложных систем;

2. способность ставить и проводить имитационные эксперименты с моделями процессов функционирования систем на современных ЭВМ для оценки вероятностно-временных характеристик систем;

. принятие экономически и технически обоснованных инженерных решений;

. анализ научно-технической литературы в области системного моделирования;

. использование стандартов, справочников, технической документации по математическому и программному обеспечению ЭВМ и т.д.

Поэтому, для решения этих задач и используют средства имитационного моделирования, которые позволяют с высоким уровнем детализации и достоверности проанализировать поведение исследуемой системы.

В настоящее время на рынке средств имитационного моделирования представлено очень большое количество различных систем имитационного моделирования. Можно говорить о нескольких десятках примерно равноценных по своим возможностям систем. Это такие системы, как SLX, GPSS, Arena, Promodel, AnyLogic, MODSIM и другие. Отдельно следует выделить язык имитационного моделирования GPSS, который и был выбран для выполнения курсового проекта. У GPSS много сторонников и много критиков. Сторонники превозносят универсальность, наглядность и простоту использования языка. Критики указывают на некоторую тяжеловесность конструкций, отсутствие современных средств визуализации и консерватизм разработчиков. Но и те и другие признают уникальность GPSS и его вклад в развитие всего рынка имитационного моделирования.

В данной курсовой работе основной задачей является исследование и анализ систем массового обслуживания посредством языка имитационного моделирования GPSS.
1. Теоретическая часть
.1 Компьютерное моделирование
Компьютерное моделирование - это метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов на основе имеющейся модели.

Под компьютерной моделью понимают:

1. условный образ объекта или некоторой системы, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т.д. и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта - структурно-функциональная модель;

2. отдельная программа, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных (включая случайные) факторов - имитационные модели.

Компьютерное моделирование имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами. В частности, оно дает возможность учитывать большое количество переменных, предсказывать развитие нелинейных процессов, возникновение синергетических эффектов. Компьютерное моделирование позволяет не только получить прогноз, но и определить, какие управляющие воздействия приведут к наиболее благоприятному развитию событий.

Качественные выводы, сделанные по результатам компьютерного моделирования, позволяют обнаружить такие свойства сложной системы, как ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризующих систему. Одно из основных направлений использования компьютерного моделирования - поиск оптимальных вариантов внешнего воздействия на объект с целью получения наивысших показателей его функционирования.

Компьютерное моделирование - эффективный метод решения задач анализа и синтеза сложных систем. Методологической основой компьютерного моделирования является системный анализ (в то время как у моделирования на ЭВМ - те или иные разделы теории математических моделей), - именно поэтому в ряде источников наряду с термином «компьютерное» используется термин системного моделирования, а саму технологию системного моделирования призваны осваивать системные аналитики.

Однако ситуацию не стоит представлять так, что традиционные виды моделирования противопоставляются компьютерному моделированию. Наоборот, доминирующей тенденцией сегодня является взаимопроникновение всех видов моделирования, симбиоз различных информационных технологий в области моделирования, особенно для сложных приложений и комплексных проектов по моделированию. Так, например, имитационное моделирование включает в себя концептуальное моделирование (на ранних этапах формирования имитационной модели), логико-математическое (включая методы искусственного интеллекта) - для целей описания отдельных подсистем модели, а также в процедурах обработки и анализа результатов вычислительного эксперимента и принятия решений; технология проведения, планирования вычислительного эксперимента с соответствующими математическими методами привнесена в имитационное моделирование из физического (натурного) моделирования; наконец, структурно-функциональное моделирование используется при создании стратифицированного описания многомодельных комплексов.

Становление компьютерного моделирования связано с имитационным моделированием; имитационное моделирование было исторически первым, по сравнению со структурно-функциональным, без ЭВМ никогда не существовало, - и имеет целый ряд специфических черт.
.2 Имитационное моделирование
Имитационное моделирование - один из видов компьютерного моделирования, использующий методологию системного анализа, центральной процедурой которого является построение обобщенной модели, отражающей все факторы реальной системы, в качестве же методологии исследования выступает вычислительный эксперимент.

Имитационная модель строится строго целенаправленно, поэтому для нее характерно адекватное отображение исследуемого объекта, логико-математическая модель системы представляет собой программно реализованный алгоритм функционирования системы. При имитационном моделировании структура моделируемой системы адекватно отображается в модели, а процесс ее функционирования имитируется на построенной модели. Под имитацией понимают проведение на компьютерах различных серий экспериментов с моделями, которые представлены в качестве некоторого набора (комплекса) компьютерных программ. Сравнение характеристик (конструкций, управлений) моделируемого объекта осуществляется путем вариантных просчетов. Особую роль имеет возможность многократного воспроизведения моделируемых процессов с последующей их статистической обработкой, позволяющая учитывать случайные внешние воздействия на изучаемый объект. На основе набираемой в ходе компьютерных экспериментов статистики делаются выводы в пользу того или иного варианта функционирования или конструкции реального объекта или сущности явления.

В ряде случаев формировать решения с помощью формальных методов не удается - эксперт должен быть включен в процесс принятия решения. Он становится активным компонентом информационной системы; детализирует проблему и модель, осуществляет постановку направленного вычислительного эксперимента на модели, генерацию и ранжирование альтернатив, выбор критериев для принятия решений, а также формирует рациональный вариант управления с помощью базы знаний. Принятие решений в условиях риска, например, требует ведения диалоговых процедур формирования статистически достоверных результатов и поэтапного сопоставления их с функцией цены риска. Необходимо осуществлять прямое участие эксперта в формировании оптимального множества вариантов решений и в процедурах вариантного синтеза.

Таким образом, имитационное моделирование значительно расширяет возможности и эффективность работы лиц, принимающих решения (ЛПР), предоставляя им удобный инструмент и средства для достижения поставленных целей. Имитационное моделирование реализует итерационный характер разработки модели системы, поэтапный характер детализации моделируемых подсистем, что позволяет постепенно увеличивать полноту оценки принимаемых решений по мере выявления новых проблем и получения новой информации.

Имитационная модель не дает оптимального решения подобно классическому решению задач оптимизации, но она является удобным для системного аналитика вспомогательным средством для поиска решения определенной проблемы. Область применения имитационных моделей практически не ограничена, это могут быть задачи: исследования структур сложных систем и их динамики, анализа узких мест, прогнозирования и планирования и т.д. Главным преимуществом имитационного моделирования является то, что эксперт может ответить на вопрос: «Что будет, если … », т.е. с помощью эксперимента на модели вырабатывать стратегию развития.

В последнее время ведутся работы по разработке систем, способных оказать помощь эксперту при ответе на обратный вопрос «Что надо, чтобы …». Это можно назвать как «целевое моделирование», при котором на вход системы подаются показатели целевого состояния, а также перечень возможных регуляторов с указанием диапазона и шага их изменения. Система в автоматическом или полуавтоматическом режиме находит сочетание значений этих регуляторов для достижения заданного целевого состояния.

Итак, преимущества системно-динамического моделирования заключаются в следующем: системно-динамический подход начинается с попытки понять ту систему причин, которая породила проблему и продолжает поддерживать ее. Для этого собираются необходимые данные из различных источников, включая литературу, информированных людей (менеджеров, потребителей, конкурентов, экспертов) и проводятся специальные количественные исследования. После того как элементарный анализ причин проблемы произведен, формальная модель считается построенной. Первоначально она представляется в виде логических диаграмм, отражающих причинно-следственные связи, которые затем преобразуются в сетевую модель. Затем эта сетевая модель автоматически преобразуется в ее математический аналог - систему уравнений, которая решается численными методами, встроенными в систему моделирования. Полученное решение представляется в виде графиков и таблиц, которые подвергаются критическому анализу. В результате модель пересматривается (изменяются параметры некоторых узлов сети, добавляются новые узлы, устанавливаются новые или изменяются существовавшие ранее связи и т.д.), затем модель вновь анализируется и так до тех пор, пока она не станет в достаточной мере соответствовать реальной ситуации. После того как модель построена, в ней выделяются управляемые параметры и выбираются такие значения этих параметров, при которых проблема либо снимается, либо перестает быть критически важной.

В процессе моделирования постепенно углубляется понимание проблемы участвующими в нем людьми. Однако их интуиция о возможных последствиях предлагаемых управленческих решений часто оказывается менее надежной, чем подход, связанный с тщательным построением математической модели. И это не так удивительно, как может показаться на первый взгляд. Системы управления содержат порой 100 и более переменных, о которых либо известно, что они зависят от других каким-либо нелинейным образом или предполагают существование такой зависимости. Поведение таких систем оказывается настолько сложным, что его понимание лежит вне возможностей человеческой интуиции. Компьютерное моделирование - одно из наиболее эффективных имеющихся в настоящее время средств для поддержки и уточнения человеческой интуиции. Хотя модель и не является совершенно точным представлением реальности, она может быть использована для принятия более обоснованных решений, чем те, которые мог бы принять человек. Это гибкое средство, которое усиливает возможности человека, использующего ее для более глубокого понимания проблемы.

Таким образом, в сфере современных информационных технологий имитационное моделирование приобретает в мировых научных исследованиях и практической деятельности крайне весомое значение. С помощью имитационного моделирования эффективно решаются задачи самой широкой проблематики, - в области стратегического планирования, бизнес-моделирования, менеджмента (моделирование различного рода финансовых проектов, управление производством), реинжиниринга, проектирования, актуально применение имитационного моделирования в области инвестиционно-технологического проектирования.
.3 Инструментальная среда моделирования - GPSS
Система GPSS (General Purpose System Simulator) предназначена для написания имитационных моделей систем с дискретными событиями. Наиболее удобно в системе GPSS описываются модели систем массового обслуживания, для которых характерны относительно простые правила функционирования составляющих их элементов.

Автором и разработчиком первых версий языка был Джеффри Гордон, выдающийся американский специалист в области имитационного моделирования.

Условно историю развития GPSS можно разделить на два основных этапа. Первый - с 1961 года до середины 70-х - был этапом Джеффри Гордона и фирмы IBM. За это время последовательно разработано пять основных версий языка: GPSS (1961), GPSS II (1963), GPSS III (1965), GPSS/360 (1967) и GPSS V (1971). Последняя версия до сих пор является эталоном для многих пользователей. К сожалению, после прекращения поддержки фирмой IBM язык GPSS пережил кризис.

Второй этап - со второй половины 70-х и по настоящее время. Монополия IBM закончилась, и казалось, GPSS обречен. По крайней мере, его будущее было туманным. Но благодаря силе идей, заложенных в нем, и энтузиазму его сторонников, он выжил. Эстафету подхватило множество небольших честолюбивых фирм и разработчиков. Появилось немало реализаций GPSS, развернулась нешуточная конкуренция за лидерство - но постепенно выделились три основных разработчика, «диктующих моду» в мире GPSS.

Прежде всего, это Джеймс Хенриксен из Wolverine Software. Его GPSS/H - мощная и сбалансированная система имитации, а Proof Animation - система анимации, ориентированная на моделировании. Основные принципы GPSS/H закладывались еще до широкого внедрения ПЭВМ, во времена мэйнфреймов. Поэтому особенно активно эта система использовалась в период, пока ПЭВМ имели недостаточную вычислительную мощность. В настоящее время, несмотря на очевидные достоинства, сказывается отсутствие в GPSS/H современных интерактивных технологий. А главное, Джеймс Хенриксен сосредоточил усилия на развитии языка SLX. И хотя в его конструкциях используются объекты GPSS - это все-таки больше язык Си, чем GPSS.

В GPSS World были введены четыре новые команды:

CONDUCT - позволяет запускать и выполнять эксперименты;

EXIT - выход из GPSS World с возможностью сохранения открытых файлов;

INCLUDE - подключение к модели дополнительных файлов;

INTEGRATE - автоматическое вычисление интеграла для переменной пользователя (определяет выражение, по которому производится вычисление; включение интегрирования в процессе моделирования осуществляется блоком INTEGRATION). С помощью команды INTEGRATE и блока INTEGRATION в GPSS World реализуются элементы непрерывного моделирования. Таким образом, наряду с привычными для GPSS дискретными моделями можно создавать полностью непрерывные или смешанные дискретно-непрерывные модели.

Второе имя - Ингольф Столл, Stockholm School of Economics. Обобщив многолетний опыт преподавания GPSS, он разработал компактную, немного усеченную версию языка GPSS для использования в учебном процессе - Micro-GPSS. Его главное достижение разработка WebGPSS. Это довольно удачная попытка создания системы имитации для использования в сети Интернет. Основное ядро системы находится на университетском сервере, и пользователь может через Интернет отлаживать и исполнять небольшие учебные модели. Особенно интересен такой вариант при внедрении дистанционного обучения. Тем не менее, разработке еще предстоит долгий путь совершенствования и развития.

Идеология семейства продуктов Спрингера Кокса и его фирмы Minuteman Software, начиная с GPSS/PC, полностью ориентирована на ПЭВМ и преимущества индивидуального интерактивного использования. Особенно удачным можно признать GPSS World, в котором существенно дополнены функциональные возможности и реализована универсальная многооконная диалоговая оболочка. Значительно расширены возможности интеграции GPSS-моделей с другими системами программирования. Традиционно продукты этой фирмы очень популярны в России и странах СНГ - поэтому современное состояние систем компьютерного моделирования мы рассмотрим именно на примере GPSS World.

Система GPSS World - комплексный моделирующий инструмент, охватывающий области как дискретного, так и непрерывного компьютерного моделирования и обладающий высоким уровнем интерактивности и визуального представления информации. Кроме того, GPSS World унаследовал все положительные черты своего предшественника - GPSS/PC.

На сегодняшний день GPSS World является приложением семейства операционных систем Windows и использует их очевидные преимущества - графический интерфейс пользователя и архитектуру «документ-вид». ПО представляет собой полноэкранный текстовый редактор, позволяющий работать сразу с несколькими объектами (текст модели, журнал, отчет и т. д.) Кроме того, графический интерфейс дает возможность интерактивно взаимодействовать с выполняющимися процессами моделирования, а также применять наглядные графические окна для отображения их работы.World выполняется под управлением любых ОС семейства Windows, начиная с Windows 95, и позволяет реализовать многозадачность и использовать виртуальную память. Использование механизма виртуальной памяти устраняет один из главных недостатков предыдущих версий GPSS - жесткое ограничение объема памяти, занимаемого моделью. Теперь он может измеряться гигабайтами.

Кроме того, в GPSS World применяется более высокопроизводительный транслятор по сравнению с GPSS/PC. Имеется возможность ввода и вывода данных в процессе моделирования. Пользователь может прервать выполнение процесса моделирования и сохранить его, чтобы в дальнейшем продолжить выполнение с той же точки. Еще одно новшество - пакетный режим с контролируемой процедурой выхода из приложения. Это позволяет производить многократные прогоны с сохранением всех необходимых файлов.

компьютерный моделирование имитационный

Нужно также отметить возможности взаимодействия GPSS World с другими приложениями, что предоставляет пользователю практически неограниченную свободу при обработке и анализе данных, получаемых в результате моделирования. Внешние приложения можно условно разделить на два класса:

1. различные пре- и постпроцессоры - приложения, применяющиеся в связке с GPSS World, которые подготавливают исходные данные для моделирования или выполняют действия по результатам прогона модели;

2. приложения, выполняющие оперативные действия в процессе моделирования - обработка данных, оперативная анимация и т. д.

Для реализации взаимодействия GPSS World предоставляет, во-первых, механизм потоков данных. Под потоком данных в GPSS World понимается последовательность текстовых строк, используемых в процессе моделирования. С его помощью можно считывать и записывать данные в файлы текстового формата. Для управления потоками данных служат специальные блоки и процедуры. Таким образом, с помощью потоков данных можно использовать текстовые файлы, в том числе и для обмена информацией с внешними приложениями.

Второй механизм - процедуры динамического вызова. Библиотека встроенных процедур GPSS World содержит набор процедур для вызова функций, хранящихся во внешних исполняемых файлах, включая динамически подключаемые библиотеки DLL. То есть пользователь может прибегнуть к библиотекам функций сторонних разработчиков (или собственной разработки), которые порой существенно расширяют возможности системы.World - самая современная реализация языка GPSS, дополненная вспомогательным языком PLUS. Непосредственно язык GPSS включает в себя 53 типа блоков и 25 команд, большое количество системных числовых атрибутов. Кроме того, 12 типов операторов составляют язык PLUS - Programming Language Under Simulation. Эффективность PLUS во многом обеспечивается большой библиотекой процедур.World - объектно-ориентированный язык. Объект «Модель» главным образом содержит операторы модели, а также набор настроек. Кроме того, он включает в себя закладки и циркулярный список синтаксических ошибок.

Объект «Процесс моделирования» создается при трансляции операторов объекта «Модель». Для изменения его состояния применяются интерактивные команды и блоки.

Одной из самых сильных сторон GPSS всегда были стандартные отчеты. Содержимое отчета настраивается, поэтому пользователь получает только необходимую информацию.

Текстовый объект - это способ представления обычного текстового файла в GPSS World. В основном они применяются совместно с командами INCLUDE для подключения набора операторов, используемого в различных моделях. Кроме того, закрепив команду INCLUDE за горячей клавишей, можно интерактивно передавать объекту «Процесс моделирования» целые списки управляющих команд.

В GPSS World применяются полиморфные типы данных. Переменные могут принимать значения одного из четырех типов. Ячейки, элементы матриц, параметры транзактов и переменные пользователя могут принимать целочисленное, вещественное, строковое и неопределенное (unspecified) значение. Неопределенные значения используются при проведении дисперсионного анализа и указывают на отсутствующие данные. Значения времени могут быть целыми или вещественными. Преобразование типов происходит автоматически. Для работы со строковыми значениями в библиотеке процедур есть ряд специальных функций.

Как уже говорилось, PLUS - встроенный в GPSS World язык программирования. Он предназначен для расширенного управления данными, удовлетворения потребностей в особых вычислительных алгоритмах и других операциях, которые не могут быть реализованы средствами операторов и команд GPSS. Блок PLUS позволяет вызывать PLUS-процедуру, которая выполняется как любой другой блок GPSS. Таким образом пользователь может создавать собственные блоки с очень сложной структурой. Кроме того, выражения, записанные с помощью синтаксиса языка PLUS (так называемые PLUS-выражения), могут использоваться в качестве операндов блоков и команд. Также выражения могут содержать вызовы встроенных процедур или процедур пользователя.

Язык PLUS включает в себя следующие операторы:

оператор присваивания;

вызов процедуры;

BEGIN;

- DO…WHILE;

END;

EXPERIMENT;

GOTO;

IF…THEN…ELSE;

PROCEDURE;

RETURN;

- TEMPORARY.

Большинство этих операторов хорошо знакомо по традиционным алгоритмическим языкам, таким как Бейсик, Паскаль или Си. Но на некоторых стоит остановиться подробнее. Оператор EXPERIMENT предназначен для проведения экспериментов - определения специальной процедуры пользователя, которая обеспечивает последовательный запуск нескольких прогонов процесса моделирования. Оператор PROCEDURE используется для определения процедур пользователя. Процедуры обладают глобальной областью действия, то есть могут вызываться в любом месте модели. Оператор TEMPORARY позволяет создавать временные переменные пользователя и матрицы, существующие только во время выполнения процедуры. По завершении работы процедуры все временные переменные и матрицы уничтожаются.

Кроме того, GPSS World содержит большую встроенную библиотеку PLUS-процедур, которые обеспечивают работу с потоками данных, различные манипуляции со строками, математические операции и позволяют задавать вероятностные распределения.

Проведение экспериментов позволяет исследовать поведение построенной модели. Концептуально GPSS World обеспечивает проведение экспериментов трех типов:

1. отсеивающие эксперименты - используются для определения наиболее важных факторов, влияющих на моделируемую систему;

2. оптимизирующие эксперименты - позволяют определить оптимальные уровни факторов;

. эксперименты пользователя - эксперименты над моделью, программируемые пользователем.

Автоматические генераторы отсеивающих и оптимизирующих экспериментов позволяют задать и провести эксперимент соответствующего типа. С их помощью, заполняя поля диалоговых окон, можно быстро определить условия проведения эксперимента.

Завершающий шаг любого эксперимента - это, как правило, анализ результатов. Дисперсионный анализ оценивает отклонение наблюдений от общего среднего и позволяет определить эффект или влияние фактора на целевую функцию. При использовании процедуры дисперсионного анализа ANOVA большая часть работы выполняется без участия человека. Эта процедура позволяет осуществлять многофакторный дисперсионный анализ, рассматривающий до шести факторов, и взаимодействия факторов второй и третьей степени.World является непосредственным преемником системы GPSS/PC. В то же время «потомок» имеет довольно много отличий от своего «предка». GPSS World основывается на идее, что текстовый объект «Модель» создается и/или модифицируется, а затем транслируется с целью создания объекта «Процесс моделирования». Архитектурой он сильно отличается от GPSS/PC, в котором используются понятия файла программы и процесса моделирования.

Тем не менее, GPSS World совместим с GPSS/PC: сделав ряд небольших изменений в модели, можно добиться результатов, статистически неотличимых от выдаваемых GPSS/PC. Существует также и режим совместимости с GPSS/PC. В нем большинство моделей GPSS/PC дают абсолютно идентичные результаты при выполнении под управлением GPSS World1. Возможность использовать уже созданные и отлаженные модели является немаловажным фактором - в СССР был накоплен колоссальный опыт применения GPSS (и в частности, GPSS/PC).

Кроме новых команд, в GPSS World включено девять новых типов блоков:

ADOPT - изменяет номер семейства транзакта;

DISPLACE - позволяет переместить транзакт в любой другой блок;

INTEGRATION - включает/выключает интегрирование переменной, для которой задано выражение с помощью команды INTEGRATE;

PLUS - вычисляет PLUS-выражение, что в том числе подразумевает вызов PLUS-процедуры из встроенной библиотеки или процедуры, созданной пользователем;

OPEN, CLOSE, READ, WRITE, SEEK - управляют потоками данных, позволяют создавать и уничтожать потоки, производить считывание и запись данных в них. Потоки данных делятся на два типа: файловые (запись производится в текстовый файл) и «потоки в памяти» (запись производится в оперативную память компьютера).

В заключение можно уверенно сказать, что язык имитационного моделирования GPSS является мощным методологическим средством инженеров для анализа сложных систем и для дальнейшего принятия решений.

  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации