Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи разработки событийно ориентированной визуальной системы имитационного моделирования (СИМ) 14
1.1 Задачи имитационного моделирования 14
1.2 Анализ подходов к построению имитационных моделей (ИМ) 16
1.3 Анализ современных средств имитационного моделирования 25
1.4 Постановка задачи разработки универсальной событийно-ориентированной СИМ - 32
2. Методологические основы и подходы к построению событийно-ориентированной СИМ 38
2.1 Основные концепции разрабатываемой СИМ 38
2.1.1 Концепция автоматизированной поддержки событийного 41
подхода
2.1.2 Концепция интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО) 47
2.1.3 Концепция инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем. 57
2.2 Подходы к реализации в СИМ комплекса вспомогательных инструментов 64
2.2.1 Группировка элементов модели 64
2.2.2 Векторные модельные переменные 66
2.2.3 Средства интерактивной отладки модели и контроля хода имитационных экспериментов (ИМЭ) 68
2.2.4 Средства автоматизации сбора статистики 77
2.2.5 Средства задания структуры ИМЭ 81
2.2.6 Средства визуализации результатов ИМЭ 85
2.2.7 Средства генерации отчетов 90
3. Система имитационного моделирования Modelling 92
3.1 Структура программных библиотек СИМ Modelling 92
3.2 Ограничения СИМ Modelling 95
3.3 Технологический процесс разработки ИМ с использованием СИМ Modelling 98
4. Примеры применения СИМ Modelling 111
4.1 Использование СИМ Modelling в учебном процессе 111
4.2 Пример применения СИМ Modelling для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ) 114
4.2.1 Постановка задачи разработки ИМ АСКМ 114
4.2.2 Формализация ИМ АСКМ с использований средств СИМ 118 Modelling
4.2.3 Использование вспомогательных средств СИМ Modelling при 123 разработке ИМ АСКМ
4.2.4 Результаты разработки ИМ АСКМ 129
Результаты и выводы 133
Список использованных источников
- Анализ подходов к построению имитационных моделей (ИМ)
- Концепция интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО)
- Ограничения СИМ Modelling
- Пример применения СИМ Modelling для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ)
Введение к работе
Сущность и актуальность исследования. В процессе создания и исследования сложных систем важное место занимает имитационное моделирование. Разработка имитационных моделей (ИМ) и проведение имитационных экспериментов (ИМЭ) позволяет оценить эффективность проектируемых систем, оптимизировать их структуру, обнаружить допущенные недоработки, проверить теоретические расчеты.
Вместе с тем, сама разработка адекватной и эффективной с вычислительной точки зрения ИМ является сложной и трудоемкой задачей. Для ее решения используются специальные программные комплексы -системы имитационного моделирования (СИМ), предоставляющие разработчику необходимые инструменты для создания ИМ и проведения ИМЭ. К сожалению, современные СИМ, основанные на агрегативном, либо процессно-ориентированном подходах к формализации, не могут обеспечить должной эффективности при моделировании сложных, комплексных систем, содержащих как дискретные, так и непрерывные части.
Выходом, как правило, становится использование событийного подхода, обладающего достаточной универсальностью для моделирования как дискретных, так и непрерывно-дискретных систем. Трудность состоит в том, что в данный момент событийные СИМ на рынке не распространены, а разработка соответствующих ИМ «с нуля» пагубно влияет как на сроки разработки, так и на общее качество полученных ИМ - их надежность, наглядность, адаптивность.
7 В такой ситуации становится актуальной разработка СИМ, использующей событийный подход к формализованному описанию систем и позволяющей создавать эффективные в вычислительном плане, обладающие высокой надежностью и адаптивностью ИМ дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных систем.
Объект исследования. Система имитационного моделирования для построения дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.
Предмет исследования. Процесс разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.
Цель работы. Целью работы является снижение трудоемкости разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ, повышение их наглядности, надежности и адаптивности, за счет создания и использования универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ.
Задачи исследования. Для достижения поставленных целей были решены следующие научно-технические задачи:
1. Разработка методологии построения СИМ, включающей в себя концепции: автоматизированной поддержки событийного подхода; интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО); инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.
2. Реализация предложенной методологии в виде действующей СИМ Modelling.
8 3. Демонстрация возможностей созданной СИМ Modelling на примерах разработки ИМ сложных технических систем.
Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна:
1. Реализация автоматизированной поддержки событийного подхода для построения ИМ на основе графового представления структуры взаимосвязей временных и структурных модельных событий, используемого как на этапе формализации, так и на этапе создания имитационной программы (ИП).
2. Интеграция СИМ Modelling в среду разработки программного обеспечения (ПО) Delphi, что обеспечивает: - быстроту освоения СИМ пользователями, знакомыми с указанной средой; - автоматизированную поддержку разработки структуры ИМ и написания программного кода имитационной ИП; - высокую эффективность программного кода ИП; - отсутствие принципиальных ограничений со стороны ПО СИМ на возможность отображения моделируемых процессов любой природы и сложности;
3. Разработка универсального алгоритма продвижения модельного
9 времени, основанного на комбинации метода модельных событий и метода фиксированного шага, позволяющего реализовать дискретные, непрерывные и непрерывно-дискретные ИМ, обеспечивающего контроль точности свершения структурных событий, а также возможность управления изменением класса ИМ в процессе проведения ИМЭ.
На защиту выносятся следующие результаты исследований:
Разработанная методология построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ для разработки непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных ИМ, включающая концепции: автоматизированной поддержки событийного подхода, интеграции СИМ в среду разработки ПО, инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.
СИМ Modelling, реализующая предложенную методологию, а так же комплекс средств, обеспечивающих вспомогательную функциональность: группировку элементов модели и использование векторных модельных переменных при разработке структуры ИМ, гибкую настройку структуры ИМЭ, средства интерактивной отладки ИМ и проведения ИМЭ, автоматизацию сбора статистики, визуализацию результатов ИМЭ, генерацию отчетов по разработанным ИМ.
Научная значимость работы заключается в развитии методов автоматизации построения событийно-ориентированных ИМ различных классов.
10 Практическая значимость
1. Реализация предложенной методологии построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ в виде действующей эффективной СИМ Modelling, автоматизирующей разработку событийных ИМ и работу с ними на всех стадиях технологического процесса: формализации ИМ, создания и отладки ИП, проведении ИМЭ, обработки и представлении результатов моделирования. Включенные в СИМ средства позволяют существенно сократить сроки разработки событийных ИМ, повысить наглядность, надежность и адаптивность получаемых моделей.
2. Использование СИМ Modelling при создании ИМ сложных технических систем и проведении имитационных исследований.
3. Использование СИМ Modelling как эффективного инструментального средства для поддержки учебного процесса по курсу «Компьютерное моделирование систем» на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ.
Достоверность полученных результатов определяется обоснованным применением аппарата имитационного моделирования, результатами проведенных имитационных экспериментов по исследованию реальных систем.
Внедрение результатов. Созданная СИМ Modelling была использована для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ) по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета», по хоздоговору на выполнении составной части ОКР «Создание программного обеспечения имитационной модели системы спутникового наблюдения для системы МШ-33» (№30110-03020, З/к-2005).
СИМ Modelling активно используется на кафедре 302 МАИ для проведения лабораторных работ и курсового проектирования по курсу «Компьютерное моделирование систем», а так же для выполнения дипломных проектов.
Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 9 научно-практических конференциях, а так же на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.
СИМ Modelling прошла патентование в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство №2005611129).
Вклад автора в проведение исследований: - разработка концепций, лежащих в основе разработанной СИМ и способов их реализации; - разработка способов реализации комплекса вспомогательных инструментальных средств, упрощающих и облегчающих процессы разработки ИМ и проведения ИМЭ; - разработка программной реализации СИМ Modelling; - участие в разработке ряда ИМ сложных технических систем, демонстрирующих возможности СИМ Modelling.
12 Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3-х отчетах по НИР и 9 печатных работах, а так же представлены на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Объем диссертации 143 страницы машинописного текста, включает 60 рисунков и 4 таблицы.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и приводится общая характеристика работы.
В первой главе проведен анализ задач построения имитационных моделей, рассмотрены различные подходы к имитационному моделированию и современные СИМ, осуществлена постановка задачи разработки универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ.
Во второй главе приводятся выработанные концепции построения универсальной событийно-ориентированной СИМ, рассматриваются методы их реализации, рассматриваются способы реализации вспомогательных инструментов СИМ.
В третьей главе рассмотрена реализация СИМ Modelling: приводится структура разработанных программных модулей, указываются ограничения, накладываемые на использование СИМ, описывается технологический процесс разработки ИМ при помощи СИМ.
13 В четвертой главе описывается применение СИМ Modelling в учебном процессе на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ, а так же приводится описание реального примера разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ) с использованием СИМ Modelling, в контексте демонстрации возможностей СИМ по разработке и отладке моделей, проведения ИМЭ, обработке и визуализации результатов моделирования.
Анализ подходов к построению имитационных моделей (ИМ)
В настоящее время существует несколько основных подходов к построению ИМ. В первую очередь стоит выделить агрегативный подход, разработанный в трудах Н.П. Бусленко и И.Н. Коваленко [3, 4]. Основным понятием в этом подходе является агрегат (рис. 1.1) - математический объект, функционирующий во времени, способный принимать входные сигналы и выдавать выходные сигналы, находясь в каждый момент времени в некотором состоянии и способный изменять его самопроизвольно или под действием некоторых входных сигналов.
Формирование выходных сигналов определяется как результат реакции на входные сигналы или как результат выхода переменных состояния агрегата на установленные ограничения.
В процессе функционирования, при отсутствии входных сигналов, агрегат из некоторого начального состояния изменяет свое состояние в соответствии с заданным оператором перехода (Н), до тех пор, пока координаты состояния не выйдут на заданную границу (Tz). При этом происходит скачкообразное изменение состояние агрегата в одну из внутренних точек пространства состояний (Z) в соответствии с оператором перехода (Н ) и вырабатывается выходной сигнал (у) в соответствии с оператором выходов (С). Если в некоторые момент времени приходит входной сигнал (х), то агрегат скачкообразно меняет свое состояния в соответствии с оператором перехода (Н") и формируем выходной сигнал (у) в соответствии с оператором выходов (G").
В целом, ИМ представляется в виде набора взаимосвязанных агрегатов, отображающих различные части моделируемой системы и внешней среды (рис. 1.2). При этом агрегативный подход использует следующие предположения о формировании схемы сопряжения агрегатов в процессе ее функционирования: - к каждому входному контакту агрегата подключается не более одного элементарного канала, а к каждому выходному контакту может быть подключено любое количество таких каналов; - элементарные сигналы передаются в схеме сопряжения независимо друг от друга по каналам, соединяющим выходные и входные контакты агрегатов; - передача сигналов по каналам схемы сопряжения осуществляется без задержек и искажения, т.е. каналы считаются идеальными.
Важную роль в имитационном моделировании играет процессно ориентированный подход. Наиболее известным и распространенным его воплощением является язык GPSS, разработанный Дж. Гордоном. Главная идея данного подхода состоит в представлении структуры моделируемой системы в виде блок-схемы (рис. 1.3), а процесса фукционирования системы в виде движения по схеме транзактов [69].
Пример структурной схемы в процессно-ориентированной ИМ Схема содержит различные типы блоков, которые осуществляют: - генерацию появления в схеме новых транзактов; - вывод транзактов из схемы; задержку дальнейшего продвижения транзактов на заданное время; - выбор маршрута дальнейшего продвижения по заданному условию; - проведение разных вспомогательных действий: сбор статистики, вывод данных и др.
Таким образом, последовательное прохождение транзактов через блоки имитирует процессы, происходящие с объектами в реальной системе, что делает данный подход очень удобным для моделирования СМО и сводимых к ним систем.
В настоящее время этот подход особенно популярен, в связи с развитием графических средств ЭВМ, позволяющих визуально создавать различные схемы функционирования систем из очевидных для конечного пользователя элементов (например: при построении модели предприятия могут использоваться заранее заданные блоки: "Склад", "Бухгалтерия" и т.д., созданные на основе некоторого набора элементарных блоков). А затем при помощи автоматического транслятора данные схемы переводятся на тот или иной процессно-ориентированный язык. Необходимо заметить, что программы, реализованные на данных языках исполняются, как правило, интерпретаторами, что с одной стороны повышает их гибкость, но с другой -отрицательно сказывается на производительности. Так же, данный подход изначально не предполагал возможности реализации в модели непрерывных процессов - эта возможность и сейчас присутствует далеко не во всех процессно-ориентированных системах.
Концепция интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО)
При выборе среды для интеграции СИМ рассматривались несколько платформ-кандидатов.
Borland Delphi - среда для быстрой разработки приложений Windows, основанная на языке Object Pascal. Обладает наиболее удобными на данный момент визуальными средствами разработки приложений. Встроенный компилятор обеспечивает генерацию быстрого машинного кода. Delphi позволяет легко и удобно подключать дополнительные программные модули: как наборы библиотек вспомогательных процедур, функций и классов, так и расширения средств визуальной разработки программ.
MS Visual Basic - одна из наиболее развитых систем быстрой разработки приложений, обладает удобным интерфейсом, легка в освоении. Но ее серьезным отрицательным качеством является генерация очень медленного кода (из-за особенностей внутренней архитектуры), ограничения языка BASIC, на котором данная система основана, а так же достаточно неудобное подключения расширений (в т.ч. необходимость реализации компонентов в виде ActiveX модулей, что пагубно влияет на размеры и скорость работы конечных программ).
MS Visual C++ - наилучшая на сегодняшний день система разработки приложений для Windows, основанная на языке C++, позволяющая разрабатывать большие и сложные по структуре програмные комплексы, генерирующая наиболее быстрый на сегодняшний день машинный код. К сожалению, главным препятствием к использованию данной оболочки послужило неразвитость в ней визуальных средств разработки. Реализация же визуального конструктора отдельно от среды и последующая его интеграция, как вспомогательного инструмента, потребовала бы существенных трудовых затрат.
Borland Java Builder, Borland C++ Builder - аналогичные Delphi системы разработки фирмы Borland, основанные на языках Java и C++. При схожих с Delphi концепциях и реализациях первая не позволяет генерировать достаточно быстрый машинный код, а вторая не отличается высокой стабильностью работы (кроме того, в данный момент ее поддержка практически прекращена).
Borland С# Builder, MS Visual С# - достаточно новые среды программирования, основанные на языке С# и технологии .Net . Обе сочетают удобство визуальной разработки экранных форм и широкие возможности языка С#. К сожалению, генерируемый ими код (за счет архитектурных особенностей .Net) не ориентирован на высокую скорость, что (при всем сопутствующем удобстве) делает их использование в моделировании недостаточно эффективным.
По результатам сравнения наилучшим вариантом для разработки СИМ была признана среда Borland Delphi, которая выделилась следующим набором качеств: - развитые визуальные средства разработки (визуальный конструктор программ, средства задания параметров элементов при помощи специализированных экранных форм); - удобство подключения модулей расширения (возможность быстрой разработки и оперативного включения в среду новых программных библиотек и наборов компонентов); - генерация быстрого машинного кода (в том числе, за счет использование встроенных средств оптимизации); - использование в основе языка Object Pascal [6, 11, 55], обладающего большими возможностями и широко используемого в качестве базового языка для обучения.
Кроме того, дополнительными факторами стали: - широкое распространение этой среды в мире и особенно в России (за счет исторически сложившегося распространения языка Pascal); - наличие огромного числа дополнительных компонент к этой системе, как фирменных, так и от сторонних разработчиков.
Интеграция СИМ в среду Borland Delphi позволила реализовать идею визуального конструктора, который предоставляет пользователю возможность создавать структуру ИМ визуально, используя готовый набор типовых элементов, а также задавать их характеристики при помощи экранных форм. Основой такого конструктора - «строительной площадкой» -должен стать компонент-контейнер
Ограничения СИМ Modelling
Ограничения разработанной СИМ, с точки зрения ее программной части, проистекают, главным образом, от ограничений среды Delphi и используемой ОС MS Windows.
1. Ограничения на используемую память: максимальный возможный объем используемой оперативной памяти может составлять до 2Гб.
2. Ограничения на размеры индексов: теоретический максимальный размер массивов элементов, списков и т.п. может быть не более 2Л31 (2147483648) элементов.
3. Ограничения на использование СИМ: разработанная СИМ может использоваться только совместно со средой Borland Delphi версии 7. Использование компонентов в других средах разработки не поддерживается, в связи с ориентированием на внутренние механизмы интеграции Delphi.
4. Ограничения на использование готовых ИП: готовые ИП могут исполняться на компьютерах под управлением ОС MS Windows 98/2000/ХР.
Как видно, указанные ограничения СИМ являются в целом характерными для большинства приложений MS Windows, а ограничения на использование СИМ в Delphi 7 - обуславливается естественными причинами и потенциально может быть снято путем перекомпиляции и доработки модулей СИМ для совместимости с другими версиями среды разработки Delphi.
Ограничения СИМ, с точки зрения ее области применения, проистекают от применимости событийного подхода к тем или иным задачам моделирования.
Наиболее эффективно использование событийного подхода для формализации сложных непрерывно-дискретных АСОИУ (глобальных авиационных и космических систем, диспетчерских служб, промышленных процессов), в которых, как правило, легко выделяются основные события, происходящие в процессе функционирования, и устанавливаются логические связи между ними. Данная формализация удобна и с точки зрения лиц принимающих решения, т.к. позволяет абстрагироваться от сложной внутренней структуры системы и сосредоточить внимание на конкретных важных моментах ее функционирования.
Применение событийного подхода возможно и для реализации различных СМО (магазинов, библиотек, информационных и транспортных систем), которые могут быть представлены в виде набора взаимосвязанных событий (вход заявки, ее обработка, потеря и т.п.).
Присутствие в СИМ средств задания непрерывных процессов делает возможным ее успешное применение для моделирования различных динамических систем (в том числе: физических процессов, механизмов, биологических систем), которые могут быть представлены в виде систем дифференциальных уравнений. Полученные модели могут быть как чисто непрерывными (когда рассматривается только функционирование взаимодействующих непрерывных процессов на заданном временном интервале), так и непрерывно-дискретными (когда в модели присутствуют структурные события, задающие необходимые действия при выполнении условий, наложенных на переменные состояния).
Трудно формализуемыми с точки зрения событийного подхода являются сложные модели комплексов аналоговых электрических устройств (например - моделирование прохождения сигналов в электрических схемах) или гидравлических систем, в которых затруднено выделение событий, а написание систем дифференциальных уравнений затруднено из-за их большого объема и сложности.
Пример применения СИМ Modelling для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ)
На протяжении последних двух лет СИМ Modellig используется на кафедре 302 МАИ в качестве одного из основных средств обеспечения учебного процесса по курсу «Компьютерное моделирование систем». Данная СИМ является инструментом для проведения лабораторных работ, выполнения курсового и дипломного проектирования.
Легкость освоение и удобство использования СИМ позволяют студентам в условиях ограниченного времени разрабатывать модели различных систем и проводить заданные имитационные эксперименты. Среди учебных примеров:
- модели работы торговых сетей, с отслеживанием динамики изменения количества товаров в магазинах и на складах;
- различные модели СМО, описывающие объекты из реальной жизни (аэропорты, библиотеки, морские порты, магазины), на которых решаются задачи по определению эффективности работы различных конфигураций систем;
- модели производственных систем и вычислительных сетей, на которых демонстрируются процессы отказов и восстановления после сбоев, изучаются механизмы резервирования и оценивается их экономическая эффективность;
- непрерывно-дискретные модели технических систем - радиолокаторов, летательных аппаратов и др. - демонстрирующие различные стороны функционирования реальных объектов. Одним из наиболее интересных примеров использования СИМ Modelling является разработка с ее помощью ИМ движения трамваев в районе станции метро Щукинская (рис. 4.1), выполненная в рамках одного из курсовых проектов. На модели были изучены механизмы возникновения трамвайных пробок и произведена проверка гипотез о методах борьбы с этой проблемой.
1 Визуализация ИМ движения трамваев (показываются процессы перемещения трамваев и работа светофоров) Другим примером применения СИМ является ИМ автоматизированной системы управления противовоздушной обороны (АСУ ПВО), в которой моделируются процессы (рис. 4.2): налета воздушных объектов (ВО) на объекты в зоне ответственности АСУ; формирование радиолокационной информации (РЛИ) о воздушной обстановке; функционирования алгоритмов управления при принятии и реализации решений; наведения и воздействия активных средств (АС) по ВО; атаки не перехваченными ВО охраняемых наземных объектов.
Визуализация ИМ АСУ ПВО (показываются траектории моделируемых объектов) На основе разработанной ИМ проводились исследования эффективности системы по различным критериям, в том числе: суммарная остаточная важность обороняемых объектов, отношение числа бомбардировщиков пораженных до бомбометания к общему числу пораженных, рубеж перехвата воздушного объекта по отношению к пусковой установке. Созданная ИМ обеспечивает возможность проведения интерактивных ИМЭ и используется при проведении лабораторных работ в рамках курса «Проектирование автоматизированных систем управления». СИМ Modelling была использована в ряде НИР, для разработки ИМ различных спутниковых систем и проведения ИМЭ для оценки их эффективности по заданным критериям [38, 39, 40]. В следующем разделе приводится описание одной из указанных ИМ, в разработке которой принимал участия автор данной диссертационной работы.
