Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ДИСКРЕТНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕШ СЕТЕВОЙ СТРУКТУРЫ. ЗАДАЧИ И СРЕДСТВА ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ 10
1.1. Понятие дискретной динамической системы сетевой структуры (ДЦССС) 10
1.2. Связь ДЦССС с другими математическими моделями 12
1.3. Примеры ДЦССС 13
1.4. Особенности средств имитации ДЦССС. Сбор статистики 14
1.5. Организация моделей 18
1.6. Представление типовых элементов ДЦССС 21
ГЛАВА 2. КЛАССЫ СТАТИСТ И ССШ 25
2.1. Выбор базового языка 25
2.2. СТАТИСТ 26
2.2.1. Назначение и состав 26
2.2.2. Представление гистограмм в классе СТАТИСТ 27
2.2.3. Особенности представления выборок в классе СТАТИСТ 31
2.2.4. Представление ТФЭ 33
2.2.5. Представление простой переменной 35
2.3. Класс ССШ 35
2.3.1. Основные проблемы реализации 36
2.3.2. Структура- и состав класса ССШ 37
2.3.3. Краткое описание программ класса. ССМО 41
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ В МАССЕ ССМО. ЖДЕШ ШЖРЕТІЖ СИСТЕМ 64
3.1. Построение блок-схемы и генерация программ 64
3.2. Модель сцд каш СО АН СССР 66
3.2.1. Структура моделируемой СПД 66
3.2.2. Структура модели 68
3.2.3. Нестандартные блоки модели 74
3.2.4. Результаты моделирования 76
3.3. Модель СЦД ННЦ 82
3.3.1. Описание нестандартных блоков 89
3.3.2. Пример моделирования 91
3.4. Модель системы многоступенчатого ремонта сложного оборудования 94
3.5. Модели информационного обмена, задачи АСУ с внешней памятью ЭВМ 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 105
ЛИТЕРАТУРА 109
- Понятие дискретной динамической системы сетевой структуры (ДЦССС)
- Представление гистограмм в классе СТАТИСТ
- Построение блок-схемы и генерация программ
Введение к работе
В диссертационной работе приводятся результаты исследований и разработок, направленных на решение актуальной научной задачи - создания средств автоматизации моделирования дискретных динамических систем сетевой структуры (ДДССС) на базе расширяемой системы программирования СИМУЛА-67. Прикладная направленность диссертации определяется реализацией на базе отечественных компиляторов СИМУЛА-67 на БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ системы, ориентированной на моделирование сложных технических систем сетевой структуры, таких как вычислительные системы, сети связи и передачи данных,системы технического обслуживания и ремонта.
Исследования по теории и практике имитационного моделирования на ЭВМ ( simulation ) успешно развиваются как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее известны работы:
По методам статистического моделирования на ЭВМ: Бусленко Н.П., Гнеденко Б.В., Глушкова В.М., Ермакова СМ., Коваленко И.И., Марчука Г.И., Михайлова Г.А., Поляка Ю.Г., Klejnen J. Р.С, Naytor Т. К, Sh&rmon R.E. и др.
По средствам автоматизации моделирования: Бусленко Н.Н.,
Калиниченко Л.А., Марьяновича Т.П., Нечепуренко М.И., Суркова
Е.М., Чинина Г.Д., Чистова В.П., Яковлева Е.И., biriwhisiie G.M., DaM 0-3., F.shman G5V Jones MM, Kinc/ler Ev KiWat P. J., Krasnow H. S. и др.
3. В области методов моделирования вычислительных систем:
Артамонова Г.Т., Бабаяна Б.А., Башарина Г.П., Литвинова В.В., Лебедева С.А., Максимея И.В., Мельникова В.В., Митрофанова Ю.И., Мямлина А.И., Когана Я.А., Пирогова Б.В., Пранавичуса Г.У Franta W. Rv Gordon Gv Palm J. и dp.
Развитие теории и методов применения имитационных моде- лей сопровождалось ростом числа языков и систем моделирования, предназначенных для автоматизации описания таких моделей. Только на отечественных ЭВМ реализованы языки НЭДИС[1М21 , СИМУЛА [2,131 , СИМУЛА-67 [зА-К] , ШСС[М8], МОДУС [26], ДИСІ32] , МСИМ [23] , М0ДЕЛЬ-6[33] , СТИМОЛ 1*6] f и некоторые другие. Велико количество пакетов моделирования на универсальных языках программирования типа ФОРТРАН, АЛГОЛ и ПЛ/І (ДИСП [211 на ШІ/І, № LS] - на ФОРТРАН-ІУ, КИЩС [251 -на АЛГОЛИ).
Наряду с универсальными средствами моделирования успешно развиваются языки и пакеты моделирования [6, г5,26,2ч,зр] ориентированные на конкретные классы систем. Создание таких специализированных средств позволяет, как правило, поднять эффектив -ность и наглядность программирования конкретных классов систем.
Цель данной диссертационной работы заключается в проведении исследований, связанных со специализацией системы СИМУЛА-67 на моделирование дискретных динамических систем сетевой структуры, в частности вычислительных систем и сетей передачи данных, а также программная реализация указанной специализации.
К разрабатываемому расширению предъявлялись следующие требования: а) реализуемые функции должны позволять быстро строить модели систем сетевой структуры; б) полученные модели должны быть лаконичны и наглядны; в) должны быть реализованы средства автоматического сбора стандартной статистики (статистики по очередям, приборам и т.п.) и средства ее наглядного отображения; г) расширение должно удовлетворять стандарту языка СИМУЛА- 67 С і4 ] и допускать эффективную реализацию в рамках создава- ёмой НФ ИТМиВТ АН СССР системы программирования СИМУЛА-67 на МВК "Эльбрус"; д) реализуемый набор средств должен быть достаточно универсальным и расширяемым, т.е. должен подходить для возможно более широкого спектра ДЦССС.
Новизна настоящей разработки заключается в реализации средств моделирования ДЦССС расширением языка СИМУЛА-67, содержащего в себе средства моделирования параллельных взаимодействующих процессов, что позволяет, в частности, погружать модель (модели), созданную с помощью разработанных средств, в объемлющую модель, реализованную собственными средствами языка. Разработка является первым в отечественной практике опытом создания специализированных классов моделирования языка СИМУЛА-67.
Реализация средств моделирования ДЦССС в рамках СИМУЛА-67 -наиболее мощного из получивших всемирное распространение языков моделирования, - определяет и практическую значимость работы. Необходимо отметить, что большую эффективность принятый подход будет иметь при реализации СИМУЛА-67 на более мощных отечественных вычислительных средствах, в частности, на МВК "Эльбрус".
Представленная в диссертации система моделирования реализована в виде классов СТАТИСТ и ССМО, описывающих средства сбора, обработки и выдачи результатов имитационного моделирования и средств собственно моделирования ДЦССС, соответственно.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и 6 приложений.
В первой главе разработана и исследована обобщенная кон -цепция дискретных динамических систем сетевой структуры (ДЦССС), развивающая концепцию ГПСС- системы и отличающаяся расширенным составом стандартных блоков сети, допустимостью изменения струк- туры во времени и широким набором средств сбора и обработки статистической информации. В этой главе дается связь ДЦССС с другими абстрактными моделями сложных систем, приводятся особенности средств их имитации. Здесь же обсуждается состав стандартных блоков, желательных в системах моделирования ДДССС.
Отдельный раздел главы I посвящен обоснованию методов оптимальной организации, управления процессами в модели, в частности методам синхронизации событий. Исследования основываются на анализе обобщенной схемы модельного эксперимента с ДЦССС.
Вторая глава диссертации посвящена программной реализации библиотеки моделирования ДЦССС. С этой, целью исследованы раз." -личные способы реализации функций выделенных стандартных блоков средствами СИМУЛА-67 и определены условия их предпочтительного, с точки зрения минимизации затрат на моделирование, использования. Определяющими являются реализации блоков задержки (произвольного числа требований на программно управляемые времена); блоков прерывания обслуживания (с обеспечением последующего дообслуживания); блоков синхронизации.
На основании проведенных исследований разработан класс ССМО системы СИМУЛА-67, предназначенный для имитационного моделирования ДЦССС. Класс ССМО реализует функции 26 стандартных блоков и обеспечивает распределенное и смешанное управление процессами.
Отличительными свойствами класса ССМО являются: реализация функций стандартных блоков активными процессами (в отличие от [58,Т4-7Ь] t где подобные фушции реализованы процедурами); адекватность графического представления модели тексту ее генерации; - обеспечение возможности использования в моделях нестан дартных блоков.
Последнему свойству уделялось особое внимание, так как оно позволяет строить на базе класса ССМО более специализированные библиотеки моделирования.
Часть программ, реализующих статистическое обеспечение имитационного эксперимента, отсутствующее в стандарте СИМУЛА-67, реализована в виде отдельного класса СТАТИСТ, префиксного по отношению к классу ССМО, что позволяет его самостоятельное использование.
Класс СТАТИСТ системы СИМУЛА-67, предназначен... для динамического сбора, обработки и выдачи на печать результатов имитационного моделирования. Б рамках класса представлены описания структур данных, соответствующих одно - и двумерной гистограммам, выборке простой отслеживаемой переменной и таблице факторного эксперимента, а также процедуры их обновления, обработки и выдачи. Имеется возможность автоматического построения шаблонов гистограмм.
В третьей главе на конкретных примерах рассматривается методолгия применения нлассов СТАТИСТ и ССМО для моделирования ДДССС. Рассмотрены модели:
СІЩ БК КП Новосибирского научного центра (первая очередь);
СЦЦ ВК КП Новосибирского научного центра (вторая очередь) ; системы многоступенчатого ремонта сложного оборудования; процесса информационного обмена задачи АСУ с внешней памятью ЭВМ.
Все программирование велось в рамках систем СИМУЛА-67 для БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ [3,4] , разработанных в ИПМ АН СССР им.Келдыша.
Тексты программ и фрагменты выдачи результатов приведены в приложении. Там же приврдится таблица графических изображений стандартных блоков класса ССМО.
Работа проводилась в Вычислительном центре СО АН СССР по планам АН СССР на 1977-1980 г.г. и I98I-I985 г.г. (Тема "Развитие теории и методов системного моделирования", per. J6 780I582I; тема "Развитие теории и разработка пакетов программ решения задач анализа и синтеза сложных систем",per. № 81032955). В части разработки классов моделирования и сбора статистики работы проводились по теме "КЛАСС-СИМУЛА" в соответствии с координационным планом совместных работ СО АН СССР с МРП на 1978-85 годы (пункт РП 0301), а также по хоздоговорам ВЦ СО АН СССР с ИТМ и ВТ, Объединением Авиазагранпоставка (г.Москва) и НПО ПМ (г. Красноярск).
Основные результаты докладывались на: Всесоюзной конференции "Вычислительные системы, сети и центры коллективного пользования" (г.Новосибирск, 1978); Всесоюзной конференции "Имитационные модели в АСУ" (Новосибирск, 1979); Всесоюзной школе-семинаре по имитационному моделированию (Киев, 1979); Межотраслевой конференции "Прикладные проблемы моделирования систем связи" (Ташкент, 1980); Ш Всесоюзном семинаре "Моделирование дискретных управляющих и вычислительных систем" (Свердловск, 1981); Советско-французском симпозиуме по теме сотрудничества 7 проблемы "Информатика" (Иркутск, 1982).
По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ.
Понятие дискретной динамической системы сетевой структуры (ДЦССС)
Под ДДССС будем понимать систему, представшую в любой момент времени і (здесь и далее под временем понимается модельное время) в виде совокупности С СО узлов VV выполняющих функции по порождению, уничтожению, пересылке и обработке (изменению параметров) требований rTR(t), TR( l = T »0O . Выполнение функций узла может потребовать ненулевого времени, в связи с чем на входах узлов могут образовываться очереди.
Примем обозначения:
Т - ось времени;
РАГ(1Г) _ множество параметров требования;
Ьг/Ш _ множество требований, обрабатываемых узлом v в момент времени і ;
air(t) - множество атрибутов (параметров)узла і/ в момент времени t ;
S(tJ _ состояние системы в момент времени t ;
- внешняя среда, в которую считается погруженной ДДССС;
СЕ СО _ множество параметров внешней среды;
Ov () _ множество последователей узла v , то есть множество узлов, на которые возможна передача требований, отработанных либо порожденных в узле v .
В принятых обозначениях правило действий узла v- определяется значениями Рак (г) для всех tr 6 S ( 0 , значениями элементов схаШ и значениями элементов G (О . 1 общем случае могут учитываться и множества 2и СО других узлов. Само правило действий можно представить совокуп -ностью трех функций;
Fj : VxTR T - TR - порождения новых требований;
Fc : V TR T-»TR - изменения параметров обрабатываемых требований;
Fj-. V TRxT — V - определения следующего узла.
Любая из функций может быть пустое значение. Пустое значение функции Fj соответствует удалению требования из ДЦССС.
Состояние системы S(4) определяется набором составляющих ее узлов С (t) , их атрибутами, структурой системы (совокупностью множеств Ov 60 ), распределением требований по узлам (разбиением TR C) на о- (±) ) и параметрами требований.
Считается, что любое изменение состояния системы (событие) происходит мгновенно во времени, при этом изменение значений О-хг Сі) возможно в произвольные моменты времени, а изменение значений Par (1г) - лишь в моменты выхода требования irr из обрабатывавшего его узла.
Представление гистограмм в классе СТАТИСТ
В классе СТАТИСТ выборка представляется массивом переменной размерности. Массив описывается как атрибут специального класса ЬМАС. При заполнении массива его элементы копируются в список, после чего порождается новый экземпляр класса ЬМАС с длиной массива, увеличенной на заданную при генерации выборки величину и элементы массива восстанавливаются из списка. Старый экземпляр класса ЬМАС возвращается в свободную память.
В целом же выборка описывается классом ЕХТ и включает, кроме массива (то есть класса ЬМАС), процедуры обновления выборки и расчета векторов средних, дисперсий, коэффициентов эксцесса и асимметрии, а также коэффициента кореляции между заданными компонентами вектора наблюдений.
Построение блок-схемы и генерация программ
МО являются транзитно -ориентированными, то есть они описывают изменения состояния системы, происходящие при движении по ней в общем случае неоднородных требований.
В соответствии с этим блок-схема строится по следующему правилу:
(а) в системе выделяются классы требования;
(б) для каждого из классов требований строится блок схема их движения. Блок-схемы могут пересекаться;
(в) при затруднении в описании того или иного участка пути требования стандартными блоками, в блок-схему вставляется нестандартный блок с указанием проводимых им действий.
Одновременно с построением блок-схемы модели определяется количество параметров для каждого из классов требований. Оно складывается, как правило, из параметров, необходимых для сбора специфической, для данной модели статистики, параметров, необходимых для работы нестандартных блоков и параметров, используемых для настройки стандартных блоков (например, требование может нести в себе номер занимаемого им прибора, номер распределения для блока ADVANCE , номер следующего по блок-схеме блока для блока TRANSFER и так далее).
После завершения построения блок-схемы проводится уточнение числа и режима использования приборов, накопителей, очередей, распределений и других вспомогательных классов и процессов.
