Краткие сведения о специализированных языках и проблемно-ориентированных системах имитационного моделирования

Реализация требований к имитационным моделям в рамках универсального языка программирования приводит к громоздким и неудобным для практического использования программам. В большинстве таких программ могут разобраться только их авторы, а любое изменение в постановке задачи требует переработки значительной части текста программы.

Более того, даже при создании специализированных языков имитационного моделирования в зависимости от концептуальной направленности их авторов можно выделить четыре основных класса, которые перечислим в соответствии с классообразующим признаком:

1 – доработка универсального языка группой операторов, реализующих необходимые функции. Этот путь наиболее простой и в литературе приводится много языков, незначительно отличающихся друг от друга.

Наибольшее распространение в этом классе получил язык GASP, который может быть реализован на любой вычислительной системе, имеющей в программной среде компилятор с FORTRAN-IV. Существенным недостатком класса является отсутствие концептуальной выразительности и средств для проверки логики имитационной модели;

2 – ориентация на системы дифференциальных уравнений, удобная для реализации группы исследовательских моделей, породила класс языков, ярким представителем которого является DYNAMO и распространенный в России его диалект ИМИТАК.

Подробно идеология языка ИМИТАК изложена в монографии с большим количеством примеров. Но концепция, опирающаяся на понятия математической физики, оказалась не очень удобной для экономических расчётов.

Оставшиеся языки многие исследователи делят на две школы: школу фирмы IBM, где применяется язык GPSS, использующий в качестве дескрипторов схемные символы, и школу, использующую операторные языки;

3 – применение операторов приводит к построению моделей на основе аналитического расчленения изучаемого процесса на условия, необходимые для выполнения действий, результаты этих действий, а также временные взаимозависимости между элементами системы и действиями, в которых они участвуют.

Примером такого языка может служить SIMSCRIPT, пока не нашедший широкого применения в исследовательской практике;

4 – в языке GPSS, ориентированном на процессы, моделирование системы производится путем движения транзактов через блоки действий. Решения принимаются в результате воспроизведения логики функционирования моделируемой системы, которая представляется в виде блоков.

При моделировании исследователем, не владеющим программированием, необходимо отдать предпочтение наиболее наглядному и простому языку GPSS. Не менее важным достоинством GPSS является его распространенность и наличие версии языка для персональных компьютеров.

По причине значительной трудоемкости имитационное моделирование применялось только как метод исследований в научной деятельности и крайне редко – в практической работе. Однако, задачи практики требовали создания языков моделирования, более применимых в работе по управлению объектами более широкого класса, нежели уникальные научные установки. И к середине 80-х годов было создано в основном американскими фирмами, по данным Емельянова А.А., более 20 различных систем. К числу них относились уже упомянутые выше GASP, SIMULA, GPSS и SLAM.

Process Charter-1.0.2

Process Charter-1.0.2(Процесс Чартер), разработчик – компания Scitor, Калифорния, США.

Процесс Чартер ориентирован на дискретное моделирование, удобный и простой в построении модели, самый дешевый из представленных продуктов, но ориентирован в основном на распределение ресурсов, слабая поддержка моделирования непрерывных компонент и недостаточно средств для построения диаграмм.

Powersim-2.01

Powersim-2.01 (Пауерсим), разработчик компания Modell Data, Берген, Норвегия.

Пакет Пауерсим, наоборот, является лучшим средством для построения непрерывных моделей, имеет множество встроенных функций, многопользовательский режим для коллективной работы группы исследователей с моделью, средства обработки массивов для упрощения создания аналогичных моделей. К недостаткам можно отнести сложную специальную систему обозначений и ограниченную поддержку дискретного моделирования.

Lthink-3.0.61

Lthink-3.0.61 (Лтинк), разработчик компания High Performans Systems, Ганновер, Германия.

Пакет Лтинк комбинирует достоинства первых двух программных средств и эффективно работает как с дискретными, так и с непрерывными моделями посредством встроенных блоков, имеется подробная обучающая программа, поддерживаются значительное количество форматов входных данных, развиты средства анализа чувствительности, имеется поддержка моделирования слабо подготовленными пользователями. К недостаткам можно отнести сложную систему обозначений и поддержку меньшего числа функций по сравнению с Пауерсим.

Extend+BPR-3.1

Extend+BPR-3.1 (Экстенд+БПР), разработчик – Imagine That!, Сан-Хосе, США.

Пакет, Экстенд+БПР, специально предназначен для анализа бизнес-проектов и также поддерживает дискретное и непрерывное моделирование. К числу достоинств нужно отнести понятную среду построения моделей с помощью блоков, множество встроенных блоков и функций для облегчения конструирования моделей, средства построения дополнительных функций посредством встроенного языка. К сожалению, данный пакет используется в достаточном объеме только на компьютерах Макинтош и имеет высокую стоимость порядка 1200 долларов.

ReThink

ReThink (Ретинк), разработчик – Gensym, Кембридж, Массачусетс, США.

Пакет Ретинк обладает основными свойствами Экстенд и имеет хороший графический транслятор для создания моделей, но работает под управлением экспертной системы G2, работающей в режиме реального времени. Недостатками являются слабая поддержка создания непрерывных компонент, необходимость экспертной системы, которая далеко не всегда необходима при моделировании, и высокая стоимость.

Piligrim-2.1

Piligrim-2.1 (Пилигрим) совместной разработки МегаТрон, Москва, Keisy, Гаага, Нидерланды и Энит, Таллин, Эстония.

Попытки создать универсальную систему моделирования привели к созданию системы Пилигрим, которая популярна в Европе и России. Пакет обладает широким спектром возможностей имитации временной, пространственной и экономической динамики моделируемых объектов. Разрабатываемые модели имеют качество коллективного управления процессом моделирования. Стоимость пакета ниже, чем Ретинк и экспертная система G2. К недостаткам можно отнести лишь отсутствие графического транслятора.

Arena-BE 3.6.1

Arena-BE 3.6.1, разработчик –Systems Modeling (Rockwell Software),

Одним из наиболее эффективных инструментов имитационного моделирования является система Arena компании Systems Modeling Arena позволяет строить имитационные модели, проигрывать их и анализировать результаты такого проигрывания. Имитационное моделирование – это универсальное средство для оптимизации процессов, поэтому модели с помощью Arena могут быть построены для самых разных сфер деятельности – производственных технологических операций, складского учета, банковской деятельности, обслуживания клиентов в ресторане и т.д. и т.п.

Имитационная модель компании Systems Modeling включает следующие основные элементы: источники и стоки (Create и Dispose), процессы (Process) и очереди (Queue). Источники – это элементы, от которых в модель поступает информация или объекты. Скорость поступления данных или объектов от источника обычно задается статистической функцией. Сток – это устройство для приема информации или объектов. Понятие очереди близко к понятию хранилища данных – это место, где объекты ожидают обработки. Времена обработки объектов (производительность) в разных процессах могут быть разными. В результате перед некоторыми процессами могут накапливаться объекты, ожидающие своей очереди. Часто целью имитационного моделирования является минимизация количества объектов в очередях. Тип очереди в имитационной модели может быть конкретизирован. Очередь может быть похожа на стек: пришедшие последними в очередь объекты первыми отправляются на дальнейшую обработку (LIFO: last-in-first-out). Альтернативой стеку может быть последовательная обработка, когда первыми на дальнейшую обработку отправляются объекты, пришедшие первыми (FIFO: first-in-first-out). Могут быть заданы и более сложные алгоритмы обработки очереди. Процессы – это аналог работ в функциональной модели. В имитационной модели может быть задана производительность процессов.

Предметный указатель

А

Автомат, 58

асинхронный, 60, 61, 64

без памяти, 60

вероятностный, 67

детерминированный, 60, 64

конечный, 58, 59

Мили, 60

Мура, 60

с памятью, 60

синхронный, 60

Адекватность, 17

Алгоритм, 16, 17

Алгоритмизация моделирования, 93

Антирефлексивность, 48

Антисимметричность, 49

Асимметричность, 49

Б

Базис пространства, 76, 81

Безопасность сетей Петри, 116

Бинарные отношения

антирефлексивные, 48

антисимметричные, 49

асимметричные, 48

задание графа предпочтений, 47

задание сечений, 47

матричный способ задания, 46

непосредственное перечисление, 46

отрицательно транзитивные, 49

рефлексивные, 48

сильно транзитивные, 49

симметричные, 48

транзитивные, 49

Битовая карта, 147

масштабируемая, 147

В

Векторы

векторное произведение, 73

выходных переменных, 71

единичный, 73

линейная оболочка, 76

линейно независимые, 74

ортогональные, 73

скалярное произведение, 72

Вероятность отказа в обслуживании, 96, 108

Вершина графа, 51, 203

изолированная, 52, 204

нечетная, 212

четная, 212

Воздействие

единичное ступенчатое, 30, 31, 68

Вырожденность, 74

Г

Граф, 51, 52, 53, 54, 203

вероятностный, 52

взвешенный, 52

неориентированный, 51

однородный, 213

ориентированный, 51

планарный, 211

плоский, 209, 210

полный, 205

предпочтений, 51

раскрашенный, 52

стохастический, 52

Группа функций (ИСМ РДО)

модели, 141

моделирования, 142

помощи, 142

просмотра, 142

редактирования, 141

Д

Действие (метод РДО), 132

Дефект

матрицы, 74

произведения матриц, 74

Динамика

моделей, 29

развития и использования моделей, 93

Дисциплина обслуживания, 100

без приоритетов, 100

круговая, 100

с приоритетами, 100

Дополнение алгебраическое, 200

Достижимость сети Петри, 117

Дуги (ребра) графа, 47, 51, 204

Ж

Живость сети Петри, 117

И

Имитатор продукционный, 136, 144

Имитационное моделирование, 40, 119

Имитационный эксперимент, 121

Ингерентность, 18, 94

Интегрирование

... матриц, 199

... численное, 89

Испытания комплексные, 40

Истинность, 18

К

Кадр анимации, 137, 145, 148, 149

имя, 145

условие показа, 145

Класс

аналитических моделей, 39

гипотетических моделей, 38

гладких систем, 58

дискретных систем, 58

имитационных моделей, 40

конечных автоматов, 58

линейных систем, 58

математических моделей, 18, 38, 39, 57

наглядных моделей, 38

натурных моделей, 40

непрерывных систем, 58

символических моделей, 38

специализированных языков ИМ, 220

Комментарий

прогона, 137

проекта, 137

Конвертор, 139

Конечность, 17

Конструирование, пример, 94

Корреляционный момент, 175

Критерий

полной наблюдаемости, 86

полной управляемости, 85

... статистический согласия

... Колмогорова, 177

... Пирсона, 178

... Смирнова, 178

... Стьюдента, 179

... Фишера, 179

М

Макет, 38

Маркировка сети Петри, 113

Матрица, 192

действительная, 196

диагональная, 194

единичная, 195

инволютивная, 202

квадратная, 63, 76, 82, 194

комплексно-сопряженная, 195

кососимметрическая, 195

косоэрмитова, 196

мнимая, 196

многократно вырожденная, 74

модальная, 79

нулевая, 195

обратная, 201

объекта, 71

однократно вырожденная, 74

ортогональная, 202

присоединенная, 79, 201

просто вырожденная, 74

симметрическая, 81, 195

сопряженная, 196

столбец, 194

строка, 194

транспонированная, 195

унитарная, 202

управления, 71

эрмитова, 196

Метод исследования

аналитический, 39

качественный, 39

численный, 39

... интегрирования Рунге-Кутта, 90, 92

... третьего порядка, 90

... четвертого порядка, 90

Эйлера, 90

Методы оценки, 172

Микроуровень, 11, 36

Минор, 200

Многочлен характеристический, 77

Модели

алгоритмические поведенческие, 119

идеальные, 19, 23

материальные, 19

Моделирование

идеальное, 38

имитационное, 119, 161

– искусство, 95

реальное, 38

Модель

абстрактная, 14, 15, 19, 23, 43,

аналитическая, 10, 39, 57, 96

аналоговая, 38

белый ящик, 55, 56, 58

вероятностная, 27

вещественная, 19

гипотетическая, 38

детерминированная, 27

динамическая, 29

дискретная, 28

знаковая, 24, 39

идеальная, 14, 15, 19, 23, 38

имитационная, 11, 39, 40, 119, 120, 122, 126, 127, 136, 163, 222

кибернетическая, 41, 162

комбинированная, 28, 39

математическая, 13, 14, 18, 19, 38, 39, 57, 58, 68, 96, 120, 123

материальная, 19

массового обслуживания

... многоканальная, 98, 99

... с ожиданием, 99

... с отказами, 98

... одноканальная, 97

... с ожиданием, 97

... с отказами, 97

наглядная, 38

натурная, 40

непрерывная, 28

нестационарная, 35

познавательная, 26

прагматическая, 26

символическая, 38

символьная, 39

состава системы, 44, 45, 55

статическая, 29

стационарная, 35

стохастическая, 11, 52, 163

структурная схема системы, 54, 55

структуры системы, 45, 56

физическая, 41

черный ящик, 43, 44, 55

языковая, 23, 24, 25, 39

Н

Наблюдаемость, 86, 87

Независимость факторов, 164

Несмещенность оценки, 173

Нестационарность, 35

Норма вектора, 73

О

Объект, 9–16, 20, 27, 29, 36–41, 44, 46, 54, 65, 67, 71, 72, 96, 100, 112–122, 131, 134–147, 161–167, 180, 220, 222

изображения, 147

модели, 138, 139

образцов, 137

операций, 140

прогона, 138

результатов, 142, 144

ресурсов, 139

типов ресурсов, 139

трассировки, 142, 144

Ограниченность сети Петри, 116

Оператор языка GPSS

Advance, 153

Assemble, 152

Assigne, 157

Depart, 155

Enter, 154

Function, 152

Gate, 157

Gather, 153

Generate, 151

Leave, 154

Logic, 157

Match, 158

Queue, 155

Release, 153

Seize, 153

Split, 152

Start, 156

Terminate, 156

Test, 155

Transfer, 156

Variable, 158

Операция

дифференцирования, 70

в методе РДО, 132–134, 139

Описание

фоновой картинки, 145

элементов отображения, 146

Определитель Грама, 74–75

Ординарность потока заявок, 101

Отношение, 19–22, 24, 25, 32, 34, 45–50, 179

доминирования, 50

нестрогого порядка, 50

подобия, 19

строгого порядка, 50

эквивалентности, 50

Отображение, 57, 59, 145

выхода, 57

переходное, 57

Отсутствие последействия, 101

Ошибка 89, 167, 184

локальная усечения, 89

случайная испытания, 167

среднеквадратическая, 190

П

Переменная

экзогенная, 43

эндогенная, 43

Переходное отображение, 57

Петля, 51, 52

Подобие

косвенное, 20

прямое, 20

условное, 22

Подход

процессно-ориентированный, 126

сканирования активностей, 125

событийный, 125

эвристический, 95

Показатель

качества, 189

... обслуживания, 105

относительного ухудшения времени обслуживания, 106

Правила

срабатывания переходов, 113

Прагматика, 24, 25

Преобразование

коллинеарное, 82

подобия, 82

Приближенность, 17

Принцип

причинности, 68

суперпозиции, 31, 58

Приоритет, 100

абсолютный, 101

динамический, 101

относительный, 101

Прогон (РДО), 137

Проект (РДО), 137

Произведение векторов

внешнее (векторное), 73

внутреннее (скалярное), 72

Производная

от произведения матриц, 199

от суммы матриц, 198

Пропускная способность

абсолютная, 110

относительная, 110

Пространство

линейное векторное, 75

состояний, 131

факторное, 162

Р

Распределение

... вероятностей, 28, 102, 105, 107, 177–179, 183, 186

... вырожденное (причинное), 218

... Лапласа, 217

... нормальное, 215

... равномерное, 216

... маркеров, 113

Ребра (дуги) графа, 47, 51, 203

Рекуррентная формула, 90

Ресурс, 133, 134, 137, 139, 140, 150, 161, 162, 175, 220

временный, 133

постоянный, 133

Рефлексивность, 48

С

Свойство, 46

эргодическое, 176

Семантика, 25

Семиотика, 25

Сети Петри, 112–119

временные, 114

ингибиторные, 114

стохастические, 114

функциональные, 114

цветные, 114

Сечение

верхнее, 47

нижнее, 47

водопроводных труб, 35

Сигналы, 22, 24, 25, 32, 34, 43, 49, 50, 55, 59–67, 71, 85, 86, 119, 188–190

Симметричность, 48

Синтаксис, 25

Система, 30, 42–45, 54, 56, 57, 67, 68, 70, 74–79, 85–88, 104, 108, 109–135, 219

большая, 42

сложная, 41

экспертная, 222

Совместимость факторов, 164

Состояние 10, 57–67, 71, 85–87, 96, 109, 133, 145, 151, 155, 157

конечного автомата 59–67

... системы, 57, 71, 87, 109, 125, 132, 133

Состоятельность оценки, 173

Сохраняемость сети Петри, 116

Способы согласования, 105

Стационарность

... моделей, 35

потока заявок, 101

Структура

графа

... древовидная (иерархическая), 53

... звездообразная, 54

... кольцевая, 53

... линейная, 52

... матричная, 53

сетевая, 53

системы, 45

... внутренняя, 41

Субстратность, 20

Субъект, 14

Схема

... интегрирования многошаговая, 91

... структурная системы, 54

Т

Тезаурус, 24

Текстовый элемент, 146

Теория

моделей, 14

разрешимости, 94

Транзитивность, 49

отрицательная, 49

сильная, 49

У

Умножение матриц, 197

на диагональную матрицу, 198

на единичную матрицу, 198

на скаляр, 198

транспонированных матриц, 198

Управляемость, 85–87

Управляющая часть, 16

Упрощенность, 17

Уравнение

диффузии, 36

наблюдения, 71

непрерывности, 37

состояния системы, 71

... нормальная форма, 83

Ф

Фактор, 162–171

изучаемый, 163

качественный, 163

количественный, 163

наблюдаемый, 163

случайный, 163

сопутствующий, 163

управляемый, 162

фиксированный, 163

Факторная дисперсия, 187, 190

Формула

Бохера, 78

Эйлера, 214

Эрланга, 109, 110

Функция

распределения, 107

... времени обслуживания, 103

... времени ожидания, 101

... Пуассона, 102

реакции, 162

Х

Характеристики обслуживания, 105

Характеристические векторы, 76

Характеристические числа, 76

Ц

Цель, 16, 43,

управления, 16

Цикл, 10, 93, 117, 123

жизненный, 93

технологический, 93

Ч

«Черный ящик», 43

Э

Эвристический подход, 95

Эксперимент

научный, 41

производственный, 40

факторный

... дробный, 170

... полный, 168

Эмерждентность, 42

Эффективность, 93, 94, 187

... оценки, 173

Я

Язык, 23–25, 39, 46, 119, 122, 123, 126–128, 134, 136–143, 151, 158

GPSS, 151

Список сокращений

АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами

БД – база данных

БЗ – база знаний

ДУ – дифференциальное уравнение

ИМ – имитационное моделирование

ИСМ – интегрированная среда моделирования

ОА – обслуживающий аппарат

ОЕЯ – ограниченный естественный язык

ОУ – объект управления

ПДД – правила дорожного движения

ПФ – передаточная функция

ПФЭ – полный факторный эксперимент

РДО – Ресурс-Действие-Операция

САУ – система автоматического управления

СБС – список будущих событий

СДС–сложная дискретная система

СУ–система управления

СЗ – список заявок

СИМ – сетевая имитационная модель

СКО – среднеквадратическая ошибка

СМО–система массового обслуживания

СС–сложная система

СТС – список текущих событий

СЧА – стандартные числовые атрибуты

ТАР – теория автоматического регулирования

ТАУ – теория автоматического правления

УЧ – управляющая часть

ЦУ – цель управления

ЭДС – электродвижущая сила

BMP (Bit MaP) – битовая карта – графический формат в компьютерной графике

GPSS (General Purpose Simulation System) – язык ИМ, ориентированный на процессы

IBM (International Business Machine) – известная компьютерная фирма

FIFO (First In – First Out) – «первым пришел – первым вышел» – дисциплина обслуживания

LIFO (Last In – First Out) – «последним пришел – первым вышел» –дисциплина обслуживания

RGB (Red, Green, Blue) – красный, зеленый, синий, – цветовая модель в компьютерной графике