Кафедра «Автоматика и процессы управления»

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПОСОБИЕ

по выполнению лабораторных работ 1,2

для студентов V курса

заочного отделения

Москва – 2008

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МАМИ»

Кафедра «Автоматика и процессы управления»

Е.Г.Мурачев

МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПОСОБИЕ

по выполнению лабораторных работ 1,2

для студентов V курса

заочного отделения

Москва – 2008

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Лабораторная работа №1……………………………………………………….. 4

Цель работы…………………………………………………………….. 4

Общие сведения………………………………………………………… 4

Задание………………………………………………………………….. 8

Порядок выполнения работы……………………………………….. 9

Отчет по работе………………………………………………………… 9

Модель –схемы с параллельной структурой………………………. 9

Варианты заданий……………………………………………………..10

Контрольные вопросы………………………………………………...11

Лабораторная работа 2…………………………………………………………..12

Цель работы……………………………………………………………..12

Общие сведения…………………………………………………………12

Задание…………………………………………………………………..19

Порядок выполнения работы………………………………………...19

Отчет по работе…………………………………………………………20

Контрольные вопросы………………………………………………...20

Приложение……………………………………………………………………….21

Лабораторная работа №1

Основы имитационного моделирования с помощью языка GPSS

Исследование модели с праллельной структурой

Цель работы

1. Знакомство со структурой языка GPSS

2. Создание программы в среде программирования GPSS

3. Принципы построения непрерывно-стохастическоймодели на основе теории очередей

4. Составление программного кода для модели с параллельной структурой

5. Изучение объекта исследования с помощью составленной модели

6. Анализ результатов моделирования

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

СИСТЕМ

Наибольшие затруднения и наиболее серьезные ошибки при моделировании возникают при переходе от содержательного к формальному описанию объек­тов исследования. Эффективным является язык математи­ческих схем, позволяющий во главу угла поставить вопрос об адекватности перехода от содержательного описания системы к ее математической схеме, а лишь затем решать вопрос о конкретном методе получения результатов с ис­пользованием ЭВМ: аналитическом или имитационном, а возможно, и комби­нированном, т. е. аналитико-имитационном. Применительно к конкретному объекту моделирования, т. е. к сложной системе, разработчику модели должны помочь конкретные, уже прошедшие апробацию для данного класса систем математические схемы, показавшие свою эффективность в прикладных исследо­ваниях на ЭВМ и получившие название типовых математических схем.

ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ

Исходной информацией при построении математических моде­лей процессов функционирования систем служат данные о назначе­нии и условиях работы исследуемой (проектируемой) системы S. Эта информация определяет основную цель моделирования систе­мы S и позволяет сформулировать требования к разрабатываемой математической модели М. Причем уровень абстрагирования зави­сит от круга тех вопросов, на которые исследователь системы хочет получить ответ с помощью модели, и в какой-то степени определяет выбор математической схемы.

Математическую схему можно определить как звено при пере­ходе от содержательного к формальному описанию процесса функ­ционирования системы с учетом воздействия внешней среды, т. е. имеет место цепочка «описательная модель — математическая схе­ма — математическая [аналитическая или (и) имитационная] мо­дель».

Каждая конкретная система S характеризуется набором свойств, под которыми понимаются величины, отражающие поведение мо­делируемого объекта (реальной системы) и учитывающие условия ее функционирования во взаимодействии с внешней средой (систе­мой) Е. При построении математической модели системы необ­ходимо решить вопрос об ее полноте. Полнота модели регулирует­ся в основном выбором границы «система S — среда Е». Также должна быть решена задача упрощения модели, которая помогает выделить основные свойства системы, отбросив второстепенные. Причем отнесение свойств системы к основным или второстепен­ным существенно зависит от цели моделирования системы (напри­мер, анализ вероятностно-временных характеристик процесса функ­ционирования системы, синтез структуры системы и т. д.).

Модель объекта моделирования, т. е. системы S, можно представить в виде множества величин, описывающих процесс функционирования реальной системы и об­разующих в общем случае следующие подмножества:

совокупность входных воздействий на систему

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , i=1,2,…, Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ;

совокупность воздействий внешней среды

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ;

совокупность внутренних (собственных) параметров системы

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru

совокупность выходных характеристик системы

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru

При этом в перечисленных подмножествах можно выделить управляемые и неуправляемые переменные. В общем случае Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , ν, h, y являются элементами непересекающихся подмножеств и содер­жат как детерминированные, так и стохастические составляющие.

При моделировании системы S входные воздействия, воздейст­вия внешней среды Е и внутренние параметры системы являются независимыми (экзогенными) переменными, а выходные характеристики системы являются зависимыми (эндогенными) пере­менными

Процесс функционирования системы S описывается во времени оператором Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , который в общем случае преобразует экзогенные переменные в эндогенные в соответствии с соотношениями вида

y(t)= Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru (x,v,h, t) (1.1)

Совокупность зависимостей выходных характеристик системы от времени для всех видов у Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru называется выходной траек­торией у (t). Зависимость (1.1) называется законом функционирова­ния системы S и обозначается Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru . В общем случае закон функци­онирования системы Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru может быть задан в виде функции, функци­онала, логических условий, в алгоритмической и табличной формах или в виде словесного правила соответствия.

Весьма важным для описания и исследования системы S являет­ся понятие алгоритма функционирования Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , под которым понима­ется метод получения выходных характеристик с учетом входных воздействий х (t), воздействий внешней среды v (t) и собственных параметров системы h(t). Очевидно, что один и тот же закон функционирования Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru системы S может быть реализован различ­ными способами, т. е. с помощью множества различных алгорит­мов функционирования Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru .

Соотношение (1.1) является математическим описанием поведе­ния объекта (системы) моделирования во времени t, т. е. отражает его динамические свойства. Поэтому математические модели та­кого вида принято называть динамическими моделями.

Для статических моделей математическая модель (1.1) пред­ставляет собой отображение между двумя подмножествами свойств моделируемого объекта Y и {X, V, H}, что в векторной форме может быть записано как

y=f(x,v,h). (1.2)

Соотношения (1.1) и (1.2) могут быть заданы различными спо­собами: аналитически (с помощью формул), графически, таблично и т. д. Такие соотношения в ряде случаев могут быть получены через свойства системы S в конкретные моменты времени, на­зываемые состояниями.

Если рассматривать процесс функционирования системы S как последовательную смену состояний, то они могут быть интерпретированы как координаты точки в n-мерном фазовом пространстве, причем каждой реализации процесса будет соответствовать некоторая фазовая траектория. Совокупность всех возможных значений состояний называется пространством со­стояний объекта моделирования Z.

Состояния системы S в момент времени Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru полностью определяются начальными условиями Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ,входными воздействиями x(t), внутренними параметрами h(t) и воздействиями внешней сре­ды v(t), которые имели место за промежуток времени t* - Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , с помощью двух векторных уравнений

Z(t)=Ф(z°,x,v,h,t) (1.3)

y(t)=F(z,t) (1.4)

Первое уравнение по начальному состоянию z° и экзогенным переменным x,v,h определяет вектор-функцию z(0), а второе по полученному значению состояний z (t) — эндогенные переменные на выходе системы у (t). Таким образом, цепочка уравнений объекта «вход — состояния — выход» позволяет определить характеристи­ки системы y(t)=F{Ф(z°, x,v,h,t)} (1.5)

В общем случае время в модели системы S может рассмат­риваться на интервале моделирования (0, Т) как непрерывное, так и дискретное.

Таким образом, под математической моделью объекта (реаль­ной системы) понимают конечное подмножество переменных {x(t), v(t), h(t)} вместе с математическими связями между ними и харак­теристиками у (t).

Если математическое описание объекта моделирования не содер­жит элементов случайности или они не учитываются, т. е. если можно считать, что в этом случае стохастические воздействия вне­шней среды v(t) и стохастические внутренние параметры h(t) отсут­ствуют, то модель называется детерминированной в том смысле, что характеристики однозначно определяются детерминированными входными воздействиями

y(t)=f(x,t) (1.6)

Очевидно, что детерминированная модель является частным случаем стохастической модели.

НЕПРЕРЫВНО-СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

(Q-СХЕМЫ)

Особенности непрерывно-стохастического подхода рассмотрим на примере использования в качестве типовых математических схем систем массового обслуживания, которые будем называть Q-схемами. Системы массового обслуживания представляют собой класс математических схем, разработанных в теории массового обслуживания и различных приложениях для формализации процессов функционирования систем, которые по своей сути являются процессами обслуживания.

В качестве процесса обслуживания могут быть представлены различные по своей физической природе процес­сы функционирования экономических, производственных, техничес­ких и других систем, например потоки поставок продукции некото­рому предприятию, потоки деталей и комплектующих изделий на сборочном конвейере цеха, заявки на обработку информации ЭВМ от удаленных терминалов и т. д. При этом характерным для работы таких объектов является случайное появление заявок (требований) на обслуживание и завершение обслуживания в случайные моменты времени, т. е. стохастический характер процесса их функционирова­ния.

В любом элементарном акте обслуживания можно выделить две основные составляющие: ожидание обслуживания заявкой и со­бственно обслуживание заявки.

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru

Прибор обслуживания заявок

Это можно изобразить в виде неко­торого i-гo прибора обслуживания Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru (рисунок), состоящего из накопителя заявок Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ,в котором может одновременно находиться Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru заявок, где Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — емкость i-гo накопителя и канала об­служивания заявок (или просто канала) Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru . На каждый элемент прибора обслуживания Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru поступают потоки событий: в накопитель Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — поток заявок Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , на канал Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — поток обслуживаний Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru .

Потоком событий называется последовательность событий, происходящих одно за другим в какие-то случайные моменты времени. Различают потоки однородных и неоднородных собы­тий. Поток событий называется однородным, если он характеризу­ется только моментами поступления этих событий (вызываю­щими моментами) и задается. Mомент наступления i-го собы­тия — неотрицательное вещественное число. Однородный поток событий также может быть задан в виде последовательности про­межутков времени между i-м и (п-1)-м событиями, которая однозначно связана с последовательно­стью поступления заявок.

При моделиро­вании различных систем применительно к элементарному каналу обслуживания Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru можно считать, что поток заявок Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , т. е. интервалы времени между моментами появления заявок на входе Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru образует подмножество неуправля­емых переменных, а поток обслуживания U, т. е. интервалы времени между началом и окончанием обслуживания заявки, об­разует подмножество управляемых переменных.

Заявки, обслуженные каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и заявки, покинувшие прибор Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru по различным причинам не обслуженными (например, из-за переполнения накопителя Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , образуют выходной поток Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , т. е. интервалы времени между моментами выхода заявок образуют подмножество выходных переменных.

Процесс функционирования прибора обслуживания Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru можно представить как процесс изменения состояний его элементов во времени z(t). Переход в новое состояние означает изменение количества заявок, которые в нем находятся (в канале Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и в накопителе Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ).

В практике моделирования систем, имеющих более сложные структурные связи и алгоритмы поведения, для формализации ис­пользуются не отдельные приборы обслуживания, а Q-схемы, об­разуемые композицией многих элементарных приборов обслужива­ния (сети массового обслуживания).

Для того, чтобы осуществить процесс моделирования полученной Q-схемы используют различные языки имитационного моделирования. Одним из таких языков является язык имитационного моделирования GPSS (см. приложение 1)

Задание:

Выполнить моделирование системы массового обслуживания, в которую поступают заявки по равномерному закону распределения через А +/- В минут. Обработка заявок осуществляется двумя обслуживающими каналами. Поступление заявок в тот или иной канал происходит с вероятностью Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru .

Провести моделирование системы с параметрами А,В, Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , где обслуживание заявок каждым каналом происходит по равномерному закону со временем Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru +/- Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ..

Провести моделирование системы с параметрами А=А+-А/2, В=В+-В/2, Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru = Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru +- Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru /2, Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru = Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru +- Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru /2.

Произвести моделирование четырехканального обслуживания с одинаковыми параметрами по каждому каналу: А, В, Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru .

Необходимо осуществить обработку 100 заявок при двух прогонах программы

В ходе моделирования необходимо определить степень загрузки еаждого канала, время обслуживания заявок по каждому каналу, Общее время обслуживания ста исходных заявок.

Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться с методическими указаниями по выполнению данной лабораторной работы.

2. Получить варианты заданий и провести необходимые предварительные аналитические расчеты.

3. Приняв за основу блок-диаграмму обслуживающего устройства, приведенную ниже, и выбрав исходные данные по заданному варианту составить программу на языке GPSS.

4. Провести имитационный эксперимент на ЭВМ, варьируя значения исходных параметров, получить результаты двойного прогона модели и сравнить их.

5. Произвести анализ полученных результатов и выбрать оптимальный режим

6. функционирования.

Отчет по работе:

Отчет должен содержать:

1. Задание и исходные данные для выполнения работы.

2. Блок-диаграмму и GPSS-программу имитационного эксперимента с моделью исследуемого варианта системы массового обслуживания.

3. Результаты обработки экспериментальных данных, анализ полученных результатов и выводы по работе.

Модель Q-схемы с параллельной структурой

В качестве примера приведем двухканальную и четырехканальную Q-схемы

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru

Варианты заданий

№ варианта А В Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru
0.2 0.8
0.25 0.75
0.31 0.69
0.43 0.57
0.74 0.26
0.84 0.16
0.56 0.44
0.34 0.66
0.82 0.18
0.23 0.77
0.11 0.89
0.36 0.64
0.73 0.27
0.93 0.07
0.45 0.55
0.24 0.76
0.33 0.67
0.14 0.86
•Ж 0.42 0.58
0.64 0.36
0.55 0.45
0.25 0.75
0.28 0.72
0.87 0.13
0.26 0.74
0.82 0.18
0.25 0.75
0.49 0.51
0.66 0.34
0.28 0.72
0.97 0.03

Контрольные вопросы

1. Что лежит в основе теории очередей?

2. Что собой представляет имитационное моделирование?

3. Что такое модель объекта и модель процесса?

4. Что собой представляет язык имитационного моделирования GPSS?

5. Как осуществляется построение программы на языке GPSS?

6. Как осуществляется исследование объекта с помощью полученной модели?

7. В чем заключается анализ результатов исследования?

8. Что такое критерий оптимизации?

9. В чем состоит конечная цель процесса моделирования?

Лабораторная работа №2

Языка GPSS

Цель работы

1. Освоение методов моделей сложных объектов с фазовой структурой

2. Более глубокое освоение языка имитационного моделирования GPSS

3. Отработка методики исследования объекта моделирования

4. Поиск оптимального решения

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Моделирование Q-схем с фазовой структурой

Если приборы массового обслуживания и их параллельные композиции соединены последовате­льно, то имеет место многофазное обслуживание (многофазная Q-схема). Таким образом, для задания Q-схемы необходимо ис­пользовать оператор сопряжения R, отражающий взаимосвязь эле­ментов структуры (каналов и накопителей) между собой.

Связи между элементами Q-схемы изображают в виде стрелок (линий потока, отражающих направление движения заявок). Раз­личают разомкнутые и замкнутые Q-схемы. В разомкнутой Q-схеме выходной поток обслуженных заявок не может снова поступить на какой-либо элемент, т. е. обратная связь отсутствует, а в замкнутых Q-схемах имеются обратные связи, по которым заявки двигаются в направлении, обратном движению вход-выход.

Собственными (внутренними) параметрами Q-схемы будут яв­ляться количество фаз, количество каналов в каждой фазе, количество накопителей каждой фазы, ем­кость i-гo накопителя. Следует отметить, что в теории мас­сового обслуживания в зависимости от емкости накопителя приме­няют следующую терминологию для систем массового обслужива­ния: системы с потерями, т. е. имеется только канал обслуживания системы с ожиданием, (т. е. очередь заявок не ограничивается) и системы смешанного типа (с ограниченной емкостью накопителя). Всю совокупность собственных параметров Q-схемы обозначим как подмножество Н.

Для задания Q-схемы также необходимо описать алгоритмы ее функционирования, которые определяют набор правил поведения заявок в системе в различных неоднозначных ситуациях. В зависи­мости от места возникновения таких ситуаций различают алгорит­мы (дисциплины) ожидания заявок в накопителе Н, и обслуживания заявок каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru каждого элементарного обслуживающего прибо­ра Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru Q-схемы. Неоднородность заявок, отражающая процесс в той или иной реальной системе, учитывается с помощью введения клас­сов приоритетов.

В зависимости от динамики приоритетов в Q-схемах различают статические и динамические приоритеты. Статические приоритеты назначаются заранее и не зависят от состояний Q-схемы, т. е. они являются фиксированными в пределах решения конкретной задачи моделирования. Динамические приоритеты возникают при модели­ровании в зависимости от возникающих ситуаций. Исходя из пра­вил выбора заявок из накопителя Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru на обслуживание каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru можно выделить относительные и абсолютные приоритеты. От­носительный приоритет означает, что заявка с более высоким при­оритетом, поступившая в накопитель Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ожидает окончания об­служивания предшествующей заявки каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и только после этого занимает канал. Абсолютный приоритет означает, что заявка с более высоким приоритетом, поступившая в накопитель Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru пре­рывает обслуживание каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru заявки с более низким приорите­том и сама занимает канал (при этом вытесненная из Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru заявка может либо покинуть систему, либо может быть снова записана на какое-то место в Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ).

При рассмотрении алгоритмов функционирования приборов об­служивания Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru (каналов Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и накопителей Н) необходимо также задать набор правил, по которым заявки покидают Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru для Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — либо правила переполнения, по которым заявки в зависимо­сти от заполнения Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru покидают систему, либо правила ухода, связанные с истечением времени ожидания заявки в Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru для Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — правила выбора маршрутов или направлений ухода. Кроме того, для заявок необходимо задать правила, по которым они остаются в канале Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru или не допускаются до обслуживания каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ,т. е. правила блокировок канала. При этом различают блокировки Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru по выходу и по входу. Такие блокировки отражают наличие управля­ющих связей в Q-схеме, регулирующих поток заявок в зависимости от состояний Q-схемы. Весь набор возможных алгоритмов поведе­ния заявок в Q-схеме можно представить в виде некоторого опера­тора алгоритмов поведения заявок.

Таким образом, Q-схема, описывающая процесс функциониро­вания системы массового обслуживания любой сложности, одно­значно задается в виде Q= (W, U, H, Z, R, А).

При ряде упрощающих предположений относительно подмно­жеств входящих потоков W, потоков обслуживания U (выполнение условий стационарности, ординарности и ограниченного последей­ствия) оператора сопряжения элементов структуры R (однофазное одноканальное обслуживание в разомкнутой системе), подмножест­ва собственных параметров Н (обслуживание с бесконечной ем­костью накопителя), оператора алгоритмов обслуживания заявок А (бес приоритетное обслуживание без прерываний и блокировок) для оценки вероятностно-временных характеристик можно исполь­зовать аналитический аппарат, разработанный в теории массового обслуживания.

Математическое обеспечение и ресурсные возможности современных ЭВМ позволя­ют достаточно эффективно провести моделирование различных си­стем, формализуемых в виде Q-схем, используя либо пакеты при­кладных программ, созданные на базе алгоритмических языков общего назначения, либо специализированные языки имитацион­ного моделирования. Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru Пример Q-схемы общего вида

На рисунке представлена трехфазная Q-схема (L =3) с блокировкой каналов по вы­ходу в 1-й и 2-й фазах обслужи­вания (пунктирные линии на рисунке). В качестве выходя­щих потоков такой Q-схемы могут быть рассмотрены поток потерянных заявок из Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и поток обслуженных заявок из Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ( Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru на рисунке).

Для имитационной модели рассматриваемой Q-схемы можно записать следу­ющие переменные и уравнения: эндогенная переменная Р — вероятность потери заявок; экзогенные переменные: Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — время появления очередной заявки из N; Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — время окончания обслуживания каналом Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru очередной заявки, k=1, 2, 3; j=1, 2;вспомогательные переменные: Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru — состояния Н; параметры: L – емкость, L*—число каналов в i-й фазе.

При имитации процесса функционирования Q-схемы на ЭВМ, требуется организовать массив состояний. В этом массиве должны быть выделены: подмассив К для запоминания текущих значений Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , соответствующих каналов Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru и времени окончания обслужива­ния очередной заявки,подмассив Н для записи текуще­го значения z, соответствующих накопителей Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , i= 1, 2; подмассив H, в который записывается время поступления очередной заявки из источника (H).

Процедура моделирования процесса обслуживания каждым эле­ментарным каналом сводится к следующему. Путем обращения к генератору случайных чисел с законом распределения, соответст­вующим обслуживанию данных, получается длительность вре­мени обслуживания и вычисляется время окончания обслуживания, а затем фиксируется состояние Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru ,при освобождении Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru =0; в случае блокировки Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru записывается Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru =2. При поступ­лении заявки в Н, к его содержимому добавляется единица, т. е. Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , а при уходе заявки из Н, на обслуживание вычитается единица, т. е. Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru , i=l, 2.

Возможности модификации моделирующих алгоритмов Q-схемы.В плане усложнения машинных моделей при исследовании вариантов системы S можно рассмот­реть следующие модифика­ции: наличие потоков за­явок нескольких типов. В этом случае необходимо иметь несколько источников (генераторов) заявок и фикси­ровать признак принадлежно­сти заявки к тому или иному потоку тогда, когда накопите­ли и каналы рассматрива­емой Q-схемы критичны к этому признаку или требу­ется определить характери­стики обслуживания заявок каждого из потоков в отдель­ности.

Наличие приоритетов при постановке заявок в оче­редь в накопитель. В зависимости от класса приоритета заявок может быть рассмотрен случай, когда заявки одного класса имеют приоритет по записи в накопи­тель (при отсутствии свободных мест вытесняют из накопителя заявки с более низким классом приоритета, которые при этом считаются потерянными). Этот фактор может быть учтен в модели­рующем алгоритме соответствующей Q-схемы путем фиксации для каждого накопителя признаков заявок, которые в нем находятся (путем организации соответствующего массива признаков).

1. Наличие приоритетов при выборе заявок на обслуживание каналов. По отношению к каналу могут быть рассмотрены заявки с абсолютным и относительным приоритетами. Заявки с абсолют­ным приоритетом при выборе из очереди в накопитель вытесняют из канала заявки с более низким классом приоритета, которые при этом снова поступают в накопитель (в начало или конец очереди) или считаются потерянными, а заявки с относительным приорите­том дожидаются окончания обслуживания каналом предыдущей заявки. Эти особенности учитываются в моделирующих алгорит­мах приоритетных

Q-схем, при определении времени освобождения канала и выборе претендентов на его занятие. Если наличие аб­солютных приоритетов приводит к потере заявок, то необходимо организовать фиксацию потерянных заявок.

2. Ограничение по времени пребывания заявок в системе. В этом случае возможно ограничение как по времени ожидания заявок в накопителях, так и по времени обслуживания заявок каналами, а также ограничение по сумме этих времен, т. е. по времени пребы­вания заявок в обслуживающем приборе. Причем эти ограничения могут рассматриваться как применительно к каждой фазе, так и к Q-схеме в целом. При этом необходимо в качестве особых состояний Q-схемы рассматривать не только моменты поступления новых заявок и моменты окончания обслуживания заявок, но и моменты окончания допустимого времени пребывания (ожидания, об­служивания) заявок в Q-схеме.

3. Выход элементов системы из строя и их дальнейшее вос­становление. Такие события могут быть рассмотрены в Q-схеме, как потоки событий с абсолютными приоритетами, приводящими к потере заявок, находящихся в обслуживании в канале или ожида­ющих начала обслуживания в накопителе в момент выхода соответ­ствующего элемента из строя. В этом случае в моделирующем алгоритме Q-схемы должны быть предусмотрены датчики (генера­торы) отказов и восстановлений, а также должны присутствовать операторы для фиксации и обработки необходимой статистики.

Рассмотренные моделирующие алгоритмы и способы их моди­фикации могут быть использованы для моделирования широкого класса систем. Однако эти алгоритмы будут отличаться по сложно­сти реализации, затратам машинного времени и необходимого объема памяти ЭВМ.

Детерминированный и асинхронный циклический алгоритмы наиболее просты с точ­ки зрения логики их построения, так как при этом использует­ся перебор всех элементов Q-схемы на каждом шаге. Трудности возникают с машинной реализацией этих алгоритмов вследствие увеличения затрат машинного времени на моделирование, так как просматриваются все состояния элементов Q-схемы. Затраты машинного времени на моделирование существенно увеличиваются при построении детерминированных моделирующих алгоритмов Q-схем, элементы которых функционируют в различных масштабах времени, напри­мер когда длительности обслуживания заявок каналами многока­нальной Q-схемы значительно отличаются друг от друга.

Кафедра «Автоматика и процессы управления» - student2.ru

БЛОКИ

Разработчик конструирует модель из блоков, прибегая, как правило, к наглядной форме ее отображения в виде блок-схемы. Для удобства графического представления модели каждый блок GPSS имеет принятое стандартное обозначение. Построенная схема является одновременно программой на языке GPSS. Для ее ввода в ЭВМ необходимо последовательность блоков представить в виде списка операций, добавив к названиям блоков требуемые операнды.

Каждый блок GPSS имеет входы и выходы, с помощью которых осуществляется их связь в модели. Существуют два особых блока: GENERATE, имеющий только выход, и TERMINATE, имеющий только вход. Через блок GENERATE транзакты вводятся в модель. Блок TERMINATE удаляет транзакты из модели. Любую модель на языке GPSS можно представить в виде совокупности блоков (рис. 1.1).

Ниже дано описание основных функциональных объектов GPSS. GENERATE

Блоки модели

TERMINATE

ТРАНЗАКТЫ

Функционирование объекта отображается в модели в виде перемещения транзактов от блока GENERATE в блок TERMINATE через промежуточные блоки. Транзакты, или сообщения являются абстрактными подвижными элементами, которые могут моделировать различные объекты реального мира: сообще

Наши рекомендации