МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
КАФЕДРА КОМП’ЮТЕРНИХ НАУК ТА ТЕХНОЛОГІЙ
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
з дисципліни «Моделювання систем»
Варіант 26
Виконав: студент групи БІТ-2,16
Самусенко Ігор Олександрович
Перевірив: доцент
Астістова Тетяна Іванівна
Київ 2019
ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………………….……....3
Загальна класифікація основних видів моделювання………………………..4
Опис комп’ютерного моделювання…………………………………………...5
Переваги імітаційного моделювання………………………………………….7
Система імітаційного моделювання…………………………………………..9
Мова моделювання GPSS…………………………………………………….10
Зміст базової концепції структуризації мови моделювання GPSS………..10
Концептуальна модель системи……………………………………………..12
Блок-схема……………………………………………………………………..14
Умова завдання………………………………………………………………..15
Опис моделі……………………………………………………………………15
Реалізація на мові програмування…………………………………………...16
Висновок……………………………………………………………………….18
Список використаних джерел……………………………………………......19
ВСТУП
Імітаційне моделювання (від англ. Simulation) - це найпоширеніший різновид аналогового моделювання, реалізованого за допомогою набору математичних інструментальних засобів, спеціальних імітуючих комп'ютерних програм і технологій програмування, що дозволяють за допомогою процесів - аналогів провести цілеспрямоване дослідження структури і функцій реального складного процесу в пам'яті комп'ютера в режимі «імітації», виконати оптимізацію деяких його параметрів.
Імітаційної моделлю називається спеціальний програмний комплекс, який дозволяє імітувати діяльність будь - якого складного об'єкта. Він запускає в комп'ютері паралельні взаємодіючі обчислювальні процеси, які є за своїми часовими параметрами (з точністю до масштабів часу і простору) аналогами досліджуваних процесів.
Слід зазначити, що будь-яке моделювання має у своїй методологічній основі елементи імітації реальності за допомогою будь - якої символіки (математики) або аналогів.
Імітаційне моделювання застосовується до процесів, в хід яких може час від часу втручатися людська воля. Людина, керівник операції, може в залежності від обставини, що склалася, приймати ті чи інші рішення. Потім приводиться в дію математична модель, що описує, яка очікується зміна обстановки у відповідь на це рішення і до яких наслідків воно призведе згодом. Наступне «поточне рішення» приймається вже з урахуванням реальної нової обстановки.
Імітаційна модель повинна відображати велике число параметрів, логіку і закономірності поведінки модельованого об'єкта в часі (тимчасова динаміка) і в просторі (просторова динаміка).
Імітаційне моделювання економічних процесів зазвичай застосовується в двох випадках:
1. Для управління складним бізнес - процесом, коли імітаційна модель керованого економічного об'єкта використовується в якості інструментального засобу в контурі адаптивної системи управління, що створюється на основі інформаційних технологій;
2. При проведенні експериментів з дискретно - безперервними моделями складних економічних об'єктів для отримання і відстеження їх динаміки в екстрених ситуаціях, пов'язаних з ризиками, натурне моделювання яких небажано або неможливо.
Імітаційна модель відображає стохастичний процес зміни дискретних станів системи масового обслуговування (СМО) в безперервному часу у формі моделює алгоритму. При його реалізації на ЕОМ проводиться накопичення статистичних даних по тих атрибутів моделі, характеристики яких є предметом досліджень. Після закінчення моделювання накопичена статистика обробляється, і результати моделювання виходять у вигляді вибіркових розподілів досліджуваних величин або їх вибіркових моментів. Таким чином, при імітаційному моделюванні систем масового обслуговування мова завжди йде про статистичному імітаційному моделюванні.
Одним з найбільш ефективних і поширених мов моделювання складних дискретних систем є в даний час мова GPSS.
Імітаційне моделювання є одним з найпотужніших методів аналізу економічних систем.
Метою даного курсового проекту є закріплення теоретичних знань в області методології системного моделювання і практичне освоєння технології імітаційного моделювання.
ЗАГАЛЬНА КЛАСИФІКАЦІЯ ОСНОВНИХ ВИДІВ МОДЕЛЮВАННЯ
Модель являє собою абстрактне опис системи (об'єкта, процесу, проблеми, поняття) в деякій формі, відмінній від форми їх реального існування.
Моделювання являє собою один з основних методів пізнання, є формою відображення дійсності і полягає в з'ясуванні або відтворення тих чи інших властивостей реальних об'єктів, предметів і явищ за допомогою інших об'єктів, процесів, явищ, або за допомогою абстрактного опису у вигляді зображення, плану, карти , сукупності рівнянь, алгоритмів і програм.
В процесі моделювання завжди існує оригінал (об'єкт) і модель, яка відтворює (моделює, описує, імітує) деякі риси об'єкта.
Моделювання засноване на наявності у різноманіття природних і штучних систем, що відрізняються як цільовим призначенням, так і фізичним втіленням, подібності або подоби деяких властивостей: геометричних, структурних, функціональних, поведінкових. Ця схожість може бути повним (ізоморфізм) і частковим (гомоморфізм).
Моделювання з'явилося в людській діяльності з часів наскального живопису і споруди ідолів, тобто як тільки людство стало прагнути до розуміння навколишньої дійсності; - ісейчас, по-суті, прогрес науки і техніки знаходить своє найбільш влучний вислів в розвитку здатності людини створювати моделі об'єктів і понять.
Загальна класифікація основних видів моделювання:
1. Концептуальне моделювання - представлення системи за допомогою спеціальних знаків, символів, операцій над ними або за допомогою природних або штучних мов;
2. Фізичне моделювання - модельований об'єкт або процес відтворюється виходячи зі співвідношення подібності, що випливає з схожості фізичних явищ;
3. Структурно - функціональний - моделями є схеми (блок-схеми), графіки, діаграми, таблиці, малюнки зі спеціальними правилами їх об'єднання і перетворення;
4. Математичне (логіко-математичне) моделювання - побудова моделі здійснюється засобами математики і логіки;
5. Імітаційне (програмне) моделювання- при якому логіко-математична модель досліджуваної системи є алгоритм функціонування системи, програмно-реалізований на комп'ютері.
Зазначені види моделювання можуть застосовуватися самостійно або одночасно, в деякій комбінації (наприклад, в імітаційному моделюванні використовуються практично всі з перерахованих видів моделювання або окремі прийоми).
ОПИС КОМП'ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Комп'ютерне моделювання - метод вирішення завдань аналізу або синтезу складної системи на основі використання її комп'ютерної моделі.
До комп'ютерного моделювання відносять:
1. Структурно-функціональне;
2. Імітаційне.
Суть комп'ютерного моделювання полягає в наступному: на основі математичної моделі за допомогою ЕОМ проводиться серія обчислювальних експериментів, тобто досліджуються властивості об'єктів або процесів, знаходяться їх оптимальні параметри і режими роботи, уточнюється модель.
Найпростіша класифікація на основні види імітаційних моделей пов'язана із застосуванням двох цих способів просування модельного часу. Розрізняють імітаційні моделі:
1. Безперервні;
2. Дискретні;
3. Безперервно-дискретні.
У безперервних імітаційних моделях змінні змінюються безперервно, стан модельованої системи змінюється як безперервна функція часу, і, як правило, це зміна описується системами диференціальних рівнянь. Відповідно просування модельного часу залежить від чисельних методів розв'язання диференціальних рівнянь.
У дискретних імітаційних моделях змінні змінюються дискретно в певні моменти імітаційного часу (настання подій). Динаміка дискретних моделей являє собою процес переходу від моменту настання чергової події до моменту настання наступної події.
Оскільки в реальних системах безперервні і дискретні процеси часто неможливо розділити, були розроблені безперервно-дискретні моделі, в яких поєднуються механізми просування часу, характерні для цих двох процесів.
Реальні процеси і системи можна досліджувати за допомогою двох типів математичних моделей: аналітичних та імітаційних.
В аналітичних моделях поведінку реальних процесів і систем (РПС) задається у вигляді явних функціональних залежностей (рівнянь лінійних або нелінійних, диференціальних або інтегральних, систем цих рівнянь). Однак отримати ці залежності вдається тільки для порівняно простих РПС. Коли явища складні і різноманітні досліднику доводиться йти на спрощені уявлення складних РПС. В результаті аналітична модель стає занадто грубим наближенням до дійсності. Якщо все ж для складних РПС вдається отримати аналітичні моделі, то найчастіше вони перетворюються в важко розв'язні проблему. Тому дослідник змушений часто використовувати імітаційне моделювання.
Імітаційний характер дослідження припускає наявність логіко або логіко-математичних моделей, що описуються досліджуваний процес (систему).
Логіко-математична модель складної системи може бути як алгоритмічної, так і неалгоритмічних (наприклад, система диференціальних рівнянь перетворюється в алгоритмічну з використанням чисельного методу інтегрування, при цьому властивості моделі змінюються і це треба враховувати).
Щоб бути машинно-яка реалізується, на основі логіко-математичної моделі складної системи будується моделює алгоритм, який визначає структуру і логіку взаємодії елементів в системі.
Програмна реалізація моделює алгоритму - є імітаційна модель. Вона складається із застосуванням засобів автоматизації моделювання.
ПЕРЕВАГИ ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Імітаційне моделювання являє собою чисельний метод проведення на ЕОМ обчислювальних експериментів з математичними моделями, що імітують поведінку реальних об'єктів, процесів і систем в часі протягом заданого періоду. При цьому функціонування РПС розбивається на елементарні явища, підсистеми та модулі. Функціонування цих елементарних явищ, підсистем і модулів може бути охарактеризована алгоритмів, які імітують елементарні явища зі збереженням їх логічної структури і послідовності протікання в часі.
Основна перевага ІМ:
1.Можливість опису поведінки компонент (елементів) процесів або систем на високому рівні деталізації;
2. Відсутність обмежень між параметрами ІМ і станом зовнішнього середовища РПС;
3. Можливість дослідження динаміки взаємодії компонент в часі і просторі параметрів системи.
Ці гідності забезпечують імітаційному методу стала вельми поширеною.
Рекомендується використовувати імітаційне моделювання в наступних випадках:
1. Якщо не існує закінченої постановки завдання дослідження і йде процес пізнання об'єкта моделювання. Імітаційна модель служить засобом вивчення явища;
2. Якщо аналітичні методи є, але математичні процеси складні і трудомісткі, і імітаційне моделювання дає більш простий спосіб вирішення завдання;
3. Коли крім оцінки впливу параметрів (змінних) процесу або системи бажано здійснити спостереження за поведінкою компонент (елементів) процесу або системи (ПС) протягом певного періоду;
4. Коли імітаційне моделювання виявляється єдиним способом дослідження складної системи через неможливість спостереження явищ в реальних умовах (реакції термоядерного синтезу, дослідження космічного простору);
5. Коли необхідно контролювати перебіг процесів або поведінку систем шляхом уповільнення або прискорення явищ в ході імітації;
6. При підготовці фахівців для нової техніки, коли на імітаційних моделях забезпечується можливість придбання навичок в експлуатації нової техніки;
7. Коли вивчаються нові ситуації в РПС. В цьому випадку імітація служить для перевірки нових стратегій і правил проведення натурних експериментів;
8. Коли особливе значення має послідовність подій в проектованих ПС і модель використовується для передбачення вузьких місць у функціонуванні РПС.
Однак імітаційне моделювання поряд з достоїнствами має і недоліки:
1. Розробка хорошою ІМ часто обходиться дорожче створення аналітичної моделі і вимагає великих витрат часу;
2. Може виявитися, що ІМ неточна (що буває часто), і ми не в змозі виміряти ступінь цієї неточності.
Найчастіше дослідники звертаються до ІМ, не уявляючи тих труднощів, з якими вони зустрінуться і роблять при цьому ряд помилок методологічного характеру.
Проте, ІМ є одним з найбільш широко використовуваних методів при вирішенні завдань синтезу та аналізу складних процесів і систем.
СИСТЕМА ІМІТАЦІЙНОГО МОДЕЛЮВАННЯ
Методологічні підходи до побудови дискретних імітаційних моделей
У дискретних імітаційних системах зміна складу і стану відбувається в дискретні моменти часу, звані подіями.
Під подією розуміється миттєва зміна стану моделі, що відбулося в результаті здійснення безлічі взаємодій між компонентами моделі в один і той же момент імітаційного часу.
Функціонування дискретної системи можна описати:
1. Визначаючи зміни стану системи, що відбуваються в моменти звершення подій;
2. Описуючи дії, в яких беруть участь елементи системи;
3. Описуючи процес, через який проходять елементи.
Процес - це орієнтована в часі послідовність подій, яка може складатися з декількох дій.
Ці уявлення лежать в основі трьох альтернативних методологічних підходів до побудови дискретних імітаційних моделей, званих зазвичай:
1. Подієвий;
2. Підхід сканування активностей (на практиці отримав невелике поширення);
3. Процесно-орієнтований підхід (включає транзактний спосіб імітації).
Це основні концепції (схеми) структуризації для дискретних імітаційних моделей. Їх основа закладається в деякі мови і системи моделювання. Прикладами можуть служити мови моделювання:
1. GASP, SIMSCRIPT, орієнтовані на події;
2. Мова робіт SLAM;
3. Широко поширені мови моделювання GPSS, SIMULA і ін., Призначені для опису паралельних процесів.
МОВА МОДЕЛЮВАННЯ GPSS
GPSS (англ. General Purpose Simulation System -універсальна система моделювання) - мова програмування, що використовується для імітаційного моделювання різних систем, в основному систем масового обслуговування.
Система GPSS була розроблена співробітником фірми IBM Джефрі Гордоном в 1961 році. Гордоном були створені 5 перших версій мови: GPSS (1961), GPSS II (1963), GPSS III (1965), GPSS / 360 (1967) та GPSS V (1971). Відомий раніше тільки фахівцям, в нашій країні цей програмний пакет завоював популярність після видання в СРСР в 1980 році монографії Т. Дж. Шрайбера. У ній була розглянута одна з ранніх версій мови - GPSS / 360, а також основні особливості могутнішої версії - GPSS V, підтримуваною компанією IBM, у нас вона була більш відома як пакет моделювання дискретних систем (ПМДС). Цей пакет працював в середовищі підсистеми діалогової обробки системи віртуальних машин єдиної серії (ПДО СВМ ЄС) ЕОМ. Після закінчення підтримки GPSS V компанією IBM наступною версією стала система GPSS / H компанії Wolverine Software розроблена в 1978 році під керівництвом Дж. Хенріксена. У 1984 році з'явилася перша версія GPSS для персональних комп'ютерів з операційною системою DOS - GPSS / PC. Вона була розроблена компанією Minuteman Software під керівництвом С. Кокса. Кінець XX століття ознаменувався розробкою компанією Minuteman Software програмного продукту GPSS World, що побачила світ у 1993 році. За порівняно невеликий період часу було випущено кілька його версій, причому в кожній наступній можливості системи моделювання нарощувалися. Крім цих основних версій існує також Micro-GPSS, розроблена Інгольф Сталл в Швеції, це спрощена версія, призначена для вивчення мови GPSS і WebGPSS, також призначена для вивчення роботи системи і розробки найпростіших імітаційних моделей в мережі інтернет .
Зміст базової концепції структуризації мови моделювання GPSS
У мові GPSS реалізована блочно-орієнтована концепція структуризації моделируемого процесу, розроблена з орієнтацією на опис систем масового обслуговування.
У математичних моделях (ММ) складних об'єктів, представлених у вигляді СМО, фігурують засоби обслуговування, звані обслуговуючими апаратами (ОА), і обслуговуються заявки, звані транзактами.
Для опису імітаційної моделі на мові GPSS корисно уявити її у вигляді схеми, на якій відображаються елементи СМО - пристрої, накопичувачі, вузли та джерела. Опис на мові GPSS є сукупність операторів (блоків), що характеризують процеси обробки заявок. Є оператори і для відображення виникнення заявок, затримки їх в ОА, заняття пам'яті, виходу з СМО, зміни параметрів заявок виведення на друк накопиченої інформації, що характеризує завантаження пристроїв, заповненість черг.
Кожен транзакт, присутній в моделі, може мати до 12 параметрів. Існують оператори, за допомогою яких можна змінювати значення будь-яких параметрів транзактов, і оператори, характер виконання яких залежить від значень того чи іншого параметра обслужіваемоготранзакта.
Шляхи просування заявок між ОА відображаються послідовністю операторів в описі моделі на мові GPSS спеціальними операторами передачі управління (переходу). Для моделювання використовується подієвий метод. Дотримання правильної тимчасової послідовності імітації подій в СМО забезпечується інтерпретатором GPSS / PC - програмною системою, що реалізує алгоритми імітаційного моделювання.
GPSS - є системою дискретного типу. Система GPSS орієнтована на клас об'єктів, процес функціонування яких можна представити у вигляді безлічі станів і правил переходу з одного стану в інший, що визначаються в дискретної просторово тимчасової області. GPSS дозволяє описувати процеси з дискретними подіями.
Для реєстрації змін в часі існує таймер модельного часу. Механізм завдання модельного часу: по-подієвий, зі змінним кроком. Зміни в реальній системі призводять до появи подій. Подія - зміна стану будь-якого елементу системи. В системі відбуваються такі події, як:
1. Надходження заявки;
2. Постановка заявки в чергу;
3. Початок обслуговування;
4. Кінець обслуговування.
У GPSS розглядаються 2 класу подій:
1. Основні події, які можна запланувати, тобто розрахувати момент їх настання заздалегідь до їх появи (наприклад, момент появи заявки на вході);
2. Допоміжні події, які відбуваються внаслідок появи основних подій. Допоміжні події здійснюються в результаті взаємодії таких абстрактних елементів як блоки і транзакти (наприклад, зміна стану приладу обслуговування з "вільний" на "зайнято").
GPSS відноситься до класу процесно (транзактного) - орієнтованих систем моделювання. GPSS є способом алгоритмізації дискретних динамічних систем. Приклади модельованих об'єктів: транспортні об'єкти, склади, виробничі системи, магазини, торгові об'єкти, мережі ЕОМ, системи передачі повідомлень. Алгоритмічна схема може бути використана для оформлення складних формальних схем.
КОНЦЕПТУАЛЬНА МОДЕЛЬ СИСТЕМИ
Концептуальна модель – це абстрактна модель, що визначає структуру модельованої системи, властивості її елементів і прино-наслідкові зв’язки, властивість системи і суттєві для досконалення мети моделювання.
Концептуальна модель сисетми призначена:
1.Подання більш детальної специфікації вимог до системи(більш точну, ніж у сертифікаціях на етапі визначення вимог і розробки варіантів використання) і може розглядатися як перший крок до моделі проектування, тобто служити вхідними даними для проектування системи.
2. Подання системи з використанням мови розробників, що дозволяє вводити більше формалізму і може використовуватися для аналізу внутрішніх механізмів системи.
3.Рішення завдання аналізу, яке полягає в декомпозиції системи на більш дрібні елементи і визначення властивостей системи або середовища, що оточує систему. Варіанти використання моделі аналізу перетворюється в діаграми класів аналізу(при необхідності) і діаграми взаємодіючих об’єктів аналізу.
Основні елементи концептуальної моделі:
-Умови функціонування об’єкта, визначені характером взаємодії між об’єктом і його оточенням, а також між елементами об’єкта;
-Мета дослідження об’єкта та напрямок покращення його функціонвання;
-Можливості керування об’єктом, визначення складу керованих змішаних об’єкта.
Модель повинна бути адекватною, інакше неможливо отримати позитивні результати моделювання. Під адекватною моделлю будемо розуміти модель, яка певним степенем наближення на рівні розуміння моделюється розробником моделі відображає процес її функціонування в зовнішньому середовищі.
В нашому випадку будем використовувати концепт конвеєрної стрічки, тому що це зручний спосіб доставки телевізорів до контролерів, пункту настройки та упаковочного цеху.
БЛОК-СХЕМА
Початок
Ряд технічного
контролю
Телевізор поступає в пункт настройки
Контролери
Телевізори пройшли перевірку контролерів?
Ні
Відправлення телевізорів в цех упаковки
Так
Кінець
Умова завдання
Зібрані телевізори на заключній стадії їх виробництва проходять ряд пунктів технічного контролю. В останньому з цих пунктів здійснюється перевірка настройки телевізорів. Якщо при перевірці виявилося, що телевізор працює неякісно, він направляється в пункт настройки, де налаштовується заново. Після перенастроювання телевізор знову прямує в останній пункт контролю для перевірки якості настройки. Телевізори, які відразу або після декількох повернень в пункт настройки пройшли фазу заключній перевірки, направляються в цех упаковки.
Опис моделі
Час між надходженнями телевізорів в пункт контролю для заключної перевірки розподілено рівномірно на інтервалі 3.5-7.5 хв. У пункті заключної перевірки паралельно працюють два контролера. Час, необхідний на перевірку одного телевізора, розподілено рівномірно на інтервалі 6-12 хв. В середньому 85% телевізорів проходять перевірку успішно з першого пред'явлення і направляються на упаковку. Решта 15% повертаються в пункт настройки, обслуговується одним робочим. Час налаштування розподілено рівномірно на інтервалі 20-40 хв.
Необхідно проімітувати роботу пунктів контролю і настройки протягом 480 хв для оцінки часу, що витрачається на обслуговування кожного телевізора на останньому етапі перевірки.
Реалізація на мові програмування
Табличка часу, який витрачається на обслуговування кожного телевізора на останньому етапі (заключна перевірка) (по осі Y - кількість телевізорів):
Математичне сподівання (Mean)дорівнює 8.960
Среднє відхилення (S.D.) дорівнює 1.661
Подивившись на висновок програмного коду, можна сказати, що за 480 одиниць системного в упаковочний цех було відправлено 89 телевізорів, 9 з яких направились на настройку, загалом в чергах було 104 телевізори, Середній час на обслуговування телевізорів на останньому етапі дорівнює 8.960
ВИСНОВОК
Під час виконання курсової роботи ми дослідили функціонування систем масового обслуговування за допомогої моделі, створеної в системі GPSS. Імітаційне моделювання дало корисну інформацію про процеси, які проходять в роботі обчислювального комплексу. На збір подібної інформації було б витрачено багато ресурсів і сил. Імітаційне моделювання дозволяє зробити це набагато простіше.Середовища моделювання систем дозволяють дослідити характеристики моделі.
В результаті виконання курсової роботи були досягнуті наступні результати:
1. вивчені методи побудови імітаційних моделей економічних об'єктів;
2. отримані навички проведення чисельних експериментів на імітаційних моделях економічних систем;
3. придбаний досвід проведення аналізу за результатами чисельних експериментів на імітаційної моделі;
4. проведений аналіз дозволив виявити деякі закономірності, які допоможуть в проведенні кадрової політики підприємства.
Список використаних джерел
1. Ємельянов А.А. Імітаційне моделювання економічних процесів: Учеб. посібник / А.А Ємельянов, Е.А. Власова, Р.В. Дума; Під ред. А. А. Ємельянова. - М .: Фінанси і статистика, 2004. - 368 с .: іл.;
2. Вільна енциклопедія / Вікіпедія / PERT / URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/PERT ;
3. Личкін М.М. Імітаційне моделювання економічних процесів: Учеб. посібник - М .: Державний університет управління, 2005. - 163 с.;
4. Вільна енциклопедія / Вікіпедія / GPSS / URL: http: //ru.wikipedia.org/wiki/GPSS ;
5. Комп'ютерне імітаційне моделювання. Статистичне імітаційне моделювання / URL: http://www.intuit.ru/department/calculate/intromathmodel/5/ ;
6. Вільна енциклопедія / Вікіпедія / Мережеве планування / URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Сетевое_планирование ;
7. Центр креативних тежнологій / InvenTech / Мережеве планування / URL: http://www.inventech.ru/lib/glossary/netplan/ .
8. https://works.doklad.ru/view/aK1QrzxOyvI/all.html
9.https://www.youtube.com/playlist?list=PLhyPdV6jkp-QWDRTsAP6DAp2XGoQvhX2S
10.https://knowledge.allbest.ru/radio/3c0a65625b2ad68b5d43b89521306d36_0.html
11.https://www.youtube.com/playlist?list=PLnvj3pJ-nko9SInIN240_eIEO6xsp8XUs
12.https://www.youtube.com/watch?v=UElJEW_cO10&t=152s&ab_channel=RANJIRAJ