книги / Моделирование систем. Практикум
.pdfБ.Я. Советов С .А . Яковлев
Моделирование
систем
Практикум
Издание второе, переработанное и дополненное
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов «Информатика и вычислительная техника» и «Информационные системы»
МОСКВА ’«ВЫСШАЯ ШКОЛА»
2003
УДК 519.876.5 ББК 22.18
С56
Р е ц е н з е н т д-р техн наук, профессор М Б И гнат ьев (заведующий кафедрой вычислительных систем и сетей Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения)
Советов, Б.Я.
С 56 Моделирование систем. Практикум: Учеб, пособие для вузов/Б.Я. Советов, С.А. Яковлев.— 2-е изд., перераб. и доп — М.: Высш. шк., 2003.— 295 с.: ил.
ISBN 5-06-004087-9
В пособии, являющемся частью комплексного учебника «Моделирова ние систем» (3-е изд), рассмотрены проблемы организации имитационного моделирования систем на персональных компьютерах, даны рекомендации по методике, основным этапам и технологии машинного моделирования Подробно рассмотрены вопросы практической реализации моделей систем на ЭВМ как в лабораторном практикуме, так и при выполнении курсовых работ
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и «Информационные системы» и специальностям «Автоматизированные системы обработки информации и управления» и «Информационные системы и технологии»
ISBN 5-06-004087-9
УДК 519 876 5 ББК 22 18
© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2003
Оригинал-макет данного издания принадлежит издательству «Высшая шко ла», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия из дательства запрещено
П Р Е Д И С Л О В И Е
Современный этап развития человечества отличается тем, что на смену века энергетики приходит век информатики. Происходит интенсивное внедрение новых информационных технологий во все сферы деятельности Встает реальная проблема перехода в ин формационное общество, для которого приоритетным должно стать развитие образования. Изменяется и структура знаний в об ществе. Все бблылее значение для практической жизни приобре тают фундаментальные знания, способствующие творческому развитию личности. Важна и конструктивность приобретаемых знаний, умение их структурировать в соответствии с поставленной целью. На базе знаний формируются новые информационные ре сурсы общества. Формирование и получение новых знаний долж но базироваться на строгой методологии системного подхода, в рамках которого особое место занимает модельный подход. Воз можности модельного подхода крайне многообразны как по ис пользуемым формальным моделям, так и по способам реализации методов моделирования. Физическое моделирование позволяет получить достоверные результаты для достаточно простых систем.
Сложные по внутренним связям и большие по числу элементов системы трудно поддаются прямым способам моделирования и за частую для их построения и изучения переходят к имитационным методам. Появление новейших информационных технологий не только расширяет возможности моделирующих систем, но и по зволяет применять большее многообразие моделей и способов их реализации. Совершенствование вычислительной и телекомму никационной техники привело к дальнейшему развитию методов машинного моделирования, без которых невозможно изучение процессов и явлений, а также построение больших и сложных сис тем. Поэтому дисциплина «Моделирование систем» стала базовой в структуре подготовки бакалавров, магистров и специалистов по ряду направлений высшего профессионального образования. Среди этих направлений прежде всего следует отметить 654600 «Информатика и вычислительная техника», 654700 «Информаци онные системы».
3
Материал предлагаемого учебного пособия является вторым дополненным и переработанным изданием книги «Моделирова ние систем. Практикум» (1999) и соответствует программам дис циплины «Моделирование систем» примерного учебного плана подготовки для студентов высших учебных заведений, обучаю щихся по направлениям подготовки дипломированных специали стов 654600 «Информатика и вычислительная техника» и 654700 «Информационные системы», включая специальности 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управ ления» (АСОИУ), 071900 «Информационные системы и техноло гии» (ИСТ) и 073700 «Информационные технологии в образова нии (ИТО)». При подготовке второго издания учебного пособия использованы: новая отечественная и зарубежная литература по моделированию систем различных классов; учтен опыт разработ ки реальных систем; результаты внедрения ранее выпущенных учебников «Моделирование систем» (1985,1998, 2001) и учебного пособия «Моделирование систем. Практикум» (1-е изд.) в учебном процессе при проведении практических занятий, лабораторного практикума и курсового проектирования на кафедре «Автомати зированных систем обработки информации и управления» Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ).
Замечания по содержанию книги просим направлять по адре су: 127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Данный практикум ориентирован на исследование математи ческих (аналитических и имитационных) моделей и методов, при меняемых при проектировании автоматизированных систем управления различных уровней, распределенных информацион ных систем и сетей, автоматизированных систем научных иссле дований и комплексных испытаний, а также на освоение новой информационной технологии в автоматизации исследования этих сложных систем на базе метода моделирования на ЭВМ. Цель практикума — выработать у студентов умение самостоятельно применять для решения конкретных инженерных задач исследо вания систем знания по моделированию на ЭВМ, полученные из лекционного курса.
Каждая лабораторная работа по дисциплине «Моделирование систем» должна научить студентов самостоятельно решать отдель ные прикладные задачи исследования систем на базе метода ма шинной имитации; оформлять результаты машинных экспери ментов в соответствии с требованиями ГОСТ; выступать перед аудиторией с защитой результатов, полученных при выполнении лабораторных работ по исследованию характеристик систем на ЭВМ. Предполагается, что при выполнении лабораторных работ задачи моделирования ограничены рассмотрением вопросов оценки с помощью имитационных экспериментов вероят ностно-временных характеристик для системного исследования процессов функционирования сложных объектов.
Курсовая работа предназначена для практического усвоения студентами основных разделов дисциплины «Моделирование сис тем» и ряда ранее прочитанных дисциплин типового учебного пла на специальностей 071900-ИСТ, 0737-ИТО и 220200-АСОИУ, за крепление знаний по математическим методам и программным средствам системного моделирования, развития практических на выков комплексного решения задач исследования и проектирова-
5
ния систем на современных ЭВМ В задачи курсовой работы по дисциплине «Моделирование систем» входятразвитие у студен тов навыков научно-исследовательской и проектно-конструктор ской работы в области исследования и разработки сложных сис тем, постановка и проведение имитационных экспериментов с моделями процессов функционирования систем на современных ЭВМ для оценки их вероятностно-временных характеристик, как наиболее характерных для системного исследования и проектиро вания автоматизированных информационных систем; принятие экономически и технически обоснованных инженерных реше ний; анализ научно-технической литературы в области систем ного моделирования, а также использование стандартов, спра вочников, технической документации по математическому и про граммному обеспечению ЭВМ и т. д При выполнении курсовой работы следует также руководствоваться общими указаниями по организации и методике проведения курсового проектирования в вузе и методическими материалами по курсовому проектирова нию программных продуктов. При выполнении курсовой работы студент должен научиться работать в рамках современных техно логий машинной имитации, оформлять программную документа цию в соответствии с требованиями ЕСПД. Курсовая работа гото вит студента крещению более сложной задачи, завершающей обу чение,— дипломному проектированию на базе использования ме тода моделирования на ЭВМ для принятия обоснованных проектных решений
В предлагаемом учебном пособии с единых методологических позиций системного машинного моделирования рассмотрены во просы организации выполнения курсовых и лабораторных работ на ПЭВМ, даны конкретные указания по выполнению каждой ра боты, включая построение концептуальной модели исследуемой в работе системы и ее формализацию, алгоритмизацию и машин ную реализацию, получение и интерпретацию результатов моде лирования Существенное место в учебном пособии занимают важные вопросы практической реализации моделей с использова нием языка моделирования дискретных систем GPSS/PSC в среде Windows—95/98/2000/ХР и MS DOS. Выбор в качестве средств программной реализации моделей в практикуме языка GPSS (General Purpose System Simulator) обусловлен тем, что в настоя щее время он является одним из наиболее эффективных и распро страненных программных средств моделирования сложных дис-
б
кретных систем на ПЭВМ и успешно используется для моделиро вания систем, формализуемых в виде схем массового обслужива ния, с помощью которых описываются многие объекты, рассмат риваемые при подготовке специалистов по упомянутым выше спе циальностям. Приводятся варианты заданий объектов моделиро вания, отражающие специфику системной, математической и программной подготовки инженеров по перечисленным специ альностям. Для практического усвоения материала практикума по дисциплине «Моделирование систем» рассмотрены принципы построения имитационных моделей с помощью системы модели рования GPSS, типовые конструкции программ и синтаксис эле ментов языка GPSS/PC версии 2.0, приведены многочисленные примеры выполнения конкретных вариантов лабораторных и кур совых работ по имитации систем на ПЭВМ.
Г л а в а 1
О Р Г А Н И З А Ц И Я И Т Е Х Н О Л О Г И Я В Ы П О Л Н Е Н И Я П Р А К Т И К У М А
ПО К О М П Ь Ю Т Е Р Н О М У
МО Д Е Л И Р О В А Н И Ю
СИ С Т Е М
Впервой главе учебного пособия рассмотрены вопросы организации учеб ного процесса при проведении практикума, включая практические занятия, лабораторные работы и курсовое проектирование, приведена технология вы полнения практикума инвариантно от объекта моделирования и инструмен тальной среды реализации имитационного эксперимента Обобщение получен ных результатов в области методологии машинного моделирования дает воз можность условно разделить эвристические принципы моделирования на сово купность основных правил построения моделей систем S и способов их машинной реализации, причем правила определяют общие свойства, которы ми должна обладать построенная машинная модель, а способы реализации дают конкретные приемы получения нужных свойств модели системы S.
1.1.СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИКУМА
Практикум по дисциплине «Моделирование систем» представ ляет собой единый комплекс практических занятий, лабораторно го практикума и курсовой работы, объединенных единой методо логией системного моделирования и технологией использования инструментальных средств моделирования на современных ком пьютерах. Методологической базой проведения данного практи кума является лекционный курс дисциплины «Моделирование систем» [11—13]. Практические и самостоятельные занятия дают базовую подготовку для выполнения курсовой работы, которая яв ляется завершающим этапом практикума по дисциплине «Моде лирование систем».
Пояснительная записка к курсовой работе (отчет по лабора торной работе) должна давать полное представление о принципе решения поставленной задачи моделирования системы S с обос нованием правильности решения задачи на инструментальной
8
ЭВМ. Содержание основных разделов пояснительной записки следующее.
Титульный лист должен соответствовать установленному об разцу.
Реферат в сжатой форме должен раскрывать содержание пояс нительной записки к курсовой работе по дисциплине «Моделиро вание систем».
Содержание включает наименование всех разделов курсовой работы, а также подразделов и пунктов, если они имеют наимено вание, с указанием номера страниц, на которых размещается нача ло материала разделов, подразделов, пунктов.
Введение содержит постановку задачи, анализ актуальности и цели моделирования системы. Здесь дается краткий анализ воз можных методов решения поставленной задачи, но так, чтобы он не заслонял основного содержания проекта. Указываются литера турные источники, по которым сделан обзор, что позволяет су дить, насколько полно изучена литература по моделированию конкретной системы. Обзор должен содержать краткую оценку из ложенных материалов и принципов моделирования.
В основной части излагаются разделы, в которых рассматрива ется существо проблемы, даются аналитический обзор возможно стей исследования заданного объекта моделирования, обоснова ние выбранного подхода к моделированию, описание концепту альной модели, формализация и алгоритмизация модели, описа ние выбранного математического и программного обеспечения, описание алгоритмов и программ, инструкции по использованию программ при моделировании на конкретной ЭВМ, результаты моделирования, анализ полученных на модели результатов и вы воды по их использованию для исследования и разработки объекта моделирования.
В основной части приводится:
—описание моделируемой системы и задание на моделирова
ние;
—структурная схема модели системы;
—блок-диаграмма GPSS (схемы алгоритмов при использова нии других языков программирования);
—текст программы;
—описание текста программы;
—аналитическая оценка характеристик функционирования моделируемой системы;
—результаты моделирования:
а) дневник отладки; б) распечатки отдельных прогоне» модели
в) полученные результаты;
9
—сравнение результатов имитационного моделирования и аналитического расчета;
—оценки возможных улучшений в работе системы (согласно заданию) и выработка дополнений к имеющейся модели;
—окончательный вариант модели с результатами. Пояснительная записка должна содержать листинги програм
мы и их описание. При большом объеме эти материалы выносятся в приложение к курсовой работе.
Результаты машинного эксперимента с моделью системы должны быть представлены в форме графиков, таблиц, распечаток и т. п.
Приводится анализ полученных результатов моделирования системы на ЭВМ. При несовпадении расчетных и эксперимен тальных результатов необходимо объяснить причины расхожде ния.
В заключение необходимо дать качественные и количествен ные оценки результатов моделирования, обратив особое внимание на оценки: точности и достоверности результатов моделирования; затрат машинного времени на моделирование и требуемого объе ма памяти ЭВМ; технико-экономических факторов.
Следует представить краткий вывод по результатам моделиро вания системы (примерно на 0,5 страницы), отметить достоинства выбранного способа моделирования. Если в процессе моделиро вания системы был выбран не оптимальный способ, то следует указать причины, обусловившие такое решение, а также нерешен ные вопросы, рекомендации по возможному в дальнейшем усо вершенствованию алгоритма и программы моделирования.
Список использованной литературы должен содержать пере чень источников, использованных при выполнении курсовой ра боты. Указывают только те источники, на которые имеются ссыл ки в тексте пояснительной записки.
Приложение содержит вспомогательный материал (листинги программ, инструкции по пользованию программами и т. п.).
1.2. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ И СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ НА ЭВМ
В данном параграфе сформулированы эвристические принци пы и практические методы реализации машинных моделей про цесса функционирования системы S, которые иллюстрируются приложениями к разработке организационно-производственных систем и информационно-вычислительных сетей, т. е. тех классов
Ю