Моделирование дискретных динамических систем сетевой структуры на Симула-67 тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ДИСКРЕТНЫЕ ДЩНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СЕТЕВОЙ

СТРУКТУРЫ. ЗАДАЧИ И СРЕДСТВА ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ.

1.1. Понятие дискретной динамической системы сетевой структуры (ДЦССС).

1.2. Связь ДЦССС с другими математическими моделями.

1.3. Примеры ДЦССС.

1.4. Особенности средств имитации ДЦССС.

Сбор статистики.

1.5. Организация моделей.

1.6. Представление типовых элементов ДЦССС.

ГЛАВА 2. КЛАССЫ СТАТИСТ И ССМО.

2.1. Выбор базового языка.

2.2. IOia.cc СТАТИСТ.

2.2.1. Назначение и состав.

2.2.2. Представление гистограмм в классе

СТАТИСТ.

2.2.3. Особенности представления выборок в классе СТАТИСТ.

2.2.4. Представление ТФЭ.

2.2.5. Представление простой переменной.

2.3. Класс ССМО.

2.3.1. Основные проблемы реализации.

2.3.2. Структура, и состав класса ССМО.

2.3.3. Краткое описание программ класса ССМО.

ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ В КЛАССЕ ССМО.

ШДЕЛИ КОНКРЕТНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Построение блок-схемы и генерация программы.

3.2. Модель СЦЦ В1СЙТ1 СО АН СССР.

3.2.1. Структура моделируемой СЦЦ.

3.2.2. Структура модели.

3.2.3. Нестандартные блоки модели:.

3.2.4. Результаты моделирования.

3.3. Модель СЦЦ ННЦ.

3.3.1. Описание нестандартных блоков.

3.3.2. Пример моделирования.

3.4. Модель системы многоступенчатого ремонта сложного оборудования.

3.5. Модели информационного обмена задачи АСУ с внешней памятью ЭВМ.

В диссертационной работе приводятся результаты исследований и разработок, направленных на решение актуальной научной задачи - создания средств автоматизации моделирования дискретных динамических систем сетевой структуры (ДЦССС) на базе расширяемой системы программирования СИМУЛА-67. Прикладная направленность диссертации определяется реализацией на базе отечественных компиляторов СИМУЛА-67 на БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ системы, ориентированной на моделирование сложных технических систем сетевой структуры, таких как вычислительные системы, сети связи и передачи данных,системы технического обслуживания и ремонта.

Исследования по теории и практике имитационного моделирования на ЭВМ ( simulation ) успешно развиваются как в нашей стране, так и за рубежом. Наиболее известны работы:

1. По методам статистического моделирования на ЭВМ: Бусленко Н.П., Гнеденко Б.В., Глушкова В.М., Ермакова С.М., Коваленко И.И., Марчука Г.И., Михайлова Г.А., Поляка Ю.Г., Ktejnen J. Р.С., NayiorT. Н., Shannon R.E. и др.

2. По средствам автоматизации моделирования: Бусленко Н.Н.,

Калиниченко Л.А., Марьяновича Т.П., Нечепуренко М.И,, Суркова

Е.М., Чинина Г.Д., Чистова В.П., Яковлева Е.И., birtwhistie G.M.,

Da hi 0-3., Fish man G. 5V Jones MM., Kindler Ev Kividi P. J., Krasnow H. S и др.

3. В области методов моделирования вычислительных систем:

Артамонова Г.Т., Бабаяна Б.А., Башарина Г.П., Литвинова В.В., Лебедева С.А., Максимея И.В., Мельникова В.В., Митрофанова Ю.И., Мямлина А.И., Когана Я.А., Пирогова В.В., Пранавичуса Г.У Franta W. Rv Gordon Gv Pa/m J. и dp.

Развитие теории и методов применения имитационных моде- ■ лей сопровождалось ростом числа языков и систем моделирования, предназначенных для автоматизации описания таких моделей. Только на отечественных ЭВМ реализованы языки НЭДИС[1М21 , СИМУЛА , СИМУЛА-67 [3,4,-К] f ШСС[MS], МОДУС [261

ДИС f-52] , АЛСИМ [23] , МОДЕЛЬ-6 [33] , СТИМОЛ ['6] ? и некоторые другие. Велико количество пакетов моделирования на универсальных языках программирования типа ФОРТРАН, АЛГОЛ и ПЛД (ДИСП L2-I] на ПЛ/1, CM L 5] -на Ф0РТРАН-1У, КИЩС [253 -на АЛГОЛе).

Наряду с универсальными средствами моделирования успешно развиваются языки и пакеты моделирования [6,25,26,27,зр] ориентированные на конкретные классы систем. Создание таких специализированных средств позволяет, как правило, поднять эффектив -ность и наглядность программирования конкретных классов систем.

Цель данной диссертационной работы заключается в проведении исследований, связанных со специализацией системы СИМУЛА-67 на моделирование дискретных динамических систем сетевой структуры, в частности вычислительных систем и сетей передачи данных, а также программная реализация указанной специализации.

К разрабатываемому расширению предъявлялись следующие требования: а) реализуемые функции должны позволять быстро строить модели систем сетевой структуры; б) полученные модели должны быть лаконичны и наглядны; в) должны быть реализованы средства автоматического сбора стандартной статистики (статистики по очередям, приборам и т.п.) и средства ее наглядного отображения; г) расширение должно удовлетворять стандарту языка СИМУ1А-67 [ 14 ] и допускать эффективную реализацию в рамках создавамой НФ ИТМиВТ АН СССР системы программирования СИМУЛА-67 на МВК "Эльбрус"; д) реализуемый набор средств должен быть достаточно универсальным и расширяемым, т.е. должен подходить для возможно более широкого спектра ДЦССС.

Новизна настоящей разработки заключается в реализации средств моделирования ДЦССС расширением языка СИМУЛА-67, содержащего в себе средства моделирования параллельных взаимодействующих процессов, что позволяет, в частности, погружать модель (модели), созданную с помощью разработанных средств, в объемлющую модель, реализованную собственными средствами языка. Разработка является первым в отечественной практике опытом создания специализированных классов моделирования языка СИМУЛА-67.

Реализация средств моделирования ДЦССС в рамках СИМУЛА-67 -наиболее мощного из получивших всемирное распространение языков моделирования, - определяет и практическую значимость работы. Необходимо отметить, что большую эффективность принятый подход будет иметь при реализации СИМУЛА-67 на более мощных отечественных вычислительных средствах, в частности, на МВК "Эльбрус".

Представленная в диссертации система моделирования реализована в виде классов СТАТИСТ и ССМО, описывающих средства сбора, обработки и выдачи результатов имитационного моделирования и средств собственно моделирования ДЦССС, соответственно.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и 6 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной, работе приведены результаты исследований и разработок, направленных на решение актуальной научной задачи - создания средств автоматизации моделирования диск -ретных динамических систем сетевой структуры (ДЦССС).

Прикладная направленность диссертации - разработка на базе СИМУЛА-67 системы, ориентированной на моделирование сложных технических систем сетевой структуры, такие как вычислительные системы, сети связи и передачи данных, системы обслуживания и ремонта.

Представленная в диссертации система моделирования реализована в виде классов СТАТИСТ (описывает сбор, обработку и выдачу результатов моделирования) и ССМО (описывает средства собственно моделирование, подкласс класса СТАТИСТ) и является первой разработкой проблемно-ориентированных классов модели -рования системы СИМУЛА-67 для отечественных ЭВМ.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Исследована и разработана обобщенная концепция дискретных динамических систем сетевой структуры (ДЦССС), разви -вающая концепцию ГПСС - системы и отличающаяся расширенным составом стандартных блоков сети, допустимостью изменения структуры во времени и широким набором средств сбора и обработки статистической информации.

Разработана символика графического представления стандартных блоков.

Предлагаемая концепция ДЦССС основана на модельных пред -ставлениях ряда конкретных вычислительных систем и сетей и адаптирует основные конструкции языка ГПСС.

2. Исследована и обоснованы методы оптимальной организа

Ции управления процессами в модели, в частности методы синхронизации событий. Исследования основываются на анализе обобщенной схемы модельного эксперимента с ДЦССС.

3. Исследованы различные способы реализаций функций выделенных стандартных блоков средствами СИМУЛА-67 и определены условия их предпочтительного использования. Определяющими являются реализации:

- блоков задержки (произвольного числа требований на программно управляемые времена);

- блоков прерывания обслуживания (с обеспечением последующего дообслуживания);

- блоков синхронизации.

4. На основании проведенных исследований разработан класс ССМО системы СИМУЛА-67, предназначенный для имитационного моделирования ДЦССС. Класс ССМО реализует функции 26 стандартных блоков и обеспечивает распределенное и смешанное управление процессами.

Отличительными свойствами класса ССМО являются:

- реализация функций, стандартных блоков активными процеесами;

- адекватность графического представления модели тексту программы ее генерации;

- обеспечение возможности использования в моделях нестан-дартнех блоков.

Класс ССМО реализуется 531 операторами СИМУЛА-67. Объектные модули имеют общий объем 160 килобайт для ЕС ЭВМ. Отладка произведена на БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ в рамках систем СИМУЛА-67 разработанных в ИПМ АН СССР.

Класс ССМО внедрен в НФ ИТМ и ВТ АН СССР и ПГВЦ СО АН

СССР.

5. Разработан класс СТАТИСТ системы СИМУЛА-67, предназ- -наченный для сбора, обработки и выдачи на печать результатов имитационного моделирования. Являясь внешним по отношению к классу ССМО класс СТАТИСТ может использоваться независимо от последнего.

Класс СТАТИСТ реализуется 700 операторами СИМУЛА-67. Объектные модули имеют общий объем 189 килобайт для ЕС ЭВМ.

6. Изобразительные возможности и эксплуатационнйе характеристики классов ССМО и СТАТИСТ исследованы на ряде моделей вновь проектируемых систем, а именно:

- СЦЦ ВК КП Новосибирского научного центра (первая очередь);

- СЦЦ ВК КП Новосибирского научного центра (вторая очередь);

- системы многоступенчатого ремонта сложного.' оборудования;

- процесса информационного обмена задачи АСУ с внешней памятью ЭВМ.

Результаты моделирования подтвердили: а) наглядность модельных представлений и простоту их модификаций; б) простоту программирования: одному блоку в графическом изображении модели соответствует один оператор в программе генерации модели; в) высокое использование стандартных блоков и стандартных статистик (до 87.5% от общего объема программ), обеспечивающее существенное снижение затрат на программирование; г) достаточно высокие для широкого класса задач характеристики формируемых программ ( ~ 250 событий, связанных с перемещением требований, в секунду для рассматриваемых моде I лей).

Основным ограничением использования класса ССМО является жесткое требование к объему оперативной памяти ЭВМ: примерно до 200 экземпляров стандартных блоков на БЭСМ-6 и до 1000 на ЕС.

7. Проведено исследование характеристик использования каналов и аппаратуры СПД ВК КП СО АН СССР на имитационных моделях. При программировании использовались классы СТАТИСТ и ССМО.

Были изучены влияния интенсивности потока передаваемых сообщений, распределение длины сообщений, пропускных способностей каналов и числа принимающих буферов на загрузку сетевых контроллеров и каналов, количество обрабатываемых в секунду пакетов и время передачи сообщений (для первой модели) и влияние интенсивности входного потока пакетов на пропускную способность сети, среднее время передачи сообщений между парами узлов, коэффициент загрузки процессора и процент теряемых пакетов (для второй модели). Найдены оптимальное количество принимающих буферов, требуемые пропускные способности каналов и максимальная пропускная способность СПД.

Возможности и область применения разработанных программных средств имитационного моделирования будут существенно расширены при их реализации на ЭВМ новых поколений (в частности, МВК "Эльбрус") и введении режима диалога исследователя с моделью.

1. Азаров С.С., Шамшур А.В. Моделирование непрерывно-дискретных систем с использованием пакета CASP-IV. Киев, 1979. 35 с. (Препринт/ИК АН УССР: 79-33).

2. Новые возможности компилятора с языка СИМУЛА для БЭСМ-6 /Андрианов А.Н. и др. Препринт № 75. - М., ИПМ АН СССР, 1977.

3. Компилятор с языка СИМУЛА-67 для БЭСМ-6/ Андрианов А.Н. и др. М., ИПМ АН СССР, 1980.

4. Бычков С.П., Попкова Г.В., Хорошилов А.И. Компилятор с языка СИМУЛА-67 для ЕС ЭВМ. М., ИПМ АН СССР, 1982.

5. Богданов Л.А., Ситников И.О. Система структурного моделирования. В кн.: Математическое обеспечение автоматического проектирования: моделирование дискретных систем. -Свердловск: УНЦ АН СССР, 1981, с. 71-80.

6. Автоматизация моделирования вычислительных систем. Языки, моделирование и базы данных /Под ред. Брейера М. -М.: Мир, 1979.

7. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. 2-е изд., перераб. -М.: Наука, 1978.

8. Воловик М.А., Родионов А.С. Имитационная модель одного класса систем на языке СИМУЛА. В кн.: Системное моделирование. СМ-5. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1979,с.51-60.

9. Голованов О.В., Дуванов С.Г., Смирнов В.Н. Моделирование сложных дискретных систем на ЭВМ третьего поколения (Опыт использования GPSS ). М.: Энергия, 1978.

10. Глушков В.М., Калиниченко Л.А., Марьянович Т.П., Москаленко В.М., Сахнюк М.А. СЛЭНГ система программиро --вания для моделирования дискретных систем.-Киев:ИК АН УССР,1969.

11. Гусев В.В., Марьянович Т.П., Сахнюк М.А. Сравнительный анализ средств программного моделирования сложных систем. УС и М., 1973, № I, с. 1-7.

12. Гусев В.В., Марьянович Т.П., Сахнюк М.А. Система программирования НЕДИС. ч. I, П. Киев: Институт ки -бернетики АН УССР, 1975.

13. Дал О.И., Нигард К. СИМУЛА язык для моделиро -вания систем с дискретными событиями. Алгоритмы и алгоритмические языки. Вып.2, ВЦ АН СССР, М., 1967.

14. Дал X., Мюрхауг В., Нюгорд К. СИМУЛА-67. Универсальный язык программирования. М.: Мир, 1969.

15. Дал У.-И., Хоор И. Иерархические структуры про -грамм. В кн.: Дал У., Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование. -М.: Мир, 1975, с. 198-245.

16. Дубовская Н.И. Сравнительный анализ основных языков дискретного моделирования. В сб.: Вычислительные системы: Сб.тр./ СО АН СССР, ИМ, 1978, вып. 77. Автоматизация проектирования в микроэлектронике. Теория. Методы. Алгоритмы. Новосибирск, с. 94-104.

17. Калиниченко Л.А., Щербин В.М. СКИФ назависимый от языков программирования пакет программ, ориентированный на имитационное моделирование систем с дискретными событиями. - УС и М, 4, с. 37-42.

18. Кузнецов Г.П., Олейник Л.Ф. Модель двух связных сетей массового обслуживания замкнутого типа на СИМУЛА-67 и ее приложение. Минск, 1982. (Препринт / ИМ АН БССР:6/131),

19. Развитие теории и методов системного моделирования (Заключительный отчет) /Майнагашев С.М., Нечепуренко М.И., Попков В.К., Постникова Л.Н., Проскуряков В.А.Родионов А.С.,

20. Родионова O.K. Отчет ВЦ СО АН СССР, Jfc 1424. - Новосибирск, 1980.

21. Максимей И.В. Функционирование вычислительных систем. М.: Советское радио, 1979.

22. Мановицкий В.И., Сурков Е.М. Система имитационного моделирования дискретных процессов ДИСМ. Киев-Одесса: Вшца школа, 1981.

23. Марковиц Г., Хауснер Б., Карр Г. СИМСКРИПТ. Алгоритмический язык для моделирования. М.: Советское радио, 1966.

24. Математическое обеспечение моделирования сложных систем. Тезисы докладов, ч. 1,2. Киев: КОЛЛИ, 1977.

25. Метляев Ю.В., Родионов А.С. Моделирование ВККП СО АН СССР средствами языка СИМУЛА. В кн.: Вычислительная техника и системный анализ. - Новосибирск, 1980, с.4-5.

26. Митрофанов Ю.И., Иванов А.Н. КИМДС комплекс процедур имитационного моделирования обобщенных дискретных систем. - Программирование, 1978, №5, с. 74-83.

27. Моделирование дискретных управляющих и вычислительных систем. Тезисы докладов Ш Всесоюзного семинара. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1981.

28. Моделирование дискретных управляющих и вычислительных систем. Тезисы докладов 1У Всесоюзного семинара.-Сверд-ловск: УНЦ АН СССР, 1984.

29. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с мо-. делями экономических систем. М.: Мир, 1975.

30. Нечепуренко М.И., Майнагашев С.М., Родионов А.С. Имитация для АСУ и в АСУ. В кн.: Имитационное моделирование производственных процессов. Сб.трудов теоретического семинара. - Новосибирск, ИЭиОПП СО АН СССР, 1979, с.49-59.

31. Нечепуренко М.И., Хайрутдинов А.Х., Шабров Г.В. Язык моделирования ДИС. В кн.: Доклады У-й Межвуз. конф. по физическому и математическому моделированию. М., 1968,

32. Разработка методов и средств машинной имитации процессов технического обслуживания и ремонта оборудования.

33. ДЛЯ.048.001. /Нечепуренко М.И., Родионов А.С., Родионова O.K., Окольнишников В.В., Леус Г.П. Отчет № 2010, ВЦ СО АН СССР, ИТМиВТ. - Новосибирск, 1977.

34. Нечепуренко М.И., Родионов А.С. Разработка комплекса программ решения задач статистического моделирования и дискретной оптимизации (СИМОД). Эскизный, проект. Отчет ВЦ СО АН СССР, В 12. Новосибирск, 1978.

35. Нечепуренко М.И., Родионов А.С. Разработка комплекса программ решения задач статистического моделирования и дискретной оптимизации (СИМОД). Технический проект. Отчет ВЦ СО АН СССР, № 1680. Новосибирск, 1979.

36. Нечепуренко М.И., Родионов А.С. Разработка комплекса программ решения задач статистического моделирования и дискретной оптимизации (СИМОД). Рабочий проект. Отчет ВЦ

37. СО АН СССР, )£ 1412. Новосибирск, 1980.

38. Нечепуренко М.И., Родионов А,С. Решение задачи оптимизации распределения информации АСУ ЭО во внешней памяти ЭВМ. Отчет ВЦ СО АН СССР, № 141I. - Новосибирск,1980.

39. Орлов Л.Х., Родионов А.С. Моделирование сети передачи данных с коммутацией пакетов средствами языка СИМУЛА-67. В кн.: Вычислительная техника и дискретный анализ. -Новосибирск, 1983, с. 17-19.

40. Пранявичус Г.И. Языки и методы исследования вычислительных систем. Вильнюс: Мокслае, 1982.

41. Родионов А.С. Системы взаимодействия с имитационными моделями (Краткий обзор). В кн.: Системный анализ и исследование операций. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1977, с. 15-31.

42. Родионов А.С. Некоторые вопросы применения языка СИМУЛА-67 для создания специализированного математического обеспечения. В кн.: Системный анализ и исследование операций. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1979, с. 23-30.

43. Родионов А.С. Реализация функций блока ADVANCE в классе ССМО языка СИМУЛА-67. В кн.: Математические и имитационные модели сложных систем. СМ-6. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1981, с. 79-88.

44. Родионов А.С. Специализация языка СИМУЛА-67 на моделирование сетей связи. В кн.: Вычислительные устрой -ства и системы. - Новосибирск, 1979, с. 10-И.

45. Родионов А.С. Опыт использования системы СИМУЛА-67 для моделирования сетевых систем. В кн.: Прикладные проблемы моделирования систем связи. Тез. докл. межотрасл. конф., ч. 2, Ташкент, 1980, с. 123-126.

46. Родионов А,С. Имитационная модель информационного обмена задачи АСУ с внешней памятью ЭВМ. В кн.: Выш слитель-ная техника и системный анализ. - Новосибирск, 1982,с.69-73.

47. Родионов А.С. Имитационное моделирование СЦЦ ВККП СО АН СССР средствами языка СИМУЛА. В кн.: Эффективность и структурная надежность информационных систем. СМ-7. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1982, с. 73-89.

48. Родионов А.С. Решение задачи оптимизации распределения информации во внешней памяти ЭВМ. Дополнительный отчет.-Отчет ВЦ СО АН СССР, № I530I/I562. Новосибирск, 1981, 29с.

49. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на CP5S . М.: Машиностроение, 1980.

50. Проект ВЦКП. Техническое обеспечение. Система передачи данных (техническое описание). ДЛЯ 047.023. Отчет ВЦ СО АН СССР. Новосибирск, 1980.

51. Atkins M-S. A comparison of SIMULA and GPSS for simulation spzxse traffic. SIMULATION, / 34, N p. 93--iOO.5L Qabich A.F.j Grason J., Pamas D.L. Significant Event Simulation. ComunicaUcns of the ACM (CACMX VIS, N 6, p. 32S-329.

52. Qerhzrdt H.-D. SIMULA als Bjsis fur Jen Auf-Ьаи von kombinierten S/mulationsyste/nen. Weiterbildungszentr. Math. Kybe^n. unj Recti en tec tin. InformationSverari. Techn. Univ. Drescfen, 1S79, N4o, p. £5-64.

53. Helsfjun K. DISCO -d SlMULA-based Ungate for continuouscombined arid discrete simulation. SIMULATION > V35 , /У/, f>.

54. Houte P A-j Frartb W-R.jOn the structural concepts of SIMULA aW Simulation modelling. The Australian Compute*- Journalл 1/7, N^ p. S9-4S.

55. Ichbian J. £>., Morse £>■ P General concepts of the SIMULA programming language. Annual Review in Automatic programming. V. 7, P<3rt•/, /972, p. 6-S" -53.

56. Л?. Vessels d. An alternative to event (jueaes for synchrom'sa-ho* in monitors. С ACM, V /V 7J -/97S, p.Soo-Soz.

57. Gi. Keitenis D.L. Combined Simulation ял/his SIMULA 67. In: S/'rvuldti-ort of systemi 73 J blorth-Holland p.СS9SO, p. 29<-237.

58. Hindler E. SIMULA 67 and systems a^bl/sis. Electron/she Tnfor-rmHons.ver&rbeitung und Kyberneh k (ElK). V iS^tfJO} J379,p S'3-S24.

59. Kind Lev E., Proco/O fc.j Chochol S. Dynamic Modelling of Transport in Agricultural Systems . E/K. V<7, At 44/4Z, 49X4,

60. Landwehr C.£.Ar> Abstract Type for Shi (S it с Collection in SIMULA. ACM Trans, on Programming La^uA^es And Systems. V/ 2,1. N4 г jggo , p. S44 S63.

61. LQeming A M C. A Comp^ri^on of So?ne discrete event Ldiion languages. St/nu Utter. V 12, It t-<> 49&1,

62. Pa/m J. List structures in SIMULA and PL/4- <j comparison. FOA P deport CZZ81 MS (PS) January 1974, Stockholm

63. PtilniJ- Making SIMULA into <5 programming tdngctdge for realtime. FOA P Report СЛЗЭ4 Ml(PsJ June J974, Stockholm.

64. Pd/m J. Putting statistics into <£ S/MULA program. FOA Report С S0030-MZ(CSj July J97Sj Shoc-kholm.7/. Pdlm J. SIMULA ds a toml for ^xtenzible program products. POA P Rapport M3(Esj My JeVJ^Stockhotrr).

65. Palm J. C/ses of the SIMULA process Concept. Softwjre-Praci.Znd Exper., V 42. 498Z,p. /S3-46-1.