Портал GPSS.RU

В. Л. Конюх, Я. Б. Игнатьев, В. В. Зиновьев

РАЗВИТИЕ СРЕДСТВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ


 

 

        

Цель статьи – анализ 50-летнего развития программных средств имитационного моделирования (от метода статистических испытаний до создания имитационных сред) для определения места России в этом процессе.
История имитационного моделирования, как методологии исследования дина-мики систем, началась в 1955 г., когда поведение системы стали описывать на универ-сальных языках типа FORTRAN, позднее – на С/C++. В компьютер вводили систему уравнений с детерминированными –X и случайными ~X коэффициентами, задавали

шаг времени t, с помощью датчика случайных чисел изменяли случайные коэффици-енты, а результаты решения ~Y (t) подвергали статистической обработке (рис. 1). По-скольку шаг времени выбирали для самого быстрого процесса, то после моделирования получали множество ненужных данных о шагах, когда изменений в системе нет. Разра-ботка модели часто отставала от развития объекта моделирования, а ее доработка от-нимала много времени.
Появилась идея описания повторяющихся во многих имитационных моделях операций “создать объект”, “двигать”, “передать по условию”, “ожидать в течение”, "генерировать случайные числа" в виде подпрограмм на универсальном языке. Специализированные языки имитационного моделирования описывают поведение системы, как взаимодействие ее элементов Е1,...,Еn во времени и пространстве (рис. 2).
В отличие от имитации с постоянным шагом времени поведение дискретной системы отображается последовательностью событий, которыми являются начало или окончание изменения состояния элемента системы.

В 1960 г. K.Точер предложил записывать постоянные для имитации последовательности операций в виде подпрограмм на языке FORTRAN [1]. Через год появился специализированный язык имитационного моделирования GPSS, в котором Д.Гордон выдвинул концепцию имитации поведения сети компьютеров как процесса движения транзактов через блоки, представляющие собой подпрограммы на языке ALGOL [2]. Чуть позже Ф.Кивиат начал разработку специализированного языка GASP (General Activity Simulation Program), сначала на языке ALGOL, затем на FORTRAN [3]. В 1963 г. Х.Марковиц с использованием FORTRAN разработал язык SIMSCRIPT, описывающий поведение системы в виде последовательности событий [4]. А.Притцкер разработал сетевой имитационный язык Q-GERT (Graphical Evaluation and Review Technique – метод графической оценки и обзора) [5]. В 70-х годах появились процессно-ориентированные языки имитационного моделирования SIMULA, SLAM, GASPIV, SIMAN. Язык SIMULA создан на основе языка ALGOL и содержит операторы дискретно-событийной имитации с возможностью обработки списков [6]. При разработке языка GASP IV использован язык FORTRAN, введена поддержка создания дискретно-событийных, непрерывных и дискретно-непрерывных моделей [7]. В языке SLAM использованы принципы GASP IV и Q-GERT [5].
Одновременно развивались языки непрерывного моделирования CSMP III, CSSL III, CSSL IV, ASCL, DARE-Р, объединенные в семейство GSSL (Continuous System Simulation Language – язык имитации непрерывных систем).
К 1997 г. было создано около десятка версий старейшего языка GPSS. Так, разработанная Д.Хенриксеном версия GPSS/H позволила в 30 раз ускорить разработку модели по сравнению с начальным вариантом GPSS [8]. Сначала специализированные языки были процедурными и описывали поведение системы в виде последовательности вызываемых подпрограмм. Составление программы требовало специальной подготовки пользователя. Результаты имитационного моделирования представлялись в терминах специализированного языка и требовали приведения к терминам объекта моделирования. Стали разрабатывать программы компьютерной анимации, позволяющие отображать проведение имитационных экспериментов на мнемосхеме поведения объекта моделирования. Разработанный Wolverine Software Сorp. (USA) пакет компьютерной анимации ProofAnimation® обеспечивает двухмерную визуализацию процесса имитационного моделирования и его результатов на понятной пользователю схеме объекта моделирования [9]. Для визуализации используются ASCII-файлы, создаваемые специализированными языками в ходе имитационного моделирования.
В 90-х годах на мировом рынке появились среды имитационного моделирования (Arena, Extend, MicroSaint, Enterprise Dynamics и пр.) содержащие интерфейс непро-граммирующего пользователя, входные и выходные анализаторы, возможность анима-ции имитационного моделирования. Их применение и демо-версии представлены на нашем компакт-диске, разработанном для российских специалистов [10]. В 2000 г. на мировом рынке предлагалось более 60 программных продуктов имитационного моде-лирования [11]. Такие среды не требуют программирования в виде последовательности команд. Вместо составления программы пользователь компонует модель, перенося го-товые блоки из библиотеки на рабочее поле и устанавливая связи между ними. На рис. 3 построена на модель транспортной системы в среде Automod.

Как альтернатива специализированным языкам, развивались проблемно-ориентированные имитаторы, такие как MAST, MAP [12], в которых пользователь вы-зывает из библиотеки модули и вводит параметры модели в готовые бланк (рис. 4).

Многолетнее отставание России в области имитационного моделирования обу-словлено отсутствием информации на русском языке и высокой стоимостью лицензий на программные продукты. До сих пор многие считают имитационным моделировани-ем аналитические расчеты с помощью компьютера, тратят время на имитацию с помо-щью универсальных языков. В последние годы ситуация начинает улучшаться благода-ря организации Всероссийских конференций по имитационному моделированию, соз-данию популярного портала www.gpss.ru, появлению современной литературы и не ус-тупающих зарубежным программных средств, таких как AnyLogic (Санкт-Петербург), интересу молодых специалистов к применению имитационного моделирования для ре-шения научных и практических задач.
В табл. 1 приведена классификация средств имитационного моделирования.

За 50 лет средства имитационного моделирования прошли значительный путь развития [13]. Современные программные продукты не требуют специального обучения пользователя, и у него есть возможность больше внимания проведению имитационных экспериментов и интерпретации их результатов. В перспективе будут развиваться:
– имитационное моделирование системы одновременно с ее функционированием, что позволит предсказывать поведение системы;
– замена физических моделей объектов управления на имитационные, что позволит изучать разные алгоритмы управления объектами;
– оптимизация результатов имитационных экспериментов;
– распределенное в пространстве имитационное моделирование сложных систем;
– отображение реального производства в виде имитационной модели.
Работа выполнялась по гранту Научного комитета НАТО OUTR CRG №960628 «Имитация и анимация процессов добычи угля в России» и проекту У0043/995 «Подготовка кадров в области информационных технологий производства для Кузбасса» Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.».


 

 

2.         Литература

1. Tocher K., Owen D. The automatic programming of simulations, Proc.of the 2-nd Int.Conf.on Operational Research, 1960, pp. 50–68.
2. Schriber T. Simulation Using GPSS, John Wiley, 1974.
3. Cellier F. and A. E. Blitz "GASP IV: A Universal Simulation Package", Proceedings of the IFAC Conference, 1976
4. Markowitz H. "SIMSCRIPT", Encyclopedia of Computer Science and technology, Eds: J. Belzer, A. G. Holzman, and A. Kent, Marcel DekUer, Inc., 1971.
5. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык SLAM II, М.: Мир, 1987. 646 с.
6. Sol H. SIMULA(TION) in the Analysis and Design of Information Systems", Proc. of the Simulation'77, ACTA Press, 1977, pp. 67–71.
7. Pritsker А. The GASP IV Simulation Language, John Wiley, 1974.
8. Banks J. at al. Getting started with GPSS/H, USA: Wolverine Software Corp., 1975, 445 p.
9. Henriksen J.at al. Using Proof Animation, USA, Wolverine Software Corp., 2-nd edition, 1976, 355 p.
10. Конюх В. Л., Игнатьев Я. Б., Зиновьев В. В. Методы имитационного моделирования систем. Применение программных продуктов. Электронное изд. зарег. в Федеральном депозитарии электронных изданий, № 0320401123. Рег. свид. ФГУП НТЦ «Информрегистр» от 06.09.2004. .№ 4753.
11. Elliott M. Buyer’s Guide Simulation, IEE Solutions, May 2000.
12. Третьяков Э. А., Гринева С. Н., Еленева Ю. А. Математическое моделирование организационно-производственных структур ГПС. М.:ВНИИТЭМР, 1986, 88 с.

 


Распечатано с портала GPSS.RU (c) В. Л. Конюх, Я. Б. Игнатьев, В. В. Зиновьев, 2005 г.