5.2 Специализированное программное обеспечение имитационного моделирования

К специализированному ПО ИМ относят прикладные программные пакеты,

ППМ – проблемно-ориентированные комплексы и автоматизированные системы моделирования (АСМ), которые должны повысить эффективность выполнения пользователем следующих процедур: преобразование к типовым математическим схемам элементов моделируемой системы и построение схем сопряжения; обработка и анализ результатов моделирования; реализация интерактивного режима с пользователем в процессе моделирования.

Эта эффективность достигается за счет сочетания в единой архитектуре таких компонентов как функциональное наполнение (состоящее из модулей, описывающих предметную область) и специализированные средства системного обеспечения, позволяющие реализовывать различные задания и обеспечивающие пользователя различными сервисными средствами при подготовке и проведении машинного эксперимента.

Пакетная организация программ использует теорию планирования эксперимента, что повышает достоверность результатов и достаточно удобна при постоянном изменении концептуальной модели.

ППМ – одна из основных форм специализированного программного обеспечения, представляющего собой комплекс взаимосвязанных алгоритмов и программ моделирования, а также средства системного обеспечения (и программные, и языковые) + соответствующая документация. Все это предназначено для автоматизации решения задач моделирования.

Соответствующий комплекс работ, а также подготовка и проведение машинного эксперимента называется автоматизацией моделирования и реализуется в виде конкретных автоматизированных систем моделирования (АСМ).

В составе ППМ выделяют три компонента:

функциональное наполнение;

язык заданий;

системное наполнение.

Функциональное наполнение ППМ отражает специфику предметной области относительно объекта моделирования и состоит из модулей. Состав функционального наполнения, т.е. количество модулей, отражает объем прикладных знаний, заложенных в ППМ, т.е. определяет потенциальный уровень тематической квалификации пакета.

Языки, на которых написаны модули функционального наполнения, называются базовыми языками ППМ.

Модуль – конструктивный элемент, который используется на различных стадиях функционирования пакета. Примеры: основная часть – программные модули (подпрограммы, конструкции алгоритмических языков, допускающие их автономную трансляцию, макроопределения, файлы, содержащие фрагменты текста программы), модули данных, модули документации.

Одной из основных проблем при разработке пакетов моделирования является модуляризация, т.е. разбиение функционального наполнения ППМ на модули.

Основные характеристики модулей:

1. Алгоритмическая конструктивность модуля. Ее значимость определяется тем, что модуль представляет собой элемент алгоритмического базиса, выделенного в результате анализа предметной области, т.е. представляет основу для программирования. На данную характеристику влияют структура вычислительных алгоритмов, связи между элементами алгоритмического базиса и информационные потоки.

2. Технологическая конструктивность определяется дисциплиной работы в конкретной машинной модели и системной средой, на основе которой разрабатывается и эксплуатируется ППМ. Факторы, на нее влияющие:

а) форма представления программных модулей;

б) виды управляющих связей между частями программного комплекса (открытые и закрытые подпрограммы);

в) методы разработки программных комплексов – направления работ при составлении моделирующих алгоритмов;

г) базовый язык и язык программирования;

д) ограничения на размеры подпрограмм моделирования и на программу в целом

е) возможности типовых системных средств, обеспечивающие редактирование текстов, загрузку и сегментацию программного комплекса.

Требования, вытекающие из этих свойств, образуют регламент модуляризации, т.е. принятую разработчиком пакета форму представления материала части функционального наполнения пакета, а также способы создания и изменения этого наполнения.

Качественность модуляризации позволяет сократить объем работ по реализации пакета, повысить его надежность и обеспечить эволюцию (развитие) пакета.

Язык заданий пакета (ЯЗП) – средство общения пользователя с пакетом (разработчиков пакета и пользователя машинной модели). Язык заданий пакета позволяет описывать последовательность выполнения различных операций при решении задач моделирования, может описывать постановку задачи, по которой эта последовательность строится автоматически.

Архитектура и стиль языка заданий зависят от двух противоположных дисциплин, отражающих различие в системных подходах, используемых при автоматизации процесса моделирования: активной и пассивной.

Активная дисциплина предусматривает при создании активных рабочих программ модификацию и настройку имеющихся модулей функционального наполнения, а также разработку новых модулей, используется специалистами, которые создают программное обеспечение АСМ. ЯЗП в этом случае называется языком сборки; он направлен на описание схем программ решения конкретных задач. В его основе заложены:

средства конструирования схем с указанием порядка выполнения и взаимодействия модулей;

средства развития и модификации функционального наполнения;

средства управления процессами и исполнением рабочей программы.

Пассивная дисциплина предусматривает проведение машинного эксперимента с моделью без изменения функционального наполнения. Эта стратегия свойственна пользователям – неспециалистам в области программирования. В этом случае ЯЗП называются языками запросов, их основная цель – повышение уровня непроцедурности языка. Ориентированы такие языки на формулирование содержательных постановок задачи, т.е. запросов результата, а не способов их получения. Эти языки снижают уровень требований к программистской подготовке пользователя.

В общем случае языковые конструкции должны быть приближены к концептуальной модели и должны в большей степени отражать форму восприятия пользователем решаемых задач, а это отражается в лексике, синтаксисе и семантике языка.

СН – совокупность программ, обеспечивающих выполнение задания и взаимодействие пользователя с пакетом, адекватное дисциплине работы в заданной прикладной области.

Назначение: организует использование потенциала знаний, заложенное в функциональном наполнении, но в соответствии с возможностями языка заданий.

Реализация этих функций осуществляется на основе согласованного использования:

штатных общецелевых средств системного обеспечения;

средств СН, которые расширяют и сопрягают возможности компонент штатного обеспечения;

специальных средств СН, выполняющих различные функции (архивные, обрабатывающие, и т.д.) с учетом специфики моделируемого процесса.

Составляющие СН:

резидентный монитор, осуществляющий интерфейс между отдельными элементами СН и штатным ПО;

транслятор входных заданий, формирующий внутри него представления заданий;

интерпретатор внутреннего представления заданий;

архив ФН – подсистема хранения программного материала;

банк данных о машинном эксперименте и об объекте моделирования;

монитор организации процесса машинного моделирования – взаимодействие модулей по данными и по управлению;

планировщик процесса машинного моделирования, определяющий последовательность выполнения модулей, реализующих задание;

монитор организации интерактивного взаимодействия с пользователем.

Программно-технические средства ППМ АСМ

ППМ не является пакетом готовых программ для проведения машинных экспериментов, а представляет собой набор средств для разработки конкретных рабочих программ моделирования для автоматизации определенных функций при:

построении модели;

проведении машинного эксперимента;

обработке результатов моделирования.

К программным средствам ППМ относятся:

(1) набор программных модулей, или тело пакета, из которых в соответствии с требованиями пользователя по заданному алгоритму генерируется конкретная рабочая программа моделирования заданного объекта;

(2) управляющая программа (монитор) – аналог супервизора обычных ЭВМ;

(3) средство генерации рабочей программы для конкретного применения;

(1) Монитор принимает от пользователя информацию о требуемой модификации программы и формирует из набора стандартных модулей законченные рабочие программы, т.е. готовые для проведения машинного эксперимента. Это обеспечивает гибкость (адаптацию) ППМ.

Различают 2 способа генерации рабочих программ:

Статический. Из стандартных модулей формируется рабочая программа по запросам пользователя. Определяются необходимые устройства ввода/вывода информации, и на специальном языке описываются свойства программы. Недостаток: программа является одновариантной, следовательно, при необходимости внесения изменений в процесс моделирования нужна новая программа.

Динамический. Заранее определяются все варианты рабочей программы, которые могут потребоваться пользователю. При решении конкретной задачи, т.е. перед каждым прогоном программы, вводится специальная параметрическая карта, определяющая вариант программы, требуемой на данном этапе. Здесь задействована функция монитора. Монитор пакета собирает необходимые модули и помещает их в оперативной памяти для решения конкретной задачи.

Преимущество: обеспечивается более высокая гибкость при проведении эксперимента, но значительно увеличиваются затраты машинных ресурсов на моделирование (объем памяти, времени).

(4) собственные программы пользователя, подключаемые в определенных точках программы;

(5) замена имеющихся модулей на собственные.

Эти 2 средства существенно расширяют возможности моделирования различных вариантов поведения системы.

Все 5 средств должны обладать следующими качествами:

должны содержать алгоритмические решения по проведению моделирования и обработке результатов, доведенные до законченной машинной реализации;

должны иметь механизм автоматической настройки на параметры конкретных машинных экспериментов, задаваемые пользователями при генерации рабочей программы;

должны обеспечивать возможность дополнения рабочих программ пользовательскими блоками.

Кроме программных средств, должен присутствовать комплект документов, повышающих эффективность использования ППМ, в виде документированной системы разработки рабочих программ в следующем составе:

проектная документация для разработчиков проекта;

пользовательская документация для эксплуатации пакета.

Один из основных этапов подготовки генерации рабочих программ – выбор соответствующей технической базы (минимум технической конфигурации), обеспечивающей удовлетворенную работу пакета.

При этом подразумевается:

выбор типа ЭВМ;

версия ОС;

определение объемов памяти;

средства сбора, преобразования и представления информации (например, количество накопителей, необходимый набор средств ввода/вывода).

При улучшении минимальных характеристик повышается оперативность и расширяются возможности моделирования, но при этом увеличиваются затраты единовременные и текущие (инвестиционные и эксплуатационные).

Структура АСМ

Состоит из комплекса программ:

(1 формирование БД об объекте моделирования (БДО);

(2 программа формирования БД о машинном эксперименте (БДЭ);

(3 программа моделирования процесса данных о планируемом эксперименте, т.е. о факторах, реакциях, начальных состояниях и т.д.;

(4 программа формирования БДЭ, а именно выделение сведений из БДО, необходимых и достаточных для реализации машинного эксперимента;

(5 программа корректировки введенной информации и машинном эксперименте;

(6 программа расположения информации в архивах, внешней и оперативной памяти.

Комплекс программ формирования БДО реализует все работы по созданию в АСМ сведений о моделируемом объекте, которые хранятся в стандартной форме, принятой в данной системе. Информация может корректироваться, и для формирования БДО требуются следующие программы:

ввода данных об объекте (сведения об элементах системы, о типовых математических схемах);

программа корректировки введенной информации;

программы перевода в стандартную форму;

программы управления вводом данных;

формирования БДО, т.е. расположения информации во внешней памяти.

Программы формирования БДЭ. В результате работы комплекса программ БДО в АСМ формируются БД, достаточные для проведения машинных экспериментов с моделью объекта. При этом информация переписывается из БДО и дополняется в соответствии с планом эксперимента факторами, реакциями, критериями оценки. Для формирования БДЭ необходимы остальные программы (3–6).

(7) Комплекс программ моделирования процесса функционирования объекта. Осуществляет решение поставленной задачи, т.е. реализует план проведения эксперимента на основе его организации, обработки промежуточных результатов, взаимодействия с пользователями. Требуются следующие программы:

управления машинным экспериментом;

реализации стратегии эксперимента и его диспетчеризация;

машинной имитации, в т.ч. организация вычислений и взаимосвязь модулей;

обработки и выдачи результатов моделирования системы в различных режимах взаимодействия с пользователем.

(8) Программа расширения возможностей ППМ – для обеспечения пользователя средствами генерации новых программ при различных модификациях объекта моделирования, машинного эксперимента, обработки результатов). В качестве базового языка ППМ может быть выбран либо алгоритмический ЯОН, либо ЯИМ.

(9) Программа организации различных режимов работы ППМ. Основная функция – диспетчеризация процесса функционирования пакета и организация работы ППМ в режиме диалога с пользователем на этапах:

ввода данных об объекте и эксперименте;

корректировки БДО и БДЭ;

машинного эксперимента.

Функция – обеспечение режима коллективного использования пакетов.

Этот комплекс основан на использовании мультимедиа-технологий.

Обучение методам программной имитации систем

Специализированные языки и АСМ в целом являются базовыми средствами современных ИТ. Примеры широко используемых ППМ:

JSPT;

Vissim;

SimPack;

SimPlorer.

При этом наиболее распространенными являются пакеты, основанные на использовании транзакций, типа JPSS (JPSS/H, JPSS/World, JPSS/PC), т.к. они являются наиболее адекватными к система массового обслуживания.

Основные характеристики пакетов типа JPSS:

минимальные требования к конфигурации ПК;

блочная структура ФМ пакета;

70 типов блоков, в каждом из которых может быть около 50 параметров;

возможность постоянного наблюдения за прогоном имитационной модели в режиме машинной мультипликации с отображением необходимых таблиц и матриц;

генерация отчетов о результатах моделирования, т.е. параметры блоков, устройств, очередей, таблиц и пользовательских списков;

возможность построения концептуальной модели, ее формализация, алгоритмизация, машинная реализация и интерпретация результатов моделирования в рамках ППМ.