Языки имитационного моделирования

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение  
высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА 82

 
ОЦЕНКА РЕФЕРАТА

РУКОВОДИТЕЛЬ

 

РЕФЕРАТ ВЫПОЛНИЛ

Санкт-Петербург 2011 

Языки имитационного моделирования 

   Назначение  языков и систем моделирования

   В процессе построения имитационной модели выделяется три уровня ее представления: концептуальная модель, формализованное или алгоритмическое описание, программа-имитатор.

   Концептуальная (содержательная) модель — это абстрактная  модель, определяющая структуру моделируемой системы, свойства её элементов и  причинно-следственные связи, присущие системе и существенные для достижения цели моделирования.

   формализованное или алгоритмическое описание.:

   При моделировании реальное явление  упрощается и схематизируется и  эта "схема" явления описывается  с помощью специального аппарата. Этот процесс называется формализацией или формализованным описанием. Такое формализованное описание представление исследуемые элементы явлений и их взаимосвязи. При моделировании необходимо выделять объект или объекты моделирования среди множества других, не участвующих в процессе моделирования.

   программа-имитатор- программа имитирующая какие либо действия или процессы

   Формальное  или концептуальное описание модели, преобразуется в программу-имитатор в соответствии с технологией  программирования. В принципе, имитационную модель можно реализовать на любом универсальном языке моделирования. Однако для облегчения написания и работы с программой-имитатором созданы специальные системы автоматизации моделирования.

   Языки и системы моделирования упрощают построение программ-имитаторов и проведение имитационных экспериментов за счет частичной или полной автоматизации переходов от одного уровня представления модели к другому. В этом состоит основное назначение языков моделирования, именно здесь и проявляется их главное преимущество перед универсальными алгоритмическими языками.

   Общепризнанными являются следующие преимущества языков и систем моделирования по сравнению с универсальными языками и системами программирования:

   Концептуальная  выразительность. Языки моделирования обеспечивают более строгое следование выбранной концепции построения модели. Язык моделирования содержит абстрактные конструкции, непосредственно отражающие понятия, в которых представлена формализованная модель, или близкие концептуальному уровню описания моделируемой системы, с помощью которых четко классифицируют элементы моделируемой системы, элементы различных классов различают по характеристикам и свойствам, описываются связи между элементами системы и внешней среды, позволяющие изменять структуру модели.

   Это упрощает программирование программы-имитатора, позволяет автоматизировать выявление, диагностику ошибок в программах;

   Автоматизация стандартных функций  моделирования  (функций управляющей программы):

   - реализация механизма модельного  времени — системы моделирования  имеют эффективный встроенный механизм продвижения модельного времени (календарь событий, методы интегрирования и др.), средства разрешения временных узлов;

   - языки моделирования, как правило,  содержат встроенные датчики  случайных чисел, генераторы случайных чисел и других типовых воздействий;

   - в языках моделирования автоматизирован  сбор стандартной статистики и других результатов моделирования. Имеются средства автоматизации выдачи этих результатов в табличной или графической форме;

   - управление процессом  моделирования (анализ ошибочных ситуаций и т.д.);

   - языки моделирования имеют средства, упрощающие программирование имитационных экспериментов (в частности, автоматизирующие установку начального состояния и перезапуск модели.) и другие интерактивные и технологические возможности, используемые при проведении имитационных исследований;

   - и др.

   Вместе  с тем, пользователи нередко отмечают такие недостатки языков и систем моделирования, как недостаточная  распространенность языков и систем моделирования, необходимость дополнительного обучения языкам и систем моделирования и, как следствие, недостаток программистов, хорошо владеющих современными языками и системами моделирования; слабые технологические возможности некоторых систем моделирования; высокая стоимость систем моделирования; отсутствие гибкости и широких возможностей, присущих универсальным языкам программирования.

   Множество языков моделирования можно разделить  на две группы: 

   1) методо-ориентированные – языки моделирования, поддер-живающие определенный класс формализованных или алгоритмических описаний;

   2) проблемно-ориентированные языки моделирования   —   языки 
моделирования конечного пользователя, позволяющие формулировать 
задачи моделирования непосредственно на концептуальном уровне. Связь 
с пользователем в такой системе моделирования на уровне программного 
интерфейса осуществляется через набор понятий непосредственно из 
предметной     области     исследований.     Для     этого     в     проблемно-ориентированные  системы моделирования включаются абстрактные 
элементы,    языковые    конструкции    и    наборы    понятий,    взятые 
непосредственно из предметной области исследований. Примерами таких 
решений могут служить системы моделирования:

   - Simulap, Simflex – управление материальными потоками в производственной системе;

   - MAST – моделирование гибких производственных систем (применяется блочная концепция структуризации);

   - TOMAS – технологическая подготовка производственных систем (используемые формальные схемы — автоматы);

   - SIRE — календарное планирование производственных процессов (сети с очередями);

   - COMNET – телекоммуникации;

   - MEDMODEL – медицинское обслуживание.

   SIMULA представляет собой расширение  языка АЛГОЛ, SIMSCRIPT — расширение  Фортрана. Наибольшее распространение  из этих языков получил язык  GPSS. В GPSS важное место занимает обработка таких объектов, как транзакты (сообщения, заявки, запросы). 

   Языки моделирования цифровых систем в  основном обеспечивают задачи разработки цифровой аппаратуры. Их называют HDL или  на русском языке — языки описания аппаратуры (ЯОА). Наиболее известным  и эффективным ЯОА сегодня  является язык VHDL.

   VHDL является единым, общим языком описания моделей и проектирования электронных устройств, начиная с вентильного, регистрового уровней и кончая уровнем описания вычислительных систем. Но основное назначением языка VHDL — описание заданий на моделирование. 

   Для моделирования непрерывных динамических систем получил распространение язык CSMP, который реализует пакетный режим взаимодействия с пользователем. Появились и другие языки и системы моделирования непрерывных процессов, такие как MIDAS, PACTOLUS, CSSL. К отечественным языкам и системам моделирования непрерывных динамических систем относятся МАСЛИН и МАСС (разработанные сотрудниками МЭИ). Примерами языков, реализующих комбинированное моделирование являются GASP, НЕДИС и МИКС.

   GASP является расширением языка ФОРТРАН.  Здесь непрерывные алгоритмы моделируются дифференциальными уравнениями, а дискретные процессы представляются в виде событий, наступление которых зависит от процесса функционирования системы. Событие — переход системы из одного состояния в другое в соответствии с принятыми правилами.

   НЕДИС — язык моделирования непрерывно-дискретных систем разработан сотрудниками Института  кибернетики Академии наук Украины. НЕДИС создан на основе алгоритмических  языков высокого уровня и относится  к системам программирования универсального типа, т.е. языки GASP и НЕДИС относятся к процедурным языкам программирования. 

   МИКС (моделирование имитационное комбинированных  систем) представляет собой удобное  средство моделирования. Как и язык МАСЛИН, МАСС система МИКС имеет  в своей основе блочно-ориентированный язык с непроцедурной технологией программирования, позволяющей легко и быстро моделировать исследуемую систему, осуществлять быстрое преобразование модели, воспроизводить реально действующие сигналы и организовать вычислительный эксперимент. Блочные языки и соответствующие программные модули позволяют легко реализовать динамическое распределение памяти посредством размещения во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) больших библиотек модулей, извлекать их по мере необходимости, пересылать их в оперативную память. 

   Нельзя  не упомянуть здесь такие программные  системы как MathCad, Matlab, Matrix, которые  нашли применение для решения  большого круга задач с помощью  программ, реализующих широко используемые математические методы решения разнообразных уравнений и систем, задач оптимизации, линейного программирования, для отладки типовых алгоритмов регулирования, для решения задач идентификации и проектирования

   За  годы становления технологии имитационного  моделирования наблюдалось большое  разнообразие специализированных языков моделирования. В известном в 80-е годы обзоре Киндлера [19] упоминалось более 500 языков и систем моделирования.

   Рост  числа языков моделирования свидетельствует  о необходимости использования  средств автоматизации моделирования. Вместе с тем разнообразие языков моделирования обусловлено следующими факторами: существует большое число схем формализации и алгоритмизации моделируемых систем: агрегаты, сети, автоматы, процессы, системы массового обслуживания, дифференциальные уравнения, аналоговые блок-схемы, графы связей и др. Любая из этих схем может служить основой для разработки нового языка моделирования. Еще большее разнообразие возможно на уровне концептуальных моделей. Все это — существенный стимул для появления новых языков.

   Язык  моделирования предоставляется  пользователем как часть системы  моделирования. Система моделирования - это совокупность языковых и программных средств, которая включает:

   - собственно язык моделирования;

   - язык управления  системой моделирования  — язык команд интерактивного взаимодействия с пользователем;

   - управляющая программа  — программные средства, обеспечивающие трансляцию модели и другие стандартные функции системы моделирования (продвижение модельного времени, генерацию случайных чисел, сбор статистической информации, вывод результатов и т. д.).

   Системы моделирования проблемно-ориентированные  включают также средства разработки языков конечного пользователя.

   Среди большого числа языков моделирования  довольно сложно выделить какое-то базовое подмножество языков, покрывающих основные потребности пользователей в средствах автоматизации моделирования.