Классификация имитационных моделей

Имитационные модели принято классифицировать по четы­рем наиболее распространенным признакам:

1) типу используемой ЭВМ;

2) способу взаимодействия с пользователем;

3) способу управления системным временем (механизму си­стемного времени);

251

4) способу организации квазипараллелизма (схеме формали­зации моделируемой системы).

Первые два признака позволяют разделить имитационные мо­дели на совершенно понятные (очевидные) классы, поэтому рас­смотрим их вкратце.

По типу используемой ЭВМ различают аналоговые, циф­ровые и гибридные имитационные модели. Досто­инства и недостатки моделей каждого класса общеизвестны. В даль­нейшем будем рассматривать только цифровые модели.

По способу взаимодействия с пользователем имитационные мо­дели могут быть автоматическими (не требующими вмеша­тельства исследователя после определения режима моделирова­ния и задания исходных данных) и интерактивными (преду­сматривающими диалог с пользователем в том или ином режиме в соответствии со сценарием моделирования). Отметим, что мо­делирование сложных систем, относящихся, как уже отмечалось, к классу эргатических, как правило, требует применения диало­говых (интерактивных) моделей.

Различают два механизма системного времени:

1) задание времени с помощью постоянных временных интер­валов (шагов);

2) задание времени с помощью переменных временных интер­валов (моделирование по особым состояниям).

При задании времени с помощью постоянных временных интервалов системное время сдвигается на один и тот же интервал (шаг моделирования) независимо от того, ка­кие события должны наступать в системе. При этом наступление всех событий, имевших место на очередном шаге, относят к его окончанию. Данный механизм продемонстрирован на рис. 19.2, а. Так, для этого механизма считают, что событие А_Л наступило в момент окончания первого шага, событие А₂ — в момент оконча­ния второго шага, события А₃, А₄, А₅ — в момент окончания чет­вертого шага (эти моменты показаны стрелками) и т.д.

При моделировании по особым состояниям си­стемное время каждый раз изменяется на величину, соответству­ющую интервалу времени до планируемого момента наступления следующего события, т. е. события обрабатываются поочередно — каждое «в свое время». Если в реальной системе какие-либо собы­тия наступают одновременно, это фиксируется в модели. Для ре­ализации этого механизма требуется специальная процедура, в которой отслеживается время наступления всех событий и из них выделяется ближайшее по времени. Такую процедуру называ­ют календарем событий. На рис. 19.2, б стрелками обозначены мо­менты изменения системного времени.

Существует не столь распространенная разновидность механизма моделирования по особым состояниям, предусматривающая воз-

252

Рис. 19.2. Схемы реализации механизмов системного времени: а — с постоянным шагом; б — переменным шагом

можность изменения порядка обработки событий, — так называ­емый механизм моделирования с реверсированием (обращени­ем) шага по времени. Согласно этому механизму все события в системе разбиваются на два класса: фазовые и простые. К первым относят события, порядок .моделирования которых нельзя изме­нять во избежание нарушения причинно-следственных связей в моделируемой системе. Остальные события относят к простым. Таким образом, сначала моделируют очередное фазовое событие, а затем — все простые события до этого фазового, причем в про­извольном порядке.

На рис. 19.3 приведены перечисленные способы управления системным временем.

Рис. 19.3. Классификация имитационных моделей по системному времени

253

Очевидно, что механизм системного времени с постоянным шагом легко реализуем: достаточно менять временную координа­ту на фиксированный шаг и проверять, какие события уже насту­пили. Метод фиксированного шага целесообразно применять в следующих случаях:

• события в системе появляются регулярно;

• число событий велико;

• все события являются для исследователя существенными (или заранее неизвестно, какие из них существенны).

Как уже отмечалось, механизм с переменным шагом по вре­мени требует наличия специального программного средства, спо­собного определять интервал временного сдвига до очередного особого состояния, что осложняет его реализацию.

Вопрос о том, каким же механизмом системного времени вос­пользоваться, решается путем анализа достоинств и недостатков каждого из них применительно к конкретной модели и требует от разработчика высокой квалификации. В некоторых моделях исполь­зуют комбинированные механизмы системного времени в целях исключения перечисленных недостатков.

Важнейшим классификационным признаком имитационных моделей является схема формализации моделируемой системы {спо­ соб организации квазипараллелизма).

Наибольшее распространение получили пять способов:

1) просмотр активностей;

2) составление расписания событий;

3) управление обслуживанием транзактов;

4) управление агрегатами;

5) синхронизация процессов.

Чтобы охарактеризовать эти способы, введем ряд понятий.

Основными составными частями модели экономической ИС являются объекты, которые представляют компоненты реальной системы. Для задания свойств объектов используются атрибуты (параметры). Совокупность объектов с одним и тем же набором атрибутов называют классом объектов. Все объекты делят на ак­тивные (представляющие в модели те объекты реальной системы, которые способны функционировать самостоятельно и выполнять некоторые действия над другими объектами) и пассивные (пред­ставляющие реальные объекты, самостоятельно в рамках данной модели не функционирующие).

Работа (активность) представляется в модели набором опера­торов, выполняемых в течение некоторого времени и приводя­щих к изменению состояний объектов системы. В рамках конкрет­ной модели любая работа рассматривается как единый дискрет­ный шаг (возможно, состоящий из других работ). Каждая работа характеризуется временем выполнения и потребляемыми ресур­сами.

254

Событие представляет собой мгновенное изменение состояния некоторого объекта системы (т. е. изменение значений его атрибу­тов). Окончание любой активности в системе является событием, так как приводит к изменению состояния объекта (объектов), а также может служить инициатором другой работы в системе.

Под процессом понимают логически связанный набор актив­ностей, относящихся к одному объекту. Выполнение таких актив­ностей называют фазой процесса. Различие между понятиями «ак­тивность» и «процесс» определяется степенью детализации моде­ли. Например, смена позиций мобильным объектом в одних мо­делях может рассматриваться как сложный процесс, а в других — как работа по изменению за некоторое время номера позиции. Процессы, включающие одни и те же типы работ и событий, относят к одному классу. Таким образом, моделируемую систему можно представить соответствующим числом классов процессов. Между двумя последовательными фазами (работами) некоторого процесса может иметь место любое число фаз других процессов, а их чередование в модели, собственно, и выражает суть квазипа­раллелизма.

В ряде случаев ФД компонент (объектов) реальной системы одинаковы, а их общее число ограничено. Каждое ФД можно опи­сать простейшими работами, которые приводят лишь к измене­нию значений временных координат компонентов системы. Взаи­модействие такого рода активностей аналогично функционирова­нию системы массового обслуживания. Однотипные активности объединяются и называются приборами массового обслуживания. Инициаторами появления событий в такой модели становятся заявки (транзакты) на обслуживание этими приборами.

В некоторых реальных системах ФД отдельных компонентов тесно взаимодействуют друг с другом. Компоненты обмениваются между собой сигналами, причем выходной сигнал одного компо­нента может поступать на вход другого, а сами ФД можно в яв­ном виде описать математическими зависимостями. Если появле­ние выходного сигнала таким образом определяется соответству­ющим набором «входов», можно реализовать так называемый модульный принцип построения модели. Каждый из модулей стро­ится по стандартной (унифицированной, типовой) структуре и называется агрегатом. С помощью агрегатов (на базе одной из ти­повых математических схем описания объектов) можно решать весьма широкий круг задач. Вернемся к характеристике способов организации квазипараллелизма.

Просмотр активностей применяется при следующих условиях:

• все ФД компонентов реальной системы различны, причем для выполнения каждого из них требуется выполнение некоторых (своих) условий;

255

• условия выполнимости известны исследователю заранее и мо­гут быть заданы алгоритмически;

• в результате ФД в системе наступают различные события;

• связи между ФД отсутствуют и они осуществляются незави­симо друг от друга.

В этом случае имитационная модель состоит из двух частей: 1) множества активностей (работ); 2) набора процедур проверки выполнимости условий инициализации активностей, т. е. возмож­ности передачи управления на реализацию алгоритма этой актив­ности.

Проверка выполнимости условия инициализации работы ос­нована либо на анализе значений параметров и/или переменных модели, либо вычислении моментов времени, когда должно осу­ществляться данное ФД.

После выполнения каждой активности проводится модифика­ция системного времени для данного компонента и управление передается в специальный управляющий модуль, что и составля­ет суть имитации для этого способа организации квазипаралле­лизма.

Составление расписания событий применяется в тех случаях, когда реальные процессы характеризуются рядом до­статочно строгих ограничений:

• разные компоненты выполняют одни и те же ФД;

• начало выполнения этих ФД определяются одними и теми же условиями, причем они известны исследователю и заданы алго­ритмически;

• в результате ФД происходят одинаковые события независимо друг от друга;

• связи между ФД отсутствуют, а каждое ФД выполняется не­зависимо.

В таких условиях имитационная модель по сути состоит из двух процедур: 1) проверки выполнимости событий; 2) обслуживания (обработки) событий. Выполнение этих процедур синхронизиру­ется в модельном времени так называемым списковым механиз­мом планирования. Процедура проверки выполнимости событий схожа с ранее рассмотренной проверкой просмотра активностей (напомним, что окончание любой работы является событием и может инициализировать другую активность) с учетом того, что при выполнении условия происходит не инициализация работы, а обслуживание (розыгрыш) события с последующим изменени­ем системного времени для данного компонента. Корректировка системного времени осуществляется календарем событий.

Условия применимости транзактного способа органи­зации квазипараллелизма были приведены при определении по­нятия «транзакт». Связь между приборами массового обслужива­ния устанавливается с помощью системы очередей, выбранных

256

способов генерации, обслуживания и извлечения транзактов. Так организуется появление транзактов, управление их движением, нахождение в очереди, задержки в обслуживании, уход транзакта из системы и т.п.

Событием в такой имитационной модели является момент ини­циализации любого транзакта. Типовыми структурными элемен­тами модели являются источники транзактов; их поглотители; блоки, имитирующие обслуживание заявок; управляющий модуль. Имитация функционирования реальной системы создается путем выявления очередной (ближайшей по времени) заявки, ее обслу­живания, обработки итогов обслуживания (появления нового транзакта; поглощения заявки; изменения возможного времени поступления следующего транзакта и т.п.), изменения системно­го времени до момента наступления следующего события.

В случае построения имитационной модели с агрегатным способом организации квазипараллелизма особое внимание сле­дует уделять оператору перехода системы из одного состояния в другое. Имитация осуществляется за счет передачи управления от агрегата к агрегату при выполнении определенных условий, фор­мирования различных сигналов и их доставки адресату, отработ­ки внешних сигналов, изменения состояния агрегата и т.п. При этом в управляющем модуле осуществляется временная синхро­низация состояний всех агрегатов. Отметим, что выделение такого способа реализации квазипараллелизма является достаточно услов­ным, так как квазипараллельная работа агрегатов системы может быть организована другими способами: активностями, планиро­ванием событий, взаимодействием транзактов, процессами. Ины­ми словами, агрегатный способ прежде всего ориентирован на использование типовых математических схем (типовых агрегатов) для описания компонентов системы и организации их взаимодей­ствия одним из перечисленных способов.

Синхронизация процессов применяется в следующих случаях [66]:

» все ФД компонентов реальной системы различны;

• условия инициализации ФД также различны;

• в любой момент времени в данном компоненте может выпол­няться только одно ФД;

• последовательность ФД в каждом компоненте определена.
Принято считать, что процессный подход объединяет лучшие

черты других способов: краткость описания активностей и эффек­тивность событийного представления имитации. Процессным спо­собом можно организовать имитацию экономической ИС любой сложности, но такой способ особенно эффективен в тех случаях, когда требуется высокий уровень детализации выполнения ФД, а сама имитационная модель используется для поиска «узких» мест в работе системы. При таком подходе особо важно соблюдать сход-

257

ство структуры модели и объекта исследования. Имитационная модель представляет собой набор описаний процессов, каждое из которых характеризует один класс процессов, и информацион­ных и управляющих связей между компонентами модели. Каждо­му компоненту объекта моделирования соответствует свой про­цесс. Переход от выполнения одной активности к другой активно­сти того же процесса считают изменением его состояния и назы­вают активизацией процесса. Проверка выполнимости условий активизации процесса и появление событий осуществляется са­мим процессом.

Процессный способ широко применяется в задачах моделиро­вания проектируемых систем. Он позволяет реализовать много­уровневый модульный подход к моделированию, предусматрива­ющий внесение в модель частичных изменений по результатам исследований, причем значение этого обстоятельства возрастает по мере роста размеров модели.

Отметим, что в настоящее время для реализации всех перечис­ленных схем формализации моделируемой системы созданы спе­циализированные программные средства, ориентированные на данный способ организации квазипараллелизма, что, с одной стороны, облегчает программную реализацию модели, но, с дру­гой стороны, повышает ответственность исследователя за правиль­ность выбора соответствующей схемы.

Примеры использования метода имитационного моделирова­ния для исследования экономических систем разного уровня (мас­штаба) и степени детализации рассматриваемых факторов заин­тересованный читатель может найти в [11, 21, 69].

⇐ Предыдущая37383940414243444546Следующая ⇒

Поделиться: