Событийно-ориентированная система имитационного моделирования для разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных имитационных моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Монахов, Сергей Владимирович

• Монахов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Монахов, Сергей Владимирович

Список сокращений

Введение

Ф 1. Постановка задачи разработки событийно ориентированной 14 визуальной системы имитационного моделирования (СИМ)

1.1 Задачи имитационного моделирования

1.2 Анализ подходов к построению имитационных моделей (ИМ)

1.3 Анализ современных средств имитационного моделирования

1.4 Постановка задачи разработки универсальной событийно- 32 ориентированной СИМ

2. Методологические основы и подходы к построению событийно- 38 ориентированной СИМ ф 2.1 Основные концепции разрабатываемой СИМ

2.1.1 Концепция автоматизированной поддержки событийного 41 подхода

2.1.2 Концепция интеграции СИМ в среду разработки программного 47 обеспечения (ПО)

2.1.3 Концепция инвариантности СИМ по отношению к классу 57 моделируемых систем.

2.2 Подходы к реализации в СИМ комплекса вспомогательных 64 ® инструментов

2.2.1 Группировка элементов модели

2.2.2 Векторные модельные переменные

2.2.3 Средства интерактивной отладки модели и контроля хода 68 имитационных экспериментов (ИМЭ)

2.2.4 Средства автоматизации сбора статистики

2.2.5 Средства задания структуры ИМЭ

2.2.6 Средства визуализации результатов ИМЭ 85 ф 2.2.7 Средства генерации отчетов

3. Система имитационного моделирования Modelling

3.1 Структура программных библиотек СИМ Modelling

3.2 Ограничения СИМ Modelling

3.3 Технологический процесс разработки ИМ с использованием СИМ 98 Modelling

4. Примеры применения СИМ Modelling

4.1 Использование СИМ Modelling в учебном процессе

4.2 Пример применения СИМ Modelling для разработки ИМ 114 автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ)

4.2.1 Постановка задачи разработки ИМ АСКМ

4.2.2 Формализация ИМ АСКМ с использований средств СИМ 118 Modelling

4.2.3 Использование вспомогательных средств СИМ Modelling при 123 разработке ИМ АСКМ

4.2.4 Результаты разработки ИМ АСКМ 129 Результаты и выводы 133 Список использованных источников

Список сокращений

АС - активные средства

АСУ - автоматизированная система управления

АСКМ - автоматизированная система космического мониторинга

АСОИУ - автоматизированная система обработки информации и управления

ВО - воздушные объекты

ГПВ - генератор псевдослучайных величин

ИМ - имитационная модель

ИМЛ - имитационное моделирование

ИМЭ - имитационный эксперимент

ИП - имитационная программа

КА - космический аппарат

МО - математическое ожидание

НИК - наземный информационный комплекс

ОН - объект наблюдения

ОП - оперативная память

ОС - операционная система

ОШМВ - окончание шага модельного времени

ПИ - потребитель информации

ПК - персональный компьютер

ПВО - противовоздушная оборона

ПО - программное обеспечение

PJI - радиолокационный

РЛИ - радиолокационная информация

PJIH - радиолокационное наблюдение

РТ - радиотехнический

РТН - радиотехническое наблюдение

СБС - список будущих событий

СИМ - система имитационного моделирования

СКО - среднеквадратическое отклонение

СМО - система массового обслуживания

СО - статистический объект

CP - спутник-ретранслятор

СХ - статистическая характеристика

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Событийно-ориентированная система имитационного моделирования для разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных имитационных моделей»

Сущность и актуальность исследования. В процессе создания и исследования сложных систем важное место занимает имитационное моделирование. Разработка имитационных моделей (ИМ) и проведение имитационных экспериментов (ИМЭ) позволяет оценить эффективность проектируемых систем, оптимизировать их структуру, обнаружить допущенные недоработки, проверить теоретические расчеты.

Вместе с тем, сама разработка адекватной и эффективной с вычислительной точки зрения ИМ является сложной и трудоемкой задачей. Для ее решения используются специальные программные комплексы -системы имитационного моделирования (СИМ), предоставляющие разработчику необходимые инструменты для создания ИМ и проведения ИМЭ. К сожалению, современные СИМ, основанные на агрегативном, либо процессно-ориентированном подходах к формализации, не могут обеспечить должной эффективности при моделировании сложных, комплексных систем, содержащих как дискретные, так и непрерывные части.

Выходом, как правило, становится использование событийного подхода, обладающего достаточной универсальностью для моделирования как дискретных, так и непрерывно-дискретных систем. Трудность состоит в том, что в данный момент событийные СИМ на рынке не распространены, а разработка соответствующих ИМ «с нуля» пагубно влияет как на сроки разработки, так и на общее качество полученных ИМ - их надежность, наглядность, адаптивность.

В такой ситуации становится актуальной разработка СИМ, использующей событийный подход к формализованному описанию систем и позволяющей создавать эффективные в вычислительном плане, обладающие высокой надежностью и адаптивностью ИМ дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных систем.

Объект исследования. Система имитационного моделирования для построения дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

Предмет исследования. Процесс разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

Цель работы. Целью работы является снижение трудоемкости разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ, повышение их наглядности, надежности и адаптивности, за счет создания и использования универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ.

Задачи исследования. Для достижения поставленных целей были решены следующие научно-технические задачи:

1. Разработка методологии построения СИМ, включающей в себя концепции:

- автоматизированной поддержки событийного подхода;

- интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО);

- инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.

2. Реализация предложенной методологии в виде действующей СИМ Modelling.

3. Демонстрация возможностей созданной СИМ Modelling на примерах разработки ИМ сложных технических систем.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна:

1. Реализация автоматизированной поддержки событийного подхода для построения ИМ на основе графового представления структуры взаимосвязей временных и структурных модельных событий, используемого как на этапе формализации, так и на этапе создания имитационной программы (ИП).

2. Интеграция СИМ Modelling в среду разработки программного обеспечения (ПО) Delphi, что обеспечивает:

- быстроту освоения СИМ пользователями, знакомыми с указанной средой;

- автоматизированную поддержку разработки структуры ИМ и написания программного кода имитационной ИП;

- высокую эффективность программного кода ИП;

- отсутствие принципиальных ограничений со стороны ПО СИМ на возможность отображения моделируемых процессов любой природы и сложности;

3. Разработка универсального алгоритма продвижения модельного времени, основанного на комбинации метода модельных событий и метода фиксированного шага, позволяющего реализовать дискретные, непрерывные и непрерывно-дискретные ИМ, обеспечивающего контроль точности свершения структурных событий, а также возможность управления изменением класса ИМ в процессе проведения ИМЭ.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

1. Разработанная методология построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ для разработки непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных ИМ, включающая концепции: автоматизированной поддержки событийного подхода, интеграции СИМ в среду разработки ПО, инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.

2. СИМ Modelling, реализующая предложенную методологию, а так же комплекс средств, обеспечивающих вспомогательную функциональность: группировку элементов модели и использование векторных модельных переменных при разработке структуры ИМ, гибкую настройку структуры ИМЭ, средства интерактивной отладки ИМ и проведения ИМЭ, автоматизацию сбора статистики, визуализацию результатов ИМЭ, генерацию отчетов по разработанным ИМ.

Научная значимость работы заключается в развитии методов автоматизации построения событийно-ориентированных ИМ различных классов.

Практическая значимость

1. Реализация предложенной методологии построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ в виде действующей эффективной СИМ Modelling, автоматизирующей разработку событийных ИМ и работу с ними на всех стадиях технологического процесса: формализации ИМ, создания и отладки ИП, проведении ИМЭ, обработки и представлении результатов моделирования. Включенные в СИМ средства позволяют существенно сократить сроки разработки событийных ИМ, повысить наглядность, надежность и адаптивность получаемых моделей.

2. Использование СИМ Modelling при создании ИМ сложных технических систем и проведении имитационных исследований.

3. Использование СИМ Modelling как эффективного инструментального средства для поддержки учебного процесса по курсу «Компьютерное моделирование систем» на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ.

Достоверность полученных результатов определяется обоснованным применением аппарата имитационного моделирования, результатами проведенных имитационных экспериментов по исследованию реальных систем.

Внедрение результатов. Созданная СИМ Modelling была использована для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ) по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета», по хоздоговору на выполнении составной части ОКР «Создание программного обеспечения имитационной модели системы спутникового наблюдения для системы МШ-33» (№30110-03020, З/к-2005).

СИМ Modelling активно используется на кафедре 302 МАИ для проведения лабораторных работ и курсового проектирования по курсу «Компьютерное моделирование систем», а так же для выполнения дипломных проектов.

Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 9 научно-практических конференциях, а так же на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.

СИМ Modelling прошла патентование в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство №2005611129).

Вклад автора в проведение исследований:

- разработка концепций, лежащих в основе разработанной СИМ и способов их реализации; разработка способов реализации комплекса вспомогательных инструментальных средств, упрощающих и облегчающих процессы разработки ИМ и проведения ИМЭ;

- разработка программной реализации СИМ Modelling;

- участие в разработке ряда ИМ сложных технических систем, демонстрирующих возможности СИМ Modelling.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3-х отчетах по НИР и 9 печатных работах, а так же представлены на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Объем диссертации 143 страницы машинописного текста, включает 60 рисунков и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Монахов, Сергей Владимирович

Основные результаты и выводы

1. Поставлена актуальная задача и разработана методология построения универсальной событийно-ориентированной визуальной СИМ, которая включает набор концепций, обеспечивающих эффективность процесса разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

2. Определены подходы к реализации сформулированных концепций построения СИМ на основе интеграции инструментальных средств СИМ в среду разработки ПО Borland Delphi.

3. На основе разработанной методологии создана СИМ Modelling, обеспечивающая надежность, наглядность и адаптивность разработанных ИМ, высокую степень автоматизации и визуализации процесса имитационного моделирования на ключевых этапах: формализации ИМ, разработки ИП, проведения ИМЭ, анализа и представления результатов моделирования.

4. Программная реализация СИМ Modelling имеет объем около 38 ООО строк программного кода и зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство №2005611129).

5. Разработанная СИМ показала высокую эффективность при создании ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов АСКМ по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета». Использование включенных в СИМ инструментов существенно снизило трудоемкость разработки. По сравнению с созданием аналогичных ИМ программированием «с нуля», использование СИМ Modelling позволило сократить сроки разработки с примерно 1.5 лет до 3 месяцев, а число разработчиков с 4-5 человек до 1-2-х. Кроме того, существенно повысилась наглядность разработанных ИМ, их надежность и возможности по визуализации моделируемых процессов.

6. СИМ Modelling является одним из основных инструментальных средств, обеспечивающих учебный процесс по курсу «Компьютерное моделирование систем» на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ. С ее помощью осуществляется проведение лабораторных работ, а так же курсовое и дипломное проектирование. Эффективность СИМ подтверждается тем, что студенты в условиях ограниченного во времени учебного процесса успешно осуществляют полноценную разработку ИМ систем различной сложности и классов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Монахов, Сергей Владимирович, 2006 год

1. Бажннов И.К., Почукаев В.Н. «Оптимальное планирование навигационных измерений в космическом полете», 1976.

2. Бахвалов И.С. Численные методы. М.: Наука, 1975.

3. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.:Наука, 1978.

4. Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Знание. —Сер. Математика, Кибернетика, 1982.

5. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. -М.: Наука, 1988.

6. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных. Санкт-Петербург: Питер, 2005.

7. Власко-Власов К.А. «От «КОМЕТЫ» до «ОКО»», 2002.

8. Голенко Д.И., Данилина Н.И., Кваша О.П. «Вычислительная математика. Конспект лекций для студентов заочников», Московский Экономико-Статистический Институт, 1971.

9. Грогоно П. Программирование на языке Паскаль. М.:Мир, 1982.

10. Дарахвилидзе П.Г. Марков Е.П. Delphi 4. Спб.: «БХВ-Петербург», 1999.

11. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. М.:Наука, 1989.

12. Землянов А.Б., Коссов Г.Л., Траубе В.А. «Система морской и космической разведки и целеуказания (история создания)», 2002.

13. Иванов Н.М., Дмитриевский А.А., Лысенко Л.Н. «Баллистика и навигация космических аппаратов», 1986.

14. Калашников В.В. Организация моделирования сложных систем. М.: Знание, 1982.

15. Киндлер Е. Языки моделирования. М.: Энергоиздат, 1985.

16. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. М.: Статистика, 1978.

17. Корн Г. Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.

18. Королёв А.Г. Моделирование систем средствами Object GPSS. Практический подход в примерах и задачах. Учебное пособие. Луганск: Изд-во Восточно-украинского нац. ун-та, 2005.

19. Кудрявцев JI.Д. Курс математического анализа. М. Высшая школа, 1981.

20. Кушниренко А.Г., Лебедев Г.В. Программирование для математиков. М.: Наука, 1988.

21. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. «Космические системы наблюдения. Синтез и моделирование», 1991.

22. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. М.: Сов. Радио, 1960.

23. Легезо Л.С. и др., «Центральный научно-исследовательский институт "Комета"», 2003.

24. Маклаков С. Имитационное моделирование с Arena // КомпьютерПресс № 7. 2001.

25. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Бобронников В.Т., Нестеренко О.П., Федоров А.В. «Спутниковые системы мониторинга», 2000.

26. Монахов С.В. Автоматизированная система имитационного моделирования «Modelling». Всероссийская научная конференция «Управление и информационные технологии», Санкт-Петербургский государственный университет «ЛЭТИ», 2002.

27. Монахов С.В. Визуальная система имитационного моделирования «Modelling». II Всероссийская научно-техническая конференция «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии», Москва-Тула, 2004. стр. 66-68.

28. Монахов С.В. Система быстрой разработки непрерывно-дискретных имитационных моделей «Modelling». XIV Международный научнотехнический семинар «Современные технологии в задачах управления,автоматики и обработки информации», Алушта 2005. стр. 257.

29. Монахов С.В. Система для разработки дискретных имитационных моделей. XII Международный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2003, стр. 376-377.

30. Монахов С.В. Система имитационного моделирования «Modelling». Сборник трудов VII межрегиональной научно-практической конференции «Научное творчество молодежи», Кемеровский государственный университет, 2003, стр. 92-94.

31. Монахов С.В., Хахулин Г.Ф. Система интерактивного имитационного моделирования «Modelling». V Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005. Москва, 2005. 2 страницы.

32. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем. М.: Мир, 1975.

33. Орлов В.А. и др. Система моделирования GPSS/ PC для ПЭВМ, Выпуск 69. М: Международный центр научной и технической информации, МЭИ, 1990 г.

34. Отчет по НИР №30110-03020 (З/к-2005). Создание программногообеспечения имитационной модели системы спутникового наблюдения для системы МШ-33. Руководитель работы Г.Ф.Хахулин. М.: МАИ. 2005, 162 страницы.

35. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на ЭВМ. М.: Сов. радио, 1971.

36. Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СДАМ II.-М.: Мир, 1987.

37. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962.

38. Пугачев В.Н. Комбинированные методы определения вероятностных характеристик. М.: Сов. радио, 1973.

39. Розанов Ю.А. Стационарные случайные процессы. М.: Физматгиз, 1963.

40. Росин М.Ф., Булыгин B.C. Статистическая динамика и теория эффективности систем управления. М.: Машиностроение, 1981.

41. Руководство пользователя по GPSS World/ Перевод с английского/.-Казань. Изд-во «Мастер Лайн», 2002.

42. Саатп Т.Д. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. радио, 1971.

43. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Практикум. М Высшая школа, 1999.

44. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1985.

45. Технология системного моделирования / Под общей ред, СВ. Емельянова, В.В. Калашникова, М. Франка, А. Явора. М.: Машиностроении, Берлин: Техник, 1988.

46. Токарев В.В. Имитационное моделирование технических систем средствами языка micro-GPSS. Волгоград: ВолгГТУ, 2000.

47. Фаронов В.В. Delphi 3 Учебный курс. М.:«Нолидж», 1998.

48. Фаронов В.В. Программирование на персональных ЭВМ в среде Турбо-Паскаль 5.0, М.: МГТУ, 1990.

49. Фаронов В.В. Система программирования Delphi 7. Санкт-Петербург: «БХВ-Петербург», 2005.

50. Федоров А.В. Программирование задач моделирования и оптимизации на языке Object Pascal: Учебное пособие. М.: МАИ, 2001.

51. Фоли Дж., вен Дэм А., Основы интерактивной машинной графики. М.: Мир, 1985.

52. Форсайт Дж. и др. Машинные методы математических вычислений М.: Мир, 1980.

53. Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999.

54. Хастингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980.

55. Хахулин Г.Ф. Многоуровневый метод имитационного моделирования сложных систем. Препринт. М.:Изд-во МАИ, 1988.

56. Хахулин Г.Ф., Сокуренко Е.А. Основы моделирования АСУ. М Изд-во МАИ, 1990.

57. Хахулин Г.Ф., «Основы конструирования имитационных моделей», 2002.

58. Хахулин Г.Ф., Сокуренко Е.А., Барченков И.Ю. Основы моделирования АСУ. М: МАИ. 1981.

59. Хахулин Г.Ф., Сокуренко Е.А., Барченков И.Ю. Руководство к лабораторным работам по курсу «Моделирование АСУ». М.: МАИ, 1961.

60. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем С оптимизационно-имитационный подход). М.: Наука. 1985.

61. Черных И.В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений. М.:Диалог-МИФИ, 2004.

62. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука М.: Мир, 1978.

63. Шрайбер Т. Дж. Моделирование на GPSS. М.: Машиностроение, 1980.