Исследование системы методом имитационного моделирования. 2

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Факультет информационных технологий

 

Кафедра программного обеспечения вычислительной техники

и автоматизированных систем

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине “Имитационное моделирование”

 

на тему «Исследование системы методом имитационного моделирования»

 

 

ОГУ 231000.62.5413.05 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель

___________________Паничев В.В.

« ___ »   ________________  2013 г.

Исполнитель

студент гр. 11ПИнж(б)РПИС

___________________Нуркаева Д.С.

« ___ »   ________________  2013 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2013

 

Содержание

 

Постановка задачи 3

Введение  4

1 Разработка математической  модели системы 5

1.1 Построение концептуальной  модели системы 5

1.2 Формализация концептуальной  модели системы 6

2 Разработка структурной  схемы имитационной модели и  описание ее функционирования 7

2.1 Разработка моделирующего  алгоритма 7

2.2 Описание программной  реализации имитационной модели 11

3 Эксперимент с имитационной  моделью  14

Заключение 16

Список использованных источников 17

 

Постановка задачи

 

Вариант: 16

Тема: «Моделирование работы нефтеналивного порта».

 

Описание задания.

В нефтеналивном порту 4 причала для заправки танкеров, которые приходят в среднем через 18 часов, а время загрузки в среднем составляет 2 суток. В очереди могут стоять не более 2 танкеров. Приход танкеров происходит по простейшему закону распределения вероятностей, загрузка танкеров осуществляется по равномерному закону с отклонением от среднего 2 часа.

Задание по моделированию:

- смоделировать прохождение через порт танкеров в течении 1 месяца;

- найти пропускную  способность порта;

- определить  загруженность одного причала;

- определить  среднее число занятых причалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В век компьютерных технологий и всё более глубокого внедрения автоматизированных систем управления на предприятиях особенно востребованным является умение решать задачи, таких как та, которая была дана на  расчетно-графическое задание.

Умение решать задачи по автоматизации технологических процессов подразумевает умение:

• вести научно – исследовательскую и проектно – конструкторскую работу в области исследования и разработки сложных систем;
• способность ставить и проводить имитационные эксперименты с моделями процессов функционирования систем на современных ЭВМ для оценки вероятностно – временных характеристик систем;
• принятие экономически и технически обоснованных инженерных решений;
• анализ научно – технической литературы в области системного моделирования, а также использование стандартов, справочников, технической документации по математическому и программному обеспечению ЭВМ и т.д.

Система GPSS (General Purpose System Simulator) предназначена для написания имитационных моделей систем с дискретными событиями.  Наиболее удобно в системе GPSS описываются модели систем массового обслуживания,  для которых характерны относительно простые правила функционирования составляющих их элементов.

В системе  GPSS  моделируемая система представляется с помощью набора абстрактных элементов, называемых объектами. Каждый объект принадлежит к одному из типов объектов.

Объект каждого типа характеризуется определенным  способом поведения и набором атрибутов, определяемых типом объекта. Например,  если рассмотреть работу порта,  выполняющего погрузку  и разгрузку прибывающих судов,  и работу кассира в кинотеатре, выдающего билеты посетителям, то можно заметить большое сходство в их функционировании.  В обоих случаях имеются объекты, постоянно присутствующие в системе (порт и кассир),  которые  обрабатывают поступающие в систему объекты (корабли и посетители кинотеатра). В теории массового обслуживания эти объекты называются приборами и заявками.  Когда обработка поступившего объекта заканчивается, он покидает систему.  Если в момент  поступления  заявки  прибор обслуживания занят,  то заявка становится в очередь,  где и ждет до тех пор,  пока прибор не  освободится.  Очередь  также  можно представлять себе как объект,  функционирование которого состоит в хранении других объектов. Каждый объект может характеризоваться рядом атрибутов, отражающих его свойства. Например, прибор обслуживания имеет некоторую производительность, выражаемую числом заявок, обрабатываемых им в единицу времени. Сама заявка может иметь атрибуты, учитывающие время ее пребывания в системе, время ожидания в очереди и т.д.  Характерным атрибутом очереди является ее текущая длина, наблюдая  за  которой в ходе работы системы (или ее имитационной модели), можно определить ее среднюю длину за время работы (или моделирования).  В языке GPSS определены классы объектов,  с помощью которых можно задавать приборы обслуживания,  потоки  заявок,  очереди и т.д., а также задавать для них конкретные значения атрибутов.

Несколько часов, недель или лет работы исследуемой системы  могут  быть  промоделированы  на ЭВМ за несколько минут.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Разработка математической модели системы

 

1.1 Описание моделируемой системы

 

Процесс заправки танкеров относят к классу систем массового обслуживания. Моделируемая система описывает работу нефтеналивного порта, на который поступают танкеры. При занятых причалах танкеры встают в очередь, которая вмещает в себя 2 танкера. Если очередь заполнена, то танкер не заправляется.

Прежде чем начать моделирование системы необходимо определиться с тем, какие элементы входят в ее состав, т. е. разбить ее на блоки. Согласно условию имеется:

• Источник (И) – устройство, из которого поступают танкеры.
• Накопитель (Н)–предназначен для накопления танкеров в очередь.
• Канал 1 (К1) – Служит для заправки танкеров.
• Канал 2 (К2) – Служит для заправки танкеров.
• Канал 3 (К3) – Служит для заправки танкеров.
• Канал 4 (К4) – Служит для заправки танкеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Концептуальная модель процесса заправки танкеров

 

 

1.2 Формализация концептуальной модели

 

Формализация предоставляет собой построение формализованной схемы процесса функционирования системы и его математической модели.

Возможные состояния этой фазы будут представлять собой:

 

S0 – канал свободен, очередь пуста;

S1 – канал занят, очередь пуста;

S2 – два канала заняты, два канала свободны, очередь пуста;

S3 – три канала заняты, один канал свободен, очередь пуста;

S4 – все канала заняты, очередь пуста;

S5 – все каналы заняты, в очереди 1 танкер;

S6 – все каналы заняты, в очереди 2 танкера;

 

Граф состояний изображен на рисунке 2:

 

 

 

  Рисунок 2 - Граф состояний системы

 

Систему стоит рассматривать как многоканальную СМО с ограниченной очередью.

Финальные вероятности состояний:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка  структурной схемы имитационной  модели и описание ее функций

 

2.1 Разработка моделирующего  алгоритма

 

Обобщенная схема детерминированного алгоритма представлена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 - Схема моделирующего алгоритма

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 - Блок поступления заявки в систему

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 - Обработка заявки в канале

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 - Блок поступления заявки в систему 
2.2 Описание программной реализации имитационной модели

 

Система массового обслуживания (СМО) нефтеналивного порта была реализована в среде моделирования GPSS World. Время в часах.

Код программы:

 

AKV STORAGE 2

GENERATE 720

TERMINATE 1       

GENERATE (Exponential(1,0,18))  ;ВРЕМЯ В ЧАСАХ

GATE SNF AKV,Fakil  

ENTER AKV

LEAVE AKV

TRANSFER ALL,CHAN1,CHAN4,4

CHAN1 SEIZE 1              

ADVANCE 48,2               

RELEASE 1

TRANSFER ,OUT                                 

CHAN2 SEIZE 2              

ADVANCE 48,2             

RELEASE 2                  

TRANSFER ,OUT               

CHAN3 SEIZE 3              

ADVANCE 48,2

RELEASE 3

TRANSFER ,OUT                                

CHAN4 SEIZE 4              

ADVANCE 48,2     

RELEASE 4                 

OUT TERMINATE 0  

Fakil LINK Otkaz,FIFO

 

AKV STORAGE 2 - определяет возможное количество, стоящих в очереди танкеров

GENERATE 720 - внешний цикл, имитирует прохождение через порт танкеров в течении месяца (720 часов)

TERMINATE 1 - удаление танкера. Счетчик завершения уменьшается на единицу для обозначения того, что прошла еще одна модельная минута.

GENERATE(Exponential(1,0,18)) - блок имитирует поступление танкеров на обслуживание, имеющее экспоненциальное распределение.

GATE SNF AKV,Fakil - проверяет не занят ли накопитель, если не занят принимает заявку (танкер на обслуживание), если занят - отказ в обслуживании

ENTER AKV - занимает очередь

LEAVE AKV - освобождает очередь

TRANSFER ALL,CHAN1,CHAN4,4 - танкер последовательно пытается войти в доступный причал

CHAN1 SEIZE 1 - первый причал, войдя в него танкер ждет и пытается занять очередь

ADVANCE 48,2 - происходит загрузка танкера, которая осуществляется по равномерному закону, в течении некоторого времени

RELEASE 1 - освобождение танкером первого причала

TRANSFER ,OUT - безусловная передача к OUT

CHAN2 SEIZE 2 - второй причал, войдя в него танкер ждет и пытается занять очередь

ADVANCE 48,2 - происходит загрузка танкера, которая осуществляется по равномерному закону, в течении некоторого времени

RELEASE 2 - освобождение танкером второго причала

TRANSFER ,OUT - безусловная передача к OUT

CHAN3 SEIZE 3 - третий причал, войдя в него танкер ждет и пытается занять очередь

ADVANCE 48,2 - происходит загрузка танкера, которая осуществляется по равномерному закону, в течении некоторого времени

RELEASE 3 - освобождение танкером третьего причала

TRANSFER ,OUT - безусловная передача к OUT

CHAN4 SEIZE 4 - четвертый причал, войдя в него танкер ждет и пытается занять очередь

ADVANCE 48,2 - происходит загрузка танкера, которая осуществляется по равномерному закону, в течении некоторого времени

RELEASE 4 - освобождение танкером четвертого причала

TRANSFER ,OUT - безусловная передача к OUT

OUT TERMINATE 0 - удаление танкера, без уменьшения счетчика завершения.

Fakil LINK Otkaz,FIFO - размещение танкера

 

3 Эксперимент  с имитационной моделью

 

3.1 Отчет работы программы:

 

              GPSS World Simulation Report - KS_1.10.1

 

 

                   Friday, December 27, 2013 15:41:59 

 

           START TIME           END TIME  BLOCKS  FACILITIES  STORAGES

                0.000            720.000    24        4          1

 

 

              NAME                       VALUE 

          AKV                         10000.000

          CHAN1                           8.000

          CHAN2                          12.000

          CHAN3                          16.000

          CHAN4                          20.000

          FAKIL                          24.000

          OTKAZ                       UNSPECIFIED

          OUT                            23.000

 

LABEL              LOC  BLOCK TYPE     ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

                    1    GENERATE             1             0       0

                    2    TERMINATE            1             0       0

                    3    GENERATE            35             0       0

                    4    GATE                35             0       0

                    5    ENTER               35             0       0

                    6    LEAVE               35             0       0

                    7    TRANSFER            35             0       0

CHAN1               8    SEIZE               10             0       0

                    9    ADVANCE             10             0       0

                   10    RELEASE             10             0       0

                   11    TRANSFER            10             0       0

CHAN2              12    SEIZE               10             0       0

                   13    ADVANCE             10             0       0

                   14    RELEASE             10             0       0

                   15    TRANSFER            10             0       0

CHAN3              16    SEIZE                9             0       0

                   17    ADVANCE              9             0       0

                   18    RELEASE              9             0       0

                   19    TRANSFER             9             0       0

CHAN4              20    SEIZE                6             0       0

                   21    ADVANCE              6             0       0

                   22    RELEASE              6             0       0

OUT                23    TERMINATE           35             0       0

FAKIL              24    LINK                 0             0       0

 

FACILITY         ENTRIES  UTIL.   AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

1                   10    0.672      48.376  1        0    0    0     0      0

2                   10    0.659      47.481  1        0    0    0     0      0

3                    9    0.596      47.686  1        0    0    0     0      0

4                    6    0.402      48.291  1        0    0    0     0      0

 

STORAGE            CAP. REM. MIN. MAX.  ENTRIES AVL.  AVE.C. UTIL. RETRY DELAY

AKV                 2    2   0     1       35   1    0.000  0.000    0    0

 

 

 

 

Таблица 1 – Статистические данные из стандартных отчетов

	N	Nо	Q	Pотк	K
1	35	35	1	0	2,329
2	40	37	0,925	0,075	2,589
3	34	32	0,941	0,059	2,536
4	44	38	0,864	0,136	2,241
5	49	47	0,959	0,041	2,642
M(X)	40,4	37,5	0,9378	0,0622	2,4674

 

Вывод: Данные полученные аналитически не совпадают с данными полученными в экспериментах. 
Заключение

 

В ходе выполнения расчетно-графического задания были получены основные навыки решения задач по автоматизации технологических процессов в среде имитационного моделирования GPSS/PC, что включает в себя:

• проведение научно – исследовательской и проектно – конструкторской работы в области исследования и разработки сложных систем;
• способность ставить и проводить имитационные эксперименты с моделями процессов функционирования систем на современных ЭВМ для оценки вероятностно – временных характеристик систем;
• принятие экономически и технически обоснованных инженерных решений;
• анализ научно – технической литературы в области системного моделирования, а также использование стандартов, справочников, технической документации по математическому и программному обеспечению ЭВМ и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1 Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование  систем: Учебник для вузов. – М.: Высш. шк., 2001. – 343с.

2 Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Задачи и упражнения по теории вероятностей: Учебное пособие для студ. втузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 448.

3 Гмурман В.Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике: Учебн. пособие для вузов. – М.: Высш. шк., 2003. – 405 с.