Организация имитационных экспериментов при моделировании информационно-вычислительных систем

 
ǬǩǸȏȓȕȔȕȉȇ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ǵǷǪǧǴǯǮǧǽǯȆǯdzǯǹǧǽǯǵǴǴȂǼ 
ȄDZǸǶǬǷǯdzǬǴǹǵǩǶǷǯ dzǵǫǬDzǯǷǵǩǧǴǯǯ 
ǯǴǻǵǷdzǧǽǯǵǴǴǵ-ǩȂǾǯǸDzǯǹǬDzȃǴȂǼ 
ǸǯǸǹǬdz 
 
 
ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ 
ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 
2024 
 

УДК 519.876.5 
ББК 22.18 
 
С37 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
доцент кафедры программных систем Самарского университета, к. т. н., доцент  
Зеленко Лариса Сергеевна; 
г. н. с., заместитель директора ИПУСС РАН по научной работе, д. т. н.  
Смирнов Сергей Викторович 
 
 
 
 
 
Симонова, Е. В. 
С37  
Организация имитационных экспериментов при моделировании информационно- 
вычислительных систем : учебное пособие / Е. В. Симонова. – Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2024. – 116 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-1662-7 
 
Рассмотрены различные этапы разработки компьютерной имитационной модели 
информационно-вычислительной системы, включая построение концептуальной модели исследуемой системы и ее формализацию, алгоритмизацию и компьютерную реализацию, анализ модели, планирование и проведение компьютерных экспериментов, 
получение и интерпретацию результатов моделирования. Содержит иллюстрации 
всех этапов процесса разработки и реализации модели, а также проведения компьютерных экспериментов с моделью, что имеет большое учебно-методическое значение 
и необходимо при самостоятельной работе студентов во время выполнения ими лабораторных работ. Содержит варианты заданий для выполнения лабораторных работ. 
Для студентов, обучающихся по направлению 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника». 
 
УДК 519.876.5 
ББК 22.18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1662-7 
© Симонова Е. В., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
 
 
 
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ 
 
Предисловие 
............................................................................................................. 6 
 
Введение 
................................................................................................................... 8 
 
1. Моделирование как основной метод исследования сложных систем ......... 10 
1.1. Основные определения ............................................................................... 10 
1.2. Классификация моделей по степени абстрагирования модели  
от оригинала 
........................................................................................................ 10 
1.3. Формальная модель объекта исследования (реальной системы) ........... 13 
1.4. Понятие состояния системы 
....................................................................... 14 
1.5. Структура имитационной модели 
.............................................................. 15 
1.6. Области применения имитационных моделей ......................................... 16 
1.7. Основные этапы моделирования систем 
................................................... 18 
 
2. Система моделирования с дискретными событиями .................................... 22 
2.1. Управление временем в дискретно-событийных моделях...................... 22 
2.1.1. Управление временем в GPSS World .................................................. 24 
2.2. Концепция событий в дискретно-событийном моделировании 
............. 26 
2.3. Концепция транзактов как частный случай схемы процессов ............... 28 
 
3. Постановка задачи исследования информационно-вычислительной 
системы 
................................................................................................................... 30 
3.1. Объект исследований .................................................................................. 30 
3.2. Описание задачи исследования 
.................................................................. 31 
3.3. Формализованная постановка задачи исследования ............................... 32 
3.4. Анализ возможных методов решения ....................................................... 33 
3.4.1. Аналитический метод ........................................................................... 33 
3.4.2. Метод имитационного моделирования ............................................... 34 
 
4. Разработка имитационной модели информационно-вычислительной 
системы 
................................................................................................................... 36 
4.1. Разработка структурно-функциональной модели 
.................................... 36 
4.2. Разработка концептуальной модели 
.......................................................... 36 
3 

4.2.1. Таблица функционального соответствия элементов модели  
и элементов реальной системы ...................................................................... 38 
4.2.2. Алгоритмы моделирования случайных величин ............................... 39 
4.3. Выбор программных средств моделирования 
.......................................... 40 
4.4. Разработка алгоритма моделирования и программы  
имитационной модели 
........................................................................................ 42 
4.4.1. Описание элементов модели ................................................................ 42 
4.4.2. Алгоритм моделирования 
..................................................................... 43 
4.4.3. Описание программной реализации имитационной модели ............ 44 
4.4.4. Программа имитационной модели ...................................................... 44 
4.5. Организация единичного эксперимента с имитационной моделью ...... 45 
4.5.1 Анализ результатов моделирования 
..................................................... 45 
4.5.2. Оценка точности результатов моделирования ................................... 47 
 
5. Планирование экспериментов в системе GPSS World .................................. 49 
5.1. Организация факторного эксперимента с моделью................................. 49 
5.2. Однофакторный эксперимент .................................................................... 51 
5.3. Проведение дисперсионного анализа в системе GPSS World ................ 54 
5.3.1. Дисперсионный анализ в планировании эксперимента .................... 54 
5.3.2. Последовательность проведения дисперсионного анализа  
для однофакторного эксперимента 
................................................................ 56 
5.3.3. Библиотечная процедура ANOVA 
....................................................... 58 
5.4. Проведение двухфакторного эксперимента ............................................. 59 
5.4.1 План двухфакторного эксперимента .................................................... 59 
5.4.2. Последовательность проведения дисперсионного анализа  
для двухфакторного эксперимента ................................................................ 65 
5.5. Поиск наилучших решений. Оптимизирующий эксперимент ............... 74 
5.5.1. Организация оптимизирующего эксперимента ................................. 74 
5.6. Выводы и рекомендации по использованию модели .............................. 79 
 
6. Лабораторная работа. Моделирование информационно-вычислительных 
систем в среде GPSS World .................................................................................. 80 
6.1. Цель лабораторной работы 
......................................................................... 80 
6.2. Последовательность выполнения лабораторной работы ........................ 81 
6.3. Содержание отчета по лабораторной работе 
............................................ 81 
6.4. Варианты индивидуальных заданий ......................................................... 82 
6.5. Контрольные вопросы 
............................................................................... 101 
 
4 

Заключение 
........................................................................................................... 102 
 
Библиографический список 
................................................................................ 103 
 
Приложения ......................................................................................................... 105 
Приложение А. Операторы описания блоков GPSS World 
.......................... 105 
Приложение Б. Операторы описания данных и контроля управления  
GPSS World ....................................................................................................... 107 
Приложение В. Сообщения GPSS World об ошибках .................................. 108 
 
 
 
5 

 
 
 
 
ǶǷǬǫǯǸDzǵǩǯǬ 
 
В учебном пособии описаны типовые этапы разработки модели информационно-вычислительной системы (ИВС) и организации эксперимента с моделью в среде GPSS World. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 
направлению подготовки бакалавриата 09.03.01 – Информатика и вычислительная техника.  
Содержание учебного пособия соответствует разделам рабочей программы по дисциплине «Моделирование информационно-вычислительных 
систем» федерального компонента ГОС подготовки бакалавров по направлению 09.03.01 – Информатика и вычислительная техника. 
Изучение учебного пособия способствует формированию у обучающихся общепрофессиональных компетенций ПК-7 (способен осуществлять 
выполнение работ и управление работами по созданию (модификации) и сопровождению информационных систем, автоматизирующих задачи организационного управления и бизнес-процессы). 
В главе 1 представлены сведения о моделировании как основном методе 
исследования сложных систем. Дано определение модели и объекта моделирования, приведена классификация моделей. Описана формальная модель 
объекта исследования. Приведено формализованное описание структуры имитационной модели. Определены области применения имитационных моделей 
и основные этапы имитационного моделирования.  
В главе 2 рассмотрены вопросы организации дискретно-событийных моделей. 
В главе 3 выполнена постановка задачи исследования информационновычислительной системы на примере исследования распределения времени 
центрального процессора в многозадачной вычислительной системе с разделением времени.  
Глава 4 посвящена конструированию имитационной модели информационно-вычислительной системы, включая этапы разработки структурнофункциональной и концептуальной моделей, программы модели, организации 
6 

единичного эксперимента с моделью, получения и интерпретации результатов 
моделирования и оценки точности результатов моделирования.  
В главе 5 описывается планирование экспериментов с имитационной моделью в среде GPSS World, включая проведение одно- и двухфакторного экспериментов с последующим выполнением дисперсионного анализа результатов. Рассмотрены вопросы организации оптимизирующего эксперимента с моделью ИВС для поиска наилучших решений.      
Глава 6 содержит подробную инструкцию по выполнению лабораторной 
работы, целью которой является моделирование в среде GPSS World функционирования информационно-вычислительной системы. Приведены индивидуальные задания для выполнения лабораторной работы и контрольные вопросы 
для проверки усвоения изложенного материала. 
Разделы, рассмотренные в пособии, имеют важное учебно-методическое 
значение и необходимы при самостоятельной работе студентов во время выполнения ими лабораторного практикума.  
Примеры программ, приведенные в каждом разделе, нацелены на выработку практических умений и приобретение навыков моделирования информационно-вычислительных систем с использованием современных технологий и инструментальных средств. 
Учебное пособие может быть рекомендовано также студентам, обучающимся по направлениям 09.03.02 – Информационные системы и технологии, 
09.03.03 – Прикладная информатика. 
Учебное пособие может быть полезно широкому кругу читателей, практикующихся в области компьютерных наук. 
 
 
7 

 
 
 
ǩǩǬǫǬǴǯǬ 
 
В настоящее время происходит интенсивное внедрение информационных технологий во все сферы деятельности. Метод моделирования нашел 
практическое применение при решении разнообразных задач в широком спектре предметных областей. 
Моделирование представляет собой один из основных методов познания, является формой отражения действительности и заключается в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов 
и явлений с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью 
абстрактного описания в виде изображения, совокупности уравнений, алгоритмов и программ. Возможности моделирования, то есть перенос результатов, полученных в ходе построения и исследования модели, на оригинал основаны на том, что модель в определенном смысле отображает (воспроизводит, 
моделирует, описывает, имитирует) некоторые интересующие исследователя 
черты объекта. 
Существуют различные методы моделирования: физическое, аналитическое, структурно-функциональное, имитационное. Основная ценность метода 
имитационного моделирования состоит в применении методологии системного анализа. Имитационное моделирование позволяет осуществить исследование изучаемой или проектируемой системы, последовательно проходя взаимосвязанные этапы: 
x содержательная постановка задачи, 
x разработка концептуальной модели системы, 
x разработка и программная реализация имитационной модели, 
x проверка достоверности модели и оценка точности результатов моделирования, 
x планирование и проведение компьютерного эксперимента, 
x принятие решений. 
Это позволяет применять основные принципы системного подхода для 
решения практических задач, а также использовать имитационное моделирование как универсальный подход для принятия решений в условиях неопределенности с учетом в моделях трудноформализуемых факторов.  
8 

Одним из наиболее эффективных и самых распространенных является 
язык моделирования GPSS (General Purpose Simulation System), который используется для построения дискретных имитационных моделей и проведения 
компьютерных экспериментов [1, 2].    
Разделы учебного пособия последовательно раскрывают порядок разработки имитационных моделей, проведения экспериментов, факторного и дисперсионного анализа с использованием системы имитационного моделирования GPSS World [3, 4]. В заключении обсуждаются перспективы развития данного направления 
 
 
 
9 

 
 
 
dzǵǫǬDzǯǷǵǩǧǴǯǬDZǧDZǵǸǴǵǩǴǵǰdzǬǹǵǫ 
ǯǸǸDzǬǫǵǩǧǴǯȆǸDzǵǭǴȂǼǸǯǸǹǬdz 
 
 ǵȘȔȕȉȔȢȌȕȖȗȌȋȌȒȌȔȏȦ 
 
Модель – это условный образ объекта исследования, конструируемый 
так, чтобы отобразить существенные для исследования характеристики объекта (свойства, взаимосвязи, параметры). Моделирование заключается в выявлении или воспроизведении свойств реальных объектов, предметов и явлений 
с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью абстрактного описания в виде изображения, совокупности уравнений, алгоритмов и 
программ. 
Возможности моделирования, т. е. перенос результатов, полученных в 
ходе построения и исследования модели, на оригинал, основаны на том, что 
модель в определенном смысле отображает некоторые интересующие исследователя характеристики объекта.  
Подобие процесса, протекающего в модели M, реальному процессу, протекающему в системе-оригинале S, является условием правильного функционирования модели, а не целью моделирования.  
Цель моделирования – задача изучения какой-либо стороны функционирования объекта.  
Объект моделирования – сложные информационно-вычислительные и 
организационно-технические системы. 
 
 
 DZȒȇȘȘȏțȏȑȇȝȏȦȓȕȋȌȒȌȐȖȕȘșȌȖȌȔȏ 
ȇȈȘșȗȇȊȏȗȕȉȇȔȏȦȓȕȋȌȒȏȕșȕȗȏȊȏȔȇȒȇ 
 
На Рисунке 1 представлена классификация моделей по степени абстрагирования модели от оригинала. 
Физическая модель эквивалентна или подобна оригиналу, либо процесс ее функционирования такой же, как у оригинала и имеет ту же самую (или 
иную) физическую природу. 
10