Организация квазипараллелизма

Важнейшим классификационным признаком имитационных моделей является схема формализации моделируемой системы (способ организации квазипараллелизма).

Наибольшее распространение получили пять способов:

• просмотр активностей;

• составление расписания событий;

• управление обслуживанием транзактов;

• управление агрегатами;

• синхронизация процессов.

Характеристика этих способов требует введения ряда понятий. Основными составными частями модели ЭИС 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.

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» полностью 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 общее их число ограничено. Каждое ФД можно описать простей­шими работами, которые приводят лишь к изменению значений времен­ных координат компонент 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 компонент тесно взаимодействуют друг с другом. Компоненты обмениваются между собой сигналами, причем выходной сигнал одной компоненты может поступать на вход другой, а сами ФД можно в явном виде описать математически­ми зависимостями. Если появление выходного сигнала таким образом определяется (соответствующим набором «входов»), можно реализовать 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.

Способ просмотра активностей применяется при следующих ус­ловиях:

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

• 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:

• множества активностей (работ);

• набор 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 производится 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:

• различные 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:

• проверки выполнимости событий;

• обслуживания (обработки) событий.

Выполнение этих процедур синхронизируется в модельном времени списковым механизмом планирования. Процедура проверки выполнимо­сти событий схожа с ранее рассмотренными для 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 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 производится 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 производится 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 компонент системы и организации их взаимодействия одним из перечисленных способов.

Процессный способ организации квазипараллелизма применяется в следующих случаях:

• все ФД компонент реальной системы различны;

• условия инициализации ФД также различны;

• в любой момент времени в данной 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 ЭИС 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 соблюде­ние сходства структуры модели и объекта исследования. Имитационная модель представляет собой набор описаний процессов, каждое из которых описывает один класс процессов, и информационных и управляющих связей между компонентами модели. Каждой компоненте 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.

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.