Пакеты прикладных программ моделирования систем

АСМ и ППМ. Автоматизированная система моделирования (АСМ) позволяет повысить эффективность выполнения пользователем следующих этапов имитационного моделирования:

· преобразование к типовым математическим схемам элементов моделируемой системы S и построение схем сопряжения;

· обработка и анализ результатов моделирования системы S;

· реализация интерактивного режима с пользователем в процессе моделирования системы S.

Пакеты прикладных программ моделирования (ППМ) – это комплекс взаимосвязанных программ моделирования и средств системного обеспечения (программных и языковых), предназначенных для автоматизации решения задач моделирования. Весь круг работ, связанных с разработкой алгоритмов и программ моделирования, а также с подготовкой и проведением машинных экспериментов, называется автоматизацией моделирования и реализуется в виде конкретных АСМ.

В структуре ППМ можно выделить три основных компонента: функциональное наполнение, язык заданий и системное наполнение.

Функциональное наполнение пакета. Функциональное наполнение ППМ отражает специфику предметной области применительно к конкретному объекту моделирования, т.е. системе S, и представляет собой совокупность модулей. Под модулем здесь понимается конструктивный элемент, используемый на различных стадиях функционирования пакета. Язык (языки), на котором записываются модули функционального наполнения, будем называть базовым языком ППМ. Состав функционального наполнения пакета, его мощность или полнота охвата им предметной области отражают объем прикладных знаний, заложенных в ППМ, т.е. потенциальный уровень тематической квалификации пакета.

Одной из ключевых проблем разработки ППМ является модуляризация, т.е. разбиение функционального наполнения пакета на модули. Различают программные модули, модули данных и модули документации.

Язык заданий пакета. Язык заданий ППМ является средством общения пользователя (разработчика или исследователя машинной модели М_М процесса функционирования системы S) с пакетом. Он позволяет описывать последовательность выполнения различных операций, обеспечивающих решение задачи моделирования, или постановку задачи моделирования, по которой эта последовательность строится автоматически. Именно через язык заданий пользователь воспринимает и оценивает, какие «вычислительные услуги» предоставляет АСМ и насколько удобно их использование.

Общая структура и стиль языка заданий ППМ в значительной степени зависят от режима работы, принятой в обслуживаемой пакетом предметной области. Можно выделить два основных (в определенном смысле противоположных) режима проведения моделирования:

- активный, предусматривающий при создании конкретных рабочих программ модели М_М модификацию и настройку имеющихся модулей функционального наполнения, а также разработку новых модулей;

- пассивный, предусматривающий проведение машинных экспериментов с моделью М_М без модификации функционального наполнения ППМ.

Активный режим работы предназначен для специалистов, создающих программное обеспечение АСМ, а пассивный режим – для деятельности так называемых конечных пользователей, т.е. специалистов, которые не обязательно имеют высокий уровень подготовки в области программирования.

Характерной особенностью языков заданий пакетов, обслуживающих проведение моделирования в активном режиме, является их направленность на описаниесхем программ моделирования процессов, причем центральное место в таких языках (их обычно называют языками сборки) занимают средства:

- конструирования схем программ, в которых указывается порядок выполнения и взаимодействия модулей при моделировании конкретной системы S;

- развития или модификации функционального наполнения ппм;

- управления процессами генерации и исполнения рабочей программы, реализующей задание пользователя.

Главная цель разработки языка заданий ППМ, обеспечивающего решение задач моделирования в пассивном режиме, заключается в том, чтобы «спрятать» от конечного пользователя основную массу алгоритмических подробностей моделирования конкретной системы S. Такие языки, называемые языками запросов, ориентированы обычно на формулирование содержательных постановок задач, т.е. запросов, указывающих, «что необходимо получить», без явного задания того, «как это получить».

Язык заданий ППМ может быть реализован как в форме самостоятельного языка, так и в форме встроенного языка, т.е. расширения существующего языка программирования.

Системное наполнение пакета. Системное наполнение ППМ представляет собой совокупность программ, которые обеспечивают выполнение заданий и взаимодействие пользователя с пакетом. Системное наполнение организует использование потенциала знаний, заложенных в функциональном наполнении в соответствии с возможностями, предусмотренными в языке заданий ППМ. Реализация функций системного наполнения ППМ осуществляется на основе согласованного использования:

- штатных общецелевых средств системного обеспечения;

- средств системного наполнения, расширяющих и сопрягающих возможности компонентов штатного обеспечения;

- специальных средств системного наполнения, выполняющих управляющие, архивные и обрабатывающие процедуры, с учетом специфики моделирования процесса функционирования системы S.

Язык, на котором пишутся программы системного наполнения пакета, называется инструментальным языком ППМ.

Традиционными составляющими системного наполнения пакета являются:

- резидентный монитор, осуществляющий интерфейс как между отдельными компонентами системного наполнения, так и между ними и штатным программным обеспечением;

- транслятор входных заданий, формирующий внутреннее представление заданий и реализуемый обычно в виде макрогенера­тора или препроцессора;

- интерпретатор внутреннего представления задания;

- архив функционального наполнения (подсистема хранения программного материала);

- банк данных об объекте моделирования и машинном экс­перименте;

- монитор организации процесса машинного моделирования (взаимодействия модулей по данным и управлению);

- планировщик процесса машинного моделирования, который определяет последовательность выполнения модулей, реализующую задание ППМ;

- монитор организации интерактивного взаимодействия с пользователем (исследователем системы S).

Программные средства ППМ. ППМ – комплекс программных средств и документов, предназначенных для реализации функционального завершенного алгоритма моделирования процесса функционирования системы S и обеспечивающих автоматизацию управления ведением эксперимента с моделью М_М на ЭВМ. ППМ не является набором готовых программ для проведения машинных экспериментов с моделью М_М, а представляет собой набор средств для разработки конкретных, удовлетворяющих требованиям пользователя рабочих программ моделирования, служащих для автоматизации определенных функций при построении модели, машинном эксперименте и обработке результатов моделирования системы S.

К программным средствам ППМ относятся:

1) набор программных модулей (тело пакета), из которых в соответствии с требованиями пользователя по заданному алгоритму набирается конкретная рабочая программа моделирования заданного объекта;

2) управляющая программа, представляющая собой аналог супервизора ЭВМ;

3) средства генерации рабочих программ для конкретного применения при решении задач моделирования систем.

Различают две разновидности генерации рабочих программ моделирования: статическую и динамическую.

При статической генерации из отдельных модулей формируется рабочая программа моделирования, необходимая пользователю при исследовании конкретного объекта. При этом определяются необходимые устройства ввода-вывода информации, описываются на специальном языке генерации необходимые свойства разрабатываемой программы. Созданная таким образом программа моделирования является одновариантной, и при необходимости внесения изменений в процесс моделирования системы S требуется проведение новой генерации.

При динамической генерации заранее оговариваются все варианты рабочей программы моделирования системы S, которые могут потребоваться пользователю при машинном эксперименте с моделью М_м. При решении конкретной задачи моделирования, т.е. перед каждым новым прогоном программы в ходе машинного эксперимента, вводится специальная параметрическая карта, определяющая требуемый на этом прогоне вариант программы. Монитор пакета собирает необходимые модули и помещает их в оперативную память ЭВМ для решения задачи моделирования. Условия проведения машинного эксперимента при динамической генерации являются более гибкими, но при этом увеличиваются затраты машинных ресурсов на моделирование (увеличивается необходимый объем памяти и время моделирования каждого варианта модели системы S).

Кроме использования программных модулей, входящих в тело ППМ, пользователь имеет возможность подключать свои собственные программы моделирования в точках пользователя. Имеется также возможность замены имеющихся модулей ППМ на собственные, что еще больше расширяет возможности моделирования различных вариантов систем.

Кроме программных средств ППМ содержит комплект документов. В состав комплекта документов ППМ входят проектная документация, являющаяся документацией разработчиков пакета, и пользовательская, необходимая для эксплуатации пакета при решении конкретных задач моделирования.

Структурно АСМ можно разбить на следующие комплексы программ:

1) формирования базы данных об объекте моделирования (БДО);

2) формирования базы данных о машинном эксперименте (БДЭ);

3) моделирования процесса функционирования объекта;

4) расширения возможностей ППМ;

5) организации различных режимов работы ППМ.

Комплекс программ формирования БДО реализует все работы по созданию в АСМ сведений о моделируемом объекте, т.е. системе S. Информация об объекте может корректироваться. Для формирования БДО требуются следующие программы:

· ввода данных об объекте (сведения об элементах системы, типовых математических схемах и операторах их сопряжения);

· корректировки введенной информации;

· перевода в стандартную форму;

· диспетчеризации процедур ввода;

· формирования БДО (расположения информации во внешней памяти).

В результате работы комплекса программ формирования БДЭ в АСМ формируется база данных, т.е. сведения, достаточные для проведения конкретных экспериментов с машинной моделью объекта М_м. Для формирования БДЭ необходимы следующие программы:

· ввода данных о планируемом эксперименте (сведений о факторах, реакциях, начальных состояниях и т.п.);

· формирования БДЭ (выделения сведений из БДО, необходимых и достаточных для реализации конкретного машинного эксперимента с моделью Мм);

· корректировки введенной информации о машинном эксперименте;

· расположения информации в архивах во внешней и оперативной памяти ЭВМ.

Комплекс программ моделирования процесса реализует план ведения машинных экспериментов, их организацию на ЭВМ и обработку промежуточных данных и результатов эксперимента, взаимодействие с пользователем. Для решения задачи моделирования требуются следующие программы:

· управления машинным экспериментом,

· реализация стратегии эксперимента и его диспетчеризация;

· машинной имитации, включая организацию вычислений и взаимосвязь модулей модели М_М;

· обработки и выдачи результатов моделирования системы S в различных режимах взаимодействия с пользователем.

Комплекс программ расширения возможностей ППМ призван обеспечить пользователя средствами генерации новых программ моделирования при различных перестройках (объекта моделирования, машинного эксперимента, обработки результатов и т.п.

Комплекс программ организации различных режимов работы ППМ, кроме основной работы по диспетчеризации процесса функционирования ППМ, призван организовать его работу в режиме диалога с пользователем как на этапе ввода данных об объекте моделирования и эксперименте, корректировки БДО и БДЭ, так и непосредственно в ходе машинного эксперимента с моделью М_м использования мультимедиа технологий. Необходимо также обеспечить режим коллективного пользования пакетом.

Дата добавления: 2014-01-04