Построение концептуальной модели

Содержание
Введение
1Постановка задачи
2 Построение концептуальной модели
2.1 Описание концептуальной модели СМО
2.2 Описание процесса функционирования СМО
2.3 Построение логической схемы
2.4 Анализ задачи моделирования
2.4.1 Критерии оценки эффективности процесса функционирования СМО
2.4.2 Проверка достоверности модели системы
2.4.3 Параметры и переменные модели СМО
2.5 Выдвижение гипотез и принятие предложений
2.6 Определение процедур аппроксимации
3 Алгоритмизация и машинная реализация модели системы
3.1 Выбор вычислительных средств моделирования СМО
3.2 Программирование модели
4Получение и интерпретация результатов моделирования
4.1 Планирование машинного эксперимента
4.2 Анализ результатов моделирования
4.3 Форма представления результатов моделирования
Заключение
Список использованных источников
Приложение А – Листинг программы
Приложение Б – Статистические данные

Введение
Бурный рост промышленности и науки во всех сферах человеческой деятельности привёл в настоящее время к такому положению вещей, что создание и разработка каких-либо новых технологий, технических средств (машин, приборов, оборудования и т. п.), а также методик их применения для нужд человека становится затруднительным, а в некоторых случаях невозможным, без интенсивного применения научных методов познания и поиска.
Одной из таких обязательных сторон научного исследования является метод моделирования, без которого не обходится ни одна конструкторская и ни одна исследовательская работа.
Всякое вновь изучаемое явление или процесс бесконечно сложно и многообразно и потому до конца принципиально не познаваемо и не изучаемо. Поэтому, приступая к изучению явления или процесса, исследователь заменяет его схематической моделью, которая выбирается тем более сложной, чем подробнее и точнее нужно изучить упомянутое явления. В модели сохраняется только самые существенные стороны изучаемого явления, а все мало существенные свойства и закономерности отбрасываются.
Какие стороны изучаемого явления необходимо сохранить в модели и какие отбросить, зависит от постановки задачи исследований. Цель и задачи исследований формулируются перед началом разработки теории еще неизученного явления или уточнения уже существующей теории с целью более адекватного описания изучаемого процесса или явления.
При решении любой задачи основную роль играют эксперимент и модель, а также анализ полученных результатов. Модель дает правильно поставленный эксперимент, а эксперимент уточняет модель. Эксперимент имеет два направления: обработка результатов и планирование эксперимента.
Достоверность модели достигается посредством наблюдения и логически правильной обработки данных.
Моделирование широко применяется в технике. Это и исследование гидроэнергетических объектов и космических ракет, специальные модели для наладки приборов управления и тренировки персонала, управляющего различными сложными объектами. Многообразно применение моделирования в военной технике. В последнее время особое значение пробрело моделирование биологических и физиологических процессов.
Общеизвестна роль моделирования общественно-исторических процессов. Применение моделей позволяет проводить контролируемые эксперименты в ситуациях, где экспериментирование на реальных объектах является практически невозможным или по каким-то причинам (экономическим, нравственным и т. д.) нецелесообразным.
Большое значение на современном этапе развития науки и техники приобретают задачи предсказания, управления, распознавания. Метод эволюционного моделирования возник при попытке воспроизведения на ЭВМ поведения человека. Эволюционное моделирование было предложено как альтернатива эвристическому и бионическому подходу, моделировавшему мозг человека в нейронных структурах и сетях. При этом основная идея звучала так: заменить процесс моделирования интеллекта моделированием процесса его эволюции.
Таким образом, моделирование превращается в один из универсальных методов познания в сочетании с ЭВМ.

1 Постановка задачи
Распределенный банк данных системы сбора информации организован на базе ЭВМ, соединенных дуплексным каналом связи. Поступающий запрос обрабатывается на первой ЭВМ и с вероятностью 50% необходимая информация обнаруживается на месте. В противном случае необходима посылка запроса во вторую ЭВМ. Запросы поступают через 10±3 с, первичная обработка запроса занимает 2с, выдача ответа требует 18±2 с, передача по каналу связи занимает 3с. Временные характеристики второй ЭВМ аналогичны первой.
Смоделировать прохождение 400 запросов. Определить необходимую емкость накопителей перед ЭВМ, обеспечивающую безотказную работу системы, и функцию распределения времени обслуживания заявки.
В данной курсовой работе предполагается смоделировать работу поступления и обработку запросов на 2 – х ЭВМ от распределённого банка, определить характеристики процесса функционирования СМО: рассчитать коэффициенты загрузки каналов, нужную ёмкость накопителей перед ЭВМ, обеспечивая безотказную работу системы.
Всю работу можно условно разделить на три этапа:
· На первом этапе предполагается разработать концептуальную модель СМО, вывести математическую модель процесса функционирования СМО, провести глубокий анализ задачи моделирования и на его основе при необходимости выдвинуть гипотезы и принять соответствующие предположения.
· На втором этапе предполагается провести выбор вычислительных средств для моделирования СМО, выполнить непосредственно машинную реализацию модели системы, протестировать программу.
· На третьем, заключительном, этапе предполагается зафиксировать результаты моделирования СМО при нескольких прогонах программы, проанализировать их, представить в удобной для чтения форме, интерпретировать их и сделать соответствующие выводы.

2 Построение концептуальной модели и её формализация
2.1 Описание концептуальной модели СМО
На основании условия задачи построим концептуальную схему процесса функционирования данной системы, приведённую на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Концептуальная схема модели системы
Таким образом, в работе СМО возможны следующие ситуации:
— режим нормального обслуживания, когда запрос обрабатывается на первой ЭВМ с вероятностью 50 %, иначе – на второй, либо, при наличии свободных мест в двух очередях, ожидает своего времени;
— режим отказа в обслуживании, когда запрос покидает систему вследствие занятости ЭВМ и переполнении очереди другими запросами.
Рисунок 2.2 – Структурная схема

Структурная схема модели является выражением концептуальной, переведенной на язык мат. схем. Учитывая, что процессы, происходящие в СМО, являются процессами обслуживания заявок, используем для их формализации аппарат Q-схем. В соответствии с концептуальной моделью, используя символику Q-схем, структурная схема модели может быть представлена в виде, показанном на рисунке 2.2, где Н – накопители, К – каналы, И - источник.
Накопители Н1 и Н2 имитируют процесс ожидания пользователей в очереди, который происходит при занятости ЭВМ обработкой запросов. Пунктирные линии означают обработку запросов ЭВМ № 2 при условии, что на ЭВМ № 1 ответ на запрос отсутствует.
Каналы К1 и К2 имитируют непосредственно обработку запросов на ЭВМ.
2.2 Описание процесса функционирования СМО
С использованием введённых обозначений опишем процесс функционирования СМО. Источник генерирует сигналы случайным образом через определенные промежутки времени (10±3 сек). Поступающие заявки попадают в очередь в накопитель № 1 и ожидают в ней, если первая машина занята. Как только первая машина освобождается и в накопителе имеются заявки происходит первичная обработка запроса в течении 2 сек, после которой если нужная информация находится на первой ЭВМ то она продолжает обрабатываться в течении 18±2 сек, иначе заявка поступает в очередь в накопитель № 2. Процесс функционирования и временные характеристики ЭВМ №2 идентичны. Заявка полностью обрабатывает на ЭВМ №1 с вероятностью 50%, это обеспечивается путём подсчёта количества запросов обработанных на первой ЭВМ и числа запросов прошедших через накопитель № 1. Если первое число меньше либо равно 50% второго числа, то запрос обрабатывается на первой ЭВМ.
2.3 Построение логической схемы
Для более полного понимания алгоритма модели необходимо построить логическую схему модели. Построение логической схемы модели системы из таких блоков дает ряд преимуществ на стадии ее машинной разработки, а также упрощает понимание структуры модели. При построении блочной модели проводится разбиение общего процесса функционирования системы на отдельные более мелкие по масштабу процессы.
Существует 2 вида схем для рассмотрения логической структуры модели процесса функционирования систем: обобщенные схемы и детальные схемы моделирующих алгоритмов.
Укрупненная (обобщенная) схема модели задает общий порядок действий без каких-либо уточняющих деталей. Детальная схема модели содержит уточнения, отсутствующие в обобщенной схеме, и показывает, что следует выполнить на каждом шаге и как это выполнить. При ее построении учитывается, что моделирующий механизм имеет блочную структуру. Фактически обобщенная схема — это обобщенный вид блок-схемы, показывающий основные этапы.

Рисунок -2.3.1. Логическая обобщенная схема
2.4 Анализ задачи моделирования
2.4.1 Критерии оценки эффективности процесса функционирования СМО
В рассматриваемой задаче в качестве критериев оценки эффективности процесса функционирования СМО выступают следующие вероятностно-временные характеристики:
— вероятность отказа вследствие переполнения очереди;
— коэффициенты загрузки ЭВМ.
Эти вероятностно-временные характеристики взаимосвязаны между собой: чем больше коэффициенты загрузки каналов, тем большее количество человек будет обслужено (малая вероятность отказа). Но, в то же время, при больших коэффициентах загрузки возможны сбои в системе, из-за ограничения количества человек в очереди.
Таким образом, об эффективности процесса функционирования СМО мы будем судить по количеству сбойных сигналов: чем меньше их, тем эффективнее система.
2.4.2 Проверка достоверности модели системы
Проверка достоверности модели системы является немаловажной на этапе реализации модели. Так как модель представляет собой приближенное описание процесса функционирования реальной системы, то до тех пор, пока не доказана достоверность модели, нельзя утверждать, что с ее помощью мы получили результаты, адекватные тем, которые могли бы быть получены при проведении реального эксперимента с системой. При этом проверяются возможность решения постановленной задачи, точность отражения замысла в логической схеме, полнота логической схемы модели, правильность используемых математических соотношений. Только после этого можно считать, что имеется логическая схема модели, пригодная для дальнейшей работы по реализации модели на ЭВМ.
Так как построенная модель основана на доводах, признанными верными, она отвечает требованию соответствия. В самом деле, легко проследить и переходы заявок, и управляющие воздействия, и структурированность модели.
Подготовленную в таком виде, ее будет легче программировать, а найденные математические выражения явятся основой получения результатов. Так как формулы не вызывают сомнений, составленные схемы не противоречат концептуальной, то принимаем модель достоверной и приступаем к машинной реализации.
2.4.3 Параметры и переменные модели СМО
Прежде, чем перейти к описанию математической модели, необходимо определить параметры системы, входные и выходные переменные, воздействия внешней среды.
Для моделируемой СМО в качестве параметра может быть выбрана ёмкость накопителей Н1 и Н2, которые представляют собой очереди заявок. Ёмкость буферных накопителей Н1 и Н2 будем измерять в количестве запросов, которые могут в них (очередях) находиться. В модели эти параметры подбираются для эффективности работы ЭВМ.
В качестве эндогенных (зависимых) переменных модели СМО зададим: число запросов, покинувших систему не обслуженными из-за заполненности накопителей. В модели переменная представляет собой выходную характеристику и вычисляется постоянным суммированием покидающих систему не обслуженных заявок.
В качестве экзогенных (независимых) переменных модели СМО выберем время посылки сигналов в источнике, представляющее собой случайную величину, генерируемую датчиком случайных чисел с требуемым законом распределения.
2.5 Выдвижение гипотез и принятие предположений
Исходя из сведений, можно сделать вывод о возможности построения модели на основании имеющегося объёма исходной информации, и её последующей машинной реализации при условии принятия ряда гипотез и предположений относительно функций распределения параметров процессов, происходящих в СМО, и воздействий внешней среды.
Анализируя условие задачи, приходим к выводу, что поток поступающих запросов СМО представляет собой поочерёдное поступление запросов с равномерным законом распределения между моментами их появления и, следовательно, с одинаковой интенсивностью.
Анализируя имеющуюся исходную информацию о СМО, можно сделать вывод, что загруженность каналов, так же как и очереди, будет не полной, а число необслуженных запросов будет сведена к нулю, т.е. СМО обеспечит обслуживание всех поступивших заявок.

2.6 Определение процедур аппроксимации
Для возможности аппроксимации числовых значений интересующих характеристик системы S необходимо в процессе моделирования провести аппроксимации, для чего обычно используются процедуры: детерминированная, вероятностная и (или) процедура определения средних значений.
- детерминированные процедуры, при которых результаты моделирования однозначно определяются по данной совокупности входных воздействий переменных и параметров системы (в этом случае случайные элементы отсутствуют). Этот тип нам не подходит, так как у нас наличествует элемент случайности при поступлении заявок в систему;
- вероятностные (рандомизированные) применяются, когда случайные элементы, включая воздействие внешней среды, влияют на функционирование системы и необходимо получить закон распределения выходных переменных системы;
- определение средних значений, когда результатом моделирования являются средние значения выходной переменной при наличии случайных переменных или случайных воздействий;
Для рассматриваемой задачи моделирования СМО будем использовать как вероятностную процедуру, так и процедуру определения средних значений. Использование вероятностной процедуры объясняется тем, что в функционировании СМО присутствуют случайные элементы, влияющие на результаты моделирования. Процедура определения средних значений при моделировании процесса функционирования СМО используются по причине того, что интерес представляют средние значения выходных переменных при наличии случайных факторов: среднее число заявок в очереди и средняя загрузка ЭВМ.

3 Алгоритмизация и машинная реализация модели системы
3.1 Выбор вычислительных средств моделирования СМО
На втором этапе моделирования математическая модель, сформи­рованная на первом этапе, воплощается в конкретную машинную модель. Этот этап представляет собой этап практической деятельности, направленной на реализацию идей и математических схем в виде машинной модели процесса функционирования системы, ориентированной на использование конкретных программно - технических средств
Процессы, происходящие в СМО (поступление запросов в систему через разные промежутки времени, освобождение и занятие ЭВМ в различные моменты времени), имеют дискретный и равномерный характер. С учётом этого, а также исходя из стремления сокращения затрат времени на разработку модели СМО, для машинной реализации модели процесса функционирования СМО был выбран язык объектно-ориентированного программирования Delphi 6.
Мы выбрали именно эту среду потому, что она является наиболее оптимальной для решения всех поставленных задач в ходе курсового проекта. Программная среда Delphi 6.0 содержит в себе визуальные компоненты, такие как TButton, TLabel, TChart, TEdit, TPanel и многие другие, которые упрощают и оптимизируют работу разработчика. Важно отметить, что в среде Delphi очень просто отобразить выходные величины, с помощью компонентов TChart и TStringrig.
Исходя из этих соображений можем сказать, что для работы данной модели достаточно любого современного IBMPC совместимого компьютера, работающего под управлением ОС Windows 98 и выше.

3.2 Программирование модели
Программирование в среде Delphi, можно разделить на два этапа: создание интерфейса и написание программного кода.
Основная работа программы осуществляется следующим образом:
Источник генерирует заявки через дискретные промежутки времени, в которые производится смена состояний элементов системы. Исходя из постановки задачи неизменные данные являются продолжительность моделирования (400 сек), время поступления запросов (10±3сек), первичная обработка запроса (2 сек), выдача ответа (18±2 сек), и изменяемые – ёмкость накопителя № 1 и № 2, манипулируя которыми достигается оптимальность системы. После ввода ёмкости накопителя № 1 и № 2 следует нажать на кнопку «Выполнить» для начала работы программы. После чего в нижнем окне будут выведены все найденные параметры системы и столбцовая диаграмма, отражающая количество сигналов в накопителе №1 в единицу времени, в которую в каждую единицу времени добавляется объём накопителя № 1 (рис 3.2.1).

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать полную версию