Разработка высокоуровневой среды имитационного моделирования JASIM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка высокоуровневой среды имитационного моделирования JASIM

Погорелов А.С.

Сложность разрабатываемых в настоящее время имитационных моделей постоянно возрастает, приближаясь к сложности реальных объектов. В настоящее время существует большое количество различных средств имитационного моделирования (ИМ), многие из которых изначально разрабатывались для решения конкретных прикладных задач. В целом можно выделить несколько основных направлений, по которым развиваются средства имитационного моделирования [1].

Библиотеки поддержки имитационного моделирования. Данные средства служат инструментальным расширением базового языка программирования. Примерами таких библиотек служат C++Sim (базовый язык С++), SMPL/EML (базовый язык Pascal/Java) и SimPy (базовый язык Python).

Языки имитационного моделирования. Одними из первых средств имитационного моделирования были такие языки, как GPSS, SIMSCRIPT, SIMULA 67. Данные средства кроме специализированного языка включают также инструментарий для проведения экспериментов и сбора статистической информации.

Интегрированные среды. К отличительным особенностям интегрированных сред моделирования (Arena, AnyLogic, iThink и др.) следует отнести наличие средств анализа предметной области и синтеза моделей, визуализацию процесса выполнения имитационной модели в реальном времени, развитые возможности статистического анализа результатов моделирования.

Среда имитационного моделирования JaSim предназначена для разработки имитационных моделей на различных языках. Могут быть использованы как специализированные языки имитационного моделирования, так и языки программирования общего назначения. Программное средство имеет модульную архитектуру, что позволяет дополнять и расширять его функциональные возможности. В частности, можно расширить набор используемых языков имитационного моделирования. Модули JaSim объединены в единую интегрированную среду разработки, что позволяет выполнять этапы ввода модели, ее отладки, тестирования, трансляции и сборки в одном месте.

В качестве основного языка моделирования в JaSim используется подмножество языка GPSS World. Данный язык выбран в связи с его широкой распространенностью, относительной легкостью освоения, а также большим количеством реализованных на нем имитационных моделей.

В разработанной системе в качестве базовой библиотеки моделирования используется Java/EML [2]. Назначение библиотеки моделирования - реализация работы с базовыми элементами имитационной модели (очереди, списки, устройства) и управление модельным временем, событиями, процессами. Эта библиотека может использоваться как непосредственно для создания имитационной модели, так и в качестве основы выполнения для моделей, составленных на специализированном языке высокого уровня.

Основой внутренней организации библиотеки Java/EML является объектная структура, описывающая базовые строительные элементы модели. Базовым является класс Model, отвечающий за инициализацию модели, запуск и управление ходом моделирования. Классы Queue, Device отвечают за очереди и средства соответственно. Класс Schedule управляет модельным временем и отвечает за регистрацию событий. Класс Random содержит генератор псевдослучайной последовательности, а также набор методов - функций распределения.

Библиотеки моделирования являются мощнейшим инструментом для реализации имитационных моделей. Однако отрицательным моментом непосредственного использования таких библиотек является сложность их изучения и применения. Кроме того, при разработке имитационных моделей необходима жесткая привязка к конкретному языку программирования и учет его особенностей. Например, библиотеки, выполненные с использованием принципов объектно-ориентированного программирования, обязывают разработчика модели также придерживаться этого подхода.

Для преодоления этих недостатков в среде JaSim предусмотрены альтернативные возможности построения моделей: модели могут быть реализованы на языке GPSS, или с помощью базовой библиотеки. Таким образом, среда JaSim дает возможность разработчику включать в модель ранее созданные модели на языке GPSS, создавать новые модели на основе процессного подхода в среде GPSS или формировать дискретно-событийные модели с помощью базовой библиотеки.

Среда JaSim включает модельный транслятор в виде отдельного инструмента, основной функцией которого является перевод модели со специализированного языка в базовый. Реализация транслятора выполнена в среде ANTLR (ANother Tool for Language Recognition). Полученный код модели при необходимости исправляется и/или дополняется необходимой функциональностью, после чего модель компилируется в исполняемый файл.

Такой подход обеспечивает возможность работы с имитационной моделью на уровне языка программирования, что позволяет выполнить интеграцию имитационной модели и других программных средств на стадии разработки. В то же время необходимость создания промежуточной модели усложняет процесс разработки, что не всегда оправдано. В связи с этим предусмотрена возможность использования смешанного подхода, при котором специализированный язык дополняется расширениями, позволяющими встраивать блоки кода базового языка программирования непосредственно в текст модели на специализированном языке. Это позволяет в некоторых случаях обойти ограничения специализированного языка за счет некоторого снижения выразительности и читаемости модели.

Одним из важнейших компонентов JaSim является интегрированная среда разработки. Среда JaSim позволяет собрать воедино все используемые разработчиком средства и инструменты. Интеграция различных средств формирования моделей в интерактивном режиме обеспечивает значительное повышение эффективности работы по созданию имитационных моделей.

Взаимосвязь между средствами описания и трансляции модели позволяет выявить большинство ошибок разработчика еще на стадии описания. Связь уровня описания и базового уровня позволяет выполнять отладку модели в интерактивном режиме. В JaSim интеграция компонентов всех рассмотренных уровней позволяет реализовать дополнительные возможности визуального инструментирования, предназначенного для выполнения кода модели средствами отладки/профилирования модели и сбора статистической информации. На уровне интегрированной среды используется консервативный подход к синхронизации модельного времени.

Основные этапы создания имитационной модели в JaSim представлены на рис. 1.

Ввод модели осуществляется в текстовом редакторе интегрированной среды. Существует возможность ввода модели на языках GPSS и Java.

Модельный транслятор выполняет преобразование компонентов модели, выполненных на основном языке моделирования (GPSS).

Рисунок 1. Этапы создания имитационной модели в JaSim

Трансляция модели выполняется в несколько этапов:

1. Лексический анализ. Входная последовательность символов разбивается на последовательность токенов.

2. Синтаксический анализ. Последовательность токенов анализируется для определения грамматической структуры. В результате анализа строится абстрактное синтаксическое дерево.

3. Семантический анализ. Выделяются основные сущности имитационной модели. Строится внутреннее представление модели. Промежуточные структуры данных, получаемые в результате семантического анализа, позволяют проверить возможность построения общей модели сборщиком.

4. Генерация кода. Выполняется построение java-кода модели на основе внутреннего представления транслятора, выстраиваются модельные взаимосвязи.

По завершении процесса трансляции выполняется этап сборки, на котором разрозненные части модели собираются воедино. На данном этапе проверяется возможность модельной интеграции, выявляются возможные конфликты взаимодействия. Результатом работы сборочного этапа является исходный текст единой java модели, в основе которой лежит вышеупомянутая библиотека Java EML. В терминах ООП можно сказать, что модельные классы наследуют классы Java EML, реализуя необходимые методы, отвечающие за логику функционирования модели.

На заключительном этапе полученная единая модель компилируется стандартным java компилятором в исполняемый вид.

Одной из особенностей JaSim является наличие программных интерфейсов взаимодействия с имитационной моделью (рисунок 2).

Интерфейс визуализации используется для автоматического представления внутренних объектов в виде графиков и таблиц. Существует возможность подключения нескольких различных средств визуализации, для каждого из которых должен присутствовать соответствующий адаптер визуализации.

Рисунок 2. Программные интерфейсы взаимодействия

В настоящее время существуют адаптеры для приложений Excel, GraphVis и Ploticus.

Интерфейс управления позволяет управлять имитационной моделью, посылая ей команды, такие как запуск, останов, пошаговое продвижение, продвижение до достижения определенного условия. Данный интерфейс используется приложением-оболочкой для управления ходом моделирования непосредственно из интегрированной среды и отдельной панелью управления в случае, если модель управляется вне среды разработки.

Интерфейс «Наблюдатель» позволяет получить информацию о текущем состоянии любого элемента имитационной модели. Он используется только средствами отладки интегрированной среды.

Разработанная среда имитационного моделирования JaSim:

позволяет при построении широкомасштабных моделей осуществлять интеграцию имитационных моделей, реализованных на различных языках;

дает возможность создавать новые модели на основе процессного подхода в среде GPSS (или использовать ранее созданные модели) либо формировать дискретно-событийные модели с помощью базовой библиотеки Java/EML;

позволяет реализовать все преимущества объектно-ориентированного подхода в следствие перевода модели в процессе трансляции со специализированного языка GPSS на базовый;

использует архитектурно-нейтральный язык Java, что обеспечивает независимость от конкретной платформы.

Литература

имитационный моделирование программирование

1. Кельтон, В. Имитационное моделирование. Классика [Текст] / В. Кельтон, А. Лоу. - СПб.: Питер, 2004. - 847 с.

2. Савина, О.А. Язык имитационного моделирования систем EML (Event Modeling Language) [Текст] / О.А. Савина, С.А. Лазарев // Сборник научных трудов ученых Орловской области. Вестник науки. Выпуск 5. В 2-х томах. Т. 2. - Орел: ОрелГТУ, 1999. С. 232-238.

Размещено на Allbest.ru