Имитационное моделирование процесса передачи данных по двум каналам

ФГОАУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт образовательных  информационных технологий

Факультет дистанционного образования

 

 

 

 

Оценка работы____________

Члены комиссии___________

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

 

 

 

Дисциплина «Моделирование систем»

Тема «Имитационное моделирование процесса передачи данных по двум каналам»

 

 

 

 

 

Преподаватель      доцент, к.т.н.  Матвеев А.В.

 

 

Студент гр. ИТЗ 47011д       Пендюк В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2011

 

 

В данной курсовой работе проведено моделирование магистрали передачи данных. Проведен анализ задачи, сформулированы возможные гипотезы. По результатам экспериментов проведен анализ работы магистрали передачи данных, и определен оптимальный режим работы, при котором возможна передача максимального количества сообщений. Моделирование проведено в пакете AnyLogic.

 

 

Содержание

 

 

Введение

В настоящее время одним из наиболее широко распространенных средств исследования и оптимизации функционирования систем управления (и вообще любых сложных социально-технических систем) является имитационное моделирование, в основном – с применением современной вычислительной техники. На такой имитационной модели можно отрабатывать воздействия различных факторов, влияющих на поведение системы, изучать влияние изменения внутренних параметров на эффективность функционирования и так далее.

Имитационная модель СМО представляет собой алгоритм, отражающий поведение СМО, то есть отражающий изменения состояния СМО во времени при заданных потоках заявок, поступающих на входы системы.

Имитационное  моделирование позволяет исследовать СМО при различных типах входных потоков и интенсивностях поступления заявок на входы, при вариациях параметров обслуживающих аппаратов, при различных дисциплинах обслуживания заявок. Дисциплина обслуживания – правило, по которому заявки поступают из очередей на обслуживание. Величина, характеризующее право на первоочередное обслуживание, называется приоритетом. В моделях СМО заявки, приходящие на вход занятого обслуживающего аппарата, образуют очереди, отдельные для заявок каждого приоритета. При освобождении обслуживающего аппарата на обслуживание принимается заявка из непустой очереди с наиболее высоким приоритетом.

В данной курсовой работе построение и исследование модели будет производиться  в пакете AnyLogic, сочетающий в себе мощный инструмент объектно-ориентированного моделирования с интерфейсом визуального программирования. В AnyLogic модели представляются визуально-иерархическими. Простой графический язык моделирования оперирует понятиями объектов и связей между ними. AnyLogic позволяет легко и быстро создавать агентные модели на профессиональном уровне, благодаря языковым конструкциям для задания поведения агентов, их взаимодействия, моделирования среды, а также богатейшим анимационным возможностям.

 

 

Задание к курсовому проектированию

Магистраль передачи данных состоит  из двух каналов (основного и резервного) и общего накопителя. При нормальной работе сообщения передаются по основному каналу за 6 ± 2 с. В основном канале происходят сбои через интервалы времени 250 ± 40 с. Если сбой происходит во время передачи, то за 3 с запускается запасной канал, который передает прерванное сообщение с самого начала. Восстановление основного канала занимает 22 ± 6 с. После восстановления резервный канал выключается и основной канал продолжает работу с очередного сообщения. Сообщения поступают через 8 ± 5 с и остаются в накопителе до окончания передачи. В случае сбоя передаваемое сообщение передается повторно по запасному каналу. Смоделировать работу магистрали передачи данных в течение 2 ч. Определить загрузку запасного канала, частоту отказов канала и число прерванных сообщений.

 

 

1. Построение концептуальной модели системы

1.1. Формулировка цели и постановка  задачи машинного моделирования  системы

Необходимо исследовать работу магистрали передачи данных. В качестве цели моделирования выберем изучение функционирования системы, а именно оценивание ее характеристик с точки зрения эффективности работы системы, т.е. будет ли она простаивать, определим загрузку основного и резервного каналов, кол-во прерванных сообщений, кол-во сообщений обработанных основным каналом и кол-во сообщений обработанных резервным каналом. С учетом имеющихся ресурсов в качестве метода решения задачи выберем метод имитационного моделирования, позволяющий не только анализировать характеристики модели, но и проводить структурный, алгоритмический и параметрический синтез модели на ЭВМ при заданных критериях оценки эффективности и ограничениях.

Постановка задачи исследования функционирования магистрали передачи данных состоящую из общего накопителя, основного и резервного канала передачи сообщений представлена в задании к курсовому проектированию, из которого следует, что необходимо определить:

• Смоделировать работу магистрали передачи данных в течение 2 ч.
• Определить загрузку запасного канала.
• Определить частоту отказов основного канала.
• Определить число прерванных сообщений.

1.2Выдвижение гипотез и принятие  предположений

Для заполнения пробелов в понимании  задачи исследования, а также проверки возможных результатов моделирования  при проведении машинного эксперимента выдвигаем следующие гипотезы:

• Интенсивность отказов влияет на работу магистрали передачи данных, при увеличении количества отказав будет передано меньшее количество сообщений, так как при выходе из строя основного канала резервный канал запускается в течении 3 с. И передача сообщения начинается с начала. Следовательно, нужно стремиться к уменьшению количества отказов.
• При уменьшении количества отказов загрузка основного канала повысится, а резервного уменьшится
• При уменьшении времени прибытия новых сообщений также возрастет количество переданных сообщений, так время прибытия 8 ± 5с.> времени передачи 6 ± 2 с. Следовательно система бездействует некоторое время ожидая поступления очередного сообщения.

1.3. Анализ задачи моделирования системы

Исследование самых разнообразных систем и процессов методом имитационного моделирования заключается в определении происходящих в системе событий. Чтобы облегчить это определение, целесообразно первоначально графически изобразить процесс функционирования системы и выделить в нем характерные события. Поведение требования в моделируемой системе не является независимым, оно обусловливается событиями, в которых принимают участие и другие требования. Сам же процесс имитации должен отображать хронологию событий в последовательности, имеющей место в реальном процессе.

Моделирование систем массового обслуживания складывается, главным образом, из моделирования  потоков заявок и моделирования  совокупности обслуживающих каналов. Для этого нужно уметь задать характеристики потоков заявок и потоков обслуживания заявок по отдельным каналам.

В ходе курсовой работы необходимо разработать  Q-схему, которая описывает процесс функционирования СМО, набор правил поведения заявок в различных ситуациях. Определить количество каналов и накопителей, емкость накопителей.

Так же необходимо разработать и проанализировать сеть Петри, в сетях определяются, какие действия происходят в системе, какие состояние предшествовали этим действиям и какие состояния примет система после выполнения действия. Выполнения событийной модели в сетях Петри описывает поведение системы. Анализ результатов выполнения может сказать о том, в каких состояниях пребывала или не пребывала система, какие состояния в принципе не достижимы.

В данной курсовой работе построение и  исследование модели будет производиться в пакете AnyLogic.

1.4. Определение параметров и  переменных модели

Входные переменные модели:

Интервал времени (интенсивность) поступления сообщений на обработку, t_п ± Dt_п.

Если интенсивность поступления сообщений на обработку будет меньше времени передачи сообщений, то загрузка системы в целом будет возрастать.

Выходные переменные модели:

• Общее количество переданных сообщений по обоим каналам
• Количество переданных сообщений по основному каналу
• Количество переданных сообщений по резервному каналу
• Количество прерванных сообщений

Параметры модели:

• Время передачи сообщения по основному каналу за 6 ± 2 с.
• Интервалы времени выхода из строя основного канала 250 ± 40 с.
• Время восстановление основного канала 22 ± 6 с.
• Время запуска резервного канала 3 с.
• Общее время проведения эксперимента 2 часа (7200 с.)

1.5. Описание концептуальной модели  системы

Концептуальная модель исследуемой системы представлена в виде структурной схемы на (Рис.№1). Система состоит из одного входного потока (И), накопителя (Н), основного канала (О), резервного канала (Р), выходного устройства (В).

 

Рис.№1. Концептуальная модель в виде структурной схемы

 

Система состоит из двух каналов (основного и резервного), источника и общего накопителя (Рис.№2). Из источника задания, поступающие на обработку, сохраняются в накопителе и передаются по основному каналу. В случае сбоя во время передачи запускается резервный канал, который передает прерванное сообщение с самого начала. После восстановления резервный канал выключается и основной канал продолжает работу с очередного сообщения.

1.6. Разработка сети Петри модели

 

Сеть Петри – математический аппарат для моделирования динамических дискретных систем или асинхронных  параллельных процессов. Опишем полученную схему (Рис.№3):

Рис.№3

Позиции схемы:

• P1 – заявка с потока получена;
• P2 – заявка отправлена в накопитель;
• P3 – основной канал послал управляющий сигнал;
• P4 – срабатывает основной канал;
• P5 – канал послал управляющий сигнал;
• P6 – срабатывает резервный канал;
• P7 – резервный канал послал управляющий сигнал;
• P8 – обработка заявки завершена.

Переходы:

• t1 – поступление заявки от источника;
• t2 – фиксирование заявки;
• t3 – передача заявки на основной канал;
• t4 – передача заявки на резервный канал;
• t5 – передача обработанной заявки с основного канала на выход;
• t6 – передача обработанной заявки с резервного канала на выход;
• t7 – обработка заявки окончена.

Сеть Петри можно описать  матрицами:

 

	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8
t1	0	0	0	0	0	0	0	0
t2	1	0	0	0	0	0	0	0
t3	0	1	1	0	1	0	0	0
t4	0	1	0	0	0	0	1	0
t5	0	0	0	1	0	0	0	0
t6	0	0	0	0	0	1	0	0
t7	0	0	0	0	0	0	0	1

 

 

 

 

 

D_I=

 

 

 

 

	P1	P2	P3	P4	P5	P6	P7	P8
t1	1	0	0	0	0	0	0	0
t2	0	1	0	0	0	0	0	0
t3	0	0	0	1	0	0	0	0
t4	0	0	0	0	0	1	0	0
t5	0	0	1	0	1	0	0	1
t6	0	0	0	0	1	0	1	1
t7	0	0	0	0	0	0	0	0

 

 

 

D_О=

 

 

 

 

 

Граф состояний системы (Рис.№4)

Моделируемая система является многофазной одноканальной. Поток заявок, поступающий в систему – простейший. Заявка, поступившая в момент, когда канал занят, становится в очередь и ожидает обслуживания.

Рис.№ 4 – Граф состояний системы.

S₀ – система свободна;

S₁ – накопитель занят, канал занят;

S₂ – канал занят, одна заявка в очереди;

S_m – канал занят, m-заявок в очереди;

S_m+1 – очередь заполнена, одна заявка под обслуживанием.

 

Данная система является одноканальной  системой с ожиданием.

 

 

 

 

2. Алгоритмизация модели системы  и ее машинная реализация