Προσομοίωση Συστημάτων

Transcript

1 Προσομοίωση Συστημάτων Προσομοίωση και μοντέλα συστημάτων Άγγελος Ρούσκας Τμήμα Ψηφιακών Συστημάτων Πανεπιστήμιο Πειραιώς

2 Γενικός ορισμός συστήματος Ένα σύνολο στοιχείων/οντοτήτων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και συνεργάζονται ή λειτουργούν ομαδικά για την επίτευξη κάποιου σκοπού

3 Αναλυτικά Μελέτη συστημάτων (1/2) Μαθηματικά μοντέλα τα οποία απαιτούν απλουστευτικές υποθέσεις για το σύστημα Η λύση που προκύπτει είναι συνάρτηση των παραμέτρων που έχουν οριστεί και επομένως προσφέρει γνώση για τη συμπεριφορά του συστήματος για κάθε τιμή των παραμέτρων Αριθμητικά Χρησιμοποιούνται προσεγγιστικές τεχνικές αριθμητικής ανάλυσης και συνήθως τα μοντέλα μπορεί να είναι συνθετότερα Η λύση που προκύπτει προσφέρει γνώση για τη συμπεριφορά του συστήματος μόνο για συγκεκριμένες τιμές των παραμέτρων

4 Μελέτη συστημάτων (2/2) Πειραματικά με προσομοίωση Εικονική αναπαράσταση του μοντέλου του συστήματος Τα μοντέλα μπορεί να είναι όσο σύνθετα απαιτούνται για την καλύτερη μελέτης της συμπεριφοράς των συστημάτων Η γνώση της συμπεριφοράς προκύπτει μόνο για συγκεκριμένες τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιούνται Απαιτείται πολύ μεγάλο πλήθος παρατηρήσεων, γεγονός εφικτό με τη χρήση Η/Υ

5 Προσομοίωση και εξομοίωση Προσομοίωση (simulation): μέθοδος μελέτης ενός συστήματος και εξοικείωσης με τα χαρακτηριστικά του, με τη βοήθεια ενός άλλου διαφορετικού συστήματος το οποίο είναι στις περισσότερες περιπτώσεις ένας Η/Υ Εξομοίωση (emulation): μέθοδος αναπαραγωγής ενός συστήματος εντός ή μέσω ενός άλλου συστήματος παρόμοιου με το πρώτο

6 Παράδειγμα προσομοίωσης Α320 (1/2)

7 Παράδειγμα προσομοίωσης Α320 (2/2) Α) Μελέτη της συμπεριφοράς του αεροσκάφους από αεροδυναμικής άποψης Δημιουργία μαθηματικού μοντέλου αεροσκάφους και εισαγωγή παραμέτρων φυσικών χαρακτηριστικών και εξισώσεις αεροδυναμικής Μετά την προσομοίωση εξάγονται συμπεράσματα για διάφορα μεγέθη (αντίσταση αέρα, άνωση, στροβιλισμοί) Β) Εκπαίδευση πιλότων Κατασκευή συστήματος με απαραίτητα χειριστήρια και όργανα που ελέγχονται από Η/Υ

8 Παράδειγμα εξομοίωσης Α320 Απαιτείται η ύπαρξη ενός άλλου αεροσκάφους πχ Α310 στο οποίο θα γίνουν οι κατάλληλες μετατροπές στα όργανα και χειριστήρια του Α310 για να είναι όμοια με αυτά του εξομοιούμενου Α320

9 Άλλο ένα παράδειγμα Προσομοίωση μικροεπεξεργαστή πριν την κατασκευή του πρωτότυπου για τον έλεγχο καλής λειτουργίας προσομοίωση λειτουργικού μοντέλου μικροεπεξεργαστή ή ακόμα προσομοίωση σε επίπεδο τρανζίστορ Εξομοίωση μικροεπεξεργαστή Ανάπτυξη λογισμικού εξομοίωσης που επιτρέπει την εκτέλεση προγραμμάτων γραμμένων στη γλώσσα του μικροεπεξεργαστή από τον Η/Υ μεταφράζοντας τις εντολές του μικροεπεξεργαστή σε εντολές του Η/Υ

10 Ανάλυση και Σύνθεση Κατά την ανάλυση συστημάτων Δεδομένα: είσοδοι και στοιχεία συστήματος Ζητούμενο: καθορισμός εξόδων συστήματος για την αξιολόγηση λειτουργίας, αξιοπιστίας, ευαισθησίας του Κατά τη σύνθεση συστημάτων Δεδομένα: είσοδοι και έξοδοι που αντιστοιχούν Ζητούμενο: προσδιορισμός των στοιχείων του συστήματος κατά το σχεδιασμό του

11 Παράδειγμα συστήματος Διακρίνονται οι οντότητες του συστήματος, οι αλληλεπιδράσεις τους, οι είσοδοι και οι έξοδοι

12 Συστατικά στοιχεία συστημάτων Οντότητες: κάθε αντικείμενο του συστήματος που μας ενδιαφέρει στη μελέτη Χαρακτηριστικά: οι ιδιότητες κάθε οντότητας Δραστηριότητες: διεργασίες που προκαλούν μεταβολές στο σύστημα

13 Παραδείγματα συστημάτων Σε ένα σύστημα μιας ζεύξης δεδομένων τί θα είχαμε;

14 Κατάσταση και περιβάλλον συστημάτων Κατάσταση:περιγραφή οντοτήτων, χαρακτηριστικών και δραστηριοτήτων σε δεδομένη χρονική στιγμή Μεταβάλλεται με το χρόνο Μπορεί να εξαρτάται από δραστηριότητες εντός και εκτός συστήματος Περιβάλλον: σύνολο μεταβολών εκτός συστήματος που ενδεχομένως επηρεάζουν το σύστημα Η προσομοίωση παρακολουθεί την εξέλιξη στο χρόνο της κατάστασης του συστήματος Σε ένα σύστημα μιας ζεύξης δεδομένων τί κατάσταση και τι περιβάλλον θα είχαμε;

15 Κατηγοριοποίηση δραστηριοτήτων Πχ για σταθερό ρυθμό μετάδοσης, η μετάδοση ενός πακέτου είναι στοχαστική ή ντετερμινιστική δραστηριότητα, εξωγενής ή ενδογενής;

16 Κατηγοριοποίηση συστημάτων

17 Παραδείγματα κατηγοριοποίησης συστημάτων Το τηλεφωνικό δίκτυο του Πανεπιστημίου ή ένα LAN είναι ανοικτά ή κλειστά; Μια ουρά αναμονής είναι διακριτό ή συνεχές; Μια ζεύξη πάνω από την οποία μεταφέρονται δεδομένα μιας εφαρμογής με το πρωτόκολλο μεταφοράς TCP είναι προσαρμοζόμενο ή όχι σύστημα;

18 Μοντέλα συστημάτων Ορισμός 1: Μοντέλο είναι μια αναπαράσταση ενός συστήματος, ενός φυσικού φαινομένου, ενός οργανισμού, μιας ιδέας Ορισμός 2: Μοντέλο είναι το σύνολο των πληροφοριών ενός συστήματος που έχει συγκεντρωθεί με σκοπό τη μελέτη του συστήματος Τα μοντέλα συνήθως είναι απλουστεύσεις των πραγματικών συστημάτων και βολεύει να τα μελετούμε αντί να μελετούμε τα πραγματικά συστήματα

19 Γιατί μελετούμε μοντέλα και όχι συστήματα; Διευκόλυνση στην κατανόηση Διευκόλυνση στην επικοινωνία Το μοντέλο αποτελεί εργαλείο πρόβλεψης Αδυναμία πρόσβασης Εκπαίδευση Καλύτερος σχεδιασμός Βελτίωση της απόδοσης υπάρχοντος συστήματος

20 Αντιστοίχιση μοντέλου και συστήματος

21 Συνδυασμοί συστημάτων - μοντέλων (1) : προσδιορισμός κίνησης πλανητών (σύστημα) με μαθηματικές εξισώσεις (μοντέλο) (2) : υπολογισμός ολοκληρώματος (σύστημα) με τη μέθοδο Monte Carlo (μοντέλο) (3) : Παραγωγή τυχαίων αριθμών (σύστημα) με τη ψευδοτυχαία μέθοδο Η/Υ (μοντέλο) (4) : Γκισέ τραπεζών (σύστημα) και ουρές αναμονής (μοντέλο)

22 Κατηγοριοποίηση μοντέλων

23 Τα μοντέλα προσομοίωσης αποσκοπούν στη μελέτη/εκτίμηση της συμπεριφοράς ενός συστήματος ανάλογα με τα κριτήρια και τις παραμέτρους στη σύγκριση εναλλακτικών παραλλαγών / σχεδιάσεων του συστήματος στην πρόβλεψη ή εκτίμηση μελλοντικής συμπεριφοράς στην ανάλυση ευαισθησίας στις μεταβολές συνθηκών Στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων λειτουργίας

24 Επίπεδο λεπτομέρειας κατά την κατασκευή μοντέλου προσομοίωσης

25 Βήματα μελέτης με προσομοίωση

26 Προσομοίωση συστημάτων και δικτύων Απαραίτητη λόγω αυξημένης πολυπλοκότητας των συστημάτων και υψηλού ρυθμού εισαγωγής νέων τεχνολογιών Ανάλογα με το επίπεδο λεπτομέρειας η προσομοίωση χρησιμοποιείται σε αντίστοιχα στρώματα (φυσικού στρώματος ή ανώτερων στρωμάτων) Σε κάθε περίπτωση λαμβάνονται υπόψη διαφορετικά στοχαστικά φαινόμενα