بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی رهیافتی نوین در تهیه مدل های شبیه سازی پیشامد گسسته میپردازیم. اعتبارسنجی مدل های شبیهسازی یکی از چالشهای اساسی در حوزه مدلسازی و شبیهسازی است که فرآیندهای پیچیده و پرهزینه ای برای این کار پیشنهاد شده است. استفاده از فرآیندهای طراحی نوین برای اعتبارسنجی راحتتر، سریع تر و کم هزینه تر یکی از روشهای مفید برای اعتبارسنجی است.
در این مقاله به تبیین راهکاری برای استفاده از EMF-DEVS جهت طراحی و پیادهسازی مدلهای شبیهسازی با استفاده از فرامدلهای طراحیشده در این چارچوب میپردازیم. نتایج حاصل در قالب فرآیندی چند مرحله ای بیان شده است که نسبت به روش های متداول زمان کمتر طراحی و اعتبارسنجی، و همچنین خودکار بودن عملیات اعتبارسنجی را به همراه خواهد داشت. دلیل اصلی این بهبود، تولید کدها و چارچوبهای برنامهنویسی بصورت خودکار در چارچوبمدلسازی اکلیپس است.
-1 مقدمه
امروزه از شبیه سازی برای اهداف مختلفی از جمله آموزش، تصمیمگیری در مورد طراحی ها، آزمون و ارزیابی، کنترل و تحلیل های مفهومی بهرهبرداری می شود. در حوزهی طراحی و تولید نرمافزارهای مختلف نیز با توجه به افزایش هزینه ها و پیچیدگی فرآیندها و محصولات، استفاده از شبیهسازی رو به افزایش است. در هر کدام از پروژههای شبیهسازی روشهای مختلفی برای اعتبارسنجی مدلها مورد استفاده قرار میگیرد که بهصورت نسبی اعتبار مدلها را مورد بررسی قرار میدهند. با استفاده از تکنیکهای به کار رفته در این پژوهش، میتوان مدلهای شبیه سازی سیستمهای نرمافزاری که با صورتبندی توصیف سیستم پیشامد گسسته [1] - DEVS - مطابقت دارند را با استفاده از روش های فرامدلسازی در مراحل اولیهی طراحی سیستم از نظر ساختاری و برخی جنبههای رفتاری مدلها اعتبارسنجی کرد.
با توجه به گسترش روزافزون سیستمهای نرمافزاری و تنوع کاربردهای آن ها، شاهد این هستیم که سیستمها روز به روز پیچیدهتر و حجیمتر می شوند. یکی از تکنیکهای متداول برای آزمودن طراحیهای این سیستمها استفاده از مدلسازی و شبیهسازی این سیستمها است. زمانی که مدل هایی از یک سیستم واقعی توسط طراح یا مدل ساز تولید میشوند، مهمترین سوالی که مطرح میشود این است که چگونه می توان اطمینان حاصل کرد این مدلها که برای دستیابی به یک سری اهداف خاص بهصورت 1انتزاعی از سیستم واقعی تهیه شدهاند با واقعیت این سیستم هم خوانی دارند. این سوال با توجه به دقت مورد نظر و اهمیت نتایج حاصل از شبیه سازی می تواند از درجهی اهمیت خاصی برخوردار باشد .
به عملیاتی که توسط آن می توان از تطابق نسبی مدل با سیستم واقعی اطلاع حاصل کرد اعتبارسنجی میگوییم. در واقع یکی از مراحل ضروری در چرخهی زندگی مدلسازی و شبیهسازی، اعتبارسنجی مدلها است و هر چه سیستمها دارای حساسیت و اهمیت بیشتری باشند این فرآیند نیز نیازمند دقت و هزینهی بیشتری خواهد بود. اعتبارسنجی مدلها را در طول مراحل مختلفی از این چرخه میتوان مورد توجه قرار داد. مرحله طراحی مدل ها بهدلیل درگیر شدن مدلساز با مدلهای مفهومی، سیستم واقعی و روابط بین آنها دارای پیچیدگیهای ادراکی و طراحی است. لذا در این حوزه با توجه به پیچیدگیها و چالشهای موجود در آن، کارهای کمتری نسبت به سایر حوزهها مانند اعتبار عملیاتی که بیشتر در رابطه با اعتبارسنجی مدلها با توجه به مدلهای پیادهسازی شده و یا شبیهسازیهای اجراشده میباشند صورت گرفته است.
اعتبارسنجی را میتوان از دو جنبهی ساختاری و رفتاری مورد بررسی قرار داد. اعتبارسنجی ساختاری به مطابقت ساختار مدل با سیستم واقعی با توجه به صورتبندی مورد استفاده گفته میشود، در حالی که در اعتبارسنجی رفتاری روی همخوانی و مطابقت رفتار مدل و سیستم با توجه به دنبالههای ورودی-خروجی تمرکز می شود. کاربران مدلها باید به نحوی از اعتبار مدلها اطمینان حاصل کنند، یعنی یک هدف ایدهآل برای اعتبارسنجی مدلها از بین بردن فاصلهی بین انتزاعات مدل و سیستم واقعی یعنی تطابق کامل سیستم واقعی و مدل از نظر ساختاری و رفتاری است که عملی بسیار پیچیده و مشکل میباشد.
با بررسی دقیق روشهای مورد استفاده در این حوزه متوجه می شویم که هنوز روشی مناسب برای تعیین چگونگی معتبرسازی طراحی بهصورت خودکار و حتی توصیفی جامع و کامل از اعتبار بهصورت صوری ارائه نشده است. در این مقاله روشی جدید با ویژگیها و تواناییهای بهتری نسبت به روشهای فعلی برای اعتبارسنجی مدلهای شبیهسازی در مرحله طراحی مدلها ارائه می شود. بدیهی است که ارائهی روشیکاملاً خودکار و توصیفی صوری و همهمنظوره به دلایل متعدد از جمله گستردگی و تنوع سیستمها، با استفاده از تکنیکها و ابزارهای فعلی بسیار دور از انتظار است .
در این پژوهش سعی در ارائهی راهکارهای نیمه خودکار و چارچوبی صوری برای سیستم هایی که در صورتبندی DEVS توصیف میشوند شده است. بدیهی است که بیان مدلهای مفهومی در سطح فرامدل بسیار راحتتر از کدهای عینی یا روشهای توصیف سطح پائین دیگر است. لذا با بررسی و توصیف صورتبندی DEVS در سطح فرامدل، چارچوبی مناسب برای توصفِی مدلها در سطح فرامدل و طراحی مدل ها در این سطح فرآهم شده است. این فرامدلها در دو سطح عمومی - فرامدل عمومی - DEVS و سطح خاص-دامنه - فرامدل مربوط به سیستم مورد نظر - در نظرگرفته میشوند. از طرفی تولید خودکار بخشی از کدهای مدل توسط ابزارهایEMF [2] نیز کمک قابل توجهی به بهبود اعتبار مدلها و سرعت و دقت فرآیند مدلسازی و اعتبارسنجی مینماید .
در ادامه این مقاله ابتدا به توصیف ساختارها و چارچوبهای موردنیاز برای ارائه روش جدید میپردازیم. در این راستا ابتدا در قسمت دوم مقاله به توصیف فرمالیزم پیشامد گسسته میپردازیم و در قسمت سوم به بیان نکات اساسی در مورد چارچوب مدلسازی اکلیپس خواهیم پرداخت و در ادامه به صورت مختصر کارهای محدودی که در این زمینه صورت گرفته است را بیان میکنیم. در بخش چهارم EMF-DEVS به عنوان چارچوبی برای طراحی و پیادهسازی مدلهای شبیهسازی پیشامد گسسته توصیف شده و مراحل استفاده از این چارچوب بیان خواهد شد. در نهایت نیز در قسمت جمعبندی و نتیجهگیری به اختصار به بیان ویژگیهای اساسی روش جدید و نتایج حاصل از آن پرداخته و کارهایی که در آینده انجام خواهد پذیرفت را بیان میکنیم.
فرمالیزم پیشامد گسسته
فرمالیزم پیشامد گسسته یکی از فرمالیزمهای پرکاربرد برای توصیف و مدلسازی سیستمها در نظریه سیستمها میباشد که با ارائهی توصیفی پویا و عمومی از سیستمها علاوه بر حفظ سادگی، توصیف هایی قدرتمند از مدلها فراهم میآورد. این فرمالیزم با استفاده از مؤلفهها، ساختار سلسلهمراتبی را توصیف میکند که قابلیت بسطپذیری بالایی دارد و مفاهیم تجزیه و ترکبِی مدلها را در مدلسازی و شبیه سازی پشتیبانی میکند. همچنین این فرمالیزم برپایهی پیشامد بوده و از زمانبندی دلخواه در رخدادن پیشامدها نیز پشتیبانی میکند. در بحث شبیهسازی نیز فرمالیزم پیشامد گسسته قابلیت استفاده از شبیهسازیهای ترتیبی ، موازی و یا توزیع شده را دارد. تحقق این موارد با استفاده از مفهوم شئگرایی و رابطه نزدیک آن با فرمالیزم پیشامد گسسته ممکن میشود.
دو نوع مدلپایه در این فرمالیزم تعریف شده است که به واسطهی آن ها می توان سایر مدلها را تعریف کرد. مدلهای اتمی به مدلهای غیرقابل تجزیه به مدلهای کوچکتر اطلاق میشوند که دارای ساختاری پویا هستند. مدل مرکب به مدلهایی اطلاق می شود که حاصل ترکیبی از چندین مدل اتمی و یا مرکب هستند که در ساختاری سلسلهمراتبی به یکدیگر متصل شدهاند .
هر مدل مرکب نیز خود ترکیبی از سایر مدلهای اتمی و مرکب است و می تواند به عنوان مدلی پایه برای مدلهای مرکب بزرگتر مورد استفاده قرار گیرد. مدل های مرکب با اتصال درگاههای مدلها به یکدیگر تشکیل میشوند. سه نوع اتصال مختلف بین مدل ها در DEVS تعریف شده است: اتصال خارجی-ورودی، اتصال خارجی-خروجی و اتصال داخلی.
بنابراین اجزای تشکیلدهندهی مدلهای مرکب را میتوان مؤلفهها و اتصالات بین آنها دانست. شکل 1 تعدادی مدل اتمی و مدل مرکب را به همراه تعدادی از اتصالات آن ها نمایش میدهد.
شکل - 1 مدلهای اتمی و مرکب
فرآیند شبیهسازی به مدلکردن یک یا چند سیستم با فرمالیزم یا فرمالیزمهای مشخص برای توصیف - بیان ساختار و رفتار - سیستم در کامپیوتر با توجه به اهداف خاص، و اجرای آن مدل برای دستیابی به نتایج حاصل از اجرا گفته میشود. این نتایج میتواند در قالب تعویض حالت سیستم، جریاندادهای بین مدل ها، انجام پردازشی خاص روی داده یا موجودیتی خاص، دنبالهی اجرایی از قدمها و یا ترکیبی از این موارد و دیگر موارد بیان شود که وابستگی زیادی به اهداف نتایج مدلسازی و شبیهسازی دارد.
شبیهسازها نقش مهمی در مدلسازی دارند. شبیهسازها مکانیزمی برای تفسیر مدلها فرآهم میکنند. فرمالیزم پیشامد گسسته هیچ فرضی روی پروتکل شبیهسازی قرار نمیدهد لذا ممکن است روشهای مختلفی برای شبیهسازی توسط ابزارهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
