简易模拟系统

引言

仿真是一种进行实验的方法，将所研究的实际系统替换为模型。 在这样的模型中，您可能会丢失个别情况，也可能会丢失许多情况。 收集的统计信息可以帮助得出有关系统中的过程的结论，以及概述优化路径。

仿真建模通常被认为是一种实验测试，但同时成本较低，它允许您快速更改参数并动态观察仿真系统。

在模拟建模中已经使用了大约半个世纪，已经使用了计算机模型。 为了开发它们，已经创建了许多不同的程序和框架，在我看来，其中最成熟的是用于建模排队系统（QS）的工具。 可以在链接[1] ， [2]上找到更详细的QS仿真程序之一-GPSS World（通用仿真系统-通用建模系统）。

该程序的概念是Go仿真框架的基础。

GPSS中的仿真

GPSS中的模型是一系列块（命令），描述了交易在其间移动的模拟对象。 当事务进入该块时，将生成事件，这些事件导致建模对象的状态发生变化或导致事务的状态/参数发生变化。

十个顺序的主要块：GENERATE，TERMINATE，ASSIGN，SEIZE，RELEASE，QUEUE，ADVANCE，DEPART，START。 总共约有三打。 块具有参数，可以是数字，函数名称，仿真程序中的标签，变量名称。 例如，可以在此处找到有关块的更多详细信息。

GPSS中的对象具有一组标准数字属性（NAV）和标准逻辑属性（ALS）。 例如，对于队列，NAV之一是当前长度，而某些设备的ALS示例将为TRUE或忙碌（FALSE）。
在某些版本的GPSS中，可以看到建模过程的可视化，但是通常不存在。 根据仿真结果，在GPSS中生成报告，指示所有对象的NAV和ALS。

实施

Go中的实现是开发一组功能类似于GPSS块的对象。 首先创建了Pipeline-在其中执行模拟的对象。

基于包含描述模拟系统的组件列表的map 。 由于在仿真过程中，交易必须严格按照顺序进行，因此在添加Append组件的方法中，实现了同时添加交易目的地指示的添加过程。 组件的名称用作map键，因此每个组件必须具有唯一的名称。

添加所有组件后，可以使用Start方法启动仿真。 在其内部，在给定的仿真时间内实现了所有组件的循环旁路。 在模拟结束时，您可以打印包含NAV和ALS的报告。

第二个重要元素是描述模拟的实际组件。 实现了：生成器-生成事务，高级-在事务路径上创建延迟，队列-事务队列，设备-事务仅捕获一段时间的设备，漏洞-事务在路径末尾失败的“漏洞”。 当然，这样的集合不足以创建复杂的仿真模型，但足以制定出解决方案并与GPSS结果进行比较。 所有组件均实现IBaseObj接口，该接口涵盖了所需的最低功能。

每个组件都有一个事务队列。 直接作为队列，它仅在队列中使用，对于其他组件，它只是一个存储库。 该队列基于map实现。 在建模过程中，组件依次通过并检查事务的准备情况（满足特定条件）以传输到下一个组件。 传输通过下一个组件的AppendTransact方法执行。 如果传输成功，则将事务从队列中分别删除，下一个组件依次进行处理。 由于为每个组件定义了多个收件人，因此，如果不可能将交易发送给一个收件人，我们将尝试将其发送给另一个收件人。

为了在确定事务出现的时间和创建延迟时生成随机变量，使用了Go中的PRNG函数。

由于同时进行建模时，在不同的组件之间可能会有许多事务在移动，因此出现了在组件内部使用goroutine的想法。 管道通过组件，为每个组件启动HandleTransacts处理程序，并在其中创建goroutine。 在所有goroutine完成之后，模型时间计数器将递增，并HandleTransacts调用HandleTransacts 。

最后一个关键对象是事务本身。 他具有一个标识符，一个出生和死亡的时间，一个所有者（他现在在其中），用于计算SCA和SCHL的许多参数。

在图。 图1是建模过程中框架主要对象相互作用的结构图。


图 1.仿真中主要对象相互作用的通用结构图

模拟实例

假设您需要模拟美发师的工作。 这是GPSS的一个著名例子。 参观者随机走动，频率为18±6分钟，他们的人数事先未知。 我们有一个理发师，他花了16±4分钟进行理发。 那么，他将削减多少人工作一天？ 有多少人排队？ 理发平均需要多少时间，人们排队等候多少时间？ 很多问题和简单的模拟。 图中的框图 2。


图 2.美发师建模的结构方案

用于构建模型的代码如下。

 barbershop := NewPipeline("Barbershop", true) //   clients := NewGenerator("Clients", 18, 6, 0, 0, nil) //   chairs := NewQueue("Chairs") //  master := NewFacility("Master", 16, 4) //  hole := NewHole("Out") //  barbershop.Append(clients, chairs) //       barbershop.Append(chairs, master) //      barbershop.Append(master, hole) //     barbershop.Append(hole) //        barbershop.Start(480) //    <-barbershop.Done //   barbershop.PrintReport() 

服务了25个客户，在模拟完成时的第26个仍是主持人。 队列不超过1人，没有等待11人（零通过），立即去理发。 平均而言，人们在队列中花费了2.58分钟，而在等待中（而不是零通过）的人中，只有4.47分钟。 89.17％的时间是个理发师。

当然，如果您进行其他模拟，结果将会改变。 但是在一系列模拟过程中，向导负载的总体水平和服务的客户数量将可见。 GPSS中的类似模拟会产生类似的结果。

另一个例子。 有一个办公室，有10名员工和一个厕所。 人们想每隔90±60分钟去厕所一次，上厕所5±3分钟，上厕所15±10分钟，回到办公室5±3分钟。 在图5中，我们将进行9个小时的仿真（8个小时的工作时间+ 1个小时的午餐时间）。 图3是结构图。


图 3.厕所使用模型的结构图：左边有一个厕所，右边有两个厕所

左边是带一个厕所的模型，右边是带两个厕所的模型。 以下是模型代码。

 waterclosetsim := NewPipeline("Water Closet Simulation", false) office := NewGenerator("Office", 0, 0, 0, 10, nil) wantToToilet:= NewAdvance("Wanted to use the toilet", 90, 60) pathToWC := NewAdvance("Path to WC", 5, 3) queue := NewQueue("Queue to the WC") pathFromWC := NewAdvance("Path from WC", 5, 3) wc := NewFacility("WC", 15, 10) pathToOffice:= NewAdvance("Path from WC", 5, 3) waterclosetsim.Append(office, wantToToilet) waterclosetsim.Append(wantToToilet, pathToWC) waterclosetsim.Append(pathToWC, queue) waterclosetsim.Append(queue, wc) waterclosetsim.Append(wc, pathFromWC) waterclosetsim.Append(pathFromWC, wantToToilet) waterclosetsim.Start(540) <-waterclosetsim.Done waterclosetsim.PrintReport() 

最多有4人在排队，一个人立即上厕所8次，在工作日内使用率是87.04％。 在我看来，最重要的是人们排队等候大约半小时（31分钟）。 可能是由于只有一个厕所，实际上是因为人们平均在其中坐了14.69分钟。

添加了另一个厕所后，我看到排队人数减少到了3人，立即有29人进入了厕所。 但最重要的是，预期下降了近三倍。

结论

在膝盖上创建的框架非常简单，但仍然受到限制。 计划将其功能增加到GPSS级别。 该框架的实用价值在于能够快速轻松地在Go上组装仿真模型并获得结果。

该代码发布在GitHub上 。