Metody a nástroje pro implementaci otevřených simulačních systémů

Methods and Tools for Implementation of Open Simulation Systems

dizertace

čeština

Modelování a simulace tvoří širokou oblast informačních technologií, která se věnuje zkoumání reálného světa prostřednictvím jeho abstrakcí a experimentů nad těmito abstrakcemi. Modelování obsahuje obecně dvě úrovně: modelování statické struktury systémů a modelování jejich chování. Simulaci, tj. experimentování s modelem, pak chápeme jako interpretaci chování modelu na základě popisu chování jeho struktur. Pro popis dynamických aspektů modelu lze použít různá paradigmata a formalismy. Tato práce vychází z Objektově orientovaných Petriho sítí (OOPN), které byly vyvinuty na Fakultě informačních technologií Vysokého učení technického v Brně. OOPN s výhodou kombinují přednosti Petriho sítí (formální základ, přirozený popis paralelismu) a objektové orientace (strukturalizace modelu, přirozená tvorba instancí podstruktur).

Moderní simulační systémy jsou stále komplikovanější a komplexnější. S tímto trendem roste i potřeba prostředků pro snadnou, příp. automatickou konfiguraci a adaptaci schopností systémů pro různé aplikační podmínky. Jako použitelné řešení se jeví koncept tzv. otevřených implementací, které zpřístupňují některé aspekty interní implementace systémů a tím umožňují jejich kontrolu. Základním prostředkem pro vyjádření otevřené implementace je zajištění obecného implementačního rámce (framework), který usnadňuje práci uživatelů, ať už v podobě navrhování či používání otevřených implementací. Jedním z takových rámců je metaúrovňová architektura a s ní spojený metaobjektový protokol (MOP). MOP zajišťuje řešení založené na objektové orientaci, které může být jednoduše integrováno do klasických vývojových procesů. MOP je velmi široce uplatňován v moderních operačních systémech a jazycích, kde nabízí elegantní a uniformní způsob programování založený na reflektivních konceptech.

Disertační práce vychází z myšlenky otevřené implementace simulačního systému konvergujícího do zjednodušené formy operačního systému, který slouží pro modelování, simulaci a prototypování složitých problémů. Výhody otevřené implementace se projeví především ve velké flexibilitě systému umožňující inkrementální vývoj modelů, jednoduchou aplikovatelnost speciálních simulačních technik či možnost adaptace prostředí vzhledem k měnícím se požadavkům, a to včetně možnosti měnit či kombinovat různé vyjadřovací prostředky (OOPN, Smalltalk apod.)

Modern simulation systems work with dynamic models. These models can be modelled by different kinds of paradigms, these models can change during the simulation life-cycle, the used paradigms can be evolved, etc. Thus, modern simulation systems become more and more complex. Recent trend in modern systems for complex application support is not only to allow applications to use services offered by the certain system, but also to offer means to control how these services are provided and processed. Such systems are often called open systems.

The open systems approach can seem to be contrary to the more traditional approach -- the black-box abstraction -- which says that each abstraction of entities (objects) should expose its functionality but hide its implementation details. The black-box abstraction has many attractive qualities and brings a possibility of portability, reusing or simplicity of the design process. Nevertheless, it does not allow to adapt parts of the system according to changing requirements, to develop applications during its life-time etc. The open implementation principles offer a solution of these requirements. It is needed to remark that the principles of the open implementation approach should be rather understood like the framework intended for more flexible design and use of black-boxes. The foundation to expression of open implementation is to provide a general implementation framework making easier the user's goals, whether their intention is to design or to use open implementations. One of that frames is the metalevel architecture linked to the metaobject protocol (MOP). MOP provides a solution based on object orientation which can be integrated to the standard development processes in a simple way. Simulation models are often made in the one formalism with using the one methodology. The models are then interpreted (simulated) by means of the uniform simulation technique. Of course, when we want to work with complex models, it is better to combine various kinds of suitable paradigms or suitable simulation techniques. Modelling generally consists of two levels: the modelling of static structures and the modelling of dynamic aspects (behavior) of a modeled system. Simulation can be understood as interactions of those structures based on the defined behavior. To describe different aspects of the modelled world we can use different paradigms and formalisms. Since 1994 the research group at Brno University of Technology has developed an Object Oriented Petri Nets (OOPNs) formalism. OOPNs benefit from the features of Petri nets (formal nature, suggestive description of parallelism, theoretical background) as well as object-orientedness (structured organization, dynamic creation of instances of substructures, etc.) OOPNs has been developed as a part of the PNtalk project. The intent of this project is to combine Petri nets and the Smalltalk system as consistently as possible. Nowadays the PNtalk system is becoming to be not only the means for modelling and simulation of complex concurrent systems but also the means to prototype such systems. This Ph.D. thesis deals with an open implementation of the simulation system which converges to a lite form of an operating system serving for modelling, simulation, and prototyping of complex systems. The advantages of open implementations should approve in a robust flexibility of the system enabling to adapt environment to required needs, including a possibility to chan

otevřené implementace, reflektivita, Objektově orientované Petriho sítě, modelování, simulace, prototypování, simulační systém

open implementation, reflection, Object Oriented Petri Nets, modelling, simulation, prototyping, simulation system

KOČÍ, R.

29. 10. 2004

Brno

105

http://www.fit.vutbr.cz/~koci/publications/phdthesis.pdf, http://www.fit.vutbr.cz/~koci/publications/phdthesis.ps