CC BY
25
Доступные средства имитационного моделирования.
Availablesimulationmeans
Коковин Сергей Яковлевич
аспирант ФГОБУ ВПО «Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации»
e-mail: [email protected]
Аннотация
В данной статье описывается подход, позволяющий существенно упростить ввод формул при описании входов, выходов и состояний в имитационной модели.
Предлагаемая методика УИМ-2 и её программная реализация в среде «Расширенного редактора GPSSWorld» позволили значительно повысить эффективность проведения имитационного моделирования по сравнению с ранее используемой методикой УИМ-1.
Annotation
This article describes an approach that allows to simplify the formulas for description of inputs, outputs and states in the simulation model. The proposed method US&M-2 and its software implementation in the "Advanced editor GPSS World" has the potential to significantly increase the effectiveness of the simulation in comparison with the previously used method US&M-1.
Ключевые слова: имитационное моделирование; GPSSWorld; оптимальное управление; модель объекта; элементарный блок
Key words: simulation; GPSSWorld;optimal control; object model;elementaryitem
Введение
Для создания любого объекта - от небольшого гаджета до сложного промышленного предприятия, строительного объекта или большой организации необходимо получить точную оценку требуемых материальных и финансовых затрат. Необходимо оценить характеристики и поведение системы еще до реального её создания в целях исключения ошибок проектирования.
В современном мире отмечается тенденция появления все более и более сложных систем. Часто происходит объединение больших и малых фирм в более крупные.
Процессы объединения и укрупнения являются объективными и неизбежными циклами жизни систем. Но в некоторых случаях такие слияния отрицательно сказываются на их функционировании - нарушается управляемость системы, они становятся громоздкими, менее гибкими и адаптируемыми, возрастает влияние хаотичных факторов.
Становится невозможным держать в голове всю информацию о системе, а тем более управлять ею. В этой ситуации на первый план выходят методы научного анализа сложных систем.
Действительно, как минимизировать риски объединения и построить разумное и оптимальное управление сложной системы? Как достичь наиболее эффективного режима работы системы?
Обычные методы классического системного анализа с использованием экономометрических и аналитических моделей уже не смогут ответить на эти вопросы в полной мере, адекватно и объективно.
Наиболее предпочтительным инструментом системного анализа становится имитационное моделирование (ИМ). Используя этот метод,
исследователь может представить систему любой сложности в виде программной модели.
Огромный рывок в увеличении вычислительной мощи компьютерной техники и развитиесвязанных с ней информационных технологий позволили решать сложные задачи ИМ. По сути мы наблюдаем момент перехода потенциальных возможностей ИМ в реальные инструментальные средства для исследования.
Несмотря на то, что ИМ помогает существенно увеличить эффективность создания и использования моделей, круг создателей и пользователей этих моделей ограничен. Это происходит по причине устаревших информационных технологий, которые лежат в основе большинства специализированных языков ИМ (Simscript[1], Simula[ 2 ], GPSS [ 3 ] и т.д.).Развитие вышеуказанных программных средств ориентировано на программиста, в совершенстве владеющим языком моделирования, но не обладающим полной информацией о создаваемом объекте, что не позволяет провести полноценные анализ и синтез объекта. Поэтому на практике необходимо такое инструментальное средство, которое смог бы использовать широкий круг системных аналитиков, менеджеров и руководителей. В настоящее время появились работы, которые предлагают новые, более совершенные и современные решения в области автоматизации имитационных исследований [4].
Одним из инструментальных средств, созданных с использованием этой методологии, является «Расширенный редактор GPSSWorld»[7], которыйпозволяет проектировать компьютерные модели пользователям, не имеющим навыки программирования. Именно это программное средство и было использовано автором в своих разработках.
1. Основная цель исследования.
Имитационное моделирование — эффективный инструмент изучения экономических объектов и способ принятия решений по их поведению в реальных жизненных ситуациях. Преимущество имитационного моделирования заключается в том, что оно может гораздо точнее, полнее, нагляднее отобразить моделируемый объект и динамику его функционирования по сравнению с аналитической моделью.
Чтобы упростить исследователю возможность описания системы и унифицировать этот процесс в «Расширенном редакторе» использовалась методика создания универсальной имитационной модели (УИМ-1)[5]. Ставилась задача максимально удобного и функционально полного инструмента, базирующегося на УИМ-1, посредством наполнения его новыми современными средствами. Например, в «Расширенном редакторе» отсутствуют полнофункциональные и интуитивно понятные средства задания параметров, состояний и показателей моделей в виде сложных математических зависимостей. Созданная автором методика реализации такого инструмента получила общее название УИМ-2. Общая схема методики УИМ-2 и ее связь УИМ-1 показана на рисунке 1.
2. Концепции УИМ-2.
При использовании методики УИМ-1 вначале создается модель из отдельных элементов. Элементами создаваемой графической схемы модели являются типовые элементарные блоки(ТЭБы).ТЭБы характеризуются параметрами, состояниями и значениями на входах и выходах (рис.1).
VIГМ I
УИМ-1
Объект, система
*1
Системный анализ Профаз,мни Црлерая Объекта I сд: формализация [ПЦФ]
□ □ - -ЕНП
□□□
Элемекгы
-Оч
ПК
I I
!
Типовой элементарный блок [ТЭБ>
Д.
И лотке
V] У*
Уп
о
Айтом^тмчесное создание имитационной модели с использованием сил/, улятора любого типа. Например,
31
Упрощение процедур ввода 1+ анализа
результатеЕ, СИС.ПОЛъ-
зованием пораню известны* и удобны)!
ННСТруМЕМТОК,
например, МыЬСас4
Рис. 1. Общая схема комплексирования методик УИМ-1 и УИМ-2.
Входной сигнал на каждом контакте в общем случае имеет вид:
х^Мклрь Р2,...,РУ} ( 1 )
где х^ (t) - общее обозначение входного сигнала
к - номер типового блока в схеме. к = 1,2____,к'.;
i - индекс входной клеммы к- го типового блока^=1,п;
ри,р2ь ...,р^ - характеристики входного сигнала для i -ой входной клеммы.
Выходной сигнал на каждом выходном контакте в общем виде выглядит следующим образом:
у^Мк, Zl, ( 2 )
где у/ (;) - общее обозначение входного сигнала
] - индекс выходной клеммы к- го типового блокау=1,т;
z1j, z2j,...,zjz - характеристики выходного сигнала для ] -ой выходной клеммы.
Состояние к-го типового блока записывается следующим образом:
sk(t)={k, 311, Я21, БзЬ...Д ап, а21, азЬ..аи, а2Ь..., а,t> ( 3 )
где Бк(;)) - состояние к-го типового блока;
к - номер типового блока;
Бп, s21,..,S - составляющие состояния.
а11, а21, а31,..ап, а21,...,а- параметры.
Из типовых элементарных блоков можно создать новые, более сложные функционально ориентированные ТЭБы. Типовой элементарный блок может быть настроен на выполнение определенного набора функций - от элементарных (сложение, функциональное преобразование, логические действия, запаздывание, переключения связей и т.п.) до сложных (система массового обслуживания, склад, транспортные средства и т.д.).
Далее, из совокупности элементарных и сложных ТЭБов исследователь собирает модель, как из детского конструктора ЛЕГО. УИМ-1 - это достаточно детальная, но все же чисто теоретическая методика, которая была успешно реализована в программном виде в «Расширенном редакторе».
Как уже говорилось, в языке пользователя «Расширенного редактора» имеются некоторые недоработки, которые усложняют процесс ввода
параметровмодели, состояний и её показателей, которые описываются в виде формул. А таких параметров и показателей в модели - большинство. Например, их много даже при описании элементарного ТЭБа «Интегратор», который приведен на рис.2
Х^)=(ЦрЬ Р2,РзД) S(t)= (1,8
Р1- число тактов и 22,гз, t)
интегрирования 81=Р1 Zl(t) = 8х(Ь1)
Г р2 - величина такта t Z2(t) = 82(0
1
р3 - размерность 82 zз(t) = Рз
сигнала t -Р2 8з = Рз
Рис.2Формульные зависимости при описанииИнтегратора.
Отсутствие таких возможностей приводило к упрощениям, а, следовательно, к потерям точности и адекватности описания системы. Имеющиеся в «Расширенном редакторе» средства очень неудобны для использования и чаще всего не применяются. Поэтому автором предложено дополнение к УИМ-1 - методика формульного описания параметров, состояний и показателей модели.
Как показано на рис.1, в дополнение к существующим библиотекам ТЭБ добавляется новая библиотека. Условно её можно назвать библиотекой ввода формул. Эта библиотека является дополнением к библиотеке основныхТЭБов, так как в каждом из элементов возникает необходимость ввода ряда параметров на входе и выходе и при описании состояний (рис.3)
3. Практическая реализация УИМ-2.
С практической точки зрения реализация архитектуры, показанной на рис. 3, требует создания двух групп программ: программных диалогов для проведения подготовительных работ для ввода формул и собственно программные компоненты для ввода и исполнения формул.
Программные диалоги реализованы в среде языка С#и являются дополнительным программным обеспечением для ввода параметров ТЭБ. Причем эти диалоги носят универсальный характер и могут использоваться разработчиком любого ТЭБ.
Ввод формул обеспечивается функциями уже апробированного и известного инструмента - MathCad.
Пакет MathCad[8]позволяет наглядно задавать вычисление всевозможных производных, расчет двойных, тройных и криволинейных интегралов первого и второго рода, разложение функций в ряды, интегральные преобразования, решение дифференциальных уравнений. В пакете MathCad формулы вводятся обычным способом. Здесь не требуется от пользователя
каких-либо специальных знаний, а тем более знаний программирования. Пример такого ввода проведен на рис. 4.
Рис.4 - Описание ввода интеграла для типового элементарного блокав программе MathCad.
Процесс связи процесса моделирования с пакетомMathCad осуществляет программа, называемая клиентом автоматизации (АиютайопсНеП;). Эта программа присваивает значения переменным и передает данные в пакет MathCad, в автоматическом режиме открывает, выполняет и закрывает рабочие листы пакета MathCad, а затем использует результаты в вычислительном процессе.
Программа связи с пакетом MathCadне зависит от функции, с помощью которой описывается ТЭБ, программа лишь учитывает типы передаваемых переменных и количество входов и выходов типового элемента.
В самом общем виде процедура создания таких подпрограмм показана на
рис. 5.
Программные диалоги подготовки ввода и связи
с MathCad и ТЭБ
Язык программирования GPSS+, С#, Visual Basic
Настройка и
пути (Path) к файлу
IvbthCad
' Возвращение результата вычисления формулы в ТЭЕ.
1. Ручной набор
формулы
2. Выполнение рабочего листа Ма^Сас! при обращении из модели
в автоматическом режиме.
Рис.5Связь программных диалогов ввода формул и их вычисление.
Заключение
Таким образом, разработанная методика УИМ-2 позволяет улучшить эффективность проведения исследования:
- упростить ввод сложных формульных зависимостей;
- увеличить сложность и детализацию модели;
- ускорить ввод исходных данных.
В дальнейшем планируется расширение возможностей УИМ-2 за счет использования других существующих программных компонент, облегчающих ввод формул.
Список литературы.
1. Г. Марковиц, Б. Хауснер, Г. Карр. «SIMSCRIPT. Алгоритмический язык моделирования»/ Пер. с англ. под редакцией чл.-кор. АНСССРБусленкоН.П. — М.: Сов.радио, 1966. — 151 с. (Simscript: A Simulation Programming Language. Prentice Hall, 1963).
2. Дал У., Мюрхауг Б., Нюгорд К. СИМУЛА-67. - М.: Мир, 1967.-127 с.
3. Руководство пользователя по GPSSWorld. /Перевод с английского под редакцией Девяткова В.В. — Казань: Издательство «Мастер Лайн», 2002. — 384 с.
4. Девятков В.В.Методология и технология имитационных исследований сложных систем: Современное состояние и перспективы развития. Монография.- М.:Издательский Дом «Вузовский учебник», 2013 -438с.
5. Кобелев Н.Б. Введение в общую теорию имитационного моделирования//М.: ООО "Принт-Сервис", 2007. — 235 с.
6. Кобелев Н.Б., Половников В.А., Девятков В.В. Имитационное моделирование: Учебное пособие. Под ред. доктора экон. наук Н.Б. Кобелева.// М.: КУРС: ИНФРА-М, 2013. - 369 с.
7. Девятков В.В. Расширенный редактор GPSSWorld: основные
возможности//М.:ООО "Принт-Сервис", 2013. - 143с.
8. Васильев А.Н.MATHCAD 13 на примерах. М.:БХВ-Петербург, 2006.
- 512с.
