Реалізація імітаційної моделі

Вступ

Імітаційне моделювання застосовується у всіх сферах діяльності людини починаючи від моделей технічних, технологічних та організаційних систем і закінчуючи проблемами розвитку людства і всесвіту.

Основна цінність імітаційного моделювання полягає в тому, що в основі його лежить методологія системного аналізу. Воно дозволяє здійснити дослідження проектованої або аналізованої системи за схемою операційного аналізу, що включає взаємопов'язані етапи: змістовна постановка задачі, розробка концептуальної моделі, розробка і програмна реалізація імітаційної моделі, перевірка адекватності моделі та оцінка точності результатів моделювання, планування і проведення експериментів, прийняття рішень. Це дозволяє використовувати імітаційне моделювання як універсальний метод для прийняття рішень в умовах невизначеності та для врахування в моделях важко формалізованих факторів, а також застосовувати основні принципи системного підходу для вирішення практичних задач.

Модель являє собою абстрактний опис системи, рівень деталізації якої залежить від мети моделювання і можливості отримання вихідних даних з необхідною точністю. Включати або не включати даний елемент в модель визначає дослідник. Модель існує в розумі розробника, тобто вона суб'єктивна за своєю природою і відображає загальні властивості і закономірності у світі об'єктів. Об'єкти можуть бути визначені через перерахування їх атрибутів (властивостей) для даного об'єкта. Успіх моделювання багато в чому залежить від того, наскільки добре дослідник може виділяти важливі елементи системи й описати взаємозв'язки між ними.

На відміну від інших видів моделювання імітаційне моделювання враховує зміну властивостей об'єктів у часі, тобто імітаційні моделі - це динамічні моделі. Вони можуть бути детермінованими або стохастичними. Облік у моделі випадкових чинників призводить до необхідності їх розіграшу та статистичної оцінки результатів моделювання. Такий розіграш здійснюється методом статистичного моделювання.

Одним з перших мов моделювання, що полегшують процес написання імітаційних програм, була мова GPSS, створений фірмою IBM. Ця мова раніше входила в першу десятку кращих мов програмування, випереджаючи транслятор з мови АЛГОЛ, і був реалізований практично на всіх типах ЕОМ.

GPSS (General Purpose Simulating System - загально цільова система моделювання) є мовою моделювання, використовуваним для побудови дискретних моделей та проведення моделювання на ЕОМ.

Моделі систем на GPSS можуть бути записані у вигляді блок-схем або представлені у вигляді послідовності рядків програми, еквівалентних блок-схемі. Блок-схема являє собою набір фігур з характерним обрисом блоків мови GPSS, з'єднаних між собою лініями. В систему моделювання GPSS входять спеціальні засоби для опису динамічної поведінки систем шляхом зміни станів в дискретні моменти часу.GPSS являє собою мова та транслятор. Як кожна мова він містить словник і граматику, за допомогою яких можуть бути розроблені моделі систем певного типу.

Сутність імітаційного моделювання

Імітаційне моделювання як надійний інструмент розв’язання складних економіко-виробничих завдань.

Під час розгляду цієї теми необхідно перш за все з’ясувати суть машинної імітації (імітаційного моделювання) як у широкому, так і вузькому розумінні. У широкому розумінні імітаційне моделювання — це процес конструювання моделі реальної системи та експериментування на цій моделі з метою визначення поводження системи або оцінити (в рамках обмежень, зумовлених деяким критерієм чи сукупністю критеріїв) різні стратегії, що забезпечують функціонування цієї системи. А у вузькому розумінні імітаційне моделювання — це відтворення на ЕОМ реальної виробничої чи організаційної системи. За такого тлумачення термін «імітаційне моделювання» має той самий сенс, що й «машинна імітація» або «машинне моделювання».

Слід підкреслити, що стандартного терміну цього напряму моделювання не існує. В англомовній літературі здебільшого використовуються такі терміни: computer simulation (комп’ютерне моделювання), systems simulation (системне моделювання), digital simulation (цифрове моделювання). У вітчизняній літературі розповсюджені терміни «машинна імітація», «машинне моделювання», «імітаційне моделювання».

Слід також звернути увагу на особливість застосування методу імітаційного моделювання. Щоб застосувати такий метод для досліджень, створюють імітаційну систему, яка містить у собі імітаційну модель, а також внутрішнє і зовнішнє математичне забезпечення. До ЕОМ вводять потрібні вхідні дані і спостерігають зміни показників, які у процесі моделювання можуть аналізуватися й піддаватися статистичній обробці.

Машинну імітацію як числовий машинний метод розв’язання складних задач доцільно застосовувати за таких умов:
• непридатність або відсутність аналітичних методів розв’язання задач;
• цілковита впевненість в успішному створенні імітаційної моделі, яка адекватно описує досліджувану систему (процес), зокрема в тому, що вдасться зібрати всю необхідну інформацію про модельовану систему (процес), забезпечивши вірогідну імітацію на ЕОМ реальних ситуацій (будувати імітаційну модель стохастичних процесів, коли не можна дістати опис потрібних характеристик випадкових величин і подій, — марний замір);
• можливість використати сам процес побудови імітаційної моделі для попереднього дослідження системи, що моделюється, з метою напрацювання рекомендацій щодо поліпшення умов її функціонування.

Відомі два способи побудови динамічних імітаційних моделей на ЕОМ:
• однорідне градуювання системного (модельного) часу;
• неоднорідне градуювання системного часу.

Програму для ЕОМ можна розробити двома способами:
1) звичайними засобами програмування із застосуванням проблемно-орієнтованих або машинно-орієнтованих мов;
2) з допомогою спеціалізованих мов моделювання.

Доцільність використання імітаційної моделі

Переваги застосування імітаційного моделювання найбільш помітно виявляються у разі моделювання виробничих і технологічних процесів, процесів матеріально-технічного забезпечення виробництва, у логістиці, а також під час проведення бізнес-планування, екологічних і соціологічних досліджень. Важливо, що імітаційне моделювання використовується, скоріше, як спосіб для осмислення проблеми і допомагає в цьому більше, ніж простий текстовий або математичний опис проблеми. Воно дає змогу глянути на складний процес ухвалення рішення більш масштабно, з погляду процесів, які відбуваються всередині системи, що моделюється.

Часто моделювання припиняють ще до того, як будуть отримані конкретні результати. Визначення моменту, в який зацікавлені сторони зрозуміють, що ж насправді відбувається в системі, уже може бути рішенням проблеми. Тому навіть не завжди потрібно провадити статистичну обробку результатів експерименту. Звичайно, це не є правилом, адже імітаційні моделі взагалі використовуються саме для експериментальних цілей, але безсумнівно те, що імітаційне моделювання - це технологічний процес, який проходить безліч стадій, вимагаючи від фахівців великих розумових і часових витрат.

Питання доцільності використання імітаційного моделювання розглядалось протягом багатьох років безліччю дослідників - від Ф. Мартина до В. Келтона та ін. Проаналізувавши ряд праць, можна зробити такі висновки.

1. Імітаційне моделювання дає змогу досліджувати внутрішні взаємодії у склад¬них системах або підсистемах у межах складної системи, а також експериментувати з ними.

2. Моделюючи інформаційні, організаційні впливи і впливи зовнішнього середовища, можна оцінити ефекти цих впливів на поведінку (функціонування) системи.

3. На основі знань, отриманих під час проектування імітаційної моделі, можна визначити способи вдосконалення системи, яка моделюється.

4. Змінюючи вхідні дані під час моделювання і спостерігаючи за вихідними даними, можна виявити, які змінні найбільш важливі та як вони взаємодіють.

5. Імітаційне моделювання можна використовувати як метод для поліпшення рішень, отриманих під час аналітичного аналізу, а також для перевірки аналітичних рішень.

6. Імітаційне моделювання можна використовувати для проведення експериментів з новими проектами або стратегіями їх упровадження, щоб заздалегідь спрогнозувати результати.

7. Імітаційне моделювання можна застосовувати для визначення вимог, яким має відповідати пристрій або система.

8. Імітаційні моделі можна використовувати для навчання операторів складних технологічних процесів без зайвих затрат на придбання обладнання, яке може пошкоджуватись, і запобігаючи нещасним випадкам.

9. Для імітаційного моделювання можна використовувати засоби анімації, які дають змогу спостерігати за операціями, що моделюються,

10. Сучасне виробництво настільки складне, що взаємозв'язки в ньому можна інтерпретувати тільки шляхом проведення імітаційного моделювання.

Основні етапи побудови імітаційної моделі

Далі будемо розглядати послідовність виконання робіт під час реалізації методу машинної імітації та склад етапів побудови імітаційної моделі.

Розглянемо детальний аналіз дій, що виконуються на етапі побудови імітаційної моделі.
Послідовність складання імітаційної моделі передбачає такі кроки:

• визначення задачі та її аналіз;
• визначення вимог до інформації;
• збирання інформації;
• висування гіпотез і прийняття припущень;
• встановлення основного змісту моделі;
• визначення параметрів, змінних і критеріїв ефективності;
• опис концептуальної моделі й перевірка її вірогідності;
• побудова логічної структурної схеми (блок-схеми).

На етапі постановки задачі імітаційного моделювання необхідно:

• звернути увагу на існування задачі та необхідність машинного моделювання;
• дослідити задачу за матеріалами літературних джерел;
• дати чітке формулювання задачі;
• вибрати методику розв’язування;
• з’ясувати наявність ресурсів, необхідних для моделювання задачі на комп’ютері;
• визначити масштабність задачі та можливість її поділу на окремі підзадачі;
• визначити послідовності розв’язання підзадач.

На етапі роботи, пов’язаної з аналізом задачі моделювання виконуються такі функції:

• обираються критерії оцінки процесу функціонування системи, що досліджується;
• виділяються системи ендогенних та екзогенних змінних моделі;
• обираються можливі методи ідентифікації;
• виконується попередній аналіз наступних двох етапів моделювання.

Вибір засобів реалізації імітаційної моделі

На цьому етапі виконуються роботи, пов'язані з підготовкою та реалізацією імітаційної моделі на комп'ютері. Розробляється логічна схема моделі, яка перетворюється потім у програму. Подальша формалізація концептуальної моделі відбувається на етапі розроблення структури Імітаційної моделі, але слід мати на увазі, що відображення структури моделі залежить від обраних засобів програмування.

Програмна реалізація імітаційної моделі може бути створена за допомогою.

• алгоритмічних мов загального призначення;
• спеціалізованих мов моделювання;
• пакетів прикладних програм для моделювання;
• засобів автоматизації програмування імітаційних моделей;
• діалогових і візуальних систем моделювання;
• інтелектуальних систем моделювання.

Програмна реалізація імітаційної моделі

Програмну реалізацію імітаційної моделі рекомендується будувати за модульним принципом. Це дає змогу удосконалювати модель за допомогою ітераціиного методу, додаючи до неї модуль за модулем. У процесі налагоджування та експериментування окремі модулі може бути замінено або змінено, що не призведе до істотних змін в усій моделі.

Структура програми моделі має відповідати структурі імітаційної моделі. Така побудова програми робить ЇЇ наочною та полегшує її налагоджування. Кожний модуль програми має супроводжуватись коментарем. Програмування та налагоджування моделі доцільно провалити поетапно, з наступним збільшенням програмних модулів.

Для оцінювання правильності функціонування програмної реалізації імітаційної моделі проводяться пробні експерименти (тестування моделі), в яких широко використовуються налагоджувальні засоби вибраної системи моделювання. Більшість мов моделювання має засоби, які дають змогу слідкувати за трасами руху повідомлень у моделі, завдяки чому за різних початкових умов можна переконатися в тому, що модель працює так, як було задумано.

Типова помилка під час налагодження моделі пов'язана з неузгодженістю пропускної здатності окремих елементів системи, тобто повідомлення надходять у деякі елементи моделі частіше, ніж вони встигають обслуговуватись. Через це доцільно на деяких ділянках моделі, в яких можуть нагромаджуватись повідомлення, задавати обмежувальні умови на довжину черги. У ралі виконання цих умов має видаватись повідомлення про те, що черга до певного елемента системи переповнена.

Після закінчення налагоджування функціонування програмної реалізації імітаційної моделі необхідно перевірити її працездатність в усьому діапазоні змін вхідних змінних. Усі значення змінних у моделі має бути зведено до вибраної одиниці модельного часу. Для остаточного тестування моделі на контрольних прикладах необхідно залучати тих людей, які не брали участі в програмуванні моделі, або майбутніх її користувачів. Більш детально процес тестування моделі описується під час розгляду питань про валідацію та верифікацію моделей.

Приклади побудови GPSS-моделі

Висновки

У процесі імітаційного моделювання конструюється модель проектованого об'єкта. На ній проводяться експерименти з метою вивчення закону функціонування і поводження проектованого об'єкта з урахуванням цільової функції і заданих обмежень. Взагалі-то кажучи, будь-яку математичну модель можна назвати імітаційною. Але термін «Імітація» більш точний, коли побудована модель відбиватиме не тільки структуру і статичний взаємозв'язок складових частин об'єкта проектування, але і його розвиток у часі.

Література

Томашевський В.М. Моделювання систем – К.: Видавнича група BHV, 2005. – 352 с.
http://posibnyky.vntu.edu.ua/k_m/t1/14...htm
Введение в математическое моделирование – Учебное пособие
http://ubooks.com.ua/books/00022/inx.php