Понятие имитационного моделирования
Когда говорят об имитационном моделировании, то предполагается использование некоторой структурной схемы, а также вычислительного устройства для соответствующей программы.
Имитационной моделью называют абстрактную динамическую модель, реализованную, как правило, на любом вычислительном устройстве, и воспроизводящую в рамках установленных ограничений поведение оригинала в хронологическом порядке.
Имитационные модели не способны формировать решения в таком виде, как в аналитических моделях, а служат лишь средством для анализа поведения системы-оригинала в условиях, определяемых экспериментатором. По сути, имитационном моделирование является экспериментальной и прикладной методологией, которая имеет следующие цели: 1) описать поведение системы; 2) построить теории и гипотезы, которые могут объяснить наблюдаемое поведение; 3) использовать теоретические данные для предсказания будущего поведения системы.
Преимущества и недостатки имитационного моделирования
Имитационное моделирование целесообразно применять при наличии следующих условий: 1) не существует законченной математической постановки данной задачи (например, модель многоканальных систем массового обслуживания); 2) аналитические решения имеются, но очень сложны и трудоёмки, а имитационное моделирование даёт более простой способ решения; 3) аналитические решения имеются, но их реализация невозможна из-за недостаточной подготовки имеющегося персонала; в этом случае сопоставляются затраты на работу с имитационным моделированием и на приглашение специалистов со стороны; 4) кроме оценки определённых параметров, необходимо осуществлять наблюдение за ходом процесса в течение определённого периода; 5) имитационное моделирование может быть единственно возможным вследствие трудности постановки эксперимента и наблюдения явлений в реальных условиях; 6) может понадобиться сжатие шкалы времени: как замедление, так и ускорение (например, исследование проблемы развития городов). Все эти условия можно определить как значимые преимущества применения имитационного моделирования. Имитационное моделирование также является непревзойдённым средством создания средств обучения типа тренажёров, симуляторов, т. е. с помощью имитационного моделирования можно разыграть реальные процессы и ситуации, и это привело к том, что порядка 30% всех используемых на практике моделей являются имитационными моделями. Недостатки: 1) имитационное моделирование представляет собой весьма дорогостоящий процесс, требующий больших затрат времени, ресурсов и привлечения высококвалифицированных специалистов; 2) в процессе моделирования не представляется возможным получить точный результат, при этом оценка точности может быть выполнена путём анализа чувствительности модели к изменению определённых параметров; 3) имитационное моделирование в действительности не отражает полного положения вещей, и этот факт необходимо учитывать при анализе исследуемого объекта/процесса.
Процесс имитационного моделирования
Построение имитационной модели, как и любое исследование, требует проведения следующих этапов: 1) определение границ модели; 2) разработка концептуальной модели; 3) подготовка исходных данных; 4) проектирование концептуальной модели в виде диаграммы; 5) трансляция модели; 6) оценка адекватности модели; 7) планирование экспериментов: стратегическое и тактическое; 8) моделирование проведения эксперимента; 9) анализ, интерпретация результатов; 10) документирование и реализация.
Границы системы определяются таким образом, чтобы охватить те компоненты, взаимодействие которых определяет наиболее важные стороны поведения системы. При этом система должна сама генерировать любую ситуацию, любые затруднения, которые возможно проанализировать. Разработка концептуальной модели является одним из самых важных этапов исследования, т. к. происходит переход от реального объекта к логической схеме, абстракции. Такая формализация начинается со словесного описания реальности в системе принятых терминов и формальных понятий. Здесь приводятся сведения о параметрах реальных явления в исследуемой системе, о виде взаимодействий между ним, о месте и значении каждого являния. Завершается формализация построением общей схемы процессов, подлежащих исследованию. В дальнейшем полученная схема будет уточняться, дополняться с соответствии с уровнем детализации, который определяется постановкой задачи. Действия, которые позволяют представить модель в виде совокупности элементов, называются декомпозицией системы. Процесс построения концептуальной схемы системы завершается структуризацией: указанием и общим описанием связи между выделенными элементами системы, а также максимально подробное описание динамики системы.
Подготовка исходных данных в некоторых случаях происходит параллельно с построением концептуальной схемы. Это этап формирования информационного пространства системы. Здесь определяются численные характеристики системы и её компонентов. Когда все подготовленные исходные данные и концептуальная схема моделей, она оформляется в виде диаграммы, то есть это такой момент, когда схема становится доступна широкому кругу специалистов. Диграммы формируются с помощью специальных прикладных средств, таких как BPWin, Visio и т. д.
На этапе трансляции модели осуществляется преобразование диаграммы модели в отдельную компьютерную программу или сценарий специализированной системы моделирования. Оценка адекватности полученной модели осуществляется путём проигрывания в тестовых данных. На данном этапе модель проверяется на корректность, то есть на соответствие реальному объекту в рамках поставленной задачи. Когда модель неадекватна, то она подвергается исправлениям и корректировке до определённого уровня уверенности. Добившись адекватности, экспериментатор осуществляет стратегическое и тактическое моделирование эксперимента. Проводится серия испытаний, предусмотренных планом эксперимента.
На этапе эксперимента осуществляется проигрывания тестовых сценариев для получения результата. По полученным данным строятся выводы о <...> системы. Также делается заключение о полезности и бесполезности модели. В случае полезности модели осущствляется её практическая реализация. На этом этапе выполняются вспомогательные действия, такие как документация.
Концепция универсальной системы имитационного моделирования
Основным недостатком этих принципов является трудоёмкость построения систем, содержащих сложные многоуровневые процессы. Основные трудности при построеннии имитационных моделей вызывает математический и программный этап. При создании вот этих моделей, которые содержат сложные многоуровневые структуры, на разработку необходимых модулей итерационно расходуется время. Концепция универсальной системы моделирования, которая основывается на автоматизации процедур, позволяет сделать процесс моделирования более простым и доступным. Универсальная система имитационного моделирования (УСИМ) основывается на автоматизации процедур. Концепции УСИМ основаны на трёх принципах: простота, модульность, универсальность. Принцип простоты заключается в минимуме необходимых знаний пользователья. Принцип модульности предусматривает наличие в УСИМ общих для всех классов готовых модулей. При необходимости они подставляются к разрабатываемой модели, уточняются и дополняются. Основной формой задания реальных объектов является описание модулей в виде конечных автоматов, а связей между ними -- многоуровневых схем сопряжения. Универсальность -- способность УСИМ охватить сложные многоуровневые объекты произвольной структуры, уровни которых являются динамическими системами.
Группы существующих систем моделирования: 1) использующие классические языки моделирования; 2) специализированные системы, ориентированные на решение задач имитационного моделирования какой-то узкой предметной области. Полностью УСИМ построить невозможно, то есть УСИМ должна осуществлять по крайней мере следующую совокупность операций: 1) ввод и формирование области исходных данных; 2) визуальное представление элементов моделируемой системы и схем сопряжения; 3) имитация модуля взаимодействия элементов системы; 4) обработка результатов моделирования; 5) управление моделью. Исходя из этого, основным назначением элементов концептуальной схемы УСИМ является: 1) для интерфейса пользователя: обеспечение представления состава и структуры модели реальной системы посредством модулей и возможных схем сопряжения; 2) для библиотек стандартных процедур имитации и модулей: реалиация модельного представления исследуемой системы; 3) для библиотек стандартных процедур обработки результатов: представление и предварительный анализ результатов моделирования в виде, удобном для восприятия и дальнейшего анализа; 4) для ядра УСИМ: обеспечение взаимодействия элементов УСИМ и управление процессом моделирования. Применение УСИМ сократит количество этапов разработки и время реализации модели существенно сократится.
Этапы построения универсальной модели: 1) разработка концептуальной модели; 2) подготовка исходных данных; 3) реализация концептуальной модели в виде диаграммы; 4) планирование машинных экспериментов; 5) моделирование; 6) анализ результатов.
Сравнение программных систем для имитационного моделирования
Чтобы лучше понять, как работают информационные системы, рассмотрим центр обслуживания. Целью менеджера является снижение затрат путём уменьшения до минимума количества обслуживающего персонала, и при этом время, потраченное клиентом на ожидание, тоже должно сводиться к минимуму, и поэтому для достижения своей цели менеджеру необходимо получить от ИС следующую информацию: обслуживающий персонал, количество клиентов в очереди, время ожидания. Для моделирования процесса обслуживания клиентов нужен специалист, создающий модель системы с помощью программного продукта. Частота появления клиентов вводится в один блок модели, а на другой стороне -- время обслуживания. В ходе исполнения модели клиенты переходят из блока в блок со скоростью, соответствующие времени ожидания. Полученную информацию потом сопоставляют с информацией, предъявляемой к данному центру обслуживания, и на основе этого путём изменения параметров модели можно <...>
Существует два подхода к имитационному моделированию: статический и динамический. Динамические модели включают в себя ещё одну переменную -- время. Математические расчёты параметров бизнес-процессов осуществляются на различных временных интервалах. В свою очередь, динамические модели бывают двух типов: непрерывные и дискретные. В непрерывных моделях время изменяется линейно, а процесс -- в непосредственной зависимости от времени. В дискретных моделях переменным непосредственно являются события и временные интервалы. Такие модели дают возможность оценивать производительность, например, компьютера.
Для оценки возможных программных системы для имитационного моделирования мы должны учитывать простоту разработки модели.