9.3 Имитационное моделирование производственного процесса

Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

К имитационному моделированию прибегают, когда необходимо сымитировать поведение системы во времени и невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные.

Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования.

При имитационном моделировании характерно воспроизведение явлений и процессов, описываемых математической моделью, с сохранением их логической структуры, последовательности чередования во времени, а иногда и физического содержания.

Реальный процесс и описывающий его моделирующий алгоритм должны быть близкими по составу и характеру информации, описывающей поведение реальной системы, и информации.

Логическая структура моделируемой системы адекватно отображается в модели, а процессы ее функционирования, динамика взаимодействия ее элементов воспроизводятся (имитируются) на модели. Поэтому построение имитационной модели включает структурный анализ моделируемой системы и разработку функциональной модели, отражающей динамические портреты моделируемой системы.

Достоинства имитационного моделирования применительно к промышленным объектам:

динамический характер отображения системы;

возможность учета случайных факторов и сложных зависимостей от них;

сравнительная простота введения модификаций в модель (поскольку ее структура аналогична функциональной и логической структурам системы);

возможность исследования системы на множестве модельных реализаций ее функционирования, т.е. проведения статистических экспериментов;

практически неограниченные возможности применения различных видов математического аппарата.

Имитация производственных процессов и хозяйственных решений позволяет выбрать наиболее приемлемые для различных условий внешней среды.

Моделирование производственного процесса состоит в имитации выполнения на элементах производства (оборудовании, участках) операций над продуктами (полуфабрикатами, заготовками, сырьем и т.д.) путем изменения вычисляемых значений соответствующих параметров элементов или продуктов. Значения некоторых параметров могут быть функциями времени. Элементы производства характеризуются, кроме того, состояниями (занят, исправен и т.д.). Передача продукта от одного элемента к другому моделируется передачей информации о его параметрах и изменением состояний элементов.

Каждый элемент производства отображается отдельной частью математической модели, т.е. общая модель разбивается на блоки, которые могут совпадать с частной математической моделью одной из подсистем технического объекта или моделью некоторого физического или технико-экономического расчета. Блоки связаны сравнительно небольшим числом передаваемых параметров. Обычно технический объект расчленяется на конечное число блоков, и каждый из них первоначально моделируется независимо от остальных.

Частные модели блоков затем связываются на основе фактической иерархии технического объекта.

Декомпозиция и связь блоков выполняются как в пространстве, так и во времени, и целиком зависят от задачи разработчика. При создании основ такой модели необходимо придерживаться следующего принципа: чем меньше количество элементов, с помощью которых можно для решения поставленной задачи описать действительность, тем совершеннее модель.

Типичные прикладные задачи, которые решаются методом имитационного моделирования: определение оптимальных заделов деталей и полуфабрикатов, оценка оптимальных объемов карманов и местных складов, определение узких мест, ограничивающих производительность оборудования, и другие.

В основе моделирования лежит учет различных возмущающих факторов: нарушение режима синхронизации (очереди полуфабрикатов, простои станков и т.д.), выход из строя элементов оборудования и их ремонт, периодическая наладка оборудования.

Применительно к имитационному моделировании математические модели можно классифицировать по следующим основным признакам.

• По характеру изменения состояний объекта:

- дискретные модели, в которых объект изменяет свое состояние в фиксированные моменты времени, а на интервалах между ними не изменяет состояние. Например, состояние систем массового обслуживания, определяемое количеством заявок в системе, изменяется в моменты окончания обслуживания и поступления новых заявок;

- непрерывные модели, в которых состояние объекта изменяется в каждый момент времени моделирования. Например, изменение температуры в моделях термодинамики и др.

• По способу определения состояний исследуемого объекта:

- детерминированные, когда состояние объекта в заданный момент времени однозначно определяется начальными условиями и входными воздействиями на объект;

- вероятностные (стохастические), когда состояние объекта в заданный момент времени невозможно определить однозначно, возможно определение только распределения вероятностей возможных состояний объекта при заданных распределениях вероятностей начальных условий и входной информации. Например, работоспособное состояние автомобиля в некоторый момент времени определяется длительностью его эксплуатации, качеством обслуживания, однако имеет вероятностную природу (время безотказной работы одинаковых автомобилей различно).

• По способу представления внутренних процессов в объекте:

- аналитические модели;

- имитационные модели.

Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования элементов объекта записываются в виде некоторых математических соотношений (алгебраических, интегродифференциальных и т. п.) или логических условий.

Для имитационного моделирования характерно воспроизведение на ЭВМ процесса функционирования элементов объекта с сохранением их взаимосвязей, последовательности и алгоритмов.