Виды имитационного моделирования

Три подхода имитационного моделирования

Агентное моделирование — относительно новое (1990-2000е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей — получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении ее отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент — некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться.

Дискретно-событийное моделирование — подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений — от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Основан Джеффри Гордоном в 1960х годах.

Системная динамика — образец моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. Такой вид моделирования помогает понять суть происходящих причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Метод основан Джеем Форрестером в 1950 годах.

Для описания моделей СМО при их исследовании на ЭВМ разработаны специальные языки имитационного моделирования. Существуют общецелевые языки, ориентированные на описание широкого класса СМО в различных предметных областях, и специализированные языки, предназначенные для анализа систем определенного типа. Примером общецелевых языков служит широко распространенный язык GPSS.

Для описания имитационной модели на языке GPSS полезно представить ее в виде схемы, на которой отображаются элементы СМО - устройства, накопители, узлы и источники. Описание на языке GPSS есть совокупность операторов (блоков), характеризующих процессы обработки заявок. Имеются операторы и для отображения возникновения заявок, задержки их в ОА, занятия памяти, выхода из СМО, изменения параметров заявок (например, приоритетов), вывода на печать накопленной информации, характеризующей загрузку устройств, заполненность очередей и т.п.

Пути продвижения заявок между ОА отображаются последовательностью операторов в описании модели на языке GPSS специальными операторами передачи управления (перехода). Для моделирования используется событийный метод. Соблюдение правильной временной последовательности имитации событий в СМО обеспечивается интерпретатором GPSS World - программной системой, реализующий алгоритмы имитационного моделирования.

Построение структурной схемы модели. Имеется система передачи данных, состоящая из: • 3-х пунктов–накопителей A,B и C • 4-х линий AB1, AB2, BC1 и BC2 Причем пакеты данных из AB1 поступают в BC1, а из AB2 соответственно в BC2.

Система передачи данных обеспечивает передачу пакетов данных из пункта A в пункт C через промежуточный пункт B. В пункте А пакеты поступают через 6±2мс. Там они буферизуются и передаются по любой из двух линий. В пункте В они снова буферизуются и передаются по следующим линиям в пункт C. Во время передачи пакетов по линия возможны сбои, вероятности которых отображены на схеме. Требуется смоделировать прохождение через систему 500 пакетов данных и определить максимальные объемы буферов в пунктах A и B, и характеристики их заполнения.

Описание сети в виде системы массового обслуживания. В данной модели системы передачи данных, пункты – статистические объекты типа очередь; линии – аппаратные объекты типа прибор; пакеты данных – транзакты. За единицу модельного времени (е.м.в.) принята 1мс

Алгоритм.

1. Генерация транзакта через 6±2 е.м.в. 2. Равновероятная передача заявок: АВ1 – переход в пункт 3; АВ2 – переход в пункт 16. 3. Вход в пункт - накопитель А. 4. Занятие линии АВ1. 5. Передача транзакта по линии АВ1 за 3±1 е.м.в. (ожидание). 6. Освобождение линии АВ1. 7. Сбой линии АВ1: 10% переходит в пункт 4. 8. Выход из пункта - накопителя А. 9. Вход в пункт - накопитель В. 10. Занятие линии ВС1. 11. Передача транзакта по линии ВС1 за 3 е.м.в. (ожидание). 12. Освобождение линии ВС1. 13. Сбой линии ВС1: 5% переходит в пункт 10. 14. Выход из пункта - накопителя В. 15. Без условная передача транзактов в пункт 28. 16. Вход в пункт - накопитель А. 17. Занятие линии АВ2. 18. Передача транзакта по линии АВ2 за 3±2 е.м.в. (ожидание). 19. Освобождение линии АВ2. 20. Сбой линии АВ2: 10% переходит в пункт 17. 21. Выход из пункта - накопителя А. 22. Вход в пункт - накопитель В. 23. Занятие линии ВС2. 24. Передача транзакта по линии ВС2 за 3±1 е.м.в. (ожидание). 25. Освобождение линии ВС2. 26. Сбой линии ВС2: 5% переходит в пункт 23. 27. Выход из пункта - накопителя В. 28. Удаление транзакта из модели. 29. Повторение 1-28 пока через пункт 28 не проследует 500 транзактов.

Области применения:

Бизнес процессы, боевые действия, динамика населения, дорожное движение, ИТ-инфраструктура, математическое моделирование исторических процессов, логистика, производство, рынок и конкуренция, цепочки поставок, уличное движение, управление проектами, экономика здравоохранения, информационная безопасность.

Система имитационного моделирования сетей COMNETIII - объектно-ориентированная система моделирования локальных и глобальных сетей. Позволяет моделировать уровни: приложений, транспортный, сетевой, канальный. Использует все известные на сегодня технологии и протоколы, а также системы клиент-сервер. Позволяет точно предсказывать производительность локальных, глобальных и корпоративных сетей. Система COMNETIII работает в среде Windows NT и Unix.

COMNETIII предлагает использовать простой и интуитивно понятный способ конструирования модели сети, основанный на применении готовых базовых блоков, соответствующих хорошо знакомым сетевым устройствам, таким как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры и каналы связи. Узлы могут присоединяться с помощью портов к коммуникационным каналам любого типа, от каналов локальных сетей до спутниковых линий связи. Узлы и каналы могут характеризоваться средним временем наработки на отказ и средним временем восстановления для моделирования надежности сети.

Пакет Simulink позволяет осуществлять исследование (моделирование) сложных динамических систем. Ввод параметров систем производится в интерактивном режиме, путем графической сборки схемы соединений элементарных блоков, в результате чего получается модель исследуемой системы. Блоки, включаемые в создаваемую модель, могут быть связаны друг с другом как по информации, так и по управлению. Тип связи зависит от типа блока и логики работы модели.

С помощью Simulink автоматизируется наиболее трудоемкий этап имитационного моделирования – составление и решение сложных систем алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную схему (модель).

Используя библиотеку блоков Simulink, представляющую собой набор визуальных объектов, можно собирать произвольные схемы. Из отдельных блоков можно получать требуемое число копий, которые в свою очередь можно индивидуально настраивать. При этом настройке подлежат как внутренние параметры блоков, так и внешние.

Например, c начала 2000-х годов военное руководство США выделяет средства имитации и моделирования боевых действий в число приоритетных технологий при формировании военно-технической политики. Высокая динамика развития вычислительной техники, технологий программирования, системотехнических основ моделирования различных реальных процессов обозначили огромный прорыв США в области разработки моделей и имитационных систем.

Примером может служить объединенная система моделирования боевых действий JWARS (Joint Warfare System), представляющая собой модель проведения военных операций объединенными группировками войск. Она позволяет моделировать наземные, воздушные, морские операции и боевые действия, действия сил специальных и информационных операций, защиту/ применение химического оружия, действия систем ПРО/ПВО на ТВД, управления и космической разведки, связи, тылового обеспечения.

JWARS - это современная конструктивная система моделирования, разработанная с использованием CASE-средств (автоматизированная разработка программного обеспечения) на языке программирования Smalltalk (IBM). Она использует событийное время и имитирует деятельность и взаимодействие военных подразделений. В рамках этой системы достаточно глубоко проработаны вопросы создания трехмерного виртуального боевого пространства, учета погодных условий и особенностей рельефа местности, тылового обеспечения боевых действий, создания четкой системы информационных потоков, а также вопросы поддержки принятия решений в системе управления и контроля. Возможности JWARS: - позволяет планировать военные операции продолжительностью более 100 дней; - временной масштаб моделирования 1:1000 (в 1 000 раз быстрее, чем реальное время);

По результатам обследования 1000 крупнейших фирм США (их перечень постоянно приводится в журнале Fortune) установлено, что методами, которые в наибольшей степени используются при анализе их деятельности, являются методы имитационного моделирования.

МЕТОДЫ	Частота использования	Процент
Имитационное моделирование	60	29
Линейное программирование	43	21
Сетевые методы планирования и управления	28	14
Теория управления запасами	24	12
Нелинейное программирование	16	8
Динамическое программирование	8	4
Целочисленное программирование	7	3
Теория массового обслуживание	7	3
Прочие	12	6