Раздел 2. Введение в имитационное моделирование

имитационного моделирования из категории чисто научных ра­

бот в категорию массовых инженерных средств [122].

Современное развитие языков моделирования идет по на­

правлению повышения уровня автоматизации программирова­

ния и универсальности приложений. Это приводит к тому, что

отличия между языками и инструментальными средами имита­

ционного моделирования становятся все менее заметными.

2.5.2. Автоматизированные инструментальные

среды имитационного молелирования

Инструментальной средой моделирования будем называть

специализированный программно-методический комплекс,

состоящий из объектно-ориентированных программных би­

блиотек и интерактивных средств визуального программи­

рования, предназначенный для автоматизации разработки

и использования компьютерных моделей. Как правило, ин­

струментальная среда обеспечивает автоматизацию всех эта­

пов имитационного моделирования, связанных с разработкой

алгоритмов и программ, а также с подготовкой и проведением

вычислительных экспериментов. В интерактивных средах мо­

делирования могут использоваться встроенные алгоритмиче­

ские языки, которые служат вспомогательным инструментом,

повышающим гибкость и универсальность прикладного про­

граммного обеспечения.

Причем среда моделирования в одинаковой мере необходима

как программистам для разработки моделей, так и специалистам

в прикладной области, которые применяют готовые модели для

решения своих прикладных задач.

Математический редактор MathCad [33] является одной из са­

мых распространенных компьютерных программ, позволяющих

практически реализовать в учебных целях идеи имитационного

моделирования.

Система обладает простым и удобным интерактивным поль­

зовательским интерфейсом. Основные возможности MathCad

в режиме диалога с компьютером:

— решение линейных и нелинейных уравнений и систем

в численном и символьном виде;

78

2.5. Программные средства имитационного моделирования

численное и символьное дифференцирование и интегриро­

вание, символьное вычисление пределов;

поиск максимума и минимума функции:

численное решение обыкновенных дифференциальных

уравнений и систем, включая краевые задачи;

- решение классических задач оптимизации;

- анализ статистических данных (вычисление среднего, дис­

персии, доверительных интервалов и т.п.);

- построение двумерных и трехмерных графиков, в том числе

с использованием анимации;

Вычисления в MathCad производятся прямо в тексте до­

кумента с помощью интерпретации введенных пользователем

уравнений. В документы можно вставлять таблицы, математиче­

ские формулы и графики в любом месте экрана, что особенно

удобно при создании электронных книг и учебно-методических

пособий. Уравнения в MathCad являются интерактивными, т.е.

при их изменении происходит пересчет всех формул и графиков

на экране, если не установлено отключение вычислений. Как

уже отмечалось, возможности диалоговой системы существенно

ограничены и поэтому в последних версиях MathCad появилась

возможность непосредственного программирования.

С помощью таких средств автоматизации моделирования

невозможно разработать коммерческий программный про­

дукт. Однако применение математических редакторов для на­

учных и учебных целей оправдано за счет их простоты и до­

ступности.

Математический пакет программ MATLAB, разработанный

компанией MathWorks [137], включает в свой состав специали­

зированную подсистему Simulink, представляющую собой ин­

терактивную среду для моделирования и анализа динамических

систем. Возможности MATLAB позволяют автоматизировать

разработку компьютерных программ, производящих матричные

вычисления, реализующих функции линейной алгебры, стати­

стики, анализа Фурье, решение дифференциальных уравнений и

многие другие математические схемы. Среда программирования

MATLAB, кроме одноименного специализированного языка,

имеет средства интеграции с универсальными алгоритмическими

языками C/C++, позволяет использовать современные ActiveX-

79

91.5, Программные средства имитационного моделирования

технологии и даже дает возможность генерировать независимые

от интерпретатора MATLAB программные приложения.

Интеграция с MATLAB, которая обеспечивает пользовате­

лей богатым набором математических алгоритмов и программ

обработки табличных данных, делают Simulink популярным

средством автоматизации исследований во многих прикладных

областях науки и техники. Интерактивная среда Simulink дает

возможность строить графические блок-диаграммы, имити­

ровать динамику поведения и исследовать работоспособность

систем различного назначения. Интерактивный интерфейс

Simulink позволяет при помощи блок-диаграмм, отображаемых

в виде направленных графов, строить динамические модели дис­

кретных, непрерывных, гибридных, нелинейных и разрывных

систем. В наличии имеются расширяемые библиотеки готовых

блоков для моделирования электронных, электромеханических

и гидравлических систем.

Для моделирования производственно-технических систем

и решения задач промышленной логистики используются раз­

личные программы — симуляторы, например, Simula, Arena,

Extend и др.

Среда имитационного моделирования Arena (Rockwell Software

[99]) считается одним из наиболее эффективных инструментов

оптимизации процессов транспортной логистики.

В среду встроен специализированный язык моделирования

SIMAN, а для отображения результатов используется анимаци­

онная система Cinema. Разработчики позиционируют данное

программное обеспечение как универсальную среду имитацион­

ного моделирования дискретных систем, в том числе и техноло­

гического назначения. Arena содержит конструкции для модели­

рования нескольких видов погрузочно-разгрузочных устройств,

таких как конвейеры, краны, транспортеры, автопогрузчики

и автоматизированные транспортные системы.

Моделирующие конструкции, именуемые в пакете Arena мо­

дулями, объединены в шаблоны Basic Process (Основной про­

цесс), Advanced Process (Дополнительный процесс) и Advanced

Transfer (Дополнительная передача). При создании модели эти

модули просто перетаскивают мышкой в окно модели, а затем

соединяют, чтобы обозначить движение объектов в моделируе-

80

мой системе. Затем модули детализируют с помощью диалого­

вых меню и встроенных таблиц. Пакет Arena поддерживает язык

Visual Basic for Application (VBA) компании Microsoft, что дает

возможность интегрировать его с другими приложениями MS

Office, например, с Excel, а также использовать средства деловой

графики известной программы MS Visio. Сама Arena обеспечи­

вает двухмерную анимацию и позволяет выводить на экран ди­

намическую графику (гистограммы и графики временной зави­

симости).

Среда имитационного моделирования ExtendSim (разработ­

чик Imagine That Inc [123]) также основана на использовании

визуального программирования с помощью библиотеки бло­

ков, которые помещают в определенные места в окне модели

и настраивают с помощью диалоговых меню. Пакет содержит

внутренний язык ModL для настройки существующих блоков

и создания новых программ. С системой поставляются гото­

вые библиотеки элементов промышленного назначения. На­

пример, библиотека Manufacturing содержит блоки, предна­

значенные для моделирования транспортных устройств, в том

числе конвейеров, автоматизированных транспортных систем

и складского оборудования. ExtendSim позволяет моделировать

все типы систем, включая непрерывные и дискретные процес­

сы, производить функционально-стоимостной анализ. В про­

изводственной системе с деталью могут быть связаны фиксиро­

ванные затраты на сырье, а переменные затраты будут зависеть

от времени ожидания этой детали в очереди. При этом возмож­

но использование встроенного модуля оптимизации (Optimizer)

Для минимизации суммарных затрат. В новых версиях среды

моделирования добавлены средства трехмерной компьютерной

графики и мультипликации, позволяющие наглядно и зрелищ­

но иллюстрировать поведение моделей транспортных средств

и персонала. Графическая библиотека содержит более 100 ти­

повых объектов с возможностями реализации образов вирту­

альной реальности.

Автоматизированная система имитационного моделирования

Аnу Logic [164] позволяет вести визуальное проектирование раз­

личных типов систем, включая непрерывные, дискретные моде­

ли и агентные технологии.

81

2.6. Проблемы и достижения имитационного моделирования