ЛЕКЦИЯ 11
Построение имитационной модели
План лекции
1. Основные этапы построения имитационной модели
Структурный анализ процессов на объекте экономики.
Функциональная модель и ее диаграммы. Типы связей между функциями.
Уровни детализации функциональной модели фирмы.
Процесс создания двух взаимосвязанных моделей: функциональной структурной и динамической имитационной.
Автоматизированное конструирование моделей бизнес-процессов.
1. Основные этапы построения имитационной модели
Как уже отмечалось, в отличие от других видов и способов математического моделирования с применением ЭВМ имитационное моделирование имеет свою специфику: запуск в компьютере взаимодействующих вычислительных процессов, которые являются по своим временным параметрам - с точностью до масштабов времени и пространства – аналогами исследуемых процессов.
Имитационное моделирование как особая информационная технология
состоит из следующих основных этапов.
1. Структурный анализ процессов. Проводится формализация структуры сложного реального процесса путем разложения его на подпроцессы, выполняющие определенные функции и имеющие взаимные функциональные связи согласно легенде, разработанной рабочей экспертной группой. Выявленные подпроцессы, в свою очередь, могут разделяться на другие функциональные подпроцессы. Структура общего моделируемого процесса может бьггь представлена в виде графа, имеющего иерархическую многослойную структуру, в результате появляется формализованное изображение имитационной модели в графическом виде.
Структурный анализ особенно эффективен при моделировании экономических процессов, где (в отличие от технических) многие составляющие подпроцессы не имеют физической основы и протекают виртуально, поскольку оперируют с информацией, деньгами и логикой (законами) их обработки.
2. Формализованное описание модели. Графическое изображение имитационной модели, функции, выполняемые каждым подпроцессом, условия взаимодействия всех подпроцессов и особенности поведения моделируемого процесса (временная, пространственная и финансовая динамика) должны быть описаны на специальном языке для последующей трансляций. Для этого существуют различные способы:
• описание вручную на языке типа GPSS, Pilgrim или любом универсальном языке программирования, например, на Visual Basic. Последний очень прост, на нем можно запрограммировать элементарные модели, но он не подходит для разработки реальных моделей сложных экономических процессов, так как описание модели средствами специализированных имитационных систем компактнее аналогичной алгоритмической модели на Visual Basic в десятки-сотни раз;
• автоматизированное описание с помощью компьютерного графического
конструктора во время проведения структурного анализа, т.е. с очень незначительными затратами на программирование. Такой конструктор, создающий описание модели, имеется в составе специализированных систем моделирования.
3. Построение модели (build). Обычно это трансляция и редактирование связей (сборка модели), верификация (калибровка) параметров. Трансляция осуществляется в различных режимах:
• в режиме интерпретации, характерном для систем типа GPSS, SLAM-II, ReThink;
• в режиме компиляции (характерен для системы Pilgrim).
Каждый режим имеет свои особенности.
Режим интерпретации проще в реализации. Специальная универсальная
программа-интерпретатор на основании формализованного описания модели запускает все имитирующие подпрограммы. Данный режим не приводит к получению отдельной моделирующей программы, которую можно было бы передать или продать заказчику (продавать пришлось бы и модель, и систему моделирования, что не всегда возможно).
Режим компиляции сложнее реализуется при создании моделирующей системы. Однако это не усложняет процесс разработки модели. В результате можно получить отдельную моделирующую программу, которая работает независимо от системы моделирования в виде отдельного программного продукта.
Верификация (калибровка) параметров модели выполняется в соответствии с легендой, на основании которой построена модель, с помощью специально выбранных тестовых примеров.
4. Проведение экстремального эксперимента для оптимизации определенных параметров реального процесса.
Структурный анализ процессов в объектах экономики. Функциональная модель и ее диаграммы. Типы связей между функциями.
Основа концепции имитационного инструментария, с помощью которого можно проводить структурный анализ и имитационное моделирование, заключается в механизмах, позволяющих агрегировать элементарные процессы и устанавливать между ними функциональные связи (причинно-следственные, информационные, финансовые и иные). Ниже предлагается сетевая концепция, существенно отличающаяся от аналитического аппарата, рассмотренного в литературе по теории массового обслуживания, использующая удачные результаты теории стохастических сетей и численные методы, основанные на диффузной аппроксимации процессов массового обслуживания.
Эта концепция разработана, в первую очередь, для последующей реализации имитационных механизмов в рамках специального пакета имитационного моделирования. Она предназначена для верификации работоспособности пакета, для оценочных расчетов при отладке имитационных моделей, но не предназначена для практических расчетов показателей риска по аналитическим формулам.
Идею предлагаемой концепции рассмотрим на примере из конкретного проекта «Открытое образование» («е-образование»), реализуемого под патронажем Международной академии открытого образования (МАОО).
Пример: учебные процессы в открытом образовании. Учебный процесс - это понятие, охватывающее всю учебную деятельность классического университета. Учебный процесс состоит из многих компонентов: процесса обучения студента по конкретной специальности в течение пяти лет, семестрового учебного процесса на потоке, процесса изучения дисциплины. Классический университет имеет жесткий избыточный набор ресурсов, который позволяет реализовать учебный процесс в любой его интерпретации. Однако такой фиксированный набор приводит к издержкам планирования, к удорожанию обучения студента без гарантий высокого качества.
В открытом образовании работают специалисты, имеющие квалификацию не ниже, чем в классическом университете. Единственное, что их отличает, - это различные образовательные технологии (классическая и комплексная). Процессом изучения дисциплины (далее - процессом) в распределенном институте назовем неделимую функцию освоения дисциплины студентом по утвержденной программе. Для реализации процесса необходимы различные ресурсы.
В системе открытого образования ресурсы используются в распределенном режиме. Ресурсы распределенного института можно поделить на два типа: интеллектуальный ресурс (учитель) и учебный ресурс (далее - просто ресурс).
Учителя - это преподаватели кафедр, тренеры учебно-тренировочных фирм, тьюторы-консультанты. Учителя предметно относятся к разным распределенным кафедрам через механизм «аттестации».
Ресурсы - это комплекты учебно-практических пособий, студии (если есть дистанционная фаза типа телеконференции), режимы Интернет-доступа, аудитории (если есть очная фаза) и другие, без которых обучение студента может не состояться.
Процесс запущен, если возникла необходимость изучения дисциплины и распределенный институт имеет для этого ресурсы. Запуск процесса не означает, что в любой момент времени будет хотя бы один студент, изучающий эту дисциплину. Соответственно процесс может быть снят (или отменен).
Далее будем полагать, что распределенный институт ориентирован прежде всего на индивидуализацию обучения студента. Поэтому с учетом случайных явлений, не зависящих от распределенного института, при массовом обслуживании студентов возможны технологические задержки: очереди к учителям и задержки из-за временной нехватки ресурсов. Возникает задача определения такого числа ресурсов, при котором процесс обучения по конкретйой специальности имел бы продолжительность не хуже заданной с учетом технологических задержек.
При реализации обучения по специальности процессы могут иметь причинно-следственные связи. Поэтому можно говорить о том, что они образуют направленный граф (рис. 5.1).
Рис.5.1. Сеть процессов при обучении по специальности
Применение методов сетевого планирования и управления невозможно; основная трудность - это циклы. Циклы возникают по двум причинам: студенты обучаются не по жесткому учебному плану (возможны различные индивидуальные планы), для отстающих студентов организуется повторное обучение (возврат к пройденной ранее, но не защищенной дисциплине для ее более глубокого изучения). Относительно пути студента по графу в каждый момент времени он находится в определенном текущем процессе - в узле графа. Процесс, который передал студента в текущий процесс, назовем производителем, а процесс, который примет студента после завершения текущего, назовем потребителем.
Рассмотрим возможные диаграммы состояний процесса (рис. 5.2). Если мощности ресурсов бесконечны либо каждый процесс используется вместе с постоянно закрепленными за ним ресурсами, то возможны два состояния (рис.5.2,а): ожидание студентов (ЖС) и вьшолнение процесса изучения дисциплины (ПУ). В таких ситуациях не возникает необходимости в незапланированных ресурсах: у студента есть учебный план. В состояние ПУ процесс попадает, получив студента от процесса-производителя. После изучения дисциплины студент переходит к процессу-потребителю и попадает в состояние ЖС, если какой-либо производитель не подготовил следующего студента.
Рис. 5.2. Диаграммы состояний процессов (курсов):
а - мощности ресурсов бесконечны; б - мощности ресурсов конечны;
в - мощности ресурсов конечны, есть накладные расходы времени;
ЖС - ждет студентов; ГВ - готовится к выполнению; НР - нужны ресурсы;
ПУ - учеба по дисциплине; ЭЗ - экзамен, зачет
В более peaльном случае (рис. 5.2,б) при конечных мощностях глобальных ресурсов появляется состояние ожидания ресурса, когда процессу (точнее, студенту в процессе изучения дисциплины) нужны ресурсы (HP). В условиях реального университета, когда обучение контролируется, а выделение ресурсов и их возвращение осуществляется с помощью процессов планирования и распределения ресурсов, вводятся еще два состояния (рис.5.2,в): подготовка к выполнению (ТВ) и завершение выполнения - контрольные мероприятия, экзамены, зачеты (ЭЗ).
Когда возникает потребность в незапланированных ресурсах, то возможны обратные переходы типа ПУ-НР (рис. 5.2,б, 5.2,в). Такие переходы могут привести к блокировкам, которые можно разрешить с помощью известных решений задачи взаимного исключения.