3. Принципы моделирования сложных систем

Информационная модель – формальное логико-математическое представление функционирования исследуемой системы и взаимодействия отдельных ее элементов во времени, учитывающее наиболее существенные причинно-следственные связи, присущие системе, и обеспечивающее проведение статистических экспериментов.

Исследование того или иного объекта по сути дела заменяется исследованием некоторой абстрактной динамической системы, являющейся формализованным представлением этого объекта. Функционирование такой системы полностью характеризуется комплексом величин, сформированных на этапе формализации процесса функционирования исследуемого объекта. Каждое сочетание конкретных, мгновенных значений указанных величин соответствует вполне определенному мгновенному состоянию системы, а рассматриваемые величины можно назвать характеристиками состояния системы. Можно также сказать, что процесс функционирования системы представляет собой процесс изменения во времени ее состояния, а исследование того или иного объекта сводится к исследованию процесса изменения во времени представляющих интерес характеристик состояния системы, выступающей в качестве формализованного представления этого объекта.

Моделирование позволяет не только исследовать законы функционирования элементов объекта и связи между ними, но и воспроизводит последовательно во времени эволюцию его состояния.

Для производственных участков имеется возможность вычислить средние значения характеристик производственного процесса, проследить за изменением этих характеристик во времени, определить их максимальные имитационные значения, с высокой точностью определить потребность в транспортных операциях и исследовать возможности различных транспортных систем; получить представление о влиянии случайных отказов оборудования на поведение проектируемой системы; выбрать оптимальные стратегии оперативного планирования и диспетчирования требований к транспортно-складской системе и т.д.

Моделирование позволяет получать информацию о коэффициенте использования технологических модулей; о коэффициентах простоев основного и транспортного оборудования; об объемах незавершенного производства, длительности пролеживания и о циклограммах движения каждой партии изделий; о производительности участков и коэффициенте использования при различных алгоритмах оперативного планирования и диспетчирования требований на обслуживание транспортно - складской системы, а также при различных вариантах закрепления средств транспортирования за модулями основного и накопительного оборудования и т.д.

Целесообразность применения метода моделирования определяется следующими факторами:

- в общем случае при проектировании достоверность результатов не является достаточной для принятия решений о выборе варианта системы из-за наличия ряда процессов, трудно прогнозируемых на практике. Отсюда вытекает необходимость применения имитационных моделей для комплексной оценки полученных проектных вариантов системы;

- достаточно полное исследование и оценка функционирования системы. Использование методов аналитического моделирования во многих случаях не позволяет оценивать свойства исследуемой системы из-за их сложности. Применительно к решению задач проектирования производственных систем получить аналитические зависимости, связывающие искомые характеристики с начальными параметрами и переменными системы, затруднительно.

- возможность корректирования производственного процесса не только на длительный период (сутки, декада, месяц), но и при аварийных ситуациях (отказах) в реальном масштабе времени, непосредственно при оперативном управлении.

На пути создания имитационной модели исследуемого объекта имеет место последовательный переход от объекта к его формализованному представлению — абстрактной системе, и от этой системы ─ к искомой имитационной модели (имитатору системы). Поэтому точность воспроизведения имитационной моделью функционирования объекта зависит от выбора, как формализованного представления объекта, так и устройства, используемого в качестве имитатора системы.

Предположим, что процессы функционирования всех элементов системы, а также процесс взаимодействия системы с внешней средой могут быть алгоритмизированы и с приемлемой точностью воспроизведены на ЭВМ. Тогда имитация функционирования системы сводится к пошаговому воспроизведению на ЭВМ процессов функционирования всех ее элементов с учетом их взаимодействий и внешних воздействий системы.

Благодаря использованию не только математических приемов, но и хорошо известных возможностей самой ЭВМ, могут быть алгоритмизированы и программно воспроизведены процессы функционирования и взаимодействия самых различных элементов абстрактных систем — дискретных и непрерывных, вероятностных и детерминированных, выполняющих функцию задержки тех или иных воздействий, и др. В то же время, внутренняя структура практически любой такой системы может быть при необходимости детализирована таким образом, чтобы процессы функционирования всех ее элементов поддавались алгоритмизации и пошаговому воспроизведению на ЭВМ с приемлемой точностью (сказанное полностью относится и к процессу взаимодействия системы с внешней средой). Программу, реализующую данный способ имитации на ЭВМ процесса функционирования абстрактной системы, можно рассматривать как моделирующую программу (моделирующий алгоритм), основа которой выступает в качестве имитационной модели исследуемого объекта.

Аналитическое моделирование предполагает использование математической модели реального объекта в форме алгебраических, дифференциальных, интегральных и других уравнений, связывающих выходные переменные с входными, дополненных системой ограничений. При этом предполагается наличие однозначной вычислительной процедуры получения точного решения уравнений.

При имитационном моделировании используемая математическая модель воспроизводит алгоритм («логику») функционирования исследуемой системы во времени при различных сочетаниях значений параметров системы и внешней среды.