книги / Моделирование систем

б) при работе каналов Кг и К2

T0:=2qJB+q/h+

+h Q q l C + q / m * L - L ) , Р о т = 0 .

Моделирующий алгоритм. Укруп­ ненная схема моделирующего алго­ ритма процесса функционирования фрагмента информационно-вычис­ лительной сети представлена на рис. 10.5.

Примеры результатов моделирования в виде зависимости P m = f ( k n ) приведены на рис. 10.6.

10.3.М О ДЕЛИ РО ВА Н ИЕ П РИ РАЗРАБОТКЕ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ

ИПРОИЗВОДСТВЕННЫ Х СИСТЕМ

Эффективность работы АСОИУ существенно зависит от качест­ ва моделей, на базе которых реализуется процесс управления. В си­ лу сложности объекта управления проводится его декомпозиция на отдельные части, т. е. выделяются функциональные подсистемы, включая такие, как технико-экономическое планирование, техничес­ кая подготовка производства, оперативное управление производ­ ством и т. д. [25, 29, 34, 52].

Объект моделирования. Рассмотрим одну из функциональных задач подсистемы оперативного управления основным производ­ ством. В качестве примера такой задачи можно привести задачу «Расчет плана сдачи и получения деталей в натуральном выраже­ нии».

Решение этой задачи на ЭВМ полностью позволяет автоматизи­ ровать получение информации по расчету планов сдачи и деталей в натуральном выражении по цехам на год с разбивкой по квар­ талам и месяцам на предприятиях с подетальной системой плани­ рования. Планы сдачи и получения деталей рассчитываются для всех цехов-изготовителей и цехов-потребителей предприятия согла­ сно технологическому маршруту. Основу этих планов составляет развернутый план потребности в деталях на товарный выпуск про­ дукции, скорректированный с учетом величины плана изменения заделов и компенсации неизбежных внутрипроизводственных по­ терь.

На предприятиях с дискретным характером производства (на­ пример, крупносерийного и массового приборостроения и машино­ строения) процесс движения изделий (деталей, узлов) состоит из заготовительной, механообрабатывающей и сборочной стадий (рис. 10.7). Обычно стадии заготовки и сборки представляют собой детер-

Рис. 10.7. Структурная схема д в и ж ен и я изделий в процессе дискретного произ­ водства

минированные процессы, а механообрабатывающее производство имеет стохастическую природу. Фактически механообрабатыва­ ющие подразделения производства представляют собой некоторую кибернетическую систему типа «черного ящика», на вход которого поступает поток заготовок, а на выходе имеется поток партий готовых деталей. Количество стандартных деталей в партии и вре­ мя выпуска — случайные величины. Для сглаживания стохастичности и придания потоку партий деталей, поступающих на сборку, ритмичного характера заранее до начала планового периода уста­ навливаются заделы деталей.

Под заделами (запасами) понимаются различного рода заготов­ ки, покупные комплектующие изделия, готовые детали и т. д., находящиеся на разных стадиях производственного процесса в предназначенные для обеспечения бесперебойного хода работы на различных его стадиях. Обычно выделяют следующие заделы: о б о ­ ротны е, представляющие собой запасы деталей, комплексующих изделий и т. п., которые возникают из-за неполной согласованности времени выполнения работы на отдельных линиях или рабочих местах; страховы е (резервные), представляющие собой запасы, предназначенные для локализации непредвиденных перебоев и непо­ ладок с тем, чтобы не дать им распространиться далее по направле­ нию технологического маршрута.

Для определения оптимального размера задела деталей в функ­ циональной подсистеме оперативного управления основным произ­ водством АСУ предприятием решается соответствующая задача, в основе которой лежит модель, построенная на базе аналитичес­ кого или имитационного подхода.

Фрагмент производственного процесса, показывающего взаимо­ действие цеха 1 (механообрабатывающего) и цеха 2 (сборочного) через оборотный и страховой заделы, представлен в виде структур­ ной схемы (рис. 10.8). В процессе производства возможны следу­ ющие ситуации: а) нормальная, когда детали из цеха 1 поступают в оборотный задел (связь 1), а из оборотного задела — на сборку

задел израсходован, а сборка в цехе 2 обеспечивается только за счет страхового задела (связь 4); в) простойная, когда нет потока деталей

332

Рас. 10.8. Структурная схема взаимодействия механообраба­ тывающего и сборочного цехов

из цеха 1, а запасы деталей в оборотном и страховом заделах израсходованы, т. е. цех 2 простаивает; г) переходная, когда в обо­ ротном заделе имеются детали и он пополняется из цеха 1 (связь 1), детали поступают на сборку (связь 5), а кроме того, идет комплек­ тование страхового задела (связь 2).

Формализация процесса функционирования объекта моделирова­ ния. Процесс поступления и потребления деталей в цехе 2 можно формализовать в виде Q-схемы (рис. 10.9). Здесь И — источник; К — канал; Н — накопитель.

Таким образом, процесс заготовки изделий для сборки (деталей, покупных комплектующих изделий) можно представить в виде не­ которого источника (И), выдающего детерминированный поток покупных комплектующих изделий и стохастический поток партий деталей для сборки. В дальнейшем будем предполагать, что детер­ минированный поток покупных комплектующих изделий отсутству­ ет, так как в общем случае он может быть рассмотрен как частный случай стохастического потока. Тогда на выходе И будет иметь место поток деталей на обработку, который описывается как коли­ чество единиц деталей q в партии, каждая из которых поступает через Q часов.

Процесс обработки в механообрабатывающем цехе 1 при нали­ чии оборотного и страхового заделов можно представить в виде канала К х с временем обработки 2 ^ = const и временем межопера­ ционного процеживания Qua =var, т. е. время обслуживания кана­ лом Kj составит S i =боб+ймп, а также двух накопителей: НАи Н2,

причем в результате потерь от брака q& количество выпускаемых деталей qx является случайным.

Детали после обработки поступают в накопитель H1} емкость которого L x соответствует номинальному значению деталей в обо­ ротном заделе L1= Z o6. При достижении номинального значения L x детали поступают в накопитель Н2, соответствующий страховому заделу (если он нуждается в пополнении). При заполнении накопи­ теля Н 2, т. е. достижении величины L2, клапан на его входе блокиру­ ется, причем начальное значение Ь х в накопителе Нх на планиру­ емый период равно величине одной партии деталей, выпускаемых из канала К 1} а необходимое значение страхового задела L2=Zcr должно быть оценено в результате решения задачи.

Процесс сборки изделий в сборочном цехе 2 можно представить в виде канала К 2, потребляющего q2=const деталей через

333

При недостатке деталей в оборотном и страховом заделах сбо­ рочный участок, т. е. канал К 2, простаивает до момента поступле­ ния из канала К1 необходимого числа деталей.

Для возможности выбора необходимого значения оборотного задела определим вероятность простоя сборочного участка (ка­ нала К 2) как функцию L2, т. е. вероятность Рщ,

Таким образом, данная модель является двухфазной Q-схемой с двумя параллельными очередями во второй фазе обслуживания и с наличием блокировок. При этом потоки поступления и об­ служивания заявок имеют как детерминированный, так и стохасти­ ческий характер. Учитывая сказанное, получение вероятно­ сти Рпр аналитическим методом в явном виде невозможно, поэто­ му воспользуемся методом имитационного моделирования на

334

страховой задел, значение которого на начало года Zoo; Zo6 — обо­ ротный задел, значение которого на начало года Zo6o; уравнение м одели

^ п р — 2ц р /Ф г»

где Фт— годовой фонд времени; Тщ — время простоя цеха 2 из-за отсутствия деталей. За интервал моделирования (0, 7) примем годовой фонд времени 7Т=Ф Г=4080 ч.

Моделирующий алгоритм. Укрупненная схема моделирующего алгоритма фрагмента производства на уровне решения задачи опре­ деления страхового задела, т. е. взаимодействия механообрабаты­ вающего (цех 1) и сборочного (цех 2) цехов, представлена на рис.

10.10.

Результаты моделирования в виде зависимости Рпр=/(^сг) для различных значе­ ний запуска приведены на рис. 10.11.

Контрольные вопросы

10.1.Какие основные этапы моделирования системы можно выделить?

10.2.Что представляют собой общие правила построения н способы реаляазцин

моделей систем?

10.3.Как осуществляется переход от концептуальной к машинной модели си­

стемы?

10.4.Какие типовые математические схемы использованы для формализации

объектов моделирования в данной главе?

10.5. Какие инструментальные средства могут быть выбраны для реализации моделей объектов информационных систем, рассмотренных в данной главе?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В ИНФОРМАЦИОННОМ ОБЩЕСТВЕ

Процесс проектирования информационных систем, реализую­ щих новую информационную технологию, непрерывно совершенст­ вуется. В центре внимания инженеров-системотехников оказывают­ ся все более сложные системы, что затрудняет использование физи­ ческих моделей и повышает значимость математических моделей и машинного моделирования систем. Машинное моделирование стало эффективным инструментом исследования и проектирования сложных систем. Актуальность математических моделей непрерыв­ но возрастает из-за их гибкости, адекватности реальным процессам, невысокой стоимости реализации на базе современных ЭВМ. Все большие возможности предоставляются пользователю, т. е. специ­ алисту по моделированию систем средствами вычислительной тех­ ники. Особенно эффективно применение моделирования на ранних этапах проектирования автоматизированных систем, когда цена ошибочных решений наиболее значительна.

Современные вычислительные средства позволили существенно увеличить сложность используемых моделей при изучении систем, появилась возможность построения комбинированных, аналитико­ имитационных моделей, учитывающих все многообразие факторов, имеющих место в реальных системах, т. е. использования моделей, более адекватных исследуемым явлениям. Поэтому в учебнике осо­ бое внимание уделено методологическим аспектам моделирования, типовым математическим схемам, методам и средствам их реали­ зации в процессе моделирования на современных ЭВМ.

В целом в учебнике сделана попытка системного подхода к из­ ложению научных основ моделирования систем. Реализация воз­ можностей машинного моделирования освещается авторами в уче­ бном пособии «Моделирование систем: Практикум», которое изда­ ется параллельно с данным учебником издательством «Высшая школа».

Перспективным и значимым для теории и практики системного моделирование является дальнейшее развитие научных основ моде­ лирования с ориентацией на новые информационные техноло­ гии в научных исследованиях, проектировании, управлении и обуче­ нии.

Одной из основных в настоящее и ближайшее время будет проблема информатизации образования в условиях перехода к ин­ формационному обществу. В конце текущего столетия, по определе­ нию Н. Винера [35], человечество переходит из века энергетики в век информатики, общество из индустриального превращается в инфор­ мационное. В этих условиях информатизацию можно рассматри­

336

вать как процесс перехода от индустриального общества к инфор­ мационному. Начиная с 80-х годов сумма знаний в обществе воз­ растает вдвое за каждые два года. Происходит перераспределение трудовых ресурсов из материального производства в сферу инфор­ мации. В ряде стран суммарные расходы на компьютерную тех­ нику, телекоммуникации, электронику превышают расходы на энер­ гетику, т. е. в силу уверенно вступает век информатизации.

Для информационного общества характерно полное удовлет­ ворение информационных потребностей при завершении формиро­ вания единой информационной среды, которая определяет и инфор­ мационную культуру общества и каждого человека. Информацион­ ная культура не ограничивается системой знаний в области инфор­ мационных процессов и должна включать активно-преобразова­ тельный аспект отношения к миру. В создании информационной культуры лидирующая роль принадлежит образованию.

Достижениями информатики, в которой, как в научном направ­ лении, можно выделить 3 уровня: физический — программно-ап­ паратные средства вычислительной техники и техники связи, т. е. средства телематики (телекоммуникаций и информатики); логи­ ческий — информационные технологии; прикладной — пользова­ тельские информационные системы. Исходя из этого, можно прове­ сти анализ мирового состояния и тенденций развития процесса информатизации и место компьютерного (машинного) моделирова­ ния в этом многогранном процессе. Моделирование вообще и ком­ пьютерное имитационное моделирование, в частности, получает применение в таких информационных технологиях как:

1. Компьютерные программы, включающие в себя электронные учебники, тренажеры, тьюторы, лабораторные практикумы, тесто­ вые системы, деловые игры, использующие машинные имитаторы.

2.Системы на базе мультимедиа технологий, построенные с ис­ пользованием персональных ЭВМ, видеотехники, накопителей на оптических дисках, включая системы виртуальной реальности.

3.Интеллектуальные и обучающие экспертные системы, широко использующие имитационный подход в различных предметных об­ ластях.

4.Распределение базы данных по отраслям знаний, электронные библиотеки, распределенные и централизованные издательские си­

стемы.

5. Средства телекоммуникации, включающие в себя элект­ ронную почту, телеконференции, локальные и региональные сети связи, цифровые сети интегрального обслуживания и т. д. с исполь­ зованием новых интеллектуальных сетевых технологий.

6. Геоинформационные системы, базирующиеся на технологии, объединяющей компьютерную картографию и системы управления базами данных, и реализующие технологию создания много­ слойной электронной карты, опорный слой которой описывает

337

географию территории, а каждый из остальных слоев — один из аспектов состояния территории.

7. Технологии защиты информации, включая защиту от не­ санкционированного доступа в ПЭВМ, защиту от перехвата в сетях и т. п.

Важно отметить, что, говоря о совокупности средств инфор­ матизации, следует иметь в виду не только средства вычислитель­ ной техники и некоторую «сумму информационных технологий», но также и сумму общественных знаний и умений по использованию указанных средств, которая может быть определена как уровень общественного (или организационного) обучения. Очевидно, что ни одна предметная область, в том числе и машинное моделирование, не может перешагнуть через некоторые объективные стадии такого общественного обучения. Этот факт впервые был облечен в форму модели стадий роста Р. Ноланом в 1979 г. Эта модель показывает, как изменяются расходы на информатизацию, которые определяют уровень организационного обучения, в зависимости от степени про­ никновения информационной технологии в деятельность организа­ ции. Таким образом, наряду с психологической необходимо обес­ печить и профессиональную подготовленность пользователей. Осо­ бенно это актуально в сфере использования ЭВМ для целей имита­ ции широкого класса систем.

Таким образом, информатизация является объективной реаль­ ностью. Возникает вопрос, не может ли информатизация предотв­ ратить глобальный кризис цивилизации и явиться основным меха­ низмом свершения образовательной революции? Считается воз­ можным становление новой системы непрерывного открытого гиб­ кого дистанционного образования на базе перспективных инфор­ мационных технологий. Это возможно, если вложить в информаци­ онные технологии необходимое гуманистическое содержание. В этом смысле цель информатизации общества — создание гибрид­ ного интегрального интеллекта всей цивилизации, способного пред­ видеть и управлять развитием человечества.

В настоящее время в образовании создано и внедрено достаточ­ но большое количество программных и технических разработок, реализующих отдельные информационные технологии. Но при этом используются различные методические подходы, несовмести­ мые технические и программые средства, что затрудняет тиражиро­ вание, становится преградой на пути общения с информационными ресурсами и компьютерной техникой, приводит к распылению сил и средств. Наряду с этим различный подход к информатизации на школьном и вузовском уровнях вызывает большие трудности у уча­ щихся при переходе с одного уровня обучения на другой, приводит к необходимости расходования учебного времени на освоение эле­ ментарных основ современных компьютерных технологий. Выход может быть найден путем создания системы непрерывного образо­ вания «школа — вуз».

338

Переход к информационному обществу предполагает формиро­ вание информационной культуры, как свода правил поведения в ин­ формационном обществе, в коммуникационной среде, человекомашинных системах, вписывающихся в мировую гуманистическую культуру человечества. Вхождение пользователя в мировую сеть (например, Internet) позволяет получать огромные потоки инфор­ мации, в том числе и для целей моделирования. Например, имеются базы данных по различным версиям языка моделирования GPSS/PC, доступные пользователям Internet. Информационное про­ странство Российского образования должно отвечать националь­ ным интересам и базироваться на традициях отечественной куль­ туры. Проблема развития интеллекта учащихся может быть решена не только средствами информатики. Проблемы науки об образова­ нии должны решаться с учетом перехода в информационное обще­ ство, в котором будет сформирована «инфоноосфера личности». Проблема развития интеллектуальных способностей личности смы­ кается уже сейчас с проблемой информатизацией образования.

Информатизация должна предусматривать эволюционное раз­ витие методологии образования. Не отрицание, а последовательное эволюционное развитие сложившейся методологии образования за счет использования явных преимуществ компьютерных технологий, включая и имитационное моделирование (наглядность, возмож­ ность использования различных форм представления информа­ ции — звук, изображение, удаленный доступ, обработка и хранение больших объемов информации), должно стать основой опережа­ ющего развития образования. Информатизация может внести суще­ ственные изменения в структуру и организацию учебного процесса. Необходимо управлять ходом информатизации образования. И опять здесь существенные результаты могут быть получены специалистами по системному моделированию.

Использование персонального компьютера открывает принци­ пиально новые возможности в организации изучения физических явлений с помощью машинной имитации. При традиционном под­ ходе физическое понимание по существу вырабатывалось у учащих­ ся (школьников, студентов и др.) в процессе выполнения ими необ­ ходимых математических преобразований и вычислений, что и представляет собой наибольшую трудность для указанной катего­ рии учащихся. Благодаря специально разработанным программам имитации физических процессов в реальных системах такую работу берет на себя компьютер, и на долю учащихся остается не само добывание результата, а выявление и усвоение его физических при­ чин. Другими словами, теперь доминирует роль идей и качествен­ ных методов исследования, которые связаны с гораздо большей наглядностью и образностью мышления. При этом заметно воз­ растает эмоциональный фактор, и предмет изучения становится не только доступным, но и интересным.

339

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Авдеев П . Ф . Философия информационной цивилизации. — М.: ВЛАДОС,

1994.

2.Арсеньев Б . П ., Яковлев С . А . Интеграция распределенных баз данных. — СПб.:

Лань, 2000.

3.Борн Г . Форматы данных. — Киев: торгово-издательское бюро B H V , 1995.

4.Буеленко Н . П . Моделирование слжных систем. — М.: Наука, 1988.

5.Веников В . А ., Веников Г . В . Теория подобия и моделирования. — М.: Высшая школа, 1984.

6.Гнеденко Б . Д ., Коваленко И . Н . Введение в теорию массового обслуживания.

—М.: Наука, 1987.

7.Головин Ю . А ., Яковлев С. А . Применение языков моделирования в обучении

методам программной имитации сложных систем // Тез. докл. 6-й Междунар. конф. «Региональная информатика98»; Ч. 1. — СПб, 1998.

8.Громов Г . Р . Очерки информационной технологии. — М.: Инфоарт., 1992.

9.Дегтярев Ю . И . Исследование операций. — М.: Высшая школа, 1986.

10.Ермаков С. М ., М елос В . Б . Математический эксперимент с моделями

сложных стохастических систем. — СПб.: Изд. ГУ, 1993.

И . Имитационное моделирование производственных систем/ Под ред. А . А . Вавилова. — М.: Машиностроение; Берлин: Техник, 1983.

12.Инструментальные средства персональных ЭВМ. В 10 кн. — М.: Высшая школа, 1993.

13.Калаш ников В . В ., Ранее С . Т. Математические методы построения стохасти­

ческих моделей обслуживания. — М.: Наука, 1988.

14.Калиниченко JI. А ., Рывкин В . М . Машины баз данных и знаний — М.: Наука,

1990.

15.Каляное Г . И . CASE структурный системный анализ. — М.: Лори, 1996.

16. Кандраш ина Е . Ю ., Литвинцева Л . В ., Поспелов Д . А . Представление знаний

овремени и пространстве в интеллектуальных системах, — М.: Наука, 1989.

17.Киндлер Е . Языки моделирования. — М.: Энергия, 1985.

18.Клейнен Д ж . Статистические методы в имитационном моделировании. — М.: Статистика, 1978.

19.Кривулин Н . К . Оптимизация сложных систем при имитационном моделиро­ вании // Вестник Ленингр. Ун-та. 1990. № 8.

20.Кулаичев А . П . Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов.— М.: Информатика и компьютеры, 1999.

21.Л инник И . Ю . Улучшение скорости сходимости метода Монте-Карло в неко­ торых задачах теории массового обслуживания // Кибернетика. № 5.1978.

22.Математическая теория планирования эксперимента / Под ред. С. М . Ер­ макова. — М.: Наука, 1983.

23. М арк Д . А ., М ак-Гоуен К . SADT. — Методология структурного анализа

ипроектирования — М.: Метатехнология, 1993.

24.Моисеев Н . Н . Математические задачи системного анализа. — М.: Наука,

1981.

25.М ухин О. И . Компьютерная инструментальная среда. — Пермь: ПГТУ, 1991.

26.Назаров С. В . Операционные системы специализированных вычислительных

комплексов: теория построения и системного проектирования. — М.: Машиност­ роение, 1989.

27. Н иколис Г., П ригож ий И . Познание сложного. Введение. — М.: Мир, 1990.

340