Прикладные аспекты имитационного моделирования. Учебное пособие

1.2. История развития систем имитационного моделирования

История первых СИМ. Историю первых СИМ можно проследить на примере становления и развития системы GPSS (General Purpose Simulation System – система моделирования общего назначения) – одной из первых и самых успешных СИМ.

GPSS. Является языком моделирования событийных, дискретных моделей и проведения экспериментов. GPSS создали в фирме IBM в 1962 г. и он был признан одним из лучших языков программирования, изучение которого способствовало пониманию процесса создания имитационных программ и эффективной работы c моделями. СИМ GPSS имеет специальные средства описания динамического поведения систем с изменением времени моделирования от события к событию.

GPSS World. Является мощной универсальной СИМ дискретных и непрерывных процессов для профессиональной работы с разнообразными процессами и системами. Создана в 1994 г. под OS/2 фирмы IBM, а в 2000 г. GPSS World была реализована под ОС Windows.

Встановлении и развитии GPSS прослеживаются два больших этапа. Первый этап связан с разработкой системы применительно к универсальным высокопроизводительным серверам. Второй этап связан с разработкой GPSS применительно к персональным компьютерам.

Хронология выпуска фирмой IBM версий системы: GPSS (1961),

GPSS II (1963), GPSS III (1965), GPSS/360 (1967), GPSS V (1971).

Появление персональных компьютеров и, как следствие, инновационных методов взаимодействия человека с компьютером пошатнуло позиции GPSS. В связи с этим появились СИМ с новыми характеристиками такими, как оперативность, интерактивность и реализация визуальных форм при создании моделей и проведении экспериментов. Однако GPSS сумела адаптироваться к новым условиям.

Среди многих разработок 1982–2001 гг. выделяются несколько ос-

новных СИМ: GPSS/H, SLX, Proof Animation, GPSS/PC и GPSS World, MicroGPSS и WebGPSS, но наиболее успешной была разработка GPSS/H. Эта система отличалась развитостью средств языка имитации, благодаря чему этот язык тиражировался в других программных средах. Например, фирма Wolverine Software на базе GPSS/H активно развивает СИМ SLX.

В1993 г. фирма Minuteman Software выпустила первый пакет GPSS World для OS/2, а в 2000 г. – для Windows. С тех пор все свои разработки

11

1. Ретроспектива имитационного моделирования

Minuteman Software выполняет под Windows. СИМ GPSS/PC и GPSS

World – первые в семействе GPSS-систем, которые Minuteman Software создала под новые диалоговые возможности персональных компьютеров.

Перспективные разработки в этот период выполнялись в Стокгольмской школе высшей экономики, например системы Micro-GPSS и WebGPSS, которые были востребованы в образовательном процессе.

MATLAB. MATLAB как язык программирования был разработан Кливом Моулером в конце 1970-х гг. для облегчения жизни студентов при пользовании программными библиотеками без знаний языка Фортран. Проект Моулера оказался успешным и MATLAB быстро приобрёл популярность в других университетах. Первая версия программы была написана на алгоритмическом языке Фортран. В 1984 г. MATLAB был переписан на язык С. Изначально, переписанный вариант ориентировался на проектирование систем управления, однако довольно быстро приобрёл заслуженную популярность в других научных и инженерных областях, а также до сих пор используется в образовании.

1.3. Современное состояние вопроса

Современный этап развития систем моделирования характеризуется доминированием следующих концепций их создания:

•моделирование, основанное на описании процессов, например та-

кие системы, как Extend, Arena, ProModel, Witness, Gpss/HProof и другие;

•моделирование систем, отличительной особенностью которых является наличие параллельно протекающих процессов;

•моделирование систем на базе методов системной динамики, например такие системы, как Powersim, Vensim, Ithink и др..

•создание динамических систем (MATLAB),

•создание систем агентного моделирования (AnyLogic).

На рынке систем имитационного моделирования преобладают дискретные системы. Современные СИМ характеризуются:

•универсальностью концепций систем моделирования;

•ориентацией на проблемную область исследования;

•наличием объектно-ориентированных языков для управления процессом моделирования;

12

1.3.Современное состояние вопроса

•наличием развитых средств визуализации разработки модели и проведения экспериментов;

•возможностью разработки многоуровневых моделей;

•наличием инструментария для выполнения и анализа результатов расчетов на имитационной модели.

Всовременных имитационных системах должен быть реализован доступ к базам данных моделирования за счёт собственных блоков или интеграции с другими средами, а также за счёт организации многопользовательского интерактивного режима моделирования и обеспечения взаимодействия имитационного моделирования и Всемирной паутины.

ВРоссии на 2021–2024 гг. принята дорожная карта «Новые производственные технологии», первой целью которой является развитие и внедрение промышленного ПО на предприятиях, а второй целью – замена зарубежного ПО на отечественное, чтобы обеспечить предприятию независимость от внешних решений. План предусматривает до 2024 г. внедрение на российских предприятиях не менее 60 % отечественного ПО.

ВРоссии, согласно дорожной карте, создадут национальную цифровую промышленную платформу для взаимодействия разработчиков с большим числом промышленных предприятий.

С 2021 г. проекты по разработке и внедрению промышленного программного обеспечения участвуют в конкурсном отборе в рамках Российского фонда развития информационных технологий.

Впервую очередь потребителями решений по дорожной карте будут являться крупные компании и госструктуры, например, «Роскосмос», «Ростелеком» и др. При этом «Ростелеком» является как потребителем, так и производителем собственной линейки продуктов.

Российские предприятия в большинстве случаев используют западный софт, который создавался и адаптировался под российского заказчика десятилетиями. Поэтому замена существующих систем в короткий срок крайне сложная задача. Кроме того, необходимо учитывать, что многие отечественные разработчики не имеют стопроцентные интеллектуальные права на свой же продукт. Это связано с тем, что многие российские компании используют чужие библиотеки, движки, компоненты иностранного производства в составе своего софта, доля которого часто доходит до 60–70%. Это обстоятельство в случае санкций практически не позволит

13

1. Ретроспектива имитационного моделирования

отечественному ПО обновляться и эффективно функционировать. В качестве примера эффективно действующей российской компании по продвижению зарубежного софта является компания PCB SOFT.

Компания PCB SOFT (ООО "ПСБ СОФТ", г. Москва) – партнер и официальный распространитель продукции компании CADENCE Design Systems с центром в Сан-Хосе, Калифорния. Среди основных поставок в Россию – система проектирования печатных плат Cadence Allegro, СБИС и система электромагнитного 3D-моделирования Cadence Sigrity.

Научно-производственная группа компаний PCB technology работает в России с 1999 г., а в 2011 г. была создана компания "ПСБ СОФТ" как подразделение по поставкам ПО для проектирования и моделирования печатных плат. Помимо продуктов компании Cadence в ООО "ПСБ СОФТ", имеются такие популярные пакеты ПО, как CAM350, BluePrintPCB, Empire XPU для моделирования СВЧ-аппаратуры. Партнёрами компании PCB SOFT являются:

•Cadence Design Systems – поставщик САПР печатных плат и СБИС;

•АСКОН – российский разработчик инженерного ПО;

•SolidWorks Russia – поставщик CAD/CAM/CAE/PDM решений;

•PCB Libraries – поставщик ПО для библиотек компонентов САПР;

•IMST – компания производитель ПО моделирования СВЧ-систем

ипечатных плат.

Так как промышленные предприятия, как правило, применяют готовые системы с уже «прошитым» специализированным ПО, то напрашивается вывод, что задача должна решаться комплексно, т.е. создание отечественной цепочки: элементная база – аппаратура – программное обеспечение.

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные требования к имитационной модели.

2.Какие концепции создания систем моделирования доминируют в современном мире?

3.В чём заключается комплексность в решении задачи по замещению зарубежного ПО отечественным?

14

Контрольные вопросы

4.Какую цель преследует принятая в России на 2021–2024 гг. дорожная карта «Новые производственные технологии»?

5.Приведите характерные черты современных систем моделирова-

ния.

6.Кратко изложите историю первых систем моделирования.

7.Кто, когда и где впервые рассмотрел практическую задачу, связанную с массовым обслуживанием клиентов?

8.Какие разделы математики привлекаются в качестве математического аппарата имитационного моделирования?

9.Когда и в каких работах было первое практическое применение метода Монте-Карло?

10.Приведите ретроспективу появления и развития системы моделирования общего назначения GPSS – одной из первых и самых успешных систем имитационного моделирования.

15

2.1. Система как объект моделирования

Внешняя среда – объекты внешнего мира, воздействующие на функционирования системы, но не входящих в её состав.

Чтобы описать систему необходимо задать её структуру и функцию. Структура – множество элементов системы и связей между ними.

Структуру системы можно описать разными способами:

•в виде графа, где вершины отображают элементы системы, а рёбра – связи между вершинами;

•в виде схем, где элементы системы – специальные символы;

•аналитическим способом, где задаётся число элементов системы

иматрица связей между элементами.

Функция системы – поведение системы, приводящее к результату под воздействием внешней среды и целями самой системы.

Существуют различные способы для описания функций системы:

•алгоритмический – описание последовательности шагов, приводящих к достижению цели в соответствии с назначением системы;

•аналитический – задание математических зависимостей в рамках выбранного математического аппарата;

•графический – посредством задания временных графиков или других графических зависимостей;

•табличный – задание таблиц функциональных зависимостей.

Организация системы – способ реализации цели за счет выбора структуры и функции системы, что подразумевает структурную и функциональную организацию.

Функциональная организация – способ порождения функций системы.

Структурная организация – набор элементов и соединение их в структуру для реализации функций системы.

Исследование функционирования сложных систем требует системного подхода, применение которого обусловлено свойствами систем:

•целостность – система рассматривается как единое целое взаимодействующих элементов;

•связность – существование устойчивых связей между элементами;

•интегративность – свойства системы отличаются от свойств элементов, т.е. изучая каждый элемент, нельзя изучить систему в целом.

17

2. Основные понятия модели и моделирования

Эффективность системы определяется уровнем её соответствия своему назначению. Для оценки эффективности системы используется набор показателей, как количественная мера каждого из свойств системы.

Так как многочисленные показатели эффективности, обычно, могут быть противоречивыми, то используется интегральный показатель – критерий эффективности.

Критерий эффективности – интегральный показатель, который применяют при выборе оптимального варианта организации системы.

Оптимальная система – система с минимаксным значением критерия эффективности.

Анализ – процесс исследования свойств системы или внешней среды.

Синтез – процесс разработки системы.

Система описывается параметрами и показателями. Параметрами являются исходные данные задачи, а показатели – функции параметров.

Параметры системы классифицируют на внутренние и внешние. Внутренние параметры описывают организацию системы и со-

стоят из структурных и функциональных параметров. Первые описывают состав и все связи системы, а вторые – функционирование системы.

Внешние параметры описывают связь системы с внешней средой и состоят из нагрузочных параметров и параметров внешней среды. Первые описывают входные воздействия на систему, а вторые нерегулируемые воздействия на систему внешней среды.

Вкачестве резюме отметим:

1.Параметры системы представляют входные величины, а показатели системы представляют выходные величины, зависящие от параметров.

2.Моделирование решает задачи декомпозиции, анализа и синтеза.

2.2. Определение модели

Лучшим средством исследования объекта является проведение натурного эксперимента в требуемых условиях. Поэтому такой эксперимент – необходимый этап исследования, который выполняют и в настоящее время особенно при создании новых образцов техники и вооружения.

18

2.2. Определение модели

Однако существует много ситуаций, когда проведение натурного эксперимента невозможно или связано со значительными издержками. Среди таких ситуаций можно отметить следующие обстоятельства:

•реальная опасность проведения натурного эксперимента;

•значительные материальные и экономические издержки, делающие эксперимент невыгодным;

•процессы, которые длятся непозволительно долго для исследо-

вания;

•исследование быстропротекающих процессов;

•слишком большие или маленькие размеры объекта в пространстве;

ив ряде других ситуаций.

Моделирование позволяет проводить исследования объектов, процессов, явлений, для которых натурный эксперимент невозможен в силу перечисленных или иных причин.

Типичным примером, где моделирование является единственным инструментом анализа объектов, является область микроэлектронной аппаратуры. В этой области объекты представляют собой кристаллы больших интегральных схем, микропроцессоры, микросборки, транзисторы, логические элементы и многие другие элементы. Природа таких объектов лежит в области микромира, в связи с чем проведение натурных экспериментов в принципе невозможно. Однако в процессе проектирования микроэлектронной аппаратуры постоянно возникает необходимость проверять правильность её функционирования и её работоспособность в различных условиях эксплуатации.

Другим типичным примером является противоположная ситуация, когда исследованию подлежат объекты макромира (планетная система, вулканические явления, прогнозирование климата и многие другие).

Интересной ситуацией, связанной с невозможностью повторения эксперимента, являются исторические процессы, которые повторить невозможно, поэтому единственный выход в их моделировании.

Моделирование обязательный этап процесса проектирования. Цепочка «проектирование – моделирование» носит итерационный, спиралевидный характер. При этом на каждом витке спирали проект улучшается, так как модель всё более детализируется, а описания становятся точнее.

19

2. Основные понятия модели и моделирования

Когда натурный эксперимент необходим, но он невозможен по разным причинам, возникает противоречивая ситуация, выходом из которой является моделирование.

Моделирование – это замена реального объекта другим виртуальным объектом с целью исследования свойств реального объекта. Этот виртуальный (промежуточный) объект называется моделью. Отсюда следует, что моделирование это:

1.Процесс создания или поиска объекта, который может заменить реальный объект.

2.Эксперимент с моделью, который отличается от натурного эксперимента тем, что присутствует промежуточное звено – модель, которая является и средством эксперимента, и объектом эксперимента.

3.Перенос полученной информации на оригинал. При этом модель

иоригинал должны быть подобны от тождества до подобия в главном. Среди основных целей моделирования следующие.

Прогноз является важнейшей целью моделирования. Он обеспечи-

вается оценкой поведения системы при разных сочетаниях её параметров.

Объяснение и понимание объектов. В этом случае решаются за-

дачи оптимизации и анализа чувствительности. Оптимизация – процесс поиска лучшего качества системы, а задача анализа чувствительности заключается в поиске факторов, максимально воздействующих на функционирование реальной системы.

Часть моделей создают как средства обучения: тренажеры, стенды, деловые игры и т.п.

2.3.Классификация моделей

Внаиболее широком аспекте выделяют три типа моделей – познавательные, прагматические и инструментальные. При этом не имеет значения, в каких областях они применяются.

Характерной особенностью познавательной модели является организация и представления знаний или инструмент объединения новых и старых знаний. Связь познавательной модели с реальным миром носит условный характер и её можно называть теоретической моделью.

20