Предисловие

В настоящее время имитационное моделирование стало эффективным средством решения задач автоматизации исследований технологических процессов в машиностроении. Добиться значительного упрощения и ускорения процесса разработки имитационных моделей возможно за счет использования специализированных языков и систем компьютерной имитации и анимации (Arena, Extend, GPSS, SIMAN, SLAM, SIMULA, GASP, Proof Animation и др.), позволяющих отображать динамику работы оборудования на мнемосхеме технологического процесса в ходе имитационного моделирования.

Дисциплина «Компьютерная имитация и анимация» основана на лицензионном программном обеспечении - специализированных языках компьютерной имитации GPSS/H и анимации Proof Animation (ф. Wolverine Software Corp., USA). В настоящее время, комплекс этих языков является одним из наиболее эффективных и распространенных программных средства моделирования сложных дискретных систем на ЭВМ. Он успешно используется для моделирования систем, формализуемых в виде схем массового обслуживания, с помощью которых описываются многие объекты, рассматриваемые при подготовке студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов (в машиностроении)».

В курсе «Компьютерная имитация и анимация» студенты должны изучить основные понятия имитационного моделирования, отличия, преимущества и недостатки универсальных и специализированных языков компьютерной имитации и анимации, этапы имитационного моделирования технологических процессов, принципы построения и программной реализации моделирующих алгоритмов, методы анализа и интерпретации результатов моделирования, способы и средства графического отображения статических и динамических элементов технологий в Proof Animation, методы управления анимацией.

По окончании обучения специалисты смогут разрабатывать модели технологических процессов, используя специализированный язык компьютерной имитации GPSS/H, создавать в соответствии с имитационной моделью движущееся отображение технологического процесса на экране компьютера, используя язык Proof Animation, проводить имитационные эксперименты с моделями технологических процессов, оценивать длительность производственного цикла и коэффициенты использования оборудования, принимать решения по сокращению времени простоя оборудования, сравнивать варианты организации технологического процесса и выбирать наиболее оптимальный вариант, прогнозировать поведение системы в ускоренном времени.

Разработанный учебный курс апробирован в течение пяти лет при обучении студентов 3-4-го курса специальностей «Автоматизация технологических процессов (в машиностроении)» и «Информационные системы и технологии» механико-машиностроительного факультета ГОУ ВПО КузГТУ.

Введение

Если технологическая система не поддается физическому эксперименту, прибегают к математическому моделированию, то есть отражению некоторых свойств системы совокупностью математических объектов (чисел, переменных, матриц, множеств, точек, отрезков прямых и т.д.) и отношений между ними. Математическое моделирование систем делят на аналитическое и имитационное. Аналитическое моделирование представляет собой функциональные соотношения (алгебраические, интегро-дифференциальные, конечно-разностные) или логические усло­вия. Во многих случаях невозможно получить аналитические зависимости, отображающие поведение и взаимосвязь элементов технологической системы. Особенно трудно учесть действие случайных факторов и динамику функционирования объекта. Поэтому используют имитационное моделирование. Имитационное моделирование похоже на физические эксперименты, но эти эксперименты проводятся не на физическом объекте, а на его компьютерной модели. Сущность имитационного моделирования состоит в том, что над моделью проводят эксперименты типа «Что, если…?». Изменяя исходные показатели в модели, анализируют результаты экспериментов. Имитационная модель реализуется на ЭВМ при помощи языков программирования. Очень часто, имитационные модели сложных технологических систем разрабатывают с использованием универсальных языков, таких как Паскаль, С⁺⁺, Delphi. Функционирование системы описывают последовательностью уравнений. Затем кодируют их на языке программирования и вводят программу в компьютер. Потом производят расчеты, изменяя некоторые коэффициенты. Разработка таких программ требует нескольких человеко-месяцев труда специалистов по технологии, математике и программированию. Модель получается достаточно громоздкой, в результате затрудняется ее исправление и дополнение. Зачастую разработка модели отстает от развития производства, и моделирование теряет смысл.

Альтернативой является использование методов, основанных на специализированных языках и системах имитационного моделирования ARENA, GPSS, SIMAN, SLAM, SIMSCRIPT, SIMULA, GASP и др. Специализированные языки содержат, как правило, написанные на универсальном языке блоки - отдельные динамические модели. Поведение системы имитируется как смена ее состояний. Процесс отображается не системой уравнений, а взаимодействием отдельных динамических моделей во времени и пространстве. Поведение системы описывается от события к событию, означающих начало или окончание технологической операции.

Одним из наиболее распространенных специализированных языков имитационного моделирования является GPSS, предложенный фирмой IBM в 1962г. Он развивался во многих версиях. В настоящем учебном пособии рассмотрена предпоследняя версия языка - GPSS/Н.

Недостатком имитационного моделирования является то, что необходимо интерпретировать результаты моделирования. Сам процесс имитации скрыт от экспериментатора. Поэтому специализированные языки имитационного моделирования соединяются с программами компьютерной анимации (CIMAN - CINEMA, GPSS/H - Proof Animation), позволяющими отображать динамику процесса на экране компьютера в соответствии с работой имитационной модели и выводить результаты на монитор.

Данное учебное пособие, являясь основным приложением к дисциплине «Компьютерная имитация и анимация», знакомит студентов с практическими возможностями использования современных методов имитационного моделирования при проектировании и анализе технологических систем, в качестве формальных моделей которых используют системы массового обслуживания.