Лекция 5
Імітаційне моделювання
Методи проектування імітаційних моделей
Формулювання проблеми та змістовна постановка задачі
Побудова концептуальної моделі
Автоматизація програмування
Програмна реалізація імітаційної моделі
Валідація та верифікація імітаційної моделі
У лекції 4 було подано визначення імітаційного моделювання та імітаційної моделі. Завдяки зниженню вартості комп'ютерної техніки та доступності спеціальних програмних засобів методи імітаційного моделювання широко використовуються для дослідження складних об'єктів і систем у найрізноманітніших галузях людської діяльності.
5.1. Доцільність використання імітаційного моделювання
Переваги застосування імітаційного моделювання найбільш помітно виявляються у разі моделювання виробничих і технологічних процесів, процесів матеріально-технічного забезпечення виробництва, у логістиці, а також під час проведення біз нес-планування, екологічних і соціологічних досліджень. Важливо, що імітаційне моделювання використовується, скоріше, як спосіб для осмислення проблеми і допомагає в цьому більше, ніж простий текстовий або математичний опис проблеми. Воно дає змогу глянути на складний процес ухвалення рішення більш масштабно, з погляду процесів, які відбуваються всередині системи, що моделюється.
Часто моделювання припиняють ще до того, як будуть отримані конкретні результати. Визначення моменту, в який зацікавлені сторони зрозуміють, що ж насправді відбувається в системі, уже може бути рішенням проблеми. Тому навіть не завжди потрібно провадити статистичну обробку результатів експерименту. Звичайно, це не є правилом, адже імітаційні моделі взагалі використовуються саме для експериментальних цілей, але безсумнівно те, що імітаційне моделювання — це технологічний процес, який проходить безліч стадій, вимагаючи від фахівців великих розумових і часових витрат.Питання доцільності використання імітаційного моделювання розглядалось протягом багатьох років безліччю дослідників — від Ф.Мартина [38] до В. Келтона [18] та ін. Проаналізувавши ряд праць, можна зробити такі висновки.
Імітаційне моделювання дає змогу досліджувати внутрішні взаємодії у складних системах або підсистемах у межах складної системи, а також експериментувати з ними.
Моделюючи інформаційні, організаційні впливи і впливи зовнішнього середовища, можна оцінити ефекти цих впливів на поведінку (функціонування) системи.
На основі знань, отриманих під час проектування імітаційної моделі, можна визначити способи вдосконалення системи, яка моделюється.
Змінюючи вхідні дані під час моделювання і спостерігаючи за вихідними даними, можна виявити, які змінні найбільш важливі та як вони взаємодіють.
Імітаційне моделювання можна використовувати як метод для поліпшення рішень, отриманих під час аналітичного аналізу, а також для перевірки аналітичних рішень.
Імітаційне моделювання можна використовувати для проведення експериментів з новими проектами або стратегіями їх упровадження, щоб заздалегідь спрогнозувати результати.
Імітаційне моделювання можна застосовувати для визначення вимог, яким має відповідати пристрій або система.
Імітаційні моделі можна використовувати для навчання операторів складних технологічних процесів без зайвих затрат на придбання обладнання, яке може пошкоджуватись, і запобігаючи нещасним випадкам.
Для імітаційного моделювання можна використовувати засоби анімації, які дають змогу спостерігати за операціями, що моделюються.
Сучасне виробництво настільки складне, що взаємозв'язки в ньому можна інтерпретувати тільки шляхом проведення імітаційного моделювання.
Аналізуючи праці Р.Шенона [67] і Дж.Банкса [72], можна визначити ситуації, коли провадити імітаційне моделювання не варто, а саме:
проблему можна вирішити шляхом логічного аналізу ситуації;
проблему можна розв'язати аналітичними методами, наприклад за допомогою теорії СМО;
результати можна отримати шляхом проведення прямих експериментів з об'єктом без втручання в технологічний процес, наприклад за допомогою хронометражу на робочих місцях;
для розроблення імітаційного проекту за визначений строк немає достатньої кількості ресурсів;
не можна отримати необхідні вхідні дані (імітаційне моделювання потребує великої кількості різноманітних даних, які досить важко збирати, більш того, вони можуть бути просто недоступними);
менеджери організації, яка замовляє проект, бажають отримати забагато від імітаційного моделювання і дуже швидко;
поведінка (режими функціонування) модельованої системи дуже складна або невизначена.
5.2. Методи проектування імітаційних моделей
Перш ніж розпочати побудову моделі, потрібно мати певну схему її проектування, за якою визначають основні принципи і методи розроблення імітаційної моделі. Сукупність правил виявлення та застосування системних принципів і методів визначає методологію проектування. Її можна розглядати на різних рівнях деталізації залежно від вибраних засобів розроблення програмних реалізацій імітаційної моделі. За допомогою вибраних програмних засобів визначають і можливі методи їх застосування. Так, наприклад, вибір за основу імітаційної моделі мереж СМО або Петрі заздалегідь визначає метод побудови її у вигляді формальних схем цих мереж.
Для створення імітаційних програм на рівні мовних засобів побудови моделей потрібно розробити алгоритми імітації, які можна подати у вигляді наборів типових обчислювальних схем. Під обчислювальною схемою імітаційного алгоритму розуміють спосіб його організації, який дає змогу відтворити в модельному часі динаміку функціонування системи [18].
Отже, перш ніж розпочати проектування імітаційної моделі, необхідно вибрати засоби програмування. Однак існують загальні методи побудови програмних реалізацій та проектування імітаційних моделей, які не залежать від вибраних програмних засобів.
5.2.1. Варіантний метод
Під час проектування імітаційної моделі варіантний метод є найпростішим та широко застосовуваним. Проектувальник послідовно крок за кроком створює імітаційну модель, опираючись тільки на свій досвід та інтуїцію. В процесі проектування розглядаються кілька варіантів кожної частини модельованої системи для її відображення в імітаційній підмоделі. Найдоцільніший варіант вибирається з урахуванням рішень, прийнятих відносно інших частин модельованої системи. Це так звана послідовна схема проектування, згідно з якою вибір варіанта імітаційної моделі є суб'єктивним і залежить від рівня знань проектувальника про систему.
Застосування варіантного методу рідко приводить до допустимих проектних рішень і не відповідає загальній схемі системного аналізу імітаційного моделювання. Така схема передбачає виконання ітераційної процедури, під час якої проектувальник не один раз повертається до вже розроблених частин імітаційної моделі і коригує їх, доки не буде впевненим, що модель відповідає цілям моделювання, або не відмовиться від неї.
5.2.2. Ітераційний метод
Суть цього методу полягає в тому, що шляхом багатьох ітерацій спроектована спочатку імітаційна модель перетворюється в таку, яка відповідає цілям моделювання. Цей метод є методом «проб і помилок», що передбачає послідовні циклічні зміни, у результаті чого отримують модель, яка задовольняє вимогам точності та адекватності. Циклічний ітераційний метод проектування потребує розгляду послідовності процедур прийняття рішень у процесі проектування. Крім того, весь хід проектування та остаточний результат значною мірою залежать від вибору початкової імітаційної моделі. Загальну схему такого проектування зображено на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема циклічного ітераційного проектування
Основна проблема в разі застосування як ітераційного, так і варіантного методу проектування полягає у виборі початкового варіанта моделі. Через те що вже під час формулювання проблеми та в процесі змістовної постановки задачі висуваються вимоги до моделі, визначаються вхідні та вихідні дані, проектувальник повинен вибирати початкову модель, використовуючи метод аналогії, який базується на знанні характеристик компонентів системи, технологічних засобів і прийнятих рішень у подібних умовах. Вибір вихідної імітаційної моделі дуже впливає на результати проектування та може зробити його неможливим або занадто дорогим. Визначення рівнів точності, достовірності й правильності вибраної імітаційної моделі є самостійною проблемою моделювання, яку необхідно вирішувати під час розроблення моделі.
Методи внесення змін у модель базуються на принципі напрямленого дослідження. Для його застосування можна побудувати в просторі параметрів імітаційної моделі гіперповерхню її показників точності та оптимізувати або хоча б поліпшити ці показники. Сама ж процедура внесення змін у варіант моделі звичайно потребує перевірки гіпотез, які формулюють з огляду на результати проектування попередніх моделей.
Якщо результати порівняння моделі і реальної системи незадовільні, то перш ніж вносити зміни в модель, необхідно сформулювати ряд гіпотез, за допомогою яких можна визначити причину невідповідності. Гіпотези доцільно формулювати для кількох рівнів представлення імітаційної моделі [60]:
опису структури;
алгоритмів поведінки;
параметрів і вхідних даних.
Вибір рівня, на якому коригуватиметься модель та локалізуватимуться причини невідповідності, є скоріше мистецтвом, ніж наукою, і успішний результат залежить від досвіду, знань та інтуїції проектувальника. Пошук причин невідповідності потрібно починати на рівні вхідних даних, для чого оцінюють чутливість моделі до їхніх змін. Якщо виявилось, що незначна зміна вхідних даних спричиняє значну зміну вихідних, то необхідно уточнити вхідні дані для моделі і (або) локалізувати блоки моделі, на які найбільше впливають ці вхідні дані. Виявлення причин такої сильної залежності може потребувати зміни структури імітаційної моделі шляхом заміни окремих блоків моделі на більш деталізовані, що, у свою чергу, спричинить зміну внутрішніх параметрів моделі та алгоритмів функціонування. Отже, у цьому разі рівні, на яких вносяться зміни в імітаційну модель, є взаємопов'язаними.
Параметричне налагодження імітаційної моделі вимагає пошуку найкращих (оптимальних) параметрів, при яких ступінь невідповідності між моделлю та системою буде мінімальним. Це типове завдання оптимізації параметрів моделі.
Алгоритми поведінки моделі можуть змінюватись локально, для окремих блоків моделі, або для моделі в цілому. Такі зміни вимагають більш детального вивчення поведінки модельованої системи і можуть змінити рівень деталізації в моделі.
Змінити структуру моделі складніше, ніж налагодити параметри моделі, бо це може спричинити зміну алгоритмів поведінки, параметрів і вхідних даних моделі. Таку перебудову моделі можна починати тільки тоді, коли всі інші можливості вичерпано. Перебудова структури моделі може призвести до глобальних змін імітаційної моделі та її заміни новою. Тому перш ніж змінювати структуру моделі, необхідно перевірити всі гіпотези щодо витрат, які потрібні для зміни моделі. Починати перевірку слід з гіпотези, яка вимагає мінімальних витрат, а отже, і мінімальних змін імітаційної моделі.
5.2.3. Ієрархічні методи
Незалежно від того, який метод використовується — варіантний чи ітераційний, — існують два принципово відмінних підходи до проектування імітаційних моделей. Згідно з першим підходом проектування здійснюється за схемою згори вниз (так зване ієрархічне, багаторівневе або низхідне проектування), згідно з другим — знизу догори (висхідне проектування).
Наявність цих двох підходів пов'язана з формальною теорією структур систем. Перший підхід передбачає розподіл системи на підсистеми з дотриманням принципу цілісності системи та називається декомпозицією. Другий підхід з позиції розгляду структури системи є оберненим до першого і називається композицією. Він передбачає розгляд структури системи з метою створення моделі, який починають з її елементів та підсистем, а потім переходять до системи в цілому.
Низхідне проектування
В основі методів низхідного проектування імітаційних моделей лежить принцип послідовної деталізації, або декомпозиції. Він полягає у поступовому уточнюванні абстрактного опису системи, у процесі якого на кожному етапі побудови моделі задається певний рівень деталізації відображення системи. Отже, в імітаційній моделі один і той самий компонент системи може бути описаний з різним рівнем деталізації. Під час переходу від одного рівня деталізації до іншого потрібно обов'язково перевіряти, чи задовольняє модель функціональним вимогам.
На першому етапі проектування будується найзагальніша однорівнева імітаційна модель системи, за допомогою якої оцінюються лише основні показники її роботи. На наступному етапі деякі блоки моделі описують більш детально. У такий спосіб під час переходу від вищого рівня опису кожного з блоків моделі до нижчого можна досягти більшої точності та адекватності моделі системи в цілому. Даний підхід дозволяє на кожному етапі проектування порівнювати різні варіанти моделі та оцінювати вплив результатів декомпозиції на вихідні параметри системи.
У процесі побудови імітаційної моделі під час переходу з одного рівня опису на інший слід дотримуватись одного з головних принципів декомпозиції ієрархічних систем, який полягає у необхідності ущільнення інформації та зменшення тривалості роботи блоків моделі у разі переходу з одного рівня деталізації на інший. Згідно з цим принципом обсяг інформації, яка передається з рівня більш деталізованого опису моделі на рівень менш деталізованого, має бути меншим. Крім того, час роботи блока на рівні з більшою деталізацією повинен бути меншим, ніж час роботи блока на рівні з меншою деталізацією.
З прагматичного погляду такий перехід на нижчий рівень опису моделі може здійснюватись шляхом заміни блока моделі вищого рівня низкою звернень до підпрограм, функцій або процедур, які докладніше відображають цей блок для нижчого рівня. Щоб побудувати таку програму моделювання, потрібно уніфікувати процес передавання параметрів від одного програмного блока до іншого. Це дає змогу організувати взаємодію блоків моделі, що мають різні рівні деталізації, і легко замінювати один блок на інший, більш детально описаний.
Такий підхід до проектування і програмної реалізації імітаційної моделі передбачає застосування принципів об'єктного та низхідного проектування програм. Для впровадження такого підходу найбільш придатними є об'єктно-орієнтовані мови моделювання і програмування з використанням ієрархії класів об'єктів. В класи об'єднують об'єкти з однаковими характеристиками, діями та поведінкою. Властивості та поведінка, притаманні об'єктам, визначаються в методах. У об'єктно-орієнтованих мовах і пакетах імітаційного моделювання обмін між класами об'єктів різних рівнів здійснюється за допомогою транзакцій або повідомлень, які можуть передавати методи й властивості від одних об'єктів класу до інших об'єктів класів.
Під час переходу від одного рівня деталізації до іншого потрібно обов'язково перевіряти, чи задовольняє модель функціональним вимогам, які пов'язані з принципами проектування ієрархічних систем. Необхідно провести аналіз кожної функції моделі і переконатись у тому, що вона знайшла своє відображення у формальному описі системи. Аналіз функцій моделі провадиться з врахуванням цілей моделювання і потребує детального описування роботи всіх її елементів на кожному рівні деталізації.
|