Раздел 2.Имитационное моделирование

Тема 2.1. Имитационное моделирование на ЭВМ

Сущность имитационного моделирования

В случае, когда процессы в изучаемой системе столь сложны и многооб­разны, что аналитические модели становятся слишком грубым приближени­ем к действительности, возможным выходом является имитационное моде­лирование.

Например, для исследования эффективности работы билетной кассы и определения необходимого количества кассиров возможно применение ана­литических методов теории массового обслуживания. Но применение этих методов значительно осложняется для систем:

• обслуживающих заявки в несколько этапов;

• работающих в нестационарном режиме, с технологическими переры­вами;

• обслуживающих заявки с различными приоритетами и закономерно­стями времени обслуживания (например, приобретение билета на междуна­родный рейс требует большего времени) и т. п.

Возможным подходом решения данной задачи является имитационное моделирование, при котором процесс функционирования билетной кассы воспроизводится на ЭВМ, причем элементарные явления, составляющие этот процесс, имитируются с сохранением логической структуры и последо­вательности протекания. В процессе имитации фиксируются определенные события и состояния, по которым вычисляются характеристики качества функционирования системы.

В частности, имитация процесса функционирования билетной кассы за­ключается:

• в имитации поступления в кассу посетителей через случайные проме­жутки времени (в соответствии с существующими вероятностными законо­мерностями);

• постановке посетителей на обслуживание или в очередь, в зависимости от свободности / занятости кассы в момент поступления требования;

• имитации обслуживания посетителей кассиром в течение случайных интервалов времени;

• удалении из кассы обслуженных посетителей и постановке на обслу­живание посетителей, ожидающих в очереди;

• сборе статистики о времени пребывания посетителей в очереди и на обслуживании, длине очереди, времени загрузки кассира и других характе­ристиках функционирования кассы.

В более сложных случаях при имитации можно учитывать поступление нескольких групп посетителей, требующих различных приоритетов (ветера­ны, студенты) и длительности обслуживания (покупатели билетов на приго­родные или международные рейсы), наступление технологических переры­вов и прочих штатных ситуаций.

Многократно воспроизводя процесс функционирования билетной кассы, накапливают статистический материал, который позволяет судить об эф­фективности технологического процесса (количество поступивших и об­служенных покупателей, средняя длина очереди, среднее время ожидания, коэффициент загрузки кассира и прочее) и об его оптимизации (изменение количества кассиров, автоматизация их работы, изменение расписания тех­нологических перерывов и т. п.).

Возможности имитационного моделирования на ЭВМ

Хотя имитацию процесса функционирования билетной кассы (и других объектов) теоретически можно выполнять «на бумаге», количество данных, которые должны сохраняться и обрабатываться при моделировании (время поступления, длительность ожидания и обслуживания каждого посетителя), диктует необходимость применения ЭВМ. Для имитационного моделирова­ния на ЭВМ необходима реализация следующих видов алгоритмов:

• имитации во времени процесса функционирования элементов иссле­дуемого объекта;

• обеспечения взаимодействия элементов исследуемого объекта и объе­динения их в единый процесс;

• генерации случайных факторов с требуемыми вероятностными харак­теристиками;

• статистической обработки и графической презентации результатов имитационного эксперимента.

Развитие компьютерной техники решило проблемы с моделированием большого количества элементов систем и их взаимодействия, а также со сбором статистической информации о функционировании модели системы. Поэтому в настоящее время имитационное моделирование позволяет рас­сматривать исследуемые системы, практически любой сложности, на любом уровне детализации. При этом в имитационной модели (ИМ) можно реали­зовать практически любой алгоритм управленческой деятельности или по­ведения системы.

Имитационное моделирование на ЭВМ позволяет получать наглядную картину поведения системы, рассматривать различные варианты модели, отвечающие различным сторонам функционирования системы и возможным структурным преобразованиям, получать значения необходимых количест­венных характеристик. Поэтому имитационное моделирование в настоящее время получает все большее распространение в исследовании сложных тех­нических систем и технологических процессов. Целесообразность примене­ния имитационного моделирования становится очевидной при наличии сле­дующих условий:

• не существует законченной математической постановки задачи либо еще не разработаны аналитические методы решения сформулированной за­дачи;

• аналитические методы имеются, но математические процедуры столь сложны и трудоемки, что имитационное моделирование дает более простой способ решения задачи;

• кроме оценки определенных параметров, требуется осуществить на­блюдение за ходом процесса функционирования системы в течение некото­рого времени. При этом имитационное моделирование дает возможность полностью контролировать время изучения системы, поскольку явление может быть замедлено или ускорено по желанию;

• необходимо использование ИМ в качестве тренажера при подготовке специалистов. При этом ИМ может применяться для приобретения новых навыков в управлении системой и освоения правил принятия решений.

Важными ограничениями имитационного моделирования является то, что:

• оно не предоставляет непосредственного решения математических за­дач, что характерно для аналитических методов. Оно служит в качестве средства для анализа поведения системы в условиях, которые определяются экспериментатором;

• разработка хорошей ИМ часто обходится дороже создания аналитиче­ской модели и требует наличия квалифицированных специалистов и боль­ших затрат времени;

• при использовании ИМ применяются многочисленные методы стати­стического анализа данных, что усложняет исследование.

Преодоление перечисленных выше ограничений лежит на пути создания программно-технологического инструментария, позволяющего автоматизи­ровать этапы построения ИМ систем и тем самым ускорить сроки их иссле­дования.