Vi-метод исследования процесса функционирования СМО с сетевой структурой на основе имитационного моделирования

Актуальность. С развитием технического прогресса появилась необходимость в изучении и анализе систем, обладающих сложной структурой и разветвленной функциональностью, что делает актуальным проведение экспериментов с целью анализа эффективности структуры системы, оптимальности ее функционирования и других параметров. Прогрессирующая сложность инициирует развитие такого процесса исследования, как моделирование, представляющего собой активный, эффективный и эволюционирующий инструмент исследования.

Возрастающие объемы перерабатываемой информации подчеркивают необходимость создания специализированных средств моделирования, основополагающим назначением которых является эргономичность, компактность представления информации и высокая скорость ее обработки при условии повышения надежности, гибкости, адаптивности и простоты модификации. Динамика развития современных вычислительных средств делает актуальной смещение акцентов исследовательской деятельности из области функционально-параметрического синтеза в область исследований, связанную с проблемой наглядности, легкости восприятия и достоверности представления информации для пользователя.

Рост промышленного производства, развитие средств вычислительной техники, современные научные концепции компьютерного моделирования актуализируют использование такого подхода, как имитационное моделирование, которое основывается на применении класса специализированных языков, использующих методы структурного и модульного программирования, проектирования, средства поддержки формального и неформального описания системных требований и спецификаций.

Исследования показывают, что существующие на сегодняшний день языки имитационного моделирования ориентированы на ограниченный круг решаемых задач. Отсюда вытекает проблема создания нового программного средства, удовлетворяющего не только непосредственно требованиям оптимального создания и реализации имитационных моделей для сложных структур из разнородных элементов, но и возможности использования этих программных средств широким кругом пользователей.

При этом актуальность решения данной проблемы определяется:

1. Недостаточной проработанностью обобщения разноаспектных методов обработки и анализа результатов моделирования;

2. Узкой специализацией языков имитационного моделирования, ориентированных на решение определенного класса задач;

3. Сложностью использования существующих программных средств имитационного моделирования не специалистами в области программных разработок;

4. Отсутствием высокоэффективных инструментальных средств поддержки имитационного моделирования, основанных на применении концепций объектно-визуального проектирования, использующих обобщающие концепции инкрементного и событийного подходов и поддерживающих схемы организации приоритетного обслуживания.

Цели и задачи исследования. Целью работы является увеличение эффективности процесса разработки имитационных моделей СМО с сетевой иерархической структурой на основе создания Vi — метода, включающего методику визуального конструирования предметной области на базе графического представления, формально-статистического аппарата анализа и обработки результатов моделирования. Эта цель достигается решением следующих частных задач:

1. Анализ методов, методик, моделей представления СМО и обобщение их в едином подходе визуального представления предметной области;

2. Разработка метода синтеза и анализа структурно-графического представления моделей, основанного на их топологической (структурной) компоновке;

3. Разработка для моделируемых систем критериев функционирования, которые позволяют осуществить качественный и количественный анализ системотехнических решений;

4. Разработка синтаксиса, семантики и прагматики Vi — модели визуального представления СМО;

5. Создание инструментального программного средства поддержки имитационного моделирования на основе визуального конструирования имитационных моделей, обеспечивающего автоматизацию сквозного процесса моделирования сетевых СМО и возможность оценки результатов моделирования.

Методы исследований. В работе использованы методы теории имитационного моделирования, теории множеств, теории логического проектирования, теории графов, системного анализа, теории знаний и баз данных.

Научная новизна.

1. Разработан Vi — метод визуального проектирования имитационных моделей, позволяющий представлять СМО с сетевой структурой, учитывающий особенности предметной области, архитектурной компоновки элементов модели, обеспечивающий эффективное человеко-машинное взаимодействие и основанный на концепциях построения структурных графов;

2. Предложено описание алгоритмов формализации объекта моделирования и среды моделированияпредложена схема объединения инкрементного и событийного подходов организации вычислений и описание моделей функционирования многоканальных сетевых СМО при наличии нескольких источников потоков заявок, с использованием различных дисциплин организации очереди, при возможности проведения одиночного, группового или смешанного обслуживания и организации приоритетного обслуживания, с использованием относительных и абсолютных приоритетов;

3. Разработана методика представления и обработки результатов моделирования, позволяющая манипулировать различными формами представления статистической информации;

4. Создан инструментарий в составе методического, алгоритмического и программного обеспечения, обеспечивающий поддержку процесса моделирования СМО от постановки задачи исследования до анализа полученных статистических результатов моделирования;

Практическая ценность. В результате исследований создан инструментальный программный комплекс имитационного моделирования систем массового обслуживания («КИМСМО»). Данный инструментальный комплекс позволяет исследовать разноаспектные СМО с сетевой структурой, повысить качество проектирования моделей, сократить временные и стоимостные затраты на организацию процесса моделирования и анализ его результатов. С использованием инструментального комплекса были проведены работы по разработке и внедрению ряда имитационных моделей в различных коммерческих и государственных предприятиях. Практическая значимость подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на международной научно-технической конференции «ТРАСКОМ 97», проходившей в СПГУВК в 1997 г. и «ТРАСКОМ 98», проходившей в СПГУВК в 1998 г.- научно-методической конференции, посвященной 190-летию транспортного образования, проходившей в СПГУВК в 1999 г. и международной конференции по информационным сетям и системам «ICINAS-2000», проходившей в СПГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в 2000 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, (из них 6 научных статей и 4 — тезисы к докладам на конференциях).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Состоит из 163 страниц, 68 рисунков, 25 таблиц.

4.4. Основные результаты.

1. На базе комплекса «КИМСМО» разработана имитационная модель «Управление грузоперевозками». Анализ результатов моделирования позволяет оценить изменение объемов грузоперевозки в зависимости от количества и состава транспортного флота. Определено минимальное количество судов, позволяющее осуществить максимальной объем перевозки груза за определенный временной интервал.

2. На базе комплекса «КИМСМО» разработана имитационная модель прохождения судами участка водного пути, оборудованного двумя шлюзами «Управление шлюзованием». Проанализированы результаты моделирования функционирования шлюзов при реализации различных механизмов обслуживания: шлюзование группы судов начинается при полном заполнении шлюзашлюзование начинается для группы судов, сформированных на текущий момент.

3. На базе комплекса «КИМСМО» разработана имитационная модель «Функционирование центра занятости населения». Проанализированы результаты моделирования двух схем организации функционирования ЦЗН: с выделением отдельных специалистов отдела трудоустройства для проведения первичного приема безработных и при совмещении специалистами функций проведения повторного и первичного приема.

4. Применение комплекса «КИМСМО» позволило промоделировать функционирование вышеуказанных систем, оценить результаты применения различных схем организации процесса обслуживания и определить оптимальную конфигурацию систем, в соответствии с выбранными критериями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена имитационному моделированию СМО с сетевой структурой на основе создания визуального метода структурно-графического представления и формального исследования моделей, позволяющего путем манипулирования структурно-графическими спецификациями задавать сложную сетевую иерархическую архитектуру моделируемых объектов.

В процессе исследовательской работы был проведен анализ целей, задач и методов моделирования, рассмотрены основы методологии моделирования СМО, отмечены достоинства и недостатки аналитического и имитационного моделирования, выделены основные методы организации вычислений, проведен обзор и сравнительный анализ различных специализированных языков имитационного моделирования. Рассмотрены вопросы, посвященные разработке теоретических основ концепции Vi — метода моделирования, в том числе, созданию методики формализации моделируемого объекта, моделей анализа правильности формализации объекта, схем организации среды моделирования, анализа и обработки результатов. Проведено описание разработанного инструментального комплекса «КИМСМО», являющегося практической реализацией предложенного Vi — метода моделирования, рассмотрены технические детали реализации основных подсистем, из которых состоит данный инструментальный комплекс, описана поэтапная методика проведения модельного эксперимента с использованием инструментального комплекса «КИМСМО» и методика обработки статистической информации. По предложенной методике проведена формализация ряда задач. Использование инструментального комплекса «КИМСМО» позволило сократить временные затраты на разработку и анализ имитационных моделей примерно на 25−30% для специалистов, имеющих навыки использования специализированных средств имитационного моделирования, и сократить примерно в 2−3 раза временные затраты, связанные с обучением пользователей, ранее не использовавших средств моделирования и не являющихся профессионалами в области программирования.

В процессе диссертационного исследования были получены следующие научно-практические результаты:

1. Разработано высокоэффективное инструментальное средство поддержки имитационного моделирования — Vi — метод — на основе структурно-графического представления имитационных моделей с применением концепций объектно-визуального проектирования.

2. Разработаны методы и критерии формализации исследуемой системы, созданы микромодели четырех типов (Поток, Устройство-Накопитель, Таймер, Узел), позволяющие формализовать структуру имитационной модели.

3. Определены алгоритмы формализации девяти классов объектов (Вход, Сервис, Выход, Старт, Путь, Копия, Слияние, Встреча, Изменить), используемых для проектирования имитационных моделей.

4. Созданы методики организации процесса имитации функционирования системы, обеспечивающие симбиоз событийного и инкрементного подходов к организации вычислений при имитационном моделировании.

5. Разработан многофункциональный инструментарий для обработки результатов моделирования на основе анализа и документирования статистической информации моделируемой системы (таблиц, диаграмм, графиков и т. д.).

6. Создан инструментальный программный комплекс «КИМСМО», поддерживающий реализацию методики визуального проектирования и обеспечивающий автоматизацию сквозного процесса моделирования сетевых СМО и возможность оценки результатов моделирования.

7. На базе комплекса «КИМСМО» разработан ряд имитационных моделей:

• «Управление грузоперевозками»;

• «Управление шлюзованием»;

• «Функционирование центра занятости населения».

8. Применение комплекса «КИМСМО» позволило промоделировать процесс функционирования вышеуказанных объектов, оценить результаты применения различных схем организации процесса обслуживания и определить оптимальные параметры функционирования моделируемых объектов в соответствии с выбранными критериями. Применение и эксплуатация комплекса «КИМСМО» продемонстрировала эффективность предложенного Vi-метода.