Исследование и разработка средств имитационного моделирования дискретных процессов преобразования ресурсов

Актуальность работы.

Данная работа посвящена, вопросам имитационного моделирования процессов преобразования ресурсов. К ним относится большинство окружающих нас процессов: процессы, протекающие в экономике, в производстве, в окружающей среде, в различных энерго-преобразовательных агрегатах и т. п.

Характерной особенностью применяемого в настоящее время на практике программного обеспечения имитационного моделирования является высокая универсальность программных средств. Так, при описании дискретных процессов большинство пакетов прикладных программ моделирования пригодно для алгоритмизации дискретных процессов в самом широком смысле или же, по крайней мере, для достаточно больших классов таких процессов. Это достигается за счет использования таких компонент дискретных процессов как, например, события или параметры состояний. Вследствие такой универсализации средств составления моделей процессов были разработаны и нашли применение достаточно простые способы представления процессов имитационными моделями. Именно это предопределило рост популярности имитации как метода среди исследователей и разработчиков.

Указанные особенности построения формальных систем алгоритмизации процессов, являющихся концептуальной базой распространенных сейчас языков моделирования, в определенной степени объясняют уровень сложности программного обеспечения имитационного моделирования, при котором обязательна специальная подготовка пользователей в области программирования. Этот факт создает существенные трудности для участия в создании и эксплуатации моделей специалистов, не являющихся профессиональными программистами. Однако, именно эти специалисты должны получить непосредственный доступ к машинным моделям и активно участвовать в проведении имитационных экспериментов.

Прямым следствием ограниченного вовлечения специалистов в практику решения задач имитации на стадиях программирования и работы с моделью на ЭВМ является использование элементов моделирования, содержательно неадекватных общепринятым (в среде специалистов) определениям объектов чв у исследования в понятиях данной предметной области. Целесообразна разработка некоторой системы «подходящих» элементов моделирования, использование которых позволило бы достаточно просто формализовать основные подструктуры процессов преобразования ресурсов. Тем самым, доминирующая сейчас концепция имитации по событиям (или состояниям) может быть заменена простым формальным описанием моделируемого процесса с помощью упорядоченного набора формальных элементов, отображающих существенные подпроцессы.

Таким образом, для дальнейшего развития программного обеспечения имитационного моделирования (ИМ) существенным является то, что становится оправданным специфическое построение элементов моделирования применительно к ограниченной области использования. Один из путей решения данной проблемы — построение и использование проблемно-ориентированных пакетов ИМ. Под проблемно-ориентированным пакетом ИМ предлагается понимать модульную систему программ, применяемую при решении следующих формулируемых на некотором проблемно-ориентированном языке задач: идентификация и формализация элементов процессов в диалоге человека с машинойпривязки формальных схем элементов процессов к общей моделиопределение параметров и начальных условийввод данных, вариации модели (параметров и структуры) — вывода и обработки данных.

Существующие средства ИМ процессов, как будет показано в дальнейшем, имеют ряд недостатков: неполный набор функциональных возможностей, * слабые средства моделирования конфликтов, неполное соответствие понятийного аппарата проблемной области процессов преобразования ресурсов, сложность при создании и работе с моделями, высокая стоимость (порядка 50−70 тысяч долларов), отсутствие поддержки русского языка.

В связи с этим, актуальным является исследование существующих математических моделей процессов адекватных процессу преобразования ресурсов и на их основе создание проблемно-ориентированного пакета ИМ, который должен обеспечить возможность специалистам самостоятельно создавать модели и с их помощью решать различные задачи анализа.

Объект исследования. Дискретные процессы преобразования ресурсов (ППР).

Предмет исследования. Методы машинной имитации и динамическое моделирование процессов преобразования ресурсов.

Цель работы. Анализ и разработка динамических математических моделей дискретных ППР и на их основе создание комплекса программ имитационного моделирования, обеспечивающего высокоуровневый интерфейс при разработке моделей и проведении экспериментов.

Идея работы заключается в использовании аппарата динамических экспертных систем к проблемной области процессов преобразования ресурсов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: методы системного анализа и синтеза, теория и методы искусственного интеллекта, теория сетей Петри, аппарат системных графов, аппарат продукционных систем, теория систем массового обслуживания, теория разностных уравнений, теория и методы принятия решений.

Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:

1. Математическая модель расчета показателей процесса преобразования ресурсов с учетом состава подпроцессов, их характеристик и связей, состояний ресурсов процесса и воздействий внешней среды, которая отличается: — представлением ППР в виде продукционной системы:

PS =< Rps, BpsJps > .

— представлением элемента 111 LP в виде продукции вида: с a (to,) Action т (ta), Action (¿-¡-дек), Action™^ (tUnLock), Action OUT (tEnd).

— подходом к представлению иерархии процесса преобразования ресурса в виде системного графа высокого уровня интеграции:

— г.

PRl*i =< {Senderm uOp" uResiverm}M-{PR^J-pl = ,., n[=J}j=2 ^{Relation fB) L=i >.

— алгоритмом работы машины вывода динамической экспертной системы (ЭС), который работает со списками различных типов правил преобразования и выполняет изменения состояний элементов рабочей памяти (ресурсов и средств).

2. Компьютерная технология создания графических моделей процессов преобразования ресурсов и проведения имитационных экспериментов, отличающаяся:

— ориентацией на диалоговое взаимодействие специалистов при вводе, корректировке данных, создании моделей и проведении имитационных экспериментов;

— наличием эффективных средств моделирования конфликтов на общих ресурсах и средствах (моделирование прерываний).

Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

— привлечением формальных логических теорий для доказательства научных положений;

— применением компьютерной технологии моделирования III IP на предприятиях.

Научная новизна исследований Исследования проводились на основе анализа сложившихся подходов к моделированию динамических 111 LP. Научную новизну раскрывают следующие результаты:

— с единых позиций рассмотрены различные процессы преобразования ресурсов (бизнес-процессы, производственные, технологические, социальные, экономические, экологические, физические);

— показана неполная адекватность типовых математических моделей сетей Петри, расширенных сетей Петри (NE-схемы), систем массового обслуживания (Q-схемы), моделей системной динамики) процессу преобразования ресурсов;

— на основе интеграции аппарата динамических экспертных систем и системных графов разработана математическая модель ППР;

— предложены новые технические решения по построению проблемно-ориентированного пакета ИМ процессов преобразования ресурсов на основе аппарата динамических экспертных систем, разработана графическая нотация ППР и алгоритм работы машины вывода, минимизирующий вычисления, которые легли в основу созданного пакета ИМ процессов преобразования ресурсов BPsim.

Практическое значение исследований состоит в том, что разработанные математические модели и пакет прикладных программ имитационного моделирования ППР позволяют:

— реализовать (в диалоговом режиме) процесс структурного и параметрического синтеза модели ППР;

— осуществить проведение функционально-стоимостного анализа модели ППР;

— проводить имитационные эксперименты с их последующим анализом.

Личный вклад автора состоит: * - в исследовании существующих средств имитационного моделирования;

— в исследовании возможности использования типовых математических схем для формализации ППР;

— в разработке модели ППР, основанной на аппарате продукционных систем и системных иерархических графов;

— в разработке графической нотации описания ППР;

— в разработке требований к программному пакету имитационного моделирования ППР, его информационного, алгоритмического, методического и лингвистического обеспечения.

Реализация работы. Пакет имитационного моделирования ВРБкп внедрен в ЗАО «Ведение реестров компаний», в отделе оконных конструкций ЗАО «Уральская индустриальная группа», в машиностроительном производстве ОАО «УРАЛХИММАШ», в ООО «Маяк-Урал», на кафедре АСУ УГТУ-УПИ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Информационные технологии и электроника». (Екатеринбург, 2000, 2001), Межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (Вологда, 2001), Международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта». (Вологда, 2001), IX Всероссийском семинаре «Нейроинформатика и ее приложения» (Красноярск, 2001), Всероссийской научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в вузе» (Екатеринбург, 2001), Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2001), конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2001, 2002), конференции, посвященной 50-летию РТФ (Екатеринбург, 2002). Результаты работы были представлены на: Мировом конгрессе по Роботам в Корее (Сеул, 2002), 4-ом * симпозиуме по математическому моделированию МАТНМОО в Австрии (Вена,.

2003). Результаты диссертации использовались при разработке «Интернет-среды макроэкономических исследований региона», поддержанной РФФИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ и выпущены 2 научно-технических отчета.

Структура предлагаемого материала выглядит следующим образом.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем основной части работы составляет 152 страницы машинописного текста. Диссертация содержит 78 рисунков и 7 таблиц.

Список литературы

включает 80 наименований.

Выводы.

1. Как следует из данной главы, на основе результатов проведенных экспериментов и результатов внедрения, теоретические результаты диссертации прошли проверку в условиях действующих предприятий и учебного заведения, что подтвердило правильность и обоснованность разработанных положений и выводов.

2. Прикладной программный пакет ВРз1т работоспособен и обеспечивает возможность:

— создания сложных имитационных моделей дискретных процессов преобразования ресурсов;

— проведения структурного и параметрического синтеза модели процесса преобразования ресурсов;

— формирования отчетов по структуре процесса;

— формирования отчетов по результатам экспериментов;

— экспорта результатов экспериментов во внешние средства анализа данных;

— оценки состояния ресурсов и средств, временные и стоимостные характеристики процесса преобразования ресурсов, а также производных и консолидированных параметров;

— проведения функционально-стоимостного анализа процесса преобразования ресурсов.

Заключение

.

Таким образом, в рамках данной работы получены следующие результаты:

1. Определен перечень характеристик и проведен сравнительный анализ наиболее распространенных проблемно-ориентированных 111 III имитационного моделирования ППР: Arena, ARIS, iThink, PowerSim, ReThink. Определены недостатки высокоуровневых систем ИМ, к которым можно отнести: слабые средства моделирования конфликтов, возникающих на общих ресурсах и средствахнеполная проблемная ориентацияотсутствие поддержки русского языканеполный набор функциональных возможностейвысокая стоимость.

2. Определены требования к математической модели ППР, которая должна обеспечивать: учет различных типов ресурсов, состояния ресурсов и операций, возникновения конфликтов на общих ресурсах и средствахслияния и разветвления потоков ресурсов, иерархическое представление структуры процессова также расчет характеристик процесса на каждом уровне иерархии.

3. В рамках разработанной математической модели:

• определены основные объекты моделирования дискретных ППР и их характеристики (операцииресурсысредствазаявкиочереди заявоксообщенияпроцессыисточники ресурсовприемники ресурсовперекресткипараметры) и система выполняемых ими действий;

• с точки зрения использования для построения математической модели ППР рассмотрены типовые математические модели (сети Петри (N-схемы), расширенные сети Петри (E-сети), модели системной динамики, системы массового обслуживания (Q-схемы)). Показана их неполная адекватность процессам преобразования ресурсов;

• для расчета консолидированных параметров процесса на различных уровнях иерархии процесса применен аппарат системных графов;

• для расчета текущих и интегральных характеристик процессов преобразования ресурсов применен аппарат продукционных систем;

• разработана структура продукционной системы, типы правил и механизм вывода;

• разработаны методы повышения быстродействия (сокращения перебора правил), основанные на учете специфики проблемной области процессов преобразования ресурсов.

4. На основе математической модели определены:

• графическая нотация языка моделирования lili?;

• интерфейсы 111 111, ориентированные на конечного пользователя;

• программное, информационное, методическое обеспечение проблемно-ориентированного пакета «BPsim»;

• технология работы с lilili «BPsim».

5. Разработан пакет BPsim, обладающий полным перечнем функциональных возможностей предъявляемых к проблемно-ориентированному 111 111 имитационного моделирования и отличающийся:

• эффективными средствами моделирования конфликтов на общих ресурсах;

• понятийным аппаратом, ориентированным на проблемную область процессов преобразования ресурсов;

• поддержкой русского языка.

6. Созданный пакет прикладных программ имитационного моделирования «BPsim» внедрен в ЗАО «Ведение реестров компаний», в отделе оконных конструкций ЗАО «Уральская индустриальная группа», в машиностроительном производстве ОАО «WAJIXHMMAIII», в ООО «Маяк-Урал», в учебном процессе на кафедре АСУ УГТУ-УПИ.