Событийно-ориентированная система имитационного моделирования для разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных имитационных моделей

Сущность и актуальность исследования. В процессе создания и исследования сложных систем важное место занимает имитационное моделирование. Разработка имитационных моделей (ИМ) и проведение имитационных экспериментов (ИМЭ) позволяет оценить эффективность проектируемых систем, оптимизировать их структуру, обнаружить допущенные недоработки, проверить теоретические расчеты.

Вместе с тем, сама разработка адекватной и эффективной с вычислительной точки зрения ИМ является сложной и трудоемкой задачей. Для ее решения используются специальные программные комплексысистемы имитационного моделирования (СИМ), предоставляющие разработчику необходимые инструменты для создания ИМ и проведения ИМЭ. К сожалению, современные СИМ, основанные на агрегативном, либо процессно-ориентированном подходах к формализации, не могут обеспечить должной эффективности при моделировании сложных, комплексных систем, содержащих как дискретные, так и непрерывные части.

Выходом, как правило, становится использование событийного подхода, обладающего достаточной универсальностью для моделирования как дискретных, так и непрерывно-дискретных систем. Трудность состоит в том, что в данный момент событийные СИМ на рынке не распространены, а разработка соответствующих ИМ «с нуля» пагубно влияет как на сроки разработки, так и на общее качество полученных ИМ — их надежность, наглядность, адаптивность.

В такой ситуации становится актуальной разработка СИМ, использующей событийный подход к формализованному описанию систем и позволяющей создавать эффективные в вычислительном плане, обладающие высокой надежностью и адаптивностью ИМ дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных систем.

Объект исследования. Система имитационного моделирования для построения дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

Предмет исследования. Процесс разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

Цель работы. Целью работы является снижение трудоемкости разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ, повышение их наглядности, надежности и адаптивности, за счет создания и использования универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ.

Задачи исследования. Для достижения поставленных целей были решены следующие научно-технические задачи:

1. Разработка методологии построения СИМ, включающей в себя концепции:

— автоматизированной поддержки событийного подхода;

— интеграции СИМ в среду разработки программного обеспечения (ПО);

— инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.

2. Реализация предложенной методологии в виде действующей СИМ Modelling.

3. Демонстрация возможностей созданной СИМ Modelling на примерах разработки ИМ сложных технических систем.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием методов системного анализа, имитационного моделирования, объектно-ориентированного программирования, теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна:

1. Реализация автоматизированной поддержки событийного подхода для построения ИМ на основе графового представления структуры взаимосвязей временных и структурных модельных событий, используемого как на этапе формализации, так и на этапе создания имитационной программы (ИП).

2. Интеграция СИМ Modelling в среду разработки программного обеспечения (ПО) Delphi, что обеспечивает:

— быстроту освоения СИМ пользователями, знакомыми с указанной средой;

— автоматизированную поддержку разработки структуры ИМ и написания программного кода имитационной ИП;

— высокую эффективность программного кода ИП;

— отсутствие принципиальных ограничений со стороны ПО СИМ на возможность отображения моделируемых процессов любой природы и сложности;

3. Разработка универсального алгоритма продвижения модельного времени, основанного на комбинации метода модельных событий и метода фиксированного шага, позволяющего реализовать дискретные, непрерывные и непрерывно-дискретные ИМ, обеспечивающего контроль точности свершения структурных событий, а также возможность управления изменением класса ИМ в процессе проведения ИМЭ.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

1. Разработанная методология построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ для разработки непрерывных, дискретных и непрерывно-дискретных ИМ, включающая концепции: автоматизированной поддержки событийного подхода, интеграции СИМ в среду разработки ПО, инвариантности СИМ по отношению к классу моделируемых систем.

2. СИМ Modelling, реализующая предложенную методологию, а так же комплекс средств, обеспечивающих вспомогательную функциональность: группировку элементов модели и использование векторных модельных переменных при разработке структуры ИМ, гибкую настройку структуры ИМЭ, средства интерактивной отладки ИМ и проведения ИМЭ, автоматизацию сбора статистики, визуализацию результатов ИМЭ, генерацию отчетов по разработанным ИМ.

Научная значимость работы заключается в развитии методов автоматизации построения событийно-ориентированных ИМ различных классов.

Практическая значимость.

1. Реализация предложенной методологии построения универсальной визуальной событийно-ориентированной СИМ в виде действующей эффективной СИМ Modelling, автоматизирующей разработку событийных ИМ и работу с ними на всех стадиях технологического процесса: формализации ИМ, создания и отладки ИП, проведении ИМЭ, обработки и представлении результатов моделирования. Включенные в СИМ средства позволяют существенно сократить сроки разработки событийных ИМ, повысить наглядность, надежность и адаптивность получаемых моделей.

2. Использование СИМ Modelling при создании ИМ сложных технических систем и проведении имитационных исследований.

3. Использование СИМ Modelling как эффективного инструментального средства для поддержки учебного процесса по курсу «Компьютерное моделирование систем» на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ.

Достоверность полученных результатов определяется обоснованным применением аппарата имитационного моделирования, результатами проведенных имитационных экспериментов по исследованию реальных систем.

Внедрение результатов. Созданная СИМ Modelling была использована для разработки ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов (АСКМ) по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета», по хоздоговору на выполнении составной части ОКР «Создание программного обеспечения имитационной модели системы спутникового наблюдения для системы МШ-33» (№ 30 110−3 020, З/к-2005).

СИМ Modelling активно используется на кафедре 302 МАИ для проведения лабораторных работ и курсового проектирования по курсу «Компьютерное моделирование систем», а так же для выполнения дипломных проектов.

Внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на 9 научно-практических конференциях, а так же на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.

СИМ Modelling прошла патентование в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство № 2 005 611 129).

Вклад автора в проведение исследований:

— разработка концепций, лежащих в основе разработанной СИМ и способов их реализацииразработка способов реализации комплекса вспомогательных инструментальных средств, упрощающих и облегчающих процессы разработки ИМ и проведения ИМЭ;

— разработка программной реализации СИМ Modelling;

— участие в разработке ряда ИМ сложных технических систем, демонстрирующих возможности СИМ Modelling.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3-х отчетах по НИР и 9 печатных работах, а так же представлены на V Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи (НТТМ) 2005 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Объем диссертации 143 страницы машинописного текста, включает 60 рисунков и 4 таблицы.

Основные результаты и выводы.

1. Поставлена актуальная задача и разработана методология построения универсальной событийно-ориентированной визуальной СИМ, которая включает набор концепций, обеспечивающих эффективность процесса разработки дискретных, непрерывных и непрерывно-дискретных ИМ.

2. Определены подходы к реализации сформулированных концепций построения СИМ на основе интеграции инструментальных средств СИМ в среду разработки ПО Borland Delphi.

3. На основе разработанной методологии создана СИМ Modelling, обеспечивающая надежность, наглядность и адаптивность разработанных ИМ, высокую степень автоматизации и визуализации процесса имитационного моделирования на ключевых этапах: формализации ИМ, разработки ИП, проведения ИМЭ, анализа и представления результатов моделирования.

4. Программная реализация СИМ Modelling имеет объем около 38 ООО строк программного кода и зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство № 2 005 611 129).

5. Разработанная СИМ показала высокую эффективность при создании ИМ автоматизированной системы космического мониторинга подвижных морских объектов АСКМ по заказу ФГУП ЦНИИ «Комета». Использование включенных в СИМ инструментов существенно снизило трудоемкость разработки. По сравнению с созданием аналогичных ИМ программированием «с нуля», использование СИМ Modelling позволило сократить сроки разработки с примерно 1.5 лет до 3 месяцев, а число разработчиков с 4−5 человек до 1−2-х. Кроме того, существенно повысилась наглядность разработанных ИМ, их надежность и возможности по визуализации моделируемых процессов.

6. СИМ Modelling является одним из основных инструментальных средств, обеспечивающих учебный процесс по курсу «Компьютерное моделирование систем» на кафедре 302 «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МАИ. С ее помощью осуществляется проведение лабораторных работ, а так же курсовое и дипломное проектирование. Эффективность СИМ подтверждается тем, что студенты в условиях ограниченного во времени учебного процесса успешно осуществляют полноценную разработку ИМ систем различной сложности и классов.