Методы и средства имитационного моделирования в задачах исследования и проектирования дискретно-событийных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Девятков, Тимур Владимирович

• Девятков, Тимур Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Девятков, Тимур Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: ОБЗОР И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ.

1.1. Классический подход к проведению имитационных исследований.

1.2. Этап S1: Постановка задачи.

1.3. Этап S2: Сбор и обработка данных.

1.4. Этапы S3 и S4: разработка и корректировка модели; моделирование.

1.5. Этап S5: Накопление результатов моделирования.

1.6. Этап S6: Планирование экспериментов.

1.7. Этап S7: Анализ результатов.

1.8. Этап S 8: Завершение исследований.

1.9. Постановка задачи диссертационной работы.

1.10. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. КОНЦЕПЦИИ И АРХИТЕКТУРА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ИМИТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Обзор систем имитационного моделирования.

2.1.1. Общецелевые системы дискретно - событийного имитационного моделирования.

2.1.2. Коммерческие симуляторы.

2.2. Классификация САИИ.

2.2.1. Интегрированные моделирующие среды для профессионалов ИМ.

2.2.2. Универсальные моделирующие среды для широкого круга исследователей из различных отраслей экономики.

2.2.3. Имитационные приложения для крупных корпораций и предприятий.

2.3. Разработка архитектура САИИ.

2.3.1. Сервис ориентированная архитектура.

2.3.2. Состав программных сервисов и компонент САИИ.

2.3.3. Информационная структура САИИ.

2.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА АНАЛИЗА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ БОЛЬШОЙ РАЗМЕРНОСТИ, ОСНОВАННОГО НА РАСПОЗНАВАНИИ ОБРАЗОВ.

3.1. Терминология теории распознавания образов.

3.2. Разработка метода определения функции распределения (плотности) на базе выборок большой размерности.

3.2.1. Получение исходных данных.

3.2.2. Предпроцессная подготовка к распознаванию.

3.2.3. Выделение законов.

3.2.4. Пример полученной комбинации законов для реальной статистики.

3.2.5. Использование метода при обработке выходной статистики имитационных

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства имитационного моделирования в задачах исследования и проектирования дискретно-событийных систем»

Актуальность темы диссертации

Перед экономикой России в начале 21 века стоит дилемма - или оставаться страной, поставщиком сырья и энергоносителей, или играть роль независимого государства с инновационной экономикой, основанной на знаниях и передовых технологиях. Особенно остро этот вопрос стал во время мирового экономического кризиса. С учетом благоприятно сложившейся ситуации на сырьевых рынках и накоплением государством значительных средств, Правительством России начаты практические действия для перехода к инновационной экономике. Сейчас реализуется множество федеральных целевых программ, появляются современные отечественные разработки во всех областях экономики, модернизируются производства, внедряются новые технологии.

В связи с этим все более востребованным является умение и возможность своевременно и достоверно осуществлять прогнозирование функционирования и развития предприятий, технологий и других сложных систем. Чрезвычайно важно ответить на множество вопросов типа - «А что будет, если .?». Например, «А что будет, если -увеличить загрузку системы? уменьшить время обработки? ввести дополнительные мощности? и т.д.».

Получение точных и своевременных ответов на эти вопросы позволит существенно уменьшить издержки предприятий на эксплуатацию систем или избежать дополнительных затрат в процессе разработки или модернизации. Одним из важнейших и наиболее эффективных инструментов, для получения ответов на эти вопросы, является имитационное моделирование (ИМ).

Действительно, в отличие от других методов, например, аналитических моделей, имитационная модель может описать функционирование системы без ограничений по уровню детализации, практически «как есть» в реальной действительности. Особенно эффективность применения ИМ возросла в последнее время, в связи со стремительным ростом вычислительных возможностей и совершенствования программных технологий.

Но, кроме применения современных вычислительных и программных средств, для расширения границ применения методов ИМ необходим и кардинальный технологический пересмотр и всего процесса организации и проведения имитационных исследований, более четкого разделения функций между всеми участниками имитационных исследований. Желательно автоматизировать большую часть этапов имитационных исследований, объединить их в рамках единой программной системы и создать необходимый базис инструментальных средств для разработки имитационных приложений в конкретных областях экономики.

Цель работы

Разработка интегрированной программной системы имитационных исследований и ее практическая апробация на конкретных примерах. Для достижения этой цели вводится понятие систем автоматизации имитационных исследований (САИИ), приведена их классификация. Осуществлена структуризация САИИ.

Объект исследования

Процесс имитационных исследований, методы и среды имитационного моделирования, средства автоматизации процессов создания и применения имитационных моделей и имитационных систем.

Предмет исследования

Данная диссертация посвящена анализу и исследованию всего цикла имитационных исследований дискретных систем и разработке теоретических основ, методик, технологий и инструментальных программных средств автоматизации для некоторых этапов исследования.

Задачи исследования

1. Анализ существующих систем имитационного моделирования, чаще всего используемых специалистами.

2. Разработка физического и внешнего уровней предлагаемой системы автоматизации имитационных исследований.

3. Разработка надстроек для системы автоматизации имитационных исследований, реализующих основные этапы имитационных исследований.

4. Практическое использование созданной системы.

Методы и средства исследования

Для достижения поставленных целей в работе применяются: аппарат теории вероятностей; матехматической статистики; методов оптимизации; методов распознавания образов; имитационного моделирования. При проведении имитационного моделирования применен пакет прикладных программ GPSS World. Для проведения статистических исследований использован пакет прикладных программ Statistica 7.0. Для оптимизации использовался пакет программ MS Excel. Другие программные средства, использованные при проведении исследований, разработаны самостоятельно.

Положения, выносимые на защиту

1. Структуризация процесса проведения имитационных исследований. 5

2. Классификация комплексных систем проведения имитационных исследований, концепции их построения и архитектура.

3. Способы и программные средства интеграции имитационных исследований.

4. Метод распознавания статистических законов для обработки выборок большой размерности.

5. Результаты имитационного исследования с использованием разработанного приложения.

Научная новизна

1. Проведена структуризация классического процесса имитационных исследований, с целью его последующей автоматизации и интеграции в рамках единого программного комплекса. Выделены основные этапы имитационного исследования и проанализированы их функции и состояния.

2. Разработана архитектура трех типов САИИ, рассмотренных в диссертации.

3. Разработан и программно реализован метод распознавания статистических законов для обработки выборок большой размерности.

4. Проведено исследование и получены зависимости основных показателей функционирования коллективного центра обработки информации (КЦОИ) ЦБ РФ.

5. Проведена оптимизация и получены оптимальные значения факторов функционирования КЦОИ ЦБ РФ.

Обоснованность и достоверность

Достоверность научных положений определяется корректностью используемых моделей данных и стандартов, всесторонней апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах, докладах на Международных и Всероссийских научных конференциях, положительными результатами практического использования разработанной системы в различных отечественных организациях.

Практическая ценность работы

1. Введен интегрированный коэффициент оценки качества имитационной среды, вычисленный на основе экспертных оценок.

2. Разработано описание процесса имитационного моделирования, практическая реализация которого показана в диссертации на ряде реальных применений.

3. Разработан метод получения аналитической зависимости исходных данных при помощи комбинации статистических законов.

4. Разработаны инструментальные средства автоматизации имитационного моделирования для разных групп пользователей. 6

5. Получена аналитическая запись для общей нагрузки на сервер КЦОИ ЦБ РФ.

6. Получены оптимальные значения факторов функционирования КЦОИ ЦБ РФ.

Реализация результатов работы

Результаты диссертации в виде методик и имитационных приложений, практически используются на ряде предприятий. Например, КЦОИ ЦБ РФ (г. Санкт-Петербург), ОАО РЖД (г. Москва), ИПИ РАН (г. Москва) и др. Компанией ООО «Элина-Компьютер» (г. Казань) сейчас проводится ряд работ с использованием результатов работы в различных областях - судостроение, авиация и т.д.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на всероссийских научно-технических конференциях: «Информационные технологии в науке, образовании и производстве», г. Казань, 2006, 2007; "Туполевские чтения; на международных конференциях: "ИММОД", г. Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2007, 2009; "Information Technologies and Mathematical Simulation of System". Майорка, Испания, 2009 г. и Корсика, Франция, 2010г.; "13th IF AC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing", Moscow, Russia; 33-й Международный семинар-презентация Автоматизация. Программно-технические средства. Системы. Применения (2-3 июня 2009 года); на научно- практической конференции «Инновационный путь развития РФ как важнейшее условие преодоление мирового финансово-экономического кризиса». М.:ВЗФЭИ, 2009.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 14 - в трудах Международных и национальных научно-технических конференций, 2 - в виде статей в научно-технических журналах, входящих в Перечень ВАК, 2 авторских свидетельства.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и приложения, содержит 183 стр. текста, список использованных источников, включающий 69 наименований, в том числе 18 работ автора.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Девятков, Тимур Владимирович

4.5. Выводы по главе

2. Разработка САИИ типа 1, типа 2 и типа 3 показала высокую эффективность интеграции имитационного исследования в рамках единого программного продукта и выявила множество направлений для автоматизации работы пользователя в дальнейшем.

3. Проведен количественный анализ процессов разработки САИИ и внедрения их на практике.

Заключение

В результате выполнения исследований и разработок, проведенных автором в диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Проведен детальный анализ и формализация процесса имитационных исследований при классическом подходе к моделированию и разбиение этого процесса на основные этапы с точки зрения их автоматизации и интеграции в рамках единого программного продукта.

2. Осуществлен сравнительный анализ реализованных функций автоматизации и визуализации каждого из этапов процесса имитационных исследований в существующих системах ИМ и других, используемых исследователями, программных средствах.

3. Введено понятие системы автоматизации имитационных исследований (САИИ) и основные показатели их оценки — время исследования, степень визуализации и уровень автоматизации.

4. Проведен анализ и классификация множества САИИ на три основных типа и осуществлена формализация процессов ИМ во всех трех типах САИИ на уровне этапов и состояний этапов.

5. Разработаны концепции построения и общая архитектура САИИ на базе сервис ориентированного подхода (БОА), построена информационная модель данных.

6. Теоретически разработан и программно реализован новый метод обработки статистических данных большого объема на основе распознавания образов.

7. Осуществлена программная реализация САИИ всех трех типов и проведена их практическая апробация в ведущих организациях страны.

8. Проведены сравнительные исследования результатов внедрения автоматизации в ряде практических задач имитационных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Девятков, Тимур Владимирович, 2011 год

1. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука / Пер. с английского. - М.: Мир, 1978, 418 с.

2. Карпов Ю.Г. Моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5 / -СПб.: БХВ-Петербург, 2006. 400 с.

3. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем / М.: Мир, 1975. - 500 с.

4. Боровиков В. Statistica. Искусство анализа данных на компьютере. 2-е издание / — СПб. Литер, 2003. 686 с.

5. Руководство пользователя по GPSS World — Пер. с английского / Казань: Издательство «Мастер-Лайн», 2002. - 383 с.

6. Kelton W.D., Sadowski R.P., Sadowski D.A. Simulation with Arena / McGraw-Hill, Boston, 2002,- 547 p.

7. Кобелев Н.Б. Основы имитационного моделирования сложных экономических систем / М.: Дело, 2003, 335 с.

8. Лычкина H.H. Имитационное моделирование экономических процессов: ГУУ / Ин-т информ. систем упр. М., 2005. - 152 с.

9. Gordon Geoffrey A General Purpose Simulation Systems Simulation Program / Proc. EJCC, Washington, D.C., Macmillan Publishing Co., Inc., New-York, 1961, 87-104.

10. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS / М.: Машиностроение, 1980. - 592 с.

11. Томашевский В.Н., Жданова Е.Г. Имитационное моделирование в среде GPSS / -М: Бестселлер, 2003. 416 с.

12. Бражник А.Н. Имитационное моделирование: возможности GPSS World / — СПб.: Реноме, 2006.-439 с.

13. Боев В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World / -СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 368 с.

14. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии / — СПб.: КОРОНА принт; М: Альтекс-а, 2004. 384 с.

15. Моделирование процессов // Портал iTeam. 2010. URL: http://www.iteam.ru/soft/modelling/991 (дата обращения 15.02.2010).

16. APPLIED MATERIALS // Automod Simulation Software. 2010. URL: http://www.appliedmaterials.ru/products/automod 2.html?menuID=6 1 5 (дата обращения 16.02.2010).

17. ProcessModel // Process Improvement Solutions. 2010. URL: http://www.processmodel.com (дата обращения 18.02.2010).

18. Мейнфрейм // Википедия. 2010. URL: http://ru.wikipedia.oni/wiki/Mainframc (дата обращения 18.02.2010).

19. Моделирование систем. // Лекции основы GPSS/PC. 2010. URL: http://ww4v.studfiles.ru/dir/cat32/subi \ 235/filel 1053/viewl 12474.html (дата обращения 19.02.2010).

20. Варжапетян А.Г. Имитационное моделирование на GPSS/H / -Спб.: Редакционно-издательский центр ГУАП, 2007.

21. Index Page // Wolverine Web. 2010. URL: http://wvvw.wolverinesoftware.com (дата обращения 19.02.2010).

22. Index Page // Tecnomatix Plant Simulation. 2010. URL: http://www.emplant.com (дата обращения 19.02.2010).

23. Index Page // Delmia Quest. 2010. URL: www.delmia.ru (дата обращения 19.02.2010).

24. AWR // Visual System Simulator System Simulation for RF End-to-End Architecture Design. 2010. URL: http://web.awrcoi,p.com/Usa/Products/Visual-Svstem-Simulator (дата обращения 19.02.2010).

25. Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. Математические методы планирования эксперимента / М.:Дели, 2005. - 296 с.

26. MathWorks // MATLAB and Simulink for Technical Computing. 2010. URL: http://www.mathworks.com (дата обращения 19.02.2010).

27. SPSS // Data Mining, Statistical Analysis, Predictive Analysis, Predictive Analitics, Decision Support Systems. 2010. URL: http://www.spss.ru (дата обращения 19.02.2010.

28. Просветов Г.И. Анализ данных с помощью EXCEL: задачи и решения / -М.:Альфа-Пресс, 2009. 160 с.

29. Software Libraries // Simulation Tools. 2010. URL:http://www.masters.donntu.edu.ua/2Q06/kita/kondrakhin/librarv/art4.htm (дата обращения 19.02.2010).

30. Давыдов Е. Интегрированная система Scientific Workplace 4.0: Технология работа и практика решения задач / М.: Финансы и статистика, 2003.135

31. Грегор Хоп, Бобби Вульф. Шаблоны интеграции корпоративных приложений / М: Вильяме, 2007. 672 с.

32. Кобелев Н.Б. Практика применения экономико-математических методов и моделей / Учеб.-практ. пособие. — М.: ЗАО «Финстатин-форм», 2000. — 246 с.

33. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем / М.: Наука, 1978. 400с.

34. Using Proof Animation, Third Edition / ©Wolverine Software Corporation, 2002. -375 p.

35. Иан Грэхем Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика 3-е изд /

36. М.: «Вильяме». 2004. — 880 с. — ISBN 0-201-61913-Х

37. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Дж. Влиссидес Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования / СПб: «Питер», 2007.- 366 с. ISBN 978-5-469-01136-1

38. Колесов А. Длинная дорога к вершинам SOA // журнал BYTE Россия №6. 2007.

39. Колесов A. SOA: переход от теории к практике // журнал BYTE Россия. 2008. №6 (116).

40. Девятков В.В., Кудашов К.В. Предсказание погоды // журнал «Компьютера», 2003. №21, с. 32-34.

41. Власов С.А., Девятков В.В. Имитационное моделирование в России: прошлое, настоящее, будущее // Журнал: Автоматизация в промышленности. 2005. -№5 с. 6365.

42. Vlasov S.A., Deviatkov V.V. Experience in the development and application of simulation in Russia: review, analysis of prospects // Proceedings 19th European Conference on Modeling and Simulation, ECMS 2005, June 1-4, 2005, pp. 23-27.

43. Самойлов В.В., Власов С.А., Девятков В.В. Имитационное исследование системы сервисного обслуживания программно-технических средств ОАО «Татнефть» // журнал Автоматизация в промышленности. 2007. -№4. с. 11-14.

44. Власов С.А., Девятков В.В., Девятков Т.В. Универсальная моделирующая среда для разработки имитационных приложений // Журнал: Информационные технологии и вычислительные системы. 2009. №2. с. 5-12. Работа выполнена при поддержке РФФИ Проект №08-07-00205.

45. Девятков Т.В., Якимов И.М. Имитационное моделирование, теория и практика // Первая всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности, сборник докладов, том 2. Санкт-Петербург, 2003.

46. Девятков Т.В. Визуализация этапов имитационного моделирования // В сб. Инфокоммуникационные технологии глобального информационного общества:

47. Тезисы докладов 4-й ежегодной международной научно-практической конференции, Казань: «Центр инновационных технологий», 2006. с. 93-95.

48. Девятков Т.В. Визуальная система моделирования // Туполевские чтения, сборник докладов. Казань. 2007.

49. Vlasov S.A., Deviatkov V.V., Deviatkov T.V. . Création Principals of Universal Modeling Environment for Simulation Application Development // 13th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing, June 3-5, 2009, Moscow, Russia.

50. ЭЛИН.2000-03-2009 Электронная библиотека типовых объектов судостроении. // Руководство пользователя НИР«Создание электронной библиотеки имитационных моделей типовых объектов судостроительного производства», 2009.

51. Интерполяция сплайнами // Библиотека алгоритмов. 2010. URL: http://alglib.sources.ru/inteipolation/spline3.php (дата обращения 25.04.2010).

52. Скачать Интерполяция сплайнами // Исходный код на Delphi. 2010. URL: http://www.twirpx.com/file/51241 (дата обращения 25.04.2010).

53. Венда В.Ф. Системы гибридного интеллекта /- М. .'Машиностроение, 1990. 448 с.

54. Tank D. W., Horfield J. J. 1986. Simple «neural» optimization networks: An AID converter, signal decision circuit, and a linear programming circuit / Circuits and Systems IEEE Transactions on CAS-33(5):533-41