Моделирование систем лекция. Моделирование систем. Литература по теме Тема Модели на основе метода статистических испытаний
 Скачать 2.59 Mb.
|
|
Тема 9. Методология декомпозиции разработки имитационных моделей Цели изучения темы: познакомиться с понятием и назначением CASE-систем, применяемым в имитационном моделировании; получить представление о концепциях и технологии создания модели в среде конструктора Gem. Задачи изучения темы: познакомиться с концепцией CASE-систем; выяснить назначение и функции CASE-систем, применяемых для моделирования процессов и систем; познакомиться с концепциями конструктора Gem моделирующего комплекса Pilgrim. Успешно изучив тему, Вы: получите представление о: функциональных возможностях конструктора Gem; особенностях пользовательского интерфейса конструктора Gem; способах настройки и модификации программного модуля модели; будете знать: структуру текста исходного модуля программной модели; как строится работа в среде конструктора Gem; как задаются параметры модели; как описываются узлы на графе модели, параметры узлов и связи между узлами; из чего состоит результат прогона модели и какова его структура. Вопросы темы: 1. CASE-системы. Концепция многослойного моделирования. 2. Средства и практическая реализация многослойного моделирования в системе Pilgrim. 3. Пример применения подхода концепции для комплексного моделирования производственных процессов и потоков материальных и денежных ресурсов работы предприятия. 160 Вопрос 1. CASE-системы. Концепция многослойного моделирования. Для создания имитационной модели в отсутствие вспомогательных средств разработчику нужно написать программный код, использующий языковые средства системы моделирования Pilgrim. Модель имеет стандартную структуру. Внутри текста модели содержатся обращения к функциям Pilgrim, но может быть и произвольный C++ код. Текст Pilgrim-модели обрабатывается препроцессором и стандартным компилятором C++ (Microsoft, Borland и др.). При этом требуется: знать элементы языка C++; представлять структуру программы, использующей библиотеку Pilgrim; знать синтаксис и семантику функций описания узлов и их параметров; находить и исправлять возможные ошибки в указании параметров (включая ошибки синтаксически верных конструкций, но нарушающие правила модели, что может проявиться в неверных результатах работы модели); преодолевать сложность составления моделей с большим числом узлов и нетривиальной логикой. Конструктор имитационных Pilgrim-моделей Gem позволяет автоматизировать процесс создания модельного графа и автоматически генерировать код Pilgrim-программы. Тем самым отмеченные выше проблемы значительно упрощаются или снимаются вовсе. При использовании конструктора обеспечиваются: автоматическая генерация программного кода, что позволяет пользователю не задумываться о структуре и синтаксисе программы, уделяя все внимание структуре и параметрам самой модели и ее узлов; генерация функций описания узлов конструктором, что исключает ошибки, связанные с неправильной последовательностью указания позиционных параметров или пропуском некоторых из них; блокировка заведомо неверных действий пользователя, а также вывод предупреждений о возможных ошибках; поддержка разработки иерархических моделей, что может быть очень удобно при выполнении моделей с большим количеством узлов. 161 Широко применяемые при создании и использовании имитационных моделей CASE-средства (Computer Aided Software Engineering), к которым по своему типу и назначению относится конструктор Gem, активно используют методологию структурного анализа, предусматривающую наглядное и эффективное проектирование системы путем выделения ее составляющих и их последовательного рассмотрения. Описание системы начинается с общего обзора и выделения основных ее компонентов или процессов. Сначала создается первый уровень или слой, на котором отображаются выделенные процессы и их взаимосвязи. Далее для ряда процессов может быть проведена детализация, в свою очередь, выделяющая новые процессы в их структуре. Так, последовательным усложнением описания объекта и его процессов разработчик достигает необходимой детализации. Глубина детализации определяется как необходимой точностью, так и набором исходных данных. В процессе структурного анализа выявляется иерархическая структура модели. С помощью конструктора Gem системы Pilgrim можно строить многоуровневые модели, организуя иерархию плоскостей построения модели. Иерархические модели устроены следующим образом: верхний уровень модели содержит ряд узлов, среди которых есть такие, которые детализируются на нижних уровнях. При этом, создавая детализирующий уровень, пользователь вновь может поместить на нее узлы, которые могут быть детализированы на нижележащих уровнях. Таким образом, граф модели примет иерархическую структуру. Число уровней вложенности конструктором не ограничено, т.е. пользователь может сколько угодно подробно детализировать и обобщать процессы модели. Итак, процесс построения графа имитационной модели сопровождается структурным анализом исследуемого процесса. При структурном анализе возникает задача перехода между слоями: нижние слои модели содержат декомпозицию узлов, расположенных выше. Декомпозиция - это детализация одного узла с помощью совокупности других узлов. Существуют четыре разновидности декомпозиции процессов: 1. общий случай декомпозиции сложного процесса с помощью узлов типа down; 2. декомпозиция процессов перечисления денег (платежей, бухгалтерских проводок и др.) с помощью узлов типа pay; 3. декомпозиция процессов выделения ресурсов с помощью узлов типа rent; 4. абстрактное объединение группы процессов в один псевдопроцесс с помощью виртуального (мнимого, не существующего в реальности) узла parent без образования нового узла. 162 Обратим внимание на то, что представленный методологический прием аналогичен методологическому приему, применяемому для построения функциональных моделей в процессе проведения системного анализа. Вместе с тем, важно понимать, что цель создания функциональных моделей отлична от целей создания имитационных моделей. Функциональная модель показывает, каким образом выходные элементы системы получаются из входных без рассмотрения логики преобразований. Модель создается, в первую очередь, для выявления основных подсистем (функций) рассматриваемого объекта и состоит из набора диаграмм потока данных. В противоположность функциональной модели имитационная модель отображает все существенные действия в процессе их выполнения и создается для изучения поведения исследуемого объекта и параметров его функционирования. Вопрос 2. Средства и практическая реализация многослойного моделирования в системе Pilgrim. При создании новой модели пользователь начинает работу с корневого уровня, поэтому некоторые процессы модели с целью дальнейшей детализации могут быть представлены в общем виде. Для выполнения структурной декомпозиции в системе Pilgrim определяется особый тип узла parent, использующийся исключительно как средство создания наглядных многоуровневых моделей. Узел типа parent содержит ссылку на плоскость, его детализирующую, т.е. используется для описания процессов, которые можно рассмотреть на отдельной плоскости. Узел parent не выполняет никаких действий по обработке актора и при генерации программного кода просто заменяется своей декомпозицией, т.е. порождаемым им слоем. 163 Например, если пользователь создал узел типа parent с номером 4, то в программном файле узел с таким номером сгенерирован не будет. С точки зрения генератора программного файла узел parent представляет собой маршрутизатор, который может иметь любое количество входов, ссылку на детализирующий уровень и единственный выход. На Рис. 53 в плоскости 1 имеется последовательность узлов Клапан 101Действие 102Очередь 103. Рис. 53. Использование узла parent Узел Действие 102 является узлом типа parent и содержит детализирующую плоскость с цепочкой Очередь 104 Сервер 105 (Рис. 54): Рис. 54. Узлы на детализирующей плоскости В этой плоскости стрелка, направленная из левого верхнего угла экрана в узел Очередь 104, обозначает, что этот узел является входом на плоскость, а стрелка из узла Сервер 105 в правый верхний угол – выходом с плоскости. При генерации программного файла получим следующую цепочку: Клапан 101 Очередь 104 Сервер 105 Очередь 103, т.е. узел Действие 102 является лишь средством реализации (виртуальным узлом) и будет обработан генератором как узел Pilgrim. 164 Иногда при построении модели может возникнуть необходимость выделения некоторых типовых действий по обработке данных. Это могут быть запросы на выполнение бухгалтерской проводки, требования выделения моделируемого ресурса или какие-либо другие действия. При возникновении такой задачи удобно обозначить подпрограммы, обращение к которым было бы возможно из любого места модели. Для этого используются узлы типа pay, rent, down. Такие узлы, так же, как и parent, содержат переход на более низкий уровень модели, однако имеют несколько иной механизм действия и область применения. Если с помощью узла типа parent можно создавать иерархические модели, имеющие на любой сколько угодно глубоко вложенной плоскости новые узлы parent, то с помощью узлов типа pay, rent, down возможно лишь реализовать подпрограммы на двух слоях модели и невозможно построить общую иерархию уровней. Рассмотрим принцип работы таких узлов на примере узла pay. На плоскости 1 находится узел типа pay, содержащий обращение к подпрограмме, расположенной в плоскости 2 (Рис. 55): Рис. 55. Узел pay (плоскость 1, слева) и подпрограмма узла (плоскость 2, справа) Входом плоскости 2 является узел с названием «Р/счет», а выходом – узел с именем «Бухгалтерия». При генерации программного файла в узле «Бухгалтерия» в качестве параметра, определяющего номер следующего узла, на который переходит актор, будет указано не конкретное значение, а специальный параметр актора updown. При этом предполагается, что каждый актор, попадающий в выходной узел плоскости, содержит в параметре updown номер узла, на который следует выполнить переход. Параметр актора updown инициализируется в узле типа pay, т.е. в данном случае в узле с названием «Плата поставщику». 165 Аналогичным образом реализуется переход на подпрограмму с использованием узлов типа rent и down. Они также инициализируют переменную актора updown. Таким образом, использовать узлы типа pay, rent и down для реализации иерархических моделей нельзя: на уровне подпрограммы для узла одного из этих типов нельзя размещать никакой из узлов типа pay, rent, down, поскольку каждый из этих узлов заново выполнит инициализацию параметра updown. Т.е., значение updown, установленное уровнем выше, заменится, организуя циклическую ссылку, что приведет к семантической ошибке. Чтобы защитить пользователя от совершения таких ошибок, конструктор не позволяет создавать в текущей плоскости узлы типа pay, rent, down, если управление передано с более высокого уровня через узел перечисленного типа. Однако узлы обращения к подпрограмме имеют одно важное преимущество перед узлом parent, а именно: актор сам «помнит», куда ему необходимо вернуться. Поэтому из нескольких узлов или слоев можно обращаться к общей плоскости, содержащей детальное выполнение типового действия. Предположим, что в последнем примере имеется некоторая организация, имеющая собственный расчетный счет и выполняющая ряд операций по перечислению средств; часть операций необходимо смоделировать. В плоскости 2 создана подпрограмма «Плата поставщику», выполняющая бухгалтерскую проводку по перечислению средств со счета фирмы. Если возникает необходимость смоделировать аналогичную ситуацию с перечислением средств (например, возврат кредита), то можно создать новый узел типа pay и указать ему в качестве подпрограммы плоскость 2. В процессе работы с конструктором, при создании нового узла обращения к подпрограмме, появляется диалоговое окно с просьбой указать номер плоскости, на которой должна размещаться подпрограмма. По умолчанию это номер новой пустой плоскости, однако, пользователь самостоятельно может задать номер уже существующей плоскости. Иногда в модели можно выделить ряд процессов, независимых на уровне акторов, но пересекающихся на уровне моделируемых ресурсов. Например, это может быть моделирование процесса производства с участием нескольких независимых торговых компаний, приобретающих товар у производителя и имеющих свой финансовый резерв и рынок сбыта. Тогда можно выделить как независимые процессы торговых компаний и процесс функционирования производителя. Для разработчика модели неудобно располагать в одной корневой плоскости несколько параллельных процессов, поэтому конструктор предоставляет возможность содержать несколько корневых плоскостей с целью размещения в них непересекающихся на уровне акторов процессов. 166 Вопрос 3. Пример применения подхода концепции для комплексного моделирования производственных процессов и потоков материальных и денежных ресурсов работы предприятия. Проиллюстрируем применение описанного механизма на примере модели функционирования производственного предприятия. Пример является также хорошей иллюстрацией другого уже отмеченного ранее достоинства системы Pilgrim – возможности имитации протекания материальных, финансовых и информационных потоков в рамках одной и той же модели. Моделируемый объект (небольшое предприятие) занимается выпуском товара малыми партиями, размер которых известен. Произведенная продукция реализуется на рынке, количество единиц реализуемой на рынке продукции в одной партии является случайной величиной, распределенной по равномерному закону. Структурная схема бизнес-процесса содержит три слоя. На двух из них представлены независимо протекающие процессы производства (Рис. 56). Рис. 56. Модельный граф процесса производства 167 и сбыта (Рис. 57) Рис. 57. Модельный граф процесса сбыта продукции предприятия. Независимость протекания процессов означает, что акторы могут перемещаться только внутри каждого из фрагментов графа модели на каждом слое. Взаимодействие процессов осуществляется только через ресурсы: материальные (в виде готовой продукции) и денежные (в основном через расчетный счет предприятия). На третьем слое имитируется выполнение финансовых операций, связанных с работой предприятия (Рис. 58): Рис. 58. Слой финансовых операций Если время задержки платежей с расчетного счета моделируемого предприятия (обозначив эту величину через Трс) считать критическим выходным параметром, то модель можно использовать для минимизации этой величины. Основными входными параметрами моделирования будут служить цена единицы продукции, объем выпускаемой партии и сумма кредита, запрашиваемого в банке. Зафиксировав все остальные параметры (время выпуска партии, число производственных линий, интервал поступления заказа от покупателей, разброс размеров продаваемой партии, стоимость комплектующих изделий и материалов для выпуска партии, стартовый капитал на расчетном счете), можно минимизировать Трс для конкретной рыночной ситуации. Минимум Трс достигается при одном из максимумов среднего 168 размера денежной суммы на расчетном счете. Причем вероятность рискового события - неуплаты долгов по кредитам - близка к минимуму (это можно доказать во время статистического эксперимента с моделью). В модели первого слоя (процесс производства) имитируются следующие действия (Рис. 56). Узел 1 имитирует поступления распоряжений на изготовление партий продукции от руководства компании. Узел 2 инициирует запрос на получение кредита, порождая для этого вспомогательный актор (запрос в банк). В узле 3 запрос ожидает наступления условий, при которых кредит может быть выдан (новый предоставляется, если предыдущий кредит возвращен). Узел 4 фиксирует наступление этих условий (переводом своего состояния в открытое) и имитирует разрешение на выдачу кредита. Узел 5 осуществляет перечисление кредита на расчетный счет компании. В узле 6 вспомогательный запрос уничтожается и выдается сигнал блокировки на выдачу следующего кредита (с помощью сигнальной функции hold). Основной актор-распоряжение проходит через узел 2 без задержки. В узле 7 производится оплата комплектующих, если на расчетном счете есть достаточная сумма (даже если кредит не получен). В противном случае актор будет ожидать поступления на расчетный счет предприятия либо кредитных денег, либо денег за проданную продукцию. В узле 8 актор становится в очередь, если все производственные линии заняты. Узел 9 (конвейерная линия) имитирует изготовление партии продукции. В узле 10 порождается дополнительный актор, имитирующий заявку на возврат взятого кредита. Эта заявка поступает в узел 11, имитирующий перечисление денег с расчетного счета предприятия в банк (если нужной суммы на счету предприятия нет, заявка ожидает). После возврата кредита заявка уничтожается в узле 12; в банке появилась информация о том, что кредит возвращен, и компании можно выдать следующий кредит (с помощью сигнальной функции release). Актор-распоряжение проходит узел 10 без задержки и в узле 13 уничтожается. Далее считается, что партия изготовлена и поступила на склад готовой продукции. В модели второго слоя (процесс сбыта произведенной продукции) имитируются следующие действия (Рис. 57). 169 Узел 14 является генератором акторов – покупателей продукции, которые обращаются на склад. Если склад располагает запрошенным количеством товара, то товар отпускается покупателю, в противном случае покупатель (актор) ждет. Узел 16 имитирует отпуск товара и контроль очереди. После получения товара покупатель перечисляет деньги на расчетный счет предприятия (узел 17). В узле 18 актор уничтожается (покупатель обслужен). В модели третьего слоя (денежные операции) имитируются проводки в бухгалтерии предприятия (Рис. 58). Запросы на проводки поступают с первого слоя (Рис. 56) из узлов 5, 7, 11 и из узла 17 (Рис. 57). Пунктирными линиями показано движение денежных сумм по счетам 51 (Расчетный счет, узел 20), 60 (Поставщики, подрядчики, узел 22), 62 (Покупатели, заказчики, узел 21) и 90 (Банк, узел 19). Условные номера примерно соответствуют плану счетов бухгалтерского учета. Узел 23 имитирует работу финансового директора. Обслуженные акторы после бухгалтерских проводок попадают обратно в узлы, откуда они поступили; номера этих узлов находятся в параметре актора t- >updown. Ниже приводится текст программной модели: #include forward { double T_cust=7; /* интервал поступления заказов */ double T_work=14; /* время изготовления партии товаров */ double S_bank=10000.00; /* сумма кредита в банке */ double S_supp=10000.00; /* сумма платы поставщику */ double The_price=90.00; /* цена единица продукции */ double Mod_time=730; /* время моделирования */ int N_work=2; /* производственная мощность */ int Max=1200; /* размер производимой партии продукции*/ modbeg («Company», 23, Mod_time, (long)1234567890, none, 20, none, 18, none); actor («Заказы»,1, none, norm, T_work,T_work/3,zero,2); actor («Клиенты»,14, none, norm, T_cust,T_cust/3,zero,15); assign (19, add,10000000.00); /* фонд банка */ assign (20, add,0.00); /* фонд фирмы */ assign (21, add,10000000.00); /* фонд покупателей */ network (dummy, standard) { //ПРОИЗВОДСТВО ====================================== top (2): create («Развилка_1», 0, 1, none, 3, 7); place; 170 top (3): queue («ЖдемКредит», none, 4); place; top (4): key («РазрешКредита», 5); place; top (5): pay («ПереводКредита», 20, S_bank, 19, none, 19, 6); //на слой 3 place; top (6): term («ЗапретВыдачи»); hold (4); place; top (7): pay («ПлатаПоставщикам», 22, S_supp, 20, none, 20, 8); //на слой 3 place; top (8): queue («ОчередьЗаказов», none, 9); place; top (9): serve («ВыполнениеЗаказов», N_work, none, norm, T_work, T_work/3, zero, 10); place; top (10): create («Развилка_2», 0, 1, none, 11, 13); place; top (11): pay («ВозвратКредита», 19, S_bank, 20, none, 20, 12); //на слой 3 place; top (12): term («РазрешВыдачи»); release(4); place; top (13): term («ЗаказВыполнен»); agent supply (15, none, Max); place; ///СБЫТ ================================================ top (15): t->powr=1+rundum()*99; //объем закупаемой партии 171 t->summ=t->powr*The_price; //стоимость закупаемой партии attach («СкладГотПродукции», t->powr, prty, 16); place; top (16): manage («ОтпускТовара», 17); place; top (17): pay («ОплатаПокупки», 20, t->summ, 21, none, 21, 18);//на слой 3 place; top (18): term («ТоварОплачен»); place; ///ДЕНЕЖНЫЕ ОПЕРАЦИИ ================================== top (19): send («Банк_90», t->k1, t->summ, t->dpr, 23); place; top (20): send («РасчСчет_51», t->k1, t->summ, t->dpr, 23); place; top (21): send («Клиент_62», t->k1, t->summ, t->dpr, 23); place; top (22): send («Поставщиик_60», t->k1, t->summ, t->dpr, 23); place; top (23): direct («Бухгалтерия», t->updown); //на верхний слой place; /// ================================================== fault (123); } modend («BusMod.rep»,1,30,); return (0); } 172 Пример результата запуска показан на Рис. 59. Рис. 59. Отчет запуска модели бизнес-процесса 173 Выводы: 1. Для создания имитационных моделей могут применяться CASE- средства, в которых предусмотрены специальные возможности для анализа и моделирования сложных систем на основе применения методологии структурного анализа. В системе Pilgrim эта возможность реализуется с помощью конструктора Gem. 2. Структурный анализ исследуемого процесса и построение графа имитационной модели возникает задача перехода между слоями, отображающими различную степень детализации описаний. Переходы между слоями в системе Pilgrim реализуются с помощью специальных узлов модели. 3. В случаях, когда необходимо обеспечить концептуальную декомпозицию описания, используется узел parent. Этот узел не выполняет никаких действий по обработке актора и при генерации программного кода просто заменяется своей декомпозицией. 4. В случаях, когда необходимо осуществить декомпозицию процессов с возможностью многократного использования детального описания процесса используются узлы типа pay, rent, down. С их помощью можно создать унифицированные фрагменты модели, которые могут использоваться узлами вышележащей плоскости модели. Вопросы для самопроверки: 1. В чем состоит основное назначение конструктора Gem? 2. Какая методология положена в основу конструктора Gem? 3. Какие модели можно строить с помощью конструктора Gem? 4. Что такое декомпозиция? 5. Какие существуют разновидности декомпозиции? 6. Какую декомпозицию можно провести с помощью узла parent? 7. Какую декомпозицию можно провести с помощью узлов типа pay, rent, down? Литература по теме: 1. Градов В.М. Компьютерное моделирование: учебник / В.М. Градов, Г.В. Овечкин, П.В. Овечкин, И.В. Рудаков. – М.: ИНФРА-М, 2017. – 264с. 2. Емельянов А.А., Емельянова Н.З. Имитационное моделирование и компьютерный анализ экономических процессов – Смоленск, Универсум, 2013 – 266 с. |