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, еслиувеличить 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 вероятностейматехматической статистикиметодов оптимизацииметодов распознавания образовимитационного 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 чтенияна международных конференциях: «ИММОД», г. Санкт-Петербург, 2003, 2005, 2007, 2009; «Information Technologies and Mathematical Simulation of System». Майорка, Испания, 2009 г. и Корсика, Франция, 2010 г.- «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 научнопрактической 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.

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.