Имитационное моделирование

Метод машинной имитации позволяет решать широкий круг задач, возникающих при проектировании АСУ, дает возможность одновременного рассмотрения и оценки нескольких альтернативных вариантов проектных решений, что в целом повышает достоверность и качество окончательно выбранного варианта. В настоящее время имеется определенный задел, создающий основу для практической реализации метода, например имитационные пакеты, использующие следующие типы моделей: модели технических средств, которые имитируют работу центральных и периферийных устройств вычислительной с истемы (например, функционирование центрального процессора, передачу данных по каналу связи в управляющий блок пери­ ферийного устройства, работу пакета дисков с фиксированной головкой); модели программных средств, имитирующие функционирование программ, обеспечивающих работу вычислительной системы (например, программ управления вводом-выводом, компиляторов, программ, распределяющих задания); стыковочно-оптимизационные модели, осуществляющие увязку предыдущих типов моделей в единую согласованную систему. С помощью последних производится структурирование массивов, назначение массивов по периферийным устройствам и каналам, блокирова­ние записей, корректировка длин записей, распределение памяти и др. Имитация дает возможность разработчику выяснить, может ли быть осуществлен проектируемый процесс обработки данных на заданной вычислительной системе, оценить возможные режимы нагрузки системы во времени, проверить возможность улучшения качества системы путем изменения конфигурации вычислительных средств и т. п. Использование имитационного метода носит итерационный характер.

Одной из первых практических разработок была созданная в 60-х годах экономико-математическая модель упорядочения системы производства и подготовки ее к внедрению средств автоматизированного управления. Следует отметить, что модель в некотором смысле была прототипом современных ППП. В качестве исходных модулей были разработаны модели отдельных станков, предназначенных выполнять ряд технологических операций по обработке деталей. В зависимости от конкретного задания модуль настраивался на имитацию выполнения набора определенных технологических операций. Точность имитации случайных воздействий (например, частота и длительность отказов по различным причинам, изменение длительности выполнения операций в зависимости от характеристик основных факторов и т. д.) определялась собранной статистикой. При компоновке моделей технологических линий или производственных участков использовались также модули, описывающие динамику работы транспортных средств, состояние межоперационных бункеров и других элементов. Настраиваемые из предлагаемого набора модулей модели использовались для решения вопросов:

6. Анализ возможности и целесообразности придания созда­ваемой системе свойств адаптации и самообучения в результате включения в проектируемую АСУ разработанной и настроенной модели с учетом возможности ее систематической подстрой­ки по мере изменения параметров моделируемой системы.

Система была реализована на ЭВМ «Минск-32». В связи с переходом на ЭВМ третьего поколения программное обеспечение, естественно, устарело, однако экономико-математическая сущность описываемых процессов осталась без изменения. Одним из побочных результатов были данные по сравни­тельному анализу характеристик различных эвристических методов, применяемых при оперативном управлении производствен­ ными процессами. Система проверки эффективности предлагаемых для АСУ методов с целью резкого сокращения объема моделирования (времени работы ЭВМ «Минск-32») была выбра­на двухступенчатой (в качестве исходных планов принималось решение, определяемое с помощью аналитических методов); Другой интересной системой является имитационный комплекс взаимодействия АСУ и производственной модели объекта управ­ления ИКАМОУ [56]. Имитационный комплекс (ИКАМОУ ЕС)* отражает процесс функционирования промышленного предприятия с дискретным характером производства в условиях авто матизированного управления и состоит из двух функционально завершенных частей: имитационной модели производственного объекта и модели АСУП.

Модель производственного объекта и система интерфейса в совокупности представляют собой ППП имитационного моделирования управления производством. Эта модель воспроизводит динамику производственного процесса предприятия в естественной временной последовательности производственных событий, но в ускоренном масштабе времени так, что за 2-3 ч машинного времени осуществляется моделирование 1 мес. работы предприятия среднего размера. Содержанием моделирования является имитация движения материальных потоков предметов труда с учетом технических и организационных характеристик производственного процесса и стохастических факторов функционирования подразделений (цехов, участков, рабочих мест и др.), а также организация вспомогательных процессов (технического контроля, ремонтных, транспортных, складских). Воспроизведение динамики производственного потока основывается на моделирова­нии деятельности основных и вспомогательных производственных подразделений в течение заданного интервала времени.

Модель производственного объекта позволяет воспроизводить случайные факторы, обусловливающие вероятностный характер производственных процессов и вызывающие отклонения течения производственного процесса от запланированного: случайные по тери ресурса оборудования вследствие аварийности его работы и простои в ремонте; случайные потери ресурса рабочей силы, определяемые невыходами на работу; случайные колебания индивидуальной производительности труда, приводящие к изменениям длительности выполнения технологических операций; случайные колебания длительности вспомогательных и обслуживающих процессов и т. д. Весь объем информации, учитывающий вероят­ ностный характер производственного процесса по указанным факторам, вводится в модель в виде законов распределения или произвольных статистических рядов (табличным способом).

Модель АСУП представляет собой автоматизированную систему управления промышленным предприятием с дискретным характером производства. Объектом управления модели АСУП является предприятие с параметрами, типичными для обширного класса предприятий. Такое предприятие можно назвать обобщенным, так как его отраслевая принадлежность несущественна, а параметры могут меняться в очень широком диапазоне. Данная модель может быть использована как полностью готовое сгенерированное программное обеспечение АСУ для широкого класса объектов. На его основе по утверждению авторов может быть в короткие сроки реализована первая очередь АСУ.

Имитационное моделирование является одним из методов, позволяющих оценить систему и ее реакцию на возмущения по ряду показателей. С помощью моделирования при создании АСУ цехом могут решаться следующие задачи: определение путей совершенствования системы на основе моделирования различных вариантов технической, технологической, а также организационной перестройки и исследование последствий принятых решений. Имитационное моделирование позволяет производить отработку не только различных вариантов структур и режимов функционирования технических средств программного обеспечения (в том числе операционных систем, ППП и промышленных вариантов программ пользователя), но и различных форм функционирования АСУ. В настоящее время имеются интересные предло­жения (И. А. Данильченко, А. И. Ермилов, М. Н. Прокофьев) о создании на базе СМ ЭВМ и микро-ЭВМ «Электроника» («Электроника С5-01», «Электроника С5-02», «Электроника-60», «Электроника-НЦ» и др.) специализированной имитационной модели для решения задач моделирования АСУ цехом.

Удобным средством проектирования и анализа функционирования АСУ является разработанный в ИЭВТ ЛатвССР и ЛИМТУ автоматизированный пакет имитационного моделирования вычислительных систем (АПИМ). В отличие от методоориентированных средств имитационного моделирования АПИМ исключает необходимость составления и отладки программы для ЭВМ на том или ином языке моделирования. Такая программа генерируется в АПИМ автоматически по исходным данным анали­зируемой вычислительной системы.

Входной информацией для АПИМ являются характеристики КТС АСУ и потока заданий (заявок) на обработку данных! В качестве характеристик КТС АСУ задается перечень устройств и их функциональные связи, при этом для каждого из них указывается производительность, время наработки на отказ и время восстановления. Для каждого потока заявок задаются режим обработки (пакетный, интерактивный), объемы исходных данных и результатов обработки, интенсивность поступления заданий, основные координаты маршрута обработки и приоритеты обслуживания. Кроме того, выбираются наиболее подходящие модели устройств, дисциплины диспетчеризации, маршрутизации и др.

По результатам имитационного моделирования с помощью АПИМ вычисляются параметры всей системы, каждого потока заданий и каждого устройства. Для всей системы производится определение поступивших в нее, полностью обслуженных и превысивших допустимое время ожидания заданий. Определяется время реакции, степень загруженности и необходимая емкость буферной памяти с учетом ограничений на длину очереди заявок.

Итак, имитационные модели позволяют производить анализ : стохастических материальных и информационных процессов, определяемых выходом из строя оборудования, инструмента транспортных и других технических средств, включая в общем случае и средства АСУ.