Моделирование и симуляция

Автор: Hossein Arsham
Перевод: Мирошниченко К.В.
Источник: Systems Simulation: The Shortest Route to Applications

Моделирование и симуляция

Симуляция в общем случае предполагает, что работа как бы выполняется с реальным объектом, хотя на самом деле имеет место лишь имитация. В исследовании операций имитация – это компьютерная модель искусственной реальности. Пилотажный тренажёр на персональном компьютере также является компьютерной моделью некоторых аспектов полета: он показывает на экране средства управления и предполагается, что «пилот» (ученик, который управляет им) видит их из «кабины» (кресло).

Зачем использовать модели?

Для обучения пилотированию использовать симулятор безопаснее и дешевле, чем реальный самолет. Говоря об определенной причине, модели используются в промышленном и военном производстве: слишком дорого, опасно и чаще всего невозможно провести эксперименты с реальными системами. При условии, что модели адекватно описывают реальность (т.е. они корректны), эксперименты с ними могут сохранить деньги, время и избавить от трудностей.

Когда использовать симуляцию?

Изменяющиеся во времени системы, такие как газозаправочные станции, где машины подходят и отходят (называемые динамическими системами), имеют хаотический, случайный характер и являются хорошими кандидатами для симуляции. Никто не может точно сказать, в какой момент времени следующая машина прибудет на станцию. Моделирование сложных динамических систем теоретически нуждается в слишком большом количестве упрощений и, как следствие, результирующие модели могут быть некорректными. Симуляция не требует такого большого количества упрощающих допущений, что делает данный подход единственным инструментом даже при отсутствии беспорядочности.

Как происходит симуляция?

Предположим, что мы заинтересованы в симуляции газозаправочной станции. Мы можем описать поведение этой системы графически в виде диаграммы, отображающей количество машин, т.е. состояние станции. Каждый раз, когда прибывает машина, график возрастает на одну условную единицу. Покидающая машина, соответственно, приводит к уменьшению на одну единицу. Этот график (называемый выборочной траекторией), может быть получен в ходе наблюдения за реальной станцией, но также может быть искусственно сконструирован. Подобное искусственное конструирование и анализ результирующей выборочной траектории (а также, возможно, дополнительных выборочных траекторий в случае сложной системы) и представляют собой симуляцию.

Типы симуляций

Симуляция дискретных событий. Описанная выше выборочная траектория состоит только из горизонтальных и вертикальных линий, отображающих прибытие и отбытие машин, которые случаются в определенный момент времени, называемый нами событием. Между двумя последовательными событиями ничего не происходит – график горизонтальный. Когда количество событий является конечным, то это называется «симуляцией дискретных событий».

В некоторых системах состояние меняется все время, а не только в моменты определенных дискретных событий. Например, уровень воды в резервуаре с поступающей и убывающей водой может меняется все время. В подобных ситуациях «непрерывная симуляция» является более подходящей, хотя симуляция дискретных событий может дополнительно служить аппроксимацией результатов.

Далее рассматривается симуляция дискретных событий.

Как производится симуляция?

Симуляция может быть произведена вручную. Чаще всего, тем не менее, системная модель описывается в виде той или иной компьютерной программы или в виде своего рода ввода в программное обеспечение для симуляций.

Системная терминология

Состояние – это переменная, которая характеризует атрибут в системе (например, уровень запасов в инвентаре или количество работ, ожидающих выполнения).

Событие – это происшествие в определенный момент времени, которое может изменить состояние системы (например, прибытие покупателя или начало выполнения работы).

Сущность – это объект, проходящий через систему (например, машины на перекрестке или заказы на фабрике). Часто событие (например, прибытие) ассоциировано с сущностью (например, покупателем).

Очередь – это не только физическая очередь людей, но это может быть и списком заданий, буфером изготовленных товаров, ожидающих транспортировки или любым местом, где сущности ожидают происшествия чего-либо по любой причине.

Создание – это процесс, приводящий к прибытию новой сущности в систему в определенный момент времени.

Планирование – это акт назначения нового будущего события к существующей сущности.

Случайная переменная – это величина, которая не является определенной (например, время между двумя входящими полетами или число дефектных частей в партии груза).

Случайная величина – это искусственно сгенерированная случайная переменная.

Распределение – это математический закон, который управляет вероятностной характеристикой случайной переменной.

↑ Вверх