3.2. Инструментальные средства имитационного моделирования

Исторически инструментальные средства имитационного моделирования разделились на два основных типа: языки имитационного моделирования и предметно-ориентированные программы моделирования. Языки имитационного моделирования по своей природе универсальны, разработка модели здесь подразумевает написание кода. В целом они предоставляют достаточно гибкие возможности моделирования, но часто трудны в использовании. Программы моделирования ориентированы на решение определенной задачи, в них модель разрабатывается с использованием графики, диалоговых окон и раскрывающихся меню. Программы моделирования иногда проще изучать и использовать, но при решении некоторых задач они не могут обеспечить достаточную гибкость моделирования.

В последние годы создатели языков имитационного моделирования попытались сделать программное обеспечение более простым в употреблении. Для этого они использовали графический подход к построению моделей. Теперь типичный сценарий может быть снабжен панелью инструментов с пиктограммами для построения модели. Разработчик выбирает пиктограммы с помощью мыши и помещает их в рабочую область. Затем он соединяет пиктограммы, чтобы обозначить именованные потоки в исследуемой системе. Двойным щелчком мышью на пиктограмме можно вывести диалоговое окно, где уточняются параметры для добавляемых пиктограмм. Предположим, пиктограмма представляет устройство обслуживания в какой-либо системе, в этом случае диалоговое окно позволяет уточнить информацию о числе параллельных устройств обслуживания, распределении времени обслуживания для каждого из них, о том, может ли устройство прийти в неисправное состояние (если да, то каким образом). В то же время разработчики предметно-ориентированных программ моделирования сделали свои программные средства более гибкими, обеспечив в некоторых местах модели возможность программировать с использованием внутреннего языка программирования. По крайней мере, в одной программе моделирования сейчас можно изменять существующие моделирующие конструкции и создавать новые. Все это, по мнению Аверилла Лоу и Дэвида Кельтона [2], привело к тому, что отличия между языками имитационного моделирования и программами моделирования стали менее заметными.

Таким образом, существует два типа пакетов имитационного моделирования. Универсальные пакеты имитационного моделирования предназначены для различных целей, но они могут иметь специальные функции для решения одного конкретного вида задач (например, моделирования производственных систем, систем связи или модернизации технологий производства). Популярными универсальными пакетами имитационного моделирования являются, например, Arena (разработчик System Modeling Corporation, Севикли, Пенсильвания, США), Extend (разработчик Imagine That., Inc., Сан-Хосе, Калифорния, США), AnyLogic (разработчик XJ Technologies, Санкт-Петербург, Россия) и другие. Предметно-ориентированные пакеты имитационного моделирования служат для решения специальных задач, таких как моделирование работы производственных систем, медицинских учреждений, центров выполнения заказов. Список предметно-ориентированных пакетов имитационного моделирования достаточно обширен, как правило, компании разработчики программных средств имитационного моделирования предлагают на рынок как универсальные, так и предметно-ориентированные пакеты.

Общими тенденциями, реализуемыми при разработке современных инструментальных средств и систем имитационного моделирования сложных динамических систем, являются:

• обеспечение визуального конструирования (программирования) моделей с использованием стандартных графических компонентов на основе технологии drag and drop (идеографическое моделирование);

• совмещение средств и систем имитационного моделирования с интеллектуальными системами поддержки принятия решений (экспертные системы, САПР и т.п.);

• обеспечение возможности анимации при отображении процессов функционирования моделируемых систем;

• интеграция с CASE-технологиями, конструирование многоуровневых моделей систем в рамках методологии структурного анализа.

Некоторые достаточно часто используемые современные инструментальные средства имитационного моделирования и их характеристики представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Современные инструментальные средства ИМ

Наименование	Разработчик	Область применения	Класс реализуемых моделей	Использование графических компонентов для визуального конструирования	Поддержка анимации	Интеграция с CASE-средствами
ARENA	System Modeling Corporation	Пакет моделирования производственных и бизнес-процессов	Дискретные модели	Имеется палитра стандартных блоков и процессов	Да	Импорт функциональных моделей из AllFusion Process Modeler (BPwin)
EXTEND	Imagine That., Inc.	Пакет моделирования экономических процессов, стратегическое планирование	Дискретные модели	Имеется палитра стандартных блоков и процессов	Да	Нет
AnyLogic	XJ Technologies	Пакет моделирования систем массового обслуживания, производства, транспорта	Дискретные и непрерывные модели, агентные модели	Имеется палитра стандартных блоков и процессов	Да	Нет
MATLAB + Simulink	MathWorks, Inc.	Многофункциональная среда моделирования радиоэлектронных, информационных и управляющих систем	Непрерывные и дискретные модели	Блоки функциональных преобразований, карты состояний	Да	Использование нотаций UML при описании системной динамики
GPSS WORLD	Minuteman Corporation	Язык моделирования систем массового обслуживания, производства, транспорта	Дискретные модели	Нет	Да	Нет

Пакеты имитационного моделирования, как правило, включают в себя объекты, свойства, ресурсы и очереди как часть модельной структуры (их примеры приведены в табл. 3.2). Объект создается, перемещается по какой-либо части моделируемой системы, а затем обычно исключается. Объекты отличаются друг от друга свойствами, которые представляют собой блоки информации, хранящиеся вместе с объектом. По мере продвижения объекта в моделируемой системе он запрашивает ресурсы. Если ресурсы, запрошенные объектом, являются не доступными, он помещается в очередь. Объекты в определенной очереди могут обслуживаться в порядке FIFO (First-In, First-Out – «первым пришел – первым обслужен»), LIFO (Last-In, Last-Out – «последним пришел – первым обслужен») или в порядке возрастания или убывания значений какого-либо атрибута.

Таблица 3.2

Объекты, атрибуты, ресурсы и очереди в некоторых типичных приложениях имитационного моделирования

Тип системы	Объект	Атрибуты	Ресурсы	Очереди/буфера
Производство	Деталь	Номер детали, срок изготовления	Станки, рабочие	Очереди или буфера
Система связи	Сообщение	Пункт назначения, длина сообщения	Узлы, линии	Буфера
Аэропорт	Самолет	Номер рейса, масса	Взлетно-посадочные полосы, выходы	Очереди
Страховое агентство	Заявление, иск	Имя, номер страхового полиса, сумма страхования	Агенты, служащие	Очереди

При выборе программных средств имитационного моделирования следует учитывать все возможности, предоставляемые ими, которые можно объединить в следующие группы:

• основные свойства и характеристики;

• совместимое оборудование и программное обеспечение;

• анимация;

• средства получения и обработки статистических данных;

• услуги, предоставляемые заказчикам и документация;

• отчеты с выходными данными и графиками.

Самым важным свойством, которым должны обладать инструментальные средства ИМ является гибкость при моделировании, т.е. возможность моделировать системы с различным уровнем сложности технологических операций. Учитывая то, что не существует двух полностью идентичных систем, пакет имитационного моделирования, где применяется фиксированное число моделирующих конструкций и нет возможности программирования, обязательно окажется неподходящим для некоторых систем, встречающихся на практике. В идеале должна существовать возможность моделировать любую систему, используя исключительно конструкции программного пакета и не прибегая к программам, написанным на любом языке, например на C. Перечислим некоторые возможности, придающие гибкость программному продукту имитационного моделирования:

• возможность определять и изменять атрибуты объектов и глобальных переменных, а также применять как те, так и другие в логике решений (например, конструкции if … then … else);

• возможность использовать математические выражения и функции (логарифмы, возведение в степень, логические операции и прочие), а также математические методы (численное интегрирование, численное решение обыкновенных дифференциальных уравнений и прочие);

• возможность создавать новые моделирующие конструкции и изменять уже существующие, а также применять новые и измененные моделирующие конструкции в данной и будущих моделях.

Следующим важным свойством средств ИМ является простота в применении (и изучении), поэтому многие современные инструментальные средства моделирования снабжены графическим интерфейсом пользователя. В такой программе должны быть моделирующие конструктивные элементы (пиктограммы или блоки), не слишком «примитивные», но и не слишком «изощренные». В первом случае понадобится очень много конструктивных элементов для моделирования даже достаточно простой ситуации; во втором – диалоговое окно каждого конструктивного элемента будет содержать чересчур большое число параметров, необходимых для обеспечения соответствующей гибкости программы.

Для сложных систем может оказаться полезным иерархическое моделирование. Иерархия позволяет сгруппировать несколько конструктивных основных элементов моделирования в новые структурные компоненты более высокого уровня. Эти новые структурные компоненты затем можно объединить в структурные компоненты еще более высокого уровня и т.д. Последние структурные компоненты помещают в библиотеку доступных структурных компонентов, и их можно повторно использовать в данной или будущих моделях. Повторное применение частей модели с расширением логических возможностей повышает эффективность моделирования. Иерархия является важной концепцией многих пакетов моделирования. Она позволяет избежать «неразберихи» на экране в графически ориентированных моделях, которые состоят из множества пиктограмм и блоков.

Кроме вышеперечисленных свойств, важными свойствами программных средств имитационного моделирования являются:

• высокая скорость работы модели;

• удобный дружественный интерфейс;

• возможность импортировать данные из других приложений или экспортировать данные в другие приложения (например, таблицы Excel или базы данных);

• возможность автоматически моделировать различные сценарии, которые повторяются с использованием какого-либо параметра моделирования (например, числа станков на производственном участке);

• возможность использовать различные подходы в имитационном моделировании (например, системную динамику, дискретно-событийное моделирование, агентное моделирование);

• возможность в пакете имитационного моделирования запускать внешние программы, написанные на каком-либо языке программирования;

• возможность инициализировать систему в состоянии занятости;

• возможность сохранения состояния системы в конце прогона.

При покупке программных средств имитационного моделирования большое значение имеет их стоимость. Сегодня на рынке присутствуют как коммерческие, так и ограниченные бесплатно распространяемые версии программ имитационного моделирования. Стоимость коммерческих пакетов имитационного моделирования колеблется от 500 до 50000 долларов США. Наряду с затратами на приобретение этих пакетов у пользователей возникают и другие расходы, на которые следует обращать внимание, а именно: затраты на эксплуатацию и обслуживание, затраты на модернизацию и стоимость дополнительного оборудования и программного обеспечения, которое может понадобиться.