Сравнение систем имитационного моделирования вероятностных объектов с графическим вводом структурных схем

Автор: Якимов Игорь Максимович, Кирпичников Александр Петрович, Исаева Юлия Германовна

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Информатика, вычислительная техника и управление

Статья в выпуске: 2-3 т.18, 2016 года.

Бесплатный доступ

Статья посвящена сравнению систем имитационного моделирования (ИМ) вероятностных объектов. Рассматриваемые системы для имитационного моделирования используют структурные модели с вводом параметров моделируемых объектов с помощью совокупности меню. Сравнение проведено по однофазной системе массового обслуживания М/М/5 по представлению структурных моделей и достоверности результатов ИМ их сравнением с результатами аналитического моделирования. Это позволяет выбирать системы имитационного моделирования в зависимости от предметной области, личных предпочтений пользователя и достоверности результатов имитационного моделирования.

Еще

Аналитическое моделирование, имитационное моделирование, система массового обслуживания

Короткий адрес: https://sciup.org/148204606

IDR: 148204606

Текст научной статьи Сравнение систем имитационного моделирования вероятностных объектов с графическим вводом структурных схем

имитационное моделирование, система массово- деятельность в т.ч., например, функционирование системы массового обслуживания (СМО).

Для полноты сравнения приведены ещё две СИМ: «Расширенный редактор GPSS World» [3] и AnyLogic [4]. Введение первой из них объясняется, во-первых, широкой популярностью языка GPSS World, и, во-вторых, новыми возможностями, предоставляемыми расширенным редактором. Введение второй СИМ объясняется, во-первых, значительным расширением круга пользователей AnyLogic и, во-вторых, тем что её можно считать типовой для СИМ, ориентированных на инженерно-техническую область применения. К ним можно отнести СИМ: Simulink, ExtendSim и другие.

Предлагаемые материалы могут помочь в выборе пользователем СИМ по представленным структурным моделям и по сравнению результатов ИМ с результатами аналитического моделирования (АМ).

  • 1.    Краткое описание СИМ1.1.    Расширенный редактор GPSS WORLD.

В настоящее время специалисты, занимающиеся разработкой имитационных моделей на языке GPSS World, используют стандартный редактор, предлагаемый разработчиком – фирмой Minuteman Software. Он имеет неплохие инструменты отладки и отслеживания состояния объектов моделирования, однако средства создания и редактирования моделей оставляют желать лучшего. Для устранения этих проблем и расширения возможностей пользователя при проведении имитационных исследований, компанией «Элина-Компьютер» создан расширенный редактор имитационных моделей. Этот редактор рассчитан на профессиональных разработчиков имитационных моделей на языке GPSS World [3].

  • 1.2.    AnyLogic.

AnyLogic [4] предоставляет широкие возможности в области анализа и оптимизации биз-нес-процессов СМО по сравнению с традиционными аналитическими методами. Многоподход-ность позволяет аналитику выбирать архитектурные решения, соответствующие целям моделирования и имеющейся статистике. Существенными плюсами системы являются возможность использования оптимизатора и интеграция с геоинформационными системами.

  • 1.3.    Bizagi Modeler

    Система ИМ Bizagi Modeler [5] для обозначения элементов моделируемых сиcтем использует нотацию моделирования бизнес-процессов (BPMN), разработанную группой компаний Object Management Group, созданной в 1989 г. [5]. Год разработки системы Bizagi Modeler – 2007. Понятия, принятые в системе Bizagi Modeler по отношению к понятиям, принятым в теории массового обслуживания следующие: заявки – сущности, очереди – очереди, ОА – задачи. Для указания маршрутов движения используются стрелки. Для указания условий выбора маршрута движения сущностей используются шлюзы.

  • 1.4.    Business Studio

    Система ИМ Business Studio [5] для обозначения элементов моделируемых сиcтем использует нотацию моделирования бизнес-процессов (BPMN). Разработчиком системы Buisness Studio является группа компаний «Современные технологии управления», основанная в 1991 г. Первая версия системы Business Studio разработана в октябре 2004 г., а в марте 2013 г. - версия 4.0, которая была используется до сих пор.

  • 1.5.    Enterprise Dynamics

    Система Enterprise Dynamics [5] разработана компанией InControl Simulation, организованной в 1998 г. Год разработки системы Enterprise Dynamics – 2004. Понятия, принятые в системе Enterprise Dynamics: заявки – продукты, очереди – очереди, ОА – серверы. Указателей маршрутов движения и условий выбора маршрутов нет.

  • 1.6.    Flexim

    СИМ Flexim [5] разработана компанией Flеxim Software Products Inc (ESP), организованной в 1993 г. Год разработки системы Flexim -2003. Понятия, принятые в системе Flexim: заявки – сущности, очереди – очереди, ОА – процессоры. Для указания маршрутов движения используются стрелки. Для указания условий выбора маршрута движения сущностей используются шлюзы.

  • 1.7.    Simio

    Cистема Simio разработана компанией Simio LLC, которая была основана в 2005 г. [5]. Ранее основатель и генеральный директор Simio LCC основал корпорацию System Modeling, участвовал в создании языков ИМ SLAM и SIMAN и лидирующей на рынке средств ИМ систему Arena

  • [2 ]. Система Simio сохранив достоинства системы Arena, внесла в неё новые возможности, отвечающие новым требованиям. Понятия, принятые в системе Bizagi Modeler следующие: заявки – сущности, очереди – очереди, ОА – серверы. Для указания маршрутов движения используются стрелки. Указателей условий выбора маршрутов нет.

  • 2. Структурные модели СМО М/М/5

Рис. 1. Структурная модель в СИМ « Расширенный редактор GPSS World»

Рис. 2. Структурная модель в СИМ Anylogic

Рассматривается СМО М/М/5 : генератор заявок – очередь – пять обслуживающих аппаратов (ОА). Время между поступлением заявок в систему распределено по экспоненциальному закону со средним 10 единиц времени. Время обслуживания распределено по экспоненциальному закону со средним 30 единиц времени. Очередь неограниченной длины. Завершение моделирования после вывода из системы 25000 заявок. Структурная модель СМО М/М/5 в системе Расширенный редактор GPSS World приведена на рис. 1. Структурная модель СМО М/М/5 в системе Anylogic приведена на рис. 2. Структурная модель СМО М/М/5 в системах Bizagi Мodeler и Business Studio приведена на рис. 3. Структурная модель СМО М/М/5 в системе Enterprise Dynamics 9.0 приведена на рис. 4. Структурная модель СМО М/М/5 в системе Flexsim приведена на рис. 5. Структурная модель СМО М/М/5 в системе Simio приведена на рис. 6.

Рис. 3. Структурная модель в СИМ Bizagi Мodeler и Business Studio

Рис. 5. Структурная модель в СИМ Flexsim

Анализируя структурные модели СМО, сделаем следующие выводы.

  • 1.    Наиболее предпочтительным, по мнению авторов статьи, является представление структур в нотации BPMN, приведенное на рис. 3, т.к. в ней указываются условия выбора маршрутов движения динамических объектов.

  • 2.    Недостатком структурной модели в системе Enterprise Dynamics 9.0, приведенной на рис. 4, является отсутствие стрелок, указывающих движение динамических объектов.

    Рис. 6. Структурная модель в СИМ Simio


  • 3.    Недостатком структурной модели при ее построении в системе «Расширенный редактор GPSS World», приведенной на рис.1, является обязательное знание языка GPSS World (Отметим, что сам язык не объекто-ориентированный и не развивается. Развивается только графическая оболочка языка моделирования в виде продукта «Расширенный редактор GPSS World») и его особенностей.

  • 4.    В СИМ Anylogic отсутствуют недостатки СИМ «Расширенный редактор GPSS World», но эта СИМ намного сложнее в освоении.

  • 3. Аналитическая модель СМО М/М/5.

Основные показатели функционирования СМО М/М/5 вычислены по аналитической модели по формулам, приведенным в [6]. Вычисление основных показателей СМО М/М/5 проведено по аналитической модели по формулам, опубликованным в источнике [7]. Результаты АМ приведены в табл. 1.

  • 1.    Приведенная плотность поступления в систему продуктов:

р = to6с Ц     = 30/10 = 3.

обс пост

где р - п риведенная плотность поступления          р р       о л эта

  • -                                  1 _       ожид _ 3 0.2 36 _ q   .

в систему продуктов; tобс - среднее время            m - р     5 - 3     .  .

обслуживания продуктов в системе; t    -                                    ^ у

пост    5.  Среднее количество продуктов в системе k :

с реднее время поступления продуктов в       _ рm - р + р     )

систему.                                        к =---------- ожид = 3.354.

Вероятность, что в системе нет продуктов:                     m - р                   (6)

1                       6. Среднее время ожидания:

р 0            „2   .,3      4        5                      -

  • 1    + р + р + р + р +-- р--- -      tобсл ■ р ожид

2!     3!    4!   4!( m - р )           tожид =------- ожид = 3.542.

= 0.0466.                                                         ( m - р )                 (7)

  • (2)          7. Среднее время пребывания продуктов в сис-

где р^ - в ероятность того, что в системе нет   теме tnpeQ •

продуктов; m - количество обслуживающих           t ,  ( m - р + р

аппаратов (ОА).                               tпреб = о^л----------ожид ) = 33.542.

  • 2.    Вероятность ожидания р     :                  r             m - р                  /т

ожид                                                      (8)

m

р  • Pq                           4. Сравнение результатов имитационного

Р^,„ - ,   ,x.z    х= 0. 23 6.                      и аналитического моделирования.

ожид  ( m - 1)!( m - р )

  • 3.    Средн е е количество продуктов в ОА:                Результаты ИМ СМО М/М/5 в анализируе

мых СИМ приведены в табл. 1. Разница результа-

_  m = р = .                (4)         тов ИМ СМО M/M/5 в этих системах ИМ с резуль-

где m - среднее количество продуктов в ОА.      татами АМ в процентах приведена в табл. 2.

  • 4.    Среднее количество продуктов в очереди l :

Таблица 1. Результаты АМ и ИМ СМО M/M/5 в семи СИМ

Код

АМ

Имитационное моделирование в системах

GPSS World

Any Logic

Bizagi Modeler

Enterpris eDynamics

Flexsim

Simio

Business Studio

m

3,000

3,015

3,090

3,075

2,961

3,110

2,981

3,l25

l

0,354

0,346

0,340

0,352

0,342

0.366

0,339

0,396

k

3,354

3,362

3,43

3,427

3,303

3.476

3,320

3,494

t обсл

30,00

30,170

30,900

30,790

30,095

31.120

29,790

31,020

t ожи д

3,542

3,463

3,500

3,520

3,474

3.679

3,390

3,819

t преб

33,542

33,633

34,400

34,310

33,327

34.799

33,180

35,040

Таблица 2. Разница результатов ИМ и АМ СМО M/M/5 в семи СИМ в процентах

Код

АМ

Имитационное моделирование в системах

GPSS W

Any Logic

Bizagi Modeler

Enterprise Dynamics

Flexsim

Simio

Business Studio

m

3,000

0,500

3,000

2,500

1,300

2,778

0,640

4,167

l

0,354

2,312

3,954

0,565

3,389

1,670

4,153

4,237

k

3,354

0,239

2.265

2,177

1,521

2,333

1,008

4,174

t обсл

30,00

0,567

3,000

2,633

0,317

0,900

0,700

3,400

t ожид

3,542

2,230

1,185

0,621

2,033

4,455

4,291

7,820

t преб

33,542

0,271

2,557

2,289

0,641

3,033

1,079

4,466

Средняя разница по 6 показателям

1,020

2,66

1,798

1,534

3,673

1,979

4,711

Максимальная разница

2,230

3.954

2,633

3,389

4,455

4,291

4,466

Место СИМ

1

4

3

2

5

4

6

Отметим, что при использовании занявшей первое место СИМ GPSS W на выборке 25000 заявок, выбран наилучший из семи задающий генератор случайных чисел RN1. В остальных анализируемых СИМ такую процедуру осуществить не удалось. Работа по сравнению анализируемых СИМ проведена с помощью разработанной авторами информационной системы имитационного и аналитического моделирования (ИСИАМ).

Выводы:

  • 1.    Наиболее наглядные структурные модели можно построить в системах ИМ, использующих нотацию BPMN: Bizagi Мodeler и Business Studio. Нотация BPMN позволяет отобразить в структурных моделях условия изменения маршрутов движения, в т.ч. выбор ОА по заданному условию. Система Bizagi Мodeler позволяет регистрировать стандартное отклонение среднего времени ожидания заявок в очереди, система Business Studio – нет.

  • 2.    Несомненны достоинством СИМ «Расширенный редактор GPSS World», AnyLogic, Bizagi Мodeler является возможность регистрации средних квадратических отклонений временных показателей моделирумых объектов встроенными стандартными средствами. Остальные рассмотренные студенческие версии СИМ не имеют таких возможностей.

  • 3.    Сравнение анализируемых СИМ проведено с помощью разработанной авторами статьи ИСИАМ, позволяющей осуществлять выбор СИМ в зависимости от предметной области объекта моделирования и личных предпочтений исследователя, а также по сравнению результатов

  • 4.    В табл. 2 приведены результаты сравнения ИМ с АМ и места, занятые анализируемыми СИМ, в соответствии с полученными средними значения разницы по шести показателям.

имитационного и аналитического моделирования СМО.

Список литературы Сравнение систем имитационного моделирования вероятностных объектов с графическим вводом структурных схем

  • Борщёв, А.В. Имитационное моделирование: состояние области на 2015 год, тенденции и прогноз//Труды седьмой Всерос. науч.-практ. конф. «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2015). Том пленарных докладов. С.14-22.
  • Якимов, И.М. Комплексный подход к моделированию сложных систем в системе BPwin-Arena/И.М. Якимов, А.П. Кирпичников, В.В. Мокшин и др.//Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, № 6. С. 287-292.
  • Девятков, В.В. Расширенный редактор GPSS World: основные возможности. -М.: Издание ООО «Принт-сервис», 2009. 143 с.
  • Боев, В.Д. Компьютерное моделирование. Пособие для практических занятий, курсового и дипломного проектирования в AnyLogic 7: -СПб.: ВАС, 2014. 432 с.
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/
  • Кирпичников, А.П. Методы прикладной теории массового обслуживания. -Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2011. 200 с.
  • Якимов, И.М. Аналитическое и имитационное моделирование замкнутых систем массового обслуживания/И.М. Якимов, А.П. Кирпичников, Г.Р. Зайнуллина, З.Т. Язина//Вестник Казанского технологического университета. 20115. Т. 18, №5. С. 184-188.
Статья научная