Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 12
1.1. Достоинства и недостатки программных средств имитационного
моделирования 12
Использование пакета EXCEL для реализации имитационных моделей 14
Язык JAVA как средство реализации имитационных моделей _ 16
Языки имитационного моделирования ~~
Среды имитационного моделирования 20
Среда моделирования ANYLOGIC 20
Среда моделирования PILGRIM 23
1.6 Выводы 25
ГЛАВА II. СОЗДАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
~ 26
Объектно-ориентированный подход 26
Разработка программного обеспечения имитационного моделирования экономических объектов 27
Механизм продвижения модельного времени 35
2.4 Выводы 37
ГЛАВА Ш. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ АУКЦИОНОВ 38
Торги и их исследование методом имитационного моделирования 38
Постановка задачи 45
Имитационная модель аукциона „ „ 47
Моделирование механизма аукциона „ .„ ~ 49
Моделирование поведения участников аукциона „ 51
3.4 Разработка архитектуры программного комплекса „ „. 55
Основные операции системы ^ „ 55
Концептуальная модель 56
Логическая модель 57
Взаимодействие вычислительной части с графическим интерфейсом 63
Результаты численных экспериментов 65
Выводы 74
ГЛАВА IV. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЗАПАСАМИ- 76
Обзор имитационных систем управления запасами 76
Разработка архитектуры программного комплекса , 83
Алгоритмы имитационных моделей управления запасами — 90
Результаты моделирования 95
Выводы 103
ГЛАВА V ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 104
5.1 Постановка задачи „ 104
- 5.2 Разработка архитектуры программного комплекса 105
5.2.1 Концептуальная модель 105
5.2.2 Логическая модель 107
Пример работы программы 116
Выводы 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
ЛИТЕРАТУРА 122
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 153
Введение к работе
Актуальность работы
В экономических системах протекают процессы, в том числе имеющие вероятностную природу. Их упрощение при описании структуры системы, а также пренебрежение внешними и внутренними воздействиями может привести к существенным погрешностям при составлении прогноза и снизить эффективность управленческих решений. Поэтому имитационное моделирование воспринимается сегодня как мощный и перспективный инструмент исследования сложных бизнес-процессов и систем, в которых велико число переменных, трудоемок, а зачастую и невозможен математический анализ зависимостей, высок уровень неопределенности имитируемых ситуаций. Кроме того, имитация нередко используется в тренажерах, деловых играх для выработки навыков принятия решений в определенной области, иллюстрации отдельных экономических явлений.
Существуют различные определения понятия «имитационная модель». Объединяя их, можно заключить, что имитационная модель - это модель, обладающая качествами из следующего набора: «сложность модели», наличие в ней случайных факторов, описание процесса, развивающего по времени, невозможность получения результатов без ЭВМ, предназначенность модели для использования в режиме вариантных расчетов, т.е. для сравнения путем выполнения имитационных экспериментов, заданных заранее «извне модели» вариантов планов [1]. При этом используются различные подходы к построению алгоритмов имитации, продвижению модельного времени (от события к событию и с постоянным шагом), приведенные в классических трудах по имитационному моделированию [2-6]. В данной работе будут рассмотрены дискретные имитационные модели, состояния которых меняются в определенные моменты времени.
Считается, что Т. Нейлор был одним из первых, кто применил методы имитационного моделирования для исследования экономических процессов. Его монография «Машинные имитационные эксперименты с моделями экономических систем» [6] легла в основу многих последующих работ по имитационному моделированию экономических систем.
При выполнении работы автором было рассмотрено решение следующих задач в экономике:
моделирование торгов, проводимых в соответствии с ФЗ № 94, с целью оценки характеристик их механизмов при условии определения предпоследнего учарт-ника и победителя;
имитация систем управления запасами, использующих различные стратегии принятия решений, с целью определения временных и стоимостных показателей;
моделирование экономических объектов (магазина, кредитного отдела банка, экскурсионной фирмы и т.д.) с целью их анализа.
В процессе выполнения последних двух задач часть моделей была разработана автором, а остальные получены путем модификации классических моделей, приведенных в работах Нейлора [6], Варфоломеева [8]. При этом необходимые сведения были также получены на основе изучения существующих научных работ по имитационному моделированию (материалы конференций ИММОД [9], Winter Simulation Conference [10], работы Кобелева Н.Б. [11], Рыжикова Ю.И. [12], Емельянова А.А., Власовой Е.А., Думы Р.В. [13], Карпова Ю.Г. [14], Советова Б.Я. [15-16] и т.д.), управлению запасами [17-19], исследованию операций [20] и др.
Реализация имитационных моделей может быть выполнена с помощью различных средств: языков программирования, пакетов прикладных программ, языков и сред моделирования. Считается, что основным недостатком имитационных моделей, реализуемых с помощью универсальных языков программирования, пакетов прикладных программ, является их специфичность и сложность повторного использования. С другой стороны, среды моделирования могут включать избыточные функции и не всегда позволяют рассматривать особенности исследуемой области, всех возможных правил системы.
В связи с этим возрастает интерес к использованию объектно-ориентированного подхода при разработке архитектуры программы, т.к. это позволяет создать инструмент, который может обеспечить с одной стороны хорошую поддержку специфичных задач имитации, а с другой - расширяемость, интеграцию моделей различных типрв. К преимуществам данного подхода, появление которого связано с возникновением языка SIMULA в начале 60-х годов прошлого века, относят более простую модификацию полученных решений, возможность использования существующего программного кода для создания новых разработок, а применяемые концепции (объект, класс,
7 разработчиков путем использования в качестве базиса существующей иерархии классов и механизмов, является, по мнению автора, актуальной задачей. Для выполнения работы была использована архитектура, приведенная в диссертации [22] и предназначенная для решения задачи лидарного зондирования атмосферы. Необходимость ее модификации с целью применения для решения задач имитационного моделирования экономических объектов обусловлена такими свойствами имитационных моделей, как динамичность, наличие случайных факторов и т.д. Для описания архитектурных решений будет применен The Unified Modeling Language (UML) [23-24].
Целью данной работы является разработка моделей, алгоритмов и программных комплексов, обеспечивающих поэтапную имитацию экономических объектов.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработка имитационных моделей экономических объектов; создание алгоритмов имитации.
Разработка архитектур программных комплексов, обеспечивающих поэтапную имитацию экономических объектов, в том числе систем управления запасами и аукционов, регулируемых Федеральным законом № 94.
Реализация программных комплексов имитационного моделирования экономических объектов: «Запас», «Имитатор», «Аукцион».
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы имитационного моделирования и Монте-Карло, принципы объектно-ориентированного анализа и проектирования, теория управления запасами, теория массового обслуживания и методы математической статистики.
Объектом исследования являются экономические объекты, в том числе системы управления запасами, системы массового обслуживания и аукционы.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложен подход к созданию программных комплексов имитационного моделирования экономических объектов, который, в отличие от существующих, основан на декомпозиции моделирующего алгоритма и представлении его в виде графа решения задачи.
7 разработчиков путем использования в качестве базиса существующей иерархии классов и механизмов, является, по мнению автора, актуальной задачей. Для выполнения работы была использована архитектура, приведенная в диссертации [22] и предназначенная для решения задачи лидарного зондирования атмосферы. Необходимость ее модификации с целью применения для решения задач имитационного моделирования экономических объектов обусловлена такими свойствами имитационных моделей, как динамичность, наличие случайных факторов и т.д. Для описания архитектурных решений будет применен The Unified Modeling Language (UML) [23-24].
Целью данной работы является разработка моделей, алгоритмов и программных комплексов, обеспечивающих поэтапную имитацию экономических объектов.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработка имитационных моделей экономических объектов; создание алгоритмов имитации.
Разработка архитектур программных комплексов, обеспечивающих поэтапную имитацию экономических объектов, в том числе систем управления запасами и аукционов, регулируемых Федеральным законом № 94.
Реализация программных комплексов имитационного моделирования экономических объектов: «Запас», «Имитатор», «Аукцион».
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы имитационного моделирования и Монте-Карло, принципы объектно-ориентированного анализа и проектирования, теория управления запасами, теория массового обслуживания и методы математической статистики.
Объектом исследования являются экономические объекты, в том числе системы управления запасами, системы массового обслуживания и аукционы.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложен подход к созданию программных комплексов имитационного моделирования экономических объектов, который, в отличие от существующих, основан на декомпозиции моделирующего алгоритма и представлении его в виде графа решения задачи.
Впервые предложена имитационная модель торгов, проводимых с целью поставки товаров и услуг для государственных, муниципальных нужд.
Разработаны три архитектуры программных комплексов, выполняющих имитацию объектов прикладной экономики, в том числе систем управления запасами и аукционов. Основное отличие от базовой архитектуры заключается в использовании циклических обходов графа решения задачи.
Практическая значимость результатов работы определяется следующими результатами
Программные комплексы «Имитатор» и «Запас» могут быть использованы студентами ВУЗов в качестве лабораторного практикума при изучении дисциплин «исследование операций в экономике», «имитационное моделирование экономических процессов».
Программный комплекс «Аукцион», в основе которого лежит имитационная модель аукциона, позволяет воспроизводить ход торгов, регулируемых Федеральным законом №94, с учетом поиска предпоследнего участника, и может быть использован специалистами в качестве инструмента исследования и обучения новым механизмам проведения аукциона. Проведенное с его помощью исследование позволило оценить характеристики исследуемых механизмов проведения торгов в выбранных условиях.
Разработанные архитектуры могут быть применены для создания новых программных комплексов имитационного моделирования в области экономики.
Достоверность результатов Достоверность результатов обусловлена применением общепризнанных теоретических законов и вычислительных алгоритмов; результатами проведенных численных экспериментов, которые были сопоставлены с данными, полученными другими авторами, а также рассчитанными с применением аналитических методов; привлечением специалистов, имеющих сведения о том, как должна функционировать реальная система (для проверки результатов работы программы «Аукцион»); внедрением материалов диссертации в учреждения г. Томска. На защиту автором выносятся следующие основные положения: 1. Предложенный подход к разработке программных комплексов имитационного моделирования экономических объектов позволяет создавать программы, в которых имитация и решение смежных задач может выполняться поэтапно. На его основе разработаны три программных комплекса имитационного моделирования.
Имитационная модель торгов позволяет проводить исследование аукционрв, регулируемых Федеральным законом от 21 июля 2005 года №94-ФЗ, в ходе выполнения которых определяется победитель и поставщик, сделавший предпоследнее предложение цены контракта.
Архитектуры программных комплексов «Аукцион», «Запас», «Имитатор», позволяющих в классическом либо ручном поэтапном режиме выполнять имитационное моделирование аукционов, регулируемых Федеральным законом №94, систем управления запасами и других объектов прикладной экономики.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях: «Научная сессия ТУСУР» в 2005, 2006, 2007 г., «Молодежь и современные информационные технологии», 2007 г., «Современное образование: традиции и новации», 2006 г., «Электронные средства и системы управления», 2007-
Доклады на конференциях Научная сессия ТУСУР 2005, 2006, 2007 были награждены дипломами второй, первой и второй степени соответственно. Студенческая работа «Система имитационного моделирования экономических объектов», представленная на всероссийский конкурс студенческих работ в 2005г., в первом туре, проходившем в ТУСУРе, заняла первое место в номинации «студент», а на всероссийском конкурсе на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным
наукам отмечена дипломом Министерства образования и науки. Кроме того, на пер-
вом внутривузовском туре Открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в 2006 году работа «Автоматизированная система имитационного моделирования управления запасами» была награждена грамотой.
Публикации по теме работы. Основное содержание работы отражено в 31 публикации, из них 8 статей (в том числе 4 статьи опубликованы в журнале из списка ВАК), 7 учебных пособиях (из них 2 с грифом СибРумц). Кроме того, зарегистрированы 3 программы в ОФАП.
Личный вклад автора:
Основные научные результаты получены автором самостоятельно. Постановка задачи была выполнена научным руководителем Мицелем А.А. Постановка задачи разработки имитационной модели аукциона, проверка работы программы «Аукцион»
10 принадлежит Каштановой О.В. Реализация программ «Имитатор», «Запас» и «Аукцион» на языке высокого уровня выполнена автором.
Структура диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений, включающих результаты экспериментов, описание программных комплексов и акты внедрения.
В первой главе рассматриваются средства реализации имитационных моделей, приводится обзор наиболее популярных систем и универсальных пакетов имитационного моделирования - начиная с языков GPSS и SIMULA до современных отечерт-венных и зарубежных разработок: Anylogic, Arena и т.д.
Во второй главе представлен подход к разработке программ имитационного моделирования, основанный на декомпозиции моделирующего алгоритма и представлении его в виде графа решения задачи. Описаны решения по созданию архитектуры системы, в частности, приведены изменения которые необходимо внести в базовую архитектуру для реализации динамики и многократных прогонов имитационной модели. Основное содержание главы представлено в публикации [25].
В третьей главе представлено описание программного комплекса имитационного моделирования аукционов «Аукцион», в основе которого лежит имитационная модель торгов, проводимых в соответствие с Федеральным законом №94. Рассмотрена разработка архитектуры программы: описана концептуальная и логическая модель, основные проектные решения. С помощью реализованной программы проведены эксперименты и в работе представлены их основные результаты. Материалы данной главы были опубликованы в работах [26-31J.
Четвертая глава посвящена разработке автоматизированной системы имитационного моделирования управления запасами «Запас». Рассмотрены основные классы программы, алгоритмические модели, включенные в ее состав, элементы интерфейса и проведено тестирование системы. Основные результаты главы представлены в работах [32-39J.
Наконец, в пятой главе дано описание программного комплекса имитационного моделирования экономических объектов «Имитатор», включающего различные имитационные модели, в том числе классические. Приведена архитектура системы, разработанная на основе объектно-ориентированного подхода, описаны основные ре-
шаемые подзадачи. Рассмотрен пример работы программы. Материалы данной главы были опубликованы в работах [40-55].
