Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы преобразования ресурсов как объект моделирования 12
1.1. Процессы преобразования ресурсов (ПНР) и их классификация 12
1.2. Примеры систем преобразования ресурсов 16
1.3. Обзор пакетов прикладных программ (111111) создания имитационных моделей дискретных процессов преобразования ресурсов 26
1.4. Сравнительный анализ функциональных возможностей 111111 моделирования дискретных динамических процессов 32
2. Математическая модель дискретного процесса преобразования ресурсов 38
2.1. Требования к математическим моделям ПИР 38
2.2. Основные объекты дискретных ПНР 39
2.3. Системные иерархические графы 54
2.4. Анализ возможностей использования наиболее распространенных математических моделей дискретных процессов для представления ППР 57
2.4.1. Адекватность сети Петри (N-схемы) процессу преобразования ресурсов 58
2.4.2. Адекватность NE-СХЄМЬІ процессу преобразования ресурсов 60
2.4.3. Адекватность прибора обслуживания заявок системы массового обслуживания (Q-схемы) процессу преобразования ресурсов 64
2.4.4. Адекватность модели системной динамики процессу преобразования ресурсов 67
2.5. Продукционные системы моделирования процессов преобразования ресурсов '. 74
2.5.1. Представление модели ППР в виде продукционной системы 74
2.5.2. Исполняемые правила базы знаний 75
2.5.3. Система разрешения конфликтов 78
2.5.4. Возможность использования предложенного подхода для моделирования непрерывных ППР 79
2.5.5. Машина вывода 81
Выводы 90
3. Пакет имитационного моделирования BPsim 91
3.1. Функциональные возможности пакета BPsim 91
3.2. Принципы построения 111111 имитационного моделирования 92
3.2.1. Выбор графической нотации описания процессов 92
3.2.2. Математический аппарат юі
3.2.3. Информационное обеспечение 105
3.2.4. Программное обеспечение 105
3.2.5. Алгоритмическое обеспечение 105
3.2.6. Алгоритм работы имитатора 10б
3.2.7. Требования к аппаратному и программному обеспечению 107
3.3 Технология работы с пакетом имитационного моделирования 108
3.3.1. Основные этапы работы с системой BPsim 108
3.3.2. Создание имитационной модели ППР 108
3.3.4. Проведение экспериментов с моделью ППР 112
Выводы 114
4. Решение задач с помощью системы имитационного моделирования BPsim 116
4.1. Модель абстрактного предприятия 116
4.2. Модель ЗАО «Ведение реестров компаний» 121
4.3. Модель ЗАО «Уральская индустриальная группа» 131
4.4. Модель процесса производства испарителя в ОАО <<УРАЛХИММАШ»..138
Выводы 141
Заключение 142
Список литературы
- Процессы преобразования ресурсов (ПНР) и их классификация
- Анализ возможностей использования наиболее распространенных математических моделей дискретных процессов для представления ППР
- Принципы построения 111111 имитационного моделирования
- Модель абстрактного предприятия
Введение к работе
Актуальность работы
Данная работа посвящена , вопросам имитационного моделирования процессов преобразования ресурсов. К ним относится большинство окружающих нас процессов: процессы, протекающие в экономике, в производстве, в окружающей среде, в различных энерго-преобразовательных агрегатах и т.п.
Характерной особенностью применяемого в настоящее время на практике программного обеспечения имитационного моделирования является высокая универсальность программных средств. Так, при описании дискретных процессов большинство пакетов прикладных программ моделирования пригодно для алгоритмизации дискретных процессов в самом широком смысле или же, по крайней мере, для достаточно больших классов таких процессов. Это достигается за счет использования таких компонент дискретных процессов как, например, события или параметры состояний. Вследствие такой универсализации средств составления моделей процессов были разработаны и нашли применение достаточно простые способы представления процессов имитационными моделями. Именно это предопределило рост популярности имитации как метода среди исследователей и разработчиков.
Указанные особенности построения формальных систем алгоритмизации процессов, являющихся концептуальной базой распространенных сейчас языков моделирования, в определенной степени объясняют уровень сложности программного обеспечения имитационного моделирования, при котором обязательна специальная подготовка пользователей в области программирования. Этот факт создает существенные трудности для участия в создании и эксплуатации моделей специалистов, не являющихся профессиональными программистами. Однако, именно эти специалисты должны получить непосредственный доступ к машинным моделям и активно участвовать в проведении имитационных экспериментов.
Прямым следствием ограниченного вовлечения специалистов в практику решения задач имитации на стадиях программирования и работы с моделью на ЭВМ является использование элементов моделирования, содержательно неадекватных общепринятым (в среде специалистов) определениям объектов исследования в понятиях данной предметной области. Целесообразна разработка некоторой системы «подходящих» элементов моделирования, использование которых позволило бы достаточно просто формализовать основные подструктуры процессов преобразования ресурсов. Тем самым, доминирующая сейчас концепция имитации по событиям (или состояниям) может быть заменена простым формальным описанием моделируемого процесса с помощью упорядоченного набора формальных элементов, отображающих существенные подпроцессы.
Таким образом, для дальнейшего развития программного обеспечения имитационного моделирования (ИМ) существенным является то, что становится оправданным специфическое построение элементов моделирования применительно к ограниченной области использования. Один из путей решения данной проблемы - построение и использование проблемно-ориентированных пакетов ИМ. Под проблемно-ориентированным пакетом ИМ предлагается понимать модульную систему программ, применяемую при решении следующих формулируемых на некотором проблемно-ориентированном языке задач: идентификация и формализация элементов процессов в диалоге человека с машиной; привязки формальных схем элементов процессов к общей модели; определение параметров и начальных условий; ввод данных, вариации модели (параметров и структуры); вывода и обработки данных.
Существующие средства ИМ процессов, как будет показано в дальнейшем, имеют ряд недостатков: неполный набор функциональных возможностей, слабые средства моделирования конфликтов, неполное соответствие понятийного аппарата проблемной области процессов преобразования
ресурсов, сложность при создании и работе с моделями, высокая стоимость (порядка 50-70 тысяч долларов), отсутствие поддержки русского языка.
В связи с этим, актуальным является исследование существующих математических моделей процессов адекватных процессу преобразования ресурсов и на их основе создание проблемно-ориентированного пакета ИМ, который должен обеспечить возможность специалистам самостоятельно создавать модели и с их помощью решать различные задачи анализа.
Объект исследования. Дискретные процессы преобразования ресурсов (ППР).
Предмет исследования. Методы машинной имитации и динамическое моделирование процессов преобразования ресурсов.
Цель работы. Анализ и разработка динамических математических моделей дискретных ППР и на их основе создание комплекса программ имитационного моделирования, обеспечивающего высокоуровневый интерфейс при разработке моделей и проведении экспериментов.
Идея работы заключается в использовании аппарата динамических экспертных систем к проблемной области процессов преобразования ресурсов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: методы системного анализа и синтеза, теория и методы искусственного интеллекта, теория сетей Петри, аппарат системных графов, аппарат продукционных систем, теория систем массового обслуживания, теория разностных уравнений, теория и методы принятия решений.
Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:
1. Математическая модель расчета показателей процесса
преобразования ресурсов с учетом состава подпроцессов, их характеристик и связей, состояний ресурсов процесса и воздействий внешней среды, которая отличается: - представлением ППР в виде продукционной системы:
PS =< Rps,BpsJps > .
- представлением элемента ППР в виде продукции вида:
Са('<*) -> ActionIN (ta),Action^" (t шк), Action^, (tUnLock), ActionOUT(tEnd).
- подходом к представлению иерархии процесса преобразования
ресурса в виде системного графа высокого уровня интеграции:
- і
PRl*i =< {Sender" KjOpm uResiverm}M;{PR^J;pl = 1,..., n,y}>2,;{Re/afto«^}i=, >.
- алгоритмом работы машины вывода динамической экспертной
системы (ЭС), который работает со списками различных типов
правил преобразования и выполняет изменения состояний
элементов рабочей памяти (ресурсов и средств).
2. Компьютерная технология создания графических моделей
процессов преобразования ресурсов и проведения имитационных экспериментов, отличающаяся:
ориентацией на диалоговое взаимодействие специалистов при вводе, корректировке данных, создании моделей и проведении имитационных экспериментов;
наличием эффективных средств моделирования конфликтов на общих ресурсах и средствах (моделирование прерываний).
Достоверность полученных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
привлечением формальных логических теорий для доказательства научных положений;
применением компьютерной технологии моделирования ППР на предприятиях.
Научная новизна исследований Исследования проводились на основе анализа сложившихся подходов к моделированию динамических ППР. Научную новизну раскрывают следующие результаты:
с единых позиций рассмотрены различные процессы преобразования ресурсов (бизнес-процессы, производственные, технологические, социальные, экономические, экологические, физические);
показана неполная адекватность типовых математических моделей (сетей Петри, расширенных сетей Петри (Ne-схємьі), систем массового обслуживания (Q-схемы), моделей системной динамики) процессу преобразования ресурсов;
на основе интеграции аппарата динамических экспертных систем и системных графов разработана математическая модель ПНР;
предложены новые технические решения по построению проблемно-ориентированного пакета ИМ процессов преобразования ресурсов на основе аппарата динамических экспертных систем, разработана графическая нотация НИР и алгоритм работы машины вывода, минимизирующий вычисления, которые легли в основу созданного пакета ИМ процессов преобразования ресурсов BPslm.
Практическое значение исследований состоит в том, что разработанные математические модели и пакет прикладных программ имитационного моделирования НИР позволяют:
реализовать (в диалоговом режиме) процесс структурного и параметрического синтеза модели ПИР;
осуществить проведение функционально-стоимостного анализа модели ППР;
проводить имитационные эксперименты с их последующим анализом.
Личный вклад автора состоит:
- в исследовании существующих средств имитационного моделирования;
- в исследовании возможности использования типовых математических
схем для формализации ППР;
в разработке модели ППР, основанной на аппарате продукционных систем и системных иерархических графов;
в разработке графической нотации описания ППР;
в разработке требований к программному пакету имитационного моделирования ППР, его информационного, алгоритмического, методического и лингвистического обеспечения.
Реализация работы. Пакет имитационного моделирования BPsim внедрен в ЗАО «Ведение реестров компаний», в отделе оконных конструкций ЗАО «Уральская индустриальная группа», в машиностроительном производстве ОАО «УРАЛХИММАШ», в ООО «Маяк-Урал», на кафедре АСУ УГТУ-УПИ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Информационные технологии и электроника». (Екатеринбург, 2000, 2001), Межвузовской научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (Вологда, 2001), Международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта». (Вологда, 2001), IX Всероссийском семинаре «Нейроинформатика и ее приложения» (Красноярск, 2001), Всероссийской научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в вузе» (Екатеринбург, 2001), Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2001), конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2001, 2002), конференции, посвященной 50-летию РТФ (Екатеринбург, 2002). Результаты работы были представлены на: Мировом конгрессе по Роботам в Корее (Сеул, 2002), 4-ом симпозиуме по математическому моделированию MATHMOD в Австрии (Вена, 2003). Результаты диссертации использовались при разработке «Интернет-среды макроэкономических исследований региона», поддержанной РФФИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ и выпущены 2 научно-технических отчета.
Структура предлагаемого материала выглядит следующим образом.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем основной части работы составляет 152 страницы машинописного текста. Диссертация содержит 78 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 80 наименований.
В первой главе диссертации обосновывается необходимость автоматизации моделирования процессов, показано разнообразие ППР, приводится обзор наиболее распространенных проблемно-ориентированных пакетов ИМ процессов и их сравнительный анализ, и определены требования к пакету имитационного моделирования ППР.
Во второй главе показана недостаточная адекватность типовых математических моделей (сетей Петри, расширенных сетей Петри (NE-cxeM), систем массового обслуживания (Q-схем), моделей системной динамики) процессу преобразования ресурсов. Предложена математическая модель ППР на основе интеграции аппарата продукционной системы и системных графов высокого уровня интеграции.
В третьей главе излагаются принципы создания пакета ИМ, приведено описание разработанной системы ИМ процессов преобразования ресурсов BPsim.
В четвертой главе рассмотрены примеры моделей ППР, разработанные с помощью пакета BPsim: модель абстрактного предприятия, модель производства испарителя на ОАО «УРАЛХИММАШ», модель ЗАО «Уральская индустриальная группа», модель ЗАО «Ведение реестров компаний».
Процессы преобразования ресурсов (ПНР) и их классификация
Существенный вклад в развитие теории моделирования ППР внесли труды: российских ученых член-кореспондентов Н.П. Бусленко [1], А.А. Вавилова и Б.Ф. Фомина [2,3], академика Б.Я. Советова [4]; зарубежных ученых А.Прицкера [5], Дж.Форрестера [6-7], А.В. Шеера [8,9]; и других ученых [10-24].
В данной работе под процессом преобразования ресурсов будем понимать процесс преобразования входа (ресурсов необходимых для выполнения процесса) в выход (продуктов — результатов выполнения процесса). В качестве дискретного процесса преобразования ресурсов рассматривается процесс, в котором изменения состояний происходят только в дискретные моменты времени, а также «дискретные копии» [5] непрерывного процесса, полученные дискретизацией переменных по времени. Элемент (компонент) такого процесса преобразования ресурсов или целый процесс можно представить в виде структуры, включающей: вход, условие запуска, преобразование, средства преобразования, выход (рис. 1.1). Условие запуска определяет момент запуска ППР на основании: состояния процесса преобразования, входных и выходных ресурсов, средств, с помощью которых осуществляется преобразование (далее «средств») и других событий, возникающих во внешней среде процесса. В момент запуска определяется время выполнения преобразования.
К задачам проблемной области ППР относятся: - проектирование новых ППР; - совершенствование существующих ППР; - организация и управление ППР; - прогноз состояния ресурсов и средств; - оценка временных характеристик процесса; - оценка стоимостных характеристик процесса; - оценка динамики использования ресурсов и средств. Классификация ресурсов с точки зрения их использования в процессе [10],
Средства не потребляются, а используются в процессе преобразования, они не уменьшаются в процессе их использования. Средства в большинстве случаев используются многократно, в зависимости от их эксплуатационного потенциала. Средства подразделяются на изнашиваемые и неизнащиваемые (снижается потенциал ресурса с течением времени или нет).
Выходы формируются в процессе преобразования. Выходы подразделяются на продукты и отходы. С физической точки зрения ресурсы могут быть расклассифицированы следующим образом: материальные ресурсы, в качестве которых могут выступать материалы, детали, узлы изделий, оборудование; информационные ресурсы (информация, документы); финансовые ресурсы;энергетические ресурсы - различные виды энергии, топливо; трудовые ресурсы. Следует отметить, что для материальных, информационных, финансовых и энергетических типов ресурсов, выступающих в роли входа, имеет место уменьшение ресурса, а для информационного существует два специфичных аспекта: 1. Существуют процессы преобразования информации, когда количество входного ресурса не уменьшается (копирование файла, обучение), в этом случае уменьшается только ресурс средств, которые выполняют преобразование (загрузка процессора, время и силы преподавателя). 2. С целью обеспечения эквивалентности информационного ресурса другим типам ресурсов, с точки зрения уменьшения объема входа в процессе преобразования, используются понятия заявки (задание на выполнение определенного объема работы) и сообщения (разрешающий сигнал на выполнение работы). В рамках одного и того же ГТПР может осуществляться преобразование ресурсов разных типов: ресурс может захватываться (выступать в роли входа), формироваться (выход), использоваться (средство). Примером использования различных типов ресурсов может служить процесс доставки груза (рис. 1.3). Будем разделять элементы ПНР на зависимые и независимые по ресурсам. Зависимость двух и более ПНР может быть определена использованием: - общих входных/выходных ресурсов; - общих средств преобразования. В [2] выделяют следующие простейшие композиции (соединения) элементов на общих входных / выходных ресурсах: Последовательное соединение элементов. Два элемента Е1 и Е2 соединены последовательно, если выход первого элемента непосредственно воздействует на вход второго элемента (рис. 1.4а). Параллельное соединение элементов. Два элемента ЕЗ и Е4 соединены параллельно, если объединяются соответственно входы и выходы этих элементов (рис. 1.46). Структура с обратными связями. Два элемента Е5 и Е6 образуют структуру с обратной связью, если выход Е5 подается на вход Е6, выход Е6 соединяется с входом Е5 (рис. 1.4в). Комплексные структуры. Реальные 111 IP в общем случае имеют комплексную структуру, т.е. такую структуру, в которой объединяются все три типа рассмотренных соединений. IP зависимые по входным / выходным ресурсам делятся на синхронные и асинхронные. Синхронизация имеет место (см.рис.1.4а), когда интервал времени между формированием r-го ресурса R2 элементом Е1 и моментом начала преобразования r-го ресурса R2 элементом Е2 имеет ограничение (критическое значение). Таким образом, условие запуска 111 IP, определяемое как совокупность необходимых входных ресурсов и средств, учет ограничения выходных ресурсов, дополняется условием запуска по времени.
Предприятие как сложный многоуровневый процесс преобразования ресурсов
В качестве примера системы преобразования ресурсов может быть рассмотрено предприятие. Под предприятием будем понимать любую частную коммерческую, государственную (работающую в условиях рыночной экономики), производственную, торгово-сбытовую или финансовую структуру, [8,29]. При описании деятельности предприятия часто используются понятия бизнес-процесса и производственного процесса, которые по своей сути являются процессами преобразования ресурсов. Понятие бизнес-процесса в большинстве случаев используется для описания процессов при проведении реинжиниринга с целью выявления «потока ценностей» (value stream) [11], т.е. в большей степени касается финансово-экономического анализа. Средства имитационного моделирования используются на следующих этапах реинжиниринга [12-14]: построения модели существующей компании (КАК ЕСТЬ) и анализа причин несоответствия сегодняшнего состояния компании желаемому; разработки модели нового бизнеса (КАК БУДЕТ).
В [10] приводится определение производственного процесса как «процесса, при котором блага, материальные, нематериальные, либо любая их комбинация, трансформируются в некоторые другие материальные, нематериальные, либо и те и другие блага». Под благом понимается ресурс. Таким образом, производственный процесс есть процесс переработки одних благ в другие, что совпадает с определением ПНР.
В системной методологии [2] к объектам промышленных исследований относят процессы операционной технологии, осуществляемые путем последовательной (маршрутной) обработки сырья или полуфабрикатов на технологическом оборудовании при повторяющихся циклах загрузка — обработка - разгрузка — контроль качества обработки. Обрабатывающая технологическая среда в каждом цикле создается и поддерживается с помощью нескольких систем оборудования, оснащенных устройствами контроля и регулирования параметров технологического режима. Дискретность рассматриваемого класса объектов заложена в условиях реализации процессов операционной технологии. Как следует из вышеизложенного, в рамках системной методологии также рассматриваются процессы преобразования ресурсов. В обобщенном виде (на верхнем уровне) коммерческое предприятие может быть представлено следующей схемой преобразования ресурсов (рис. 1.5).
В задачах исследования сложных систем из сферы производства и экономики, торговли и городского хозяйства, из области социальных проблем, проблем экологии и окружающей среды получили модели системной динамики [3,6,7,40]. Системная динамика (СД) представляет собой совокупность принципов и методов анализа динамических управляемых систем с обратной связью и их применения для решения выше упомянутых задач. Основателем СД является Дж. Форрестер.
В системе с петлями обратных связей используются два типа переменных -уровни (фонды) и темпы. Уровни — это накопители системы. Темпы — потоки, вызывающие изменение уровней. Темпы характеризуются интенсивностью -скоростью потока в единицу времени.
Анализ возможностей использования наиболее распространенных математических моделей дискретных процессов для представления ППР
Покажем, что в общем случае нельзя получить алгебраического выражения для расчета характеристик ППР, оценки состояния и динамики использования ресурсов и средств. Для моделирования дискретных процессов используют следующие модели: сети Петри; расширенные сети Петри; системы массового обслуживания; модели системной динамики. Данные модели могут быть рассмотрены как основа построения 111111 имитационного моделирования. Ниже рассмотрим возможности применения указанных математических моделей для представления ППР.
Покажем, что сети Петри не обеспечивают всех требований для моделирования ППР и рассмотрим некоторые расширения сетей Петри, устраняющие эти недостатки.
Самым распространенным в настоящее время формализмом, описывающим структуру и взаимодействие параллельных систем и процессов, являются сети Петри (англ. Petri Nets), предложенные К.Петри [3,4,21,22,49]. Применение аппарата сетей Петри к описанию процессов позволяет задавать начальное состояние условий, а также отслеживать состояние условий, что соответствует понятию разметки (маркировки).
Для представления динамических свойств объекта вводится функция маркировки М:В- {0, 1, 2, ...}. Маркировка М - присвоение неких абстрактных объектов, называемых метками (фишками), позициям N-схемы, причем количество меток, соответствующих каждой позиции, может меняться.
Маркированная N-схема может быть описана в виде пятерки Nm= B,D,I,0,M и является совокупностью сети Петри и маркировки М. Функционирование N-схемы отражается путем перехода от разметки к разметке. Начальная разметка обозначается как М0:В— {0, 1, 2, ...}. Смена разметок происходит в результате срабатывания одного из переходов d}eD сети. Необходимым условием срабатывания перехода dj является htel(d) {M(bj) l}, где M{bJ - разметка позиции &,-. Переход dp для которого выполняется указанное условие, определяется как находящийся в состоянии готовности к срабатыванию или как возбужденный переход [4].
Срабатывание перехода d} изменяет разметку сети M(b)=(M(bi), M(b2), ..., M(br)) на разметку М (Ъ) по следующему правилу:
МЩ =M(b)-I(dj) + 0(dj), т.е. переход dj изымает по одной метке из каждой своей входной позиции и добавляет по одной метке в каждую из выходных позиций.
Важной особенностью моделей процесса функционирования систем с использованием типовых N-схем является простота построения иерархической конструкции модели. С одной стороны, каждая N-схема может рассматриваться как макропереход или макропозиция модели более высокого уровня. С другой стороны, переход или позиция N-схемы может детализироваться в форме отдельной подсети для более углубленного исследования процессов в моделируемой системе S [4].
Другая важная особенность N-схем - это их асинхронная природа [3,4]. Внутри N-схемы отсутствует измерение времени. Запуск перехода рассматривается как мгновенное событие, занимающее нулевое время, а возникновение двух событий одновременно невозможно.
Как следует из выше изложенного, сети Петри при моделировании ППР обладают следующими недостатками: - отсутствие измерения времени; - нет разделения типов меток (ресурсов); - отсутствие конфликтов на общих ресурсах и средствах; - модели реальных процессов преобразования ресурсов, описанные в терминах сетей Петри являются громоздкими и плохо читаемыми.
Ниже рассмотрим возможность применения NE-cxeM для представления ППР. Для моделирования ППР наибольший интерес представляют N-схемы в виде временных сетей и Е-сетей, являющихся наиболее мощным расширением сетей Петри [3,4]. Задание временной сети, т.е. Ns-схемы включает семь множеств NS=
Фактор времени учитывается в Ns-схемах путем введения пассивного состояния метки в позиции. При поїлуплении метки в позицию hi она остается в пассивном состоянии (не может участвовать в возбуждении переходов) на время v(bi, t$) - ts и только после этого переходит в активное состояние. Еще большие возможности для моделирования сложных систем дают такие расширения N-схем, как Е-сети (NE-cxeMbi). Важной особенностью NE-СХЄМ является также детализация представления метки. С каждой меткой в NE-СХЄМЄ связаны п описателей. Каждый из описателей метки несет в себе определенную количественную информацию о моделируемом объекте.
В [4] описана обобщенная структура Е-сетевого перехода. В [3] приводится описание семи типов переходов используемых в Е-сетях. Отдельные типы переходов позволяют описывать слияние и разветвление процессов (потоков ресурсов).
Каждый переход Е-сети имеет три характеристики и записывается как dm = (кт, zm (pj, где тгт є П- тип перехода; zm є Z- время перехода; <рт - процедура перехода. Переход dm выполняется в три этапа. Сначала проверяются условия активности перехода, а для переходов слияния и разветвления определяется конкретная схема срабатывания. На следующем этапе реализуется задержка выполнения перехода на время zm и пересчитываются значения атрибутов метки по правилам, указанным в процедуре <рт. На заключительном, третьем этапе, в точном соответствии со схемой перехода изменяются маркировки его входных и выходных позиций [3].
Структурное задание модели элементов системы S в форме NE-cxeMbi позволяет использовать модульный принцип разработки имитационной модели с применением библиотеки Е-сетевых модулей и их параметрической настройки. В этом случае Е-сетевая модель является основой для сборки имитационной программы из модулей, реализованных на некотором языке программирования [3,4].
Принципы построения 111111 имитационного моделирования
С целью поддержки задачи моделирования 111 IP с использованием средств Borland Delphi 5.0 и СУБД MS Access была разработана система ИМ процессов преобразования ресурсов BPsim. Подробное описание работы с системой приведено в [53].
Дополнением стандарта IDEF0, позволяющим описывать сценарий и последовательность операций для каждого процесса, является стандарт IDEF3. Стандарт IDEF3 имеет прямую взаимосвязь с IDEF0 - каждая функция может быть представлена в виде отдельного процесса средствами IDEF3.
Блоки на диаграмме IDEF3 обозначают событие, стадию процесса или принятие решения. Стрелки являются отображением перемещения ресурса между блоками в ходе процесса. Для отображения логики взаимодействия стрелок (потоков) при слиянии и разветвлении или для отображения множества событий, которые могут или должны быть завершены перед началом следующей работы, используются перекрестки. Различают перекрестки для слияния и разветвления стрелок. Перекресток не может использоваться одновременно для слияния и разветвления. Классификация возможных типов перекрестков приведена в табл.3.1 [56].
Помимо указанных выше основных объектов, при построении диаграммы ЕРС могут быть использованы многие другие объекты. Применение большого числа различных объектов, объединенных различными типами связей, значительно увеличивает размер модели и делает ее плохо читаемой. Нотация ЕРС построена на определенных семантических правилах описания:
1. Каждая функция должна быть инициирована событием и должна завершаться событием.
2. В каждую функцию не может входить более одной стрелки, «запускающей» выполнение функции, и выходить не более одной стрелки, описывающей завершение выполнения функции.
Процесс в нотации ЕРС представляет собой последовательность процедур, расположенных в порядке их выполнения. Используемые при построении модели символы логики позволяют отразить ветвление и слияние процесса.
Стандарт DFD
Диаграммы потоков данных (DFD - Data Flow Diagramm) [4,8,55] строятся из следующих элементов: функция - действие, выполняемое моделируемой системой; поток данных - объект, над которым выполняется действие; хранилище данных; внешняя сущность — внешний по отношению к системе объект, обменивающийся с нею потоками данных. Функции, хранилища и внешние сущности на DFD-диаграмме связываются дугами, представляющими потоки данных. Дуги могут разветвляться или сливаться, что означает, соответственно, разделение потока данных на части, либо слияние объектов. При интерпретации DFD-диаграммы используются следующие правила: функции преобразуют входящие потоки данных в выходящие; хранилища данных не изменяют потоки данных, а служат только для хранения поступающих объектов; преобразования потоков данных во внешних сущностях игнорируется. Помимо этого, для каждого информационного потока и хранилища определяются связанные с ними элементы данных. Каждому элементу данных присваивается имя, тип данных и формат. Именно эта информация является исходной на этапе проектирования ИС - построении модели "сущность-связь". В различных интерпретациях понятия и обозначения моделей СД были использованы в разделах 1.3 и 2.5.6. Достаточно подробно графическая нотация моделей СД приведена в [3,61].
В табл.3.2 представлено сравнение графических нотаций.
Отличительной особенностью графической нотации ПНР является поддержка динамического потокового аспекта в модели. Соединительные стрелки с кружочками (входы и выходы) представляют собой поток вектора ресурсов. По сравнению с другими нотациями эта возможность делает модель более понятной и читаемой за счет уменьшения количества визуальных связей между элементами. Во всех других стандартах необходимо для каждого входа и выхода рисовать свою дугу.
Интерфейсы «управление» и «механизм» изображаются у операции в виде входящих наконечников стрелок сверху и снизу соответственно. В диалоговом режиме осуществляется «раскрытие» (отображение) вектора (перечня переменных) условия запуска, входа, механизма, выхода.
Принцип функциональной декомпозиции представляет собой способ моделирования типовой ситуации, когда любой процесс может.быть разбит (декомпозирован) на более простые элементы. Представляя процессы графически, в виде блоков, можно как бы заглянуть внутрь блока и детально рассмотреть его структуру и состав. Так, на рис.3.5 изображена декомпозиция процессов А2 и А4.
Рис. 3.5. Представление моделей процессов в 111 LP.
Принцип ограничения сложности. При работе с диаграммами 111 IP существенным является условие их разборчивости и удобочитаемости. Суть принципа ограничения сложности состоит в том, что количество блоков на диаграмме должно быть не менее двух и не более восьми. Практика показывает, что соблюдение этого принципа приводит к тому, что процессы, представленные в виде ППР-модели, хорошо структурированы, понятны и легко поддаются анализу.
Принцип контекстной диаграммы. Моделирование процесса начинается с построения контекстной диаграммы. На этой диаграмме отображается только один блок-операция — моделируемый процесс и блоки, моделирующие внешнюю среду. Контекстная диаграмма "фиксирует" границы моделируемого процесса, определяя то, как моделируемая система взаимодействует со своим окружением. Это достигается за счет описания дуг, соединенных с блоком, представляющим главную операцию и блоками внешней среды.
Стандарт IDEF3 наиболее полно представляет слияние и разветвление процессов как синхронных, так и асинхронных. Стандарт ЕРС так же позволяет описывать слияния и разветвления процессов, но визуальное представление не является столь мощным как в IDEF3 (нет разделения перекрестков на синхронные и асинхронные). Поэтому для удобства описания синхронных и асинхронных процессов взяты перекрестки стандарта IDEF3.
При построении моделей процессов в нотации ПНР используются еще два класса блоков: «источник» и «приемник» - блоки, моделирующие поведение внешней среды. «Источник» - генератор воздействий внешней среды. Блоки «источник» всегда располагаются в левой части модели. «Источник» и «Приемник» могут иметь только «выходной» и «входной» потоки соответственно, блоки не имеют интерфейса «механизм». «Источник» может располагаться на любой диаграмме. Если модель не очень большая, то все «источники» лучше располагать на контекстной диаграмме. Когда модель очень большая (много элементов описывают воздействие внешней среды), «источники» рекомендуется располагать на тех диаграммах, где их поток «потребляется». К блоку «приемник» предъявляются аналогичные требования, что и к «источнику», с той лишь разницей, что не к генерируемому потоку, а потребляемому (входному).
Модель абстрактного предприятия
Модель описывает деятельность абстрактного предприятия (рис.4.1), которое занимается производством некоторого продукта. Данная модель была взята для проведения сравнительного анализа существующих проблемно-ориентированных пакетов имитационного моделирования с разработанным пакетом BPsim. Созданные модели в различных пакетах приведены в приложении 2.
Предприятия работает по схеме «производство на заказ». Рассматривается производство одного вида продукции, для этого производства требуется один вид ресурса. Запасы необходимых ресурсов для производства и запасы готовой продукции на складе отсутствуют.
На основе заказа от потребителя вычисляется количество ресурсов, необходимых для производства, формируется заказ поставщику. После получения требуемого количества ресурсов начинается производство партии продукции.
Предприятие взаимодействует со следующими субъектами внешней среды: Потребителями (процессы "Прием и оплата заказа", "Поставка продукции"), Поставщиками (процессы "Заказ ресурсов", "Получение ресурсов"), Персоналом (процесс "Выплаты зарплаты"), Бюджетом (процесс "Уплаты налогов"), Владельцем предприятия (процесс "Выплаты дивидендов").
В данной модели кроме материальных и финансовых потоков описаны информационные (поток заказов от Потребителя и поток заказов на поставку ресурсов).
Детализирован процесс "Производства", который моделирует производственный процесс, а так же образование брака продукции и его устранение. Образование продукции моделируется с помощью блока «XOR» путем задания вероятности возникновения «бракованного продукта»
В случае возникновения брака моделируется его устранение. Операция «устранение неполадок» характеризуется временем, отличным от нуля, привлечением рабочей силы, что, в конечном счете, сказывается на себестоимости конечного продукта.
Необходимо оценить, какой из вариантов более выгоден для предприятия: 1) длительность операции «Сборка» - 3; длительность операции «Контроль качества» - 1; вероятность выпуска бракованной продукции и продукции без
брака равны, соответственно, 0.1 и 0.9; использование рабочей силы (два рабочих при сборке продукции и два рабочих при упаковке продукции, два рабочих при устранении неполадок; контроллер).
2) длительность операции «Сборка» - 1; длительность операции «Контроль качества» - 2; вероятность выпуска бракованной продукции и продукции без брака равна, соответственно, 0,4 и 0,6; использование рабочей силы (три рабочих при сборке продукции и три рабочих при упаковке продукции, три рабочих при устранении неполадок; контроллер).
Расширенная внешняя модель взаимодействия предприятия с внешней средой была взята за основу для создания модели деятельности ЗАО «Ведение реестров компаний» (ЗАО «ВРК»). ЗАО «ВРК» занимается предоставлением услуг по учету движения ценных бумаг на фондовом рынке. Модель включает основные процессы взаимодействия с субъектами внешней среды рис.4.9. Целью построения данной модели было выявление полного перечня финансовых потоков. Единицей модельного времени выбрана одна минута. Выделены следующие классы субъектов внешней среды: свои эмитенты — клиенты (акционерные общества и инвестиционные фонды), заключившие договора на ведение реестров; зарегистрированные лица (ЗЛ) своих эмитентов — акционеры клиентов-эмитентов ЗАО «ВРК»; брокеры, дилеры — «игроки» на рынке ценных бумаг, занимающиеся скупкой/перепродажей акций; ЗЛ других реестродержателей — акционеры, общества которых не заключили договор на ведение реестра с ЗАО «ВРК»; трансфер-агенты ВРК - удаленные пункты (филиалы), осуществляющие взаимодействие с ЗЛ в других городах или по месту расположения эмитента; рынок ЦБ (+векселя) — взаимодействие с рынком ценных бумаг; кредиторы, дебиторы — банки, финансовые организации; персонал — служащие ЗАО «ВРК»; бюджет - федеральное казначейство, налоговая инспекция; владелец - владельцы ЗАО «ВРК». Основные «внешние» бизнес-процессы взаимодействия: предоставление услуг эмитентам — процесс взаимодействия с клиентами-эмитентами, заключившими договор на ведение реестра; предоставление услуг ЗЛ своих эмитентов — процесс взаимодействия с ЗЛ своих эмитентов; предоставление услуг брокерам и дилерам — процесс взаимодействия с Брокерами и дилерами; предоставление услуг ЗЛ других реестродержателей — процесс взаимодействия с ЗЛ других реестродержателей; предоставление услуг ТА-агентам регистратора — процесс взаимодействия с филиалами; инвестиционная деятельность — процесс взаимодействия с рынком ЦБ (покупка и продажа акций и векселей); финансовая деятельность — процесс взаимодействия с дебиторами; получение кредитов — процесс взаимодействия с кредиторами; выплата зарплаты — процесс взаимодействия с персоналом; уплата налогов — процесс взаимодействия с бюджетом; выплата дивидендов — процесс взаимодействия с владельцем предприятия; другие выплаты — процесс взаимодействия с поставщиками товаров и услуг ЗАО «ВРК».
