Основы имитационного моделирования

Имитационная модель – универсальное средство исследования сложных систем, представляющее собой логико-алгоритмическое описание поведения отдельных элементов системы и правил их взаимодействия, отображающих последовательность событий, возникающих в моделируемой системе.
Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или другими словами — разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.
На мой взгляд особенностью решения задач планирования и управления производством является необходимость учета при их решении множества переменных величин, характеризующих постоянно изменяющиеся рыночные условия. Одно из наиболее перспективных направлений решаемых задач – имитационное моделирование, которое позволяет получить качественные и количественные оценки возможных последствий управляемых решений. В работах многих авторов указывается, что имитационные методы – наиболее распространенные средства теории управления и исследования операций в управлении промышленными предприятиями и организациями. Это объясняется тем, что они дают инструментальную поддержку анализа функционирования в целях совершенствования производственных и управленческих процессов, скоординированной и контролируемой работы всех подсистем.
За последние 15–20 лет имитационное моделирование стало одним из самых распространенных инструментов исследования сложных систем и процессов. В наше время на рынке программного обеспечения для имитации предлагается более 50 мощных программных средств имитационного моделирования. Всего же на рынке информационных технологий фигурирует около 150 программных продуктов, позволяющих проводить имитационные эксперименты. Диапазон и разнообразие такого программного обеспечения продолжают расти, отражая тенденцию устойчивого спроса на него.
Программные средства имитационного моделирования, которые используются для разработки имитационных моделей производственных систем, можно разделить на следующие четыре группы:
1. Программирование компьютерной модели с помощью универсальных языков. Динамику системы описывают уравнениями, которые кодируют в программу, затем проводят расчет уравнений и устанавливают связь выходных величин с входными.
2. Программирование компьютерной модели с применением специализированных языков моделирования (например, GPSS, AnyLogic), написанных на универсальных языках. Динамика системы отображается взаимодействием элементов модели во времени и пространстве. Специализированные языки имитационного моделирования компактны и имеют широкий круг приложений, однако требуют специальной подготовки пользователя, который должен написать программу в терминах языка для конкретного объекта моделирования.
3. Построение компьютерных моделей и проведение имитационных экспериментов при помощи специализированных компьютерных сред (например, Arena, AnyLogic, GPSS World, VisSim). Имитационные среды не требуют программирования в виде последовательности команд

. Вместо написания программы пользователи составляют модель из библиотечных графических модулей, и/или заполняют специальные формы. Как правило, имитационная среда обеспечивает возможность визуализации процесса имитации, позволяет проводить сценарный анализ и поиск оптимальных решений.
4. Включение средств имитационного моделирования в стандартные математические компьютерные системы (например, пакет Simulink системы Matlab, Mathcad, Mathematica). Это программные среды, предназначенные для выполнения разнообразных математических и технических расчетов, предоставляющие пользователю инструменты для работы с формулами, числами, графиками, текстом, включают в себя средства для управления переменными, вводом и выводом данных, а также снабжены графическим интерфейсом.
Также в сфере имитационного моделирования можно выделить четыре основные парадигмы моделирования, применяемых в качестве каркаса при построении моделей: динамические системы, системная динамика, дискретно-событийное моделирование, мультиагентные системы. Существует целый ряд программных инструментов, ориентированных на эти подходы:
1. Динамические системы.
2. Системная динамика.
3. Дискретно-событийное моделирование.
4. Мультиагентные системы .
Здесь следует отметить, что в настоящее время данная классификация во многом становится условной, поскольку современные интегрированные средства моделирования охватывают как динамические системы, так и системную динамику, дискретно-событийное моделирование и мультиагентные системы Но таких программных средств на рынке еще очень мало, а наиболее представительной является группа систем имитационного моделирования, ориентированных на дискретные системы. Ниже будут рассмотрены основные существующие на данный момент программные инструменты моделирования систем с протекающими в них дискретными динамическими процессами: AnyLogic [7], Arena [8, 9], Simulink [10, 11]. Для сравнительной оценки данных пакетов программ определен следующий набор характеристик:
1. Производитель.
2. Области применения.
3. Язык интерфейса.
4. Поддержка/обучение: руководство пользователя, учебные пособия; обучающие курсы; тренинг на сайте; доступность консультации; форум пользователей.
5. Построение модели: графическое построение модели; программирование/доступ к запрограммированным модулям; язык программирования; открытая архитектура.
6. Иерархическая структура производственного процесса.
7. Анимация: анимация модели и визуализация данных; 3D анимация; просмотр в режиме реального времени.
8. Анализ данных: анализ чувствительности; оптимизация; метод Монте-Карло; сценарный анализ.
9. Системные требования: операционная система; аппаратные требования.
10.Цена (за одну лицензию): профессиональная версия; образовательная версия.
Что касается мировой науки в области имитационного моделирования, за рубежом регулярно проходили конференции по имитационному моделированию, оно все шире внедрялось в практику управления промышленным предприятием. Кроме того, имитационные модели в западных странах являются обязательным в комплекте документов при проектировании нового или модернизации существующего производства