CLAIM – научно-образовательный кластер

Филиппович Андрей, Шапиро Илья

Система имитационного моделирования допечатных процессов

Содержание

Введение

Современные подходы к визуальному моделированию

Краткое описание программы

Основные термины

Функциональные задачи, решаемые программой

Алгоритм моделирования

Возможности системы

Пример моделирования

Заключение

Введение

Одной из проблем современной науки является разработка и внедрение в практику методов исследования функционирования сложных систем. К классу сложных систем относят технологические, производственные, энергетические комплексы, системы автоматизации управления и другие объекты. Моделирование является одним из наиболее мощных средств исследования подобных систем на сегодняшний день.

Моделирование - один из наиболее распространенных способов изучения различных процессов и явлений. Моделью исходного объекта называется представление объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. В инженерной практике модель обычно создается для:

1. проведения на модели экспериментов, которые невозможно или сложно провести на реальном объекте (что предоставляет возможность получения новых знаний об объекте);
2. ускорения, удешевления, упрощения и любого другого усовершенствования процесса проектирования, достигаемого за счет работы с более простым объектом, чем исходный, то есть с моделью.

В настоящее время известны и широко используются в научных исследованиях и инженерной практике различные типы моделей и многочисленные методы моделирования. Если взять за основу степень абстрактности (степень отличия от реального объекта), то можно определить следующие типы моделей:

1. физические (натурные) модели (воспроизводят изучаемый процесс с сохранением его физической природы и являются инструментом физического моделирования);
2. аналоговые модели (заменяют один объект на другой с похожими свойствами);
3. математические модели (абстрактные модели, существуют в форме специальных математических конструкций и имеют смысл только для интерпретирующего их человека или машины).

Под математическим моделированием понимают способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями.

Современные подходы к визуальному моделированию

В настоящее время компьютерная промышленность предлагает современному инженеру целый ряд разнообразных средств моделирования, позволяющих не только моделировать сложные динамические системы, но и проводить с ними эксперименты. Наиболее полное исследование общесистемных проблем получается в результате моделирования объектов с помощью современных технологий, реализованных в специализированных вычислительных пакетах или пакетах визуального моделирования.

На сегодня существует огромное число пакетов визуального моделирования. В них пользователю предоставляется возможность описывать моделируемую систему преимущественно в визуальной форме, например, графически представляя как структуру системы, так и ее поведение (например, при помощи карты состояний). Такой подход позволяет пользователю не заботится о реальной программной реализации модели, что значительно упрощает процесс моделирования. Результаты эксперимента в пакетах визуального моделирования предоставляются в более наглядной для человека форме: в виде графиков, гистограмм, схем, с применением анимации и т.д. Также в той или иной мере поддерживается технология объектно-ориентированного моделирования, что позволяет повторно использовать экземпляры моделей с возможностью внесения в них тех или иных корректив.

В данной статье речь пойдет о визуальной системе имитационного моделирования сектора допечатной обработки – программе “Симулятор”.

Краткое описание программы

Программа “Симулятор” ориентированна на анализ работы сектора допечатных процессов. Программа предоставляет пользователю средства для проектирования и визуального отображения модели полиграфической фирмы, а также возможность проведения испытаний над этой моделью в разных масштабах времени. Интерфейс пользователя с программой реализуется посредством стандартных механизмов системы Windows, таких как диалоговые окна, “плавающие” панели инструментов, “перетаскивания” мышью и т.д., а также без непосредственного взаимодействия с программой при помощи исполнения специального скрипт-файла. Программа содержит около 10 различных групп объектов, используемых при проектировании модели, с возможностью масштабирования и пополнения базы данных типовых устройств. К особенностям проекта следует также отнести наличие различных режимов моделирования, таких как пошаговое моделирование, моделирования с различной скоростью течения системного времени, а также моделирование решения одной задачи, многих задач одновременно и моделирование решения потока задач.

Основные термины

Система или программа – под этими терминами в дальнейшем будет пониматься система имитационного моделирования “Симулятор”.

Модель – это описанный в программе сектор допечатной подготовки полиграфической фирмы, представленный визуально в графическом виде.

Объект – это элемент модели. Вся модель состоит из отдельных объектов, соединенных между собой в соответствии с определенной логикой. Фактически объектами являются устройства (различное оборудование: компьютеры, сканеры и т.д.) или исполнители (сотрудники фирмы, выполняющие заказы).

Проектирование – процесс составления модели из отдельных элементов.

Моделирование или Симуляция – проведение испытаний над моделью.

Транзакт – это некоторый динамический объект, который способен изменять свои свойства и перемещаться. В данном случае транзакт является аналогом отдельной составляющей заказа и соответствует реальному объекту, проходящему технологический цикл допечатной обработки.

Функциональные задачи, решаемые программой

Главными функциональными задачами программы являются:

1. Создание модели сектора допечатной подготовки полиграфической фирмы;
1. Добавление в модель объектов;
2. Изменение свойств объектов модели;
3. Анализ модели;
2. Создание заказа;
1. Анализ заказа;
2. Вычисление стоимости заказа;
3. Выполнение моделирования;
4. Составление отчета.

Выполнение этих задач в программе может осуществляться двумя способами:

• с использованием интерфейса программы (экранных форм, панелей инструментов и т.д.);
• путем выполнения функций (команд) специального скрипт-файла.

Скрипт-файл позволяет последовательно выполнить каждую содержащуюся в нем функцию, написанную на формальном языке программы. Для выполнения скрипт-файла используется следующий способ запуска программы из командной строки:

sm.exe /ExecScript <ScriptFile>

где sm.exe – исполняемый файл программы;

/ExecScript - ключ запуска программы со скрипт-файлом;

<ScriptFile> - имя скрипт-файла (включая путь к нему).

Ниже приводится описания функциональных задач и синтаксис команд, которые их реализуют.

Создание модели сектора допечатной подготовки полиграфической фирмы

Создание (или проектирование) модели осуществляется путем добавления в нее отдельных объектов разных типов, а также изменением их свойств (смена местоположения, соединение объектов между собой и т.д.).

Создание заказа

Возможно создание заказа несколькими способами:

• с использованием заполнения таблицы заказов (transacts.db);
• функцией tCreate;
• путем генерации случайного заказа.

При составлении заказа желательно предоставить возможность программе самой составить таблицу, передав ей (программе) исходные данные о заказе. Для этого используется функции, представленные в таблице.

Выполнение моделирования

К моделированию следует приступать после того, как первые две функциональные задачи программы были выполнены, т.е. был спроектирован сектор допечатных процессов полиграфической фирмы и составлен заказ. После активизации моделирования программа переходит в автономный режим работы. Прекращение моделирования происходит при его логическом завершении (т.е. все заказы выполнены).

Создание отчета

Создание отчета выполняется программой автоматически при моделировании. В отчет заносится информация:

• об анализе модели, т.е. состав объектов модели по их типам, правильность их соединения между собой, ошибки, обнаруженные в процессе анализа и т.д.;
• об анализе заказа, сюда относится вывод рассчитанной стоимости выполнения заказа и оценка реальности его выполнения данной моделью;
• о завершении выполнения заказа, т.е. время, затраченное на его выполнение с момента его поступления в систему.

Алгоритм моделирования

Моделирование в программе осуществляется следующим образом:

1. Создание заказа и поступление его в систему;
2. Разбиение заказа на транзакты и распределение их по исполнителям;
3. Исполнители определяют свободное устройство и выполняют на нем транзакт. Если свободные устройства нужного типа отсутствуют, то исполнитель ожидает освобождения устройства в очереди.
4. Когда все транзакты одного типа выполнены, они собираются и заказ анализируется.
5. Если заказ еще не выполнен, то он снова разбивается на соответствующие транзакты, иначе составляется отчет и заказ удаляется из системы.

Возможности системы

Количественные характеристики. На данный момент в программе представлено около 10 видов различных объектов, таких как компьютерные устройства, сканеры, принтеры и т.д. А также специальные объекты – исполнители и транзакты. Все классы объектов содержат 4-8 базовых моделей, представленных своими характеристиками. Пользователь может пополнить таблицы технических характеристик требуемыми моделями устройств.

При проектировании модели сектора допечатных процессов может быть использовано 1000 объектов. В реальности обычно используется 30-100 объектов. Рекомендуется использовать при проектировании минимально необходимое количество объектов, т.к. скорость работы программы при моделировании будет обратно пропорциональна этой величине.

Объект типа исполнитель. Объект представляет собой “человеческий фактор” в модели. Также как и другие объекты, исполнители имеют свойства, характеризующие скорость их работы. Но в отличие от других исполнители осуществляют непосредственное взаимодействие с транзактом и оборудованием. Таким образом, транзакт поступает на исполнителя, а исполнитель определяет соответствующее устройство и выполняет на нем транзакт. В итоге, скорость и качество совершаемой технологической операции зависит не только от “железа”, но и от человеческого фактора. Фактически это соответствует реальному процессу.

Система приоритетов и очередей. Система очередей соответствует механизму многоканальных систем массового обслуживания (СМО) с бесконечным числом мест в очереди. При моделировании каждое устройство представляет собой канал СМО для заявок исполнителей с соответствующими типами транзактов. Таким образом, исполнитель “становится в очередь” ко всем устройствам, выполняющим данный вид работ, и, когда его очередь подойдет, занимает первое освободившееся устройство. Продвижение исполнителя в очереди непосредственным образом связанно с системой приоритетов. Приоритеты в общем случае бывают двух видов: приоритет по порядку поступления и приоритет заказа. Приоритет по порядку поступления определяет продвижение в очереди в соответствии с правилом “первый пришел – первый ушел”. Приоритет заказа имеет большую значимость, чем приоритет по порядку поступления. Значение приоритета заказа при попадании в систему назначается (пользователем или случайным образом) от 1 до 10. При разбиении заказа приоритет распространяется на его транзакты. Транзакты с более высоким приоритетом заказа при попадании в очередь замещают собой на устройстве выполнения транзакты с более низким приоритетом.

Разбиение заказа на транзакты. Разбиение заказа на транзакты осуществляется в соответствии с логикой текущего процесса, параметрами заказа и количеством исполнителей. С учетом параметра “загрузка модели” определяется количество исполнителей, которые будут задействованы в выполнении данного заказа. Задача разбиения заказа состоит в равномерном распределении видов и объемов работ по исполнителям. Разбивается заказ на транзакты – отдельные составляющие заказа, соответствующие определенным технологическим процессам. Транзакт характеризуется типом (сканирование, печать и т.д.) и объемом. Сборка заказа производится после выполнения технологического цикла, т.е. при завершении всех транзактов одного типа.

Пример моделирования

Для примера была спроектирована модель небольшого сектора допечатных процессов, представленная на рисунке 1. Проектирование модели осуществлялось стандартными средствами, которые предоставляет программа.

Рис.1 Пример допечатного сектора.

После проектирования был проведен анализ модели для того, чтобы убедится, что в процессе проектирования не было допущено ошибок. Данная функция позволяет также получить отчет обо всех основных устройствах, составляющих модель. Результаты анализа модели были предоставлены программой в окне “Моделирование” на рисунке 2.

Рис. 2 Анализ модели.

Как видно из рисунка, ошибок обнаружено не было, а также модель содержит необходимые устройства для обработки любых типов заказов. Для выполнения моделирования в системе был создан стандартный заказ со 100% загрузкой исполнителей (рисунок 3). При создании заказа в системе решаются следующие вопросы:

• определяется возможность выполнения заказа данной моделью;
• вычисляется цена заказа на основе стоимости видов работ;
• заказ разбивается на транзакты.

Рис. 3 Добавление заказа.

После добавления заказа система приступила к его выполнению. Один из фрагментов моделирования представлен на рисунке 4. Цифры над головами исполнителей обозначают номер заказа и транзакта, которые обрабатываются данным исполнителем. Пиктограмма обозначает текущее состояние транзакта. Цифры над устройствами указывают номер исполнителя, который занимает это устройство. О связи исполнителя с устройством также говорит зеленая линия связи, она появляется в процессе моделирования.

Рис. 4 Фрагмент моделирования.

По окончанию процесса моделирования системой был предоставлен отчет (рисунок 5), содержащий:

• анализ заказа;
• сведения о привлеченных к работе исполнителях;
• время выполнения заказа.

Рис. 5 Результаты моделирования.

Заключение

Несмотря на большое количество универсальных систем имитационного моделирования, возникла необходимость в создании узкоспециальной системы, ориентированной на сферу полиграфических допечатных процессов. Таким образом, главным отличием программы является ее направленность на конкретную сферу человеческой деятельности.

Программа “Симулятор”, как большинство современных систем моделирования, позволяет использовать при проектировании и моделировании визуальные средства и скриптовые (программные) методы.

Данный проект является перспективной разработкой в области моделирования. К дальнейшему развитию программы следует отнести пополнение базы типовых устройств, добавление новых методов и алгоритмов моделирования, а также расширение функциональных возможностей.

 © НОК CLAIM, 2006-2012. Замечания, вопросы и сведения об ошибках просим сообщать в форуме или присылать администратору сайта.