Методические аспекты имитационного моделирования распределённых систем запросного типа

эффективности работы сети, документирования ее текущего состояния, оптимизации производительности, анализа возможных усовершенствований, а также - выработки рекомендаций для наиболее рационального использования ресурсов сети. При этом формирование математических моделей, по возможности адекватно отражающих свойства динамических процессов в сетях, является одной из приоритетных задач при решении общей проблемы повышения эффективности управления в компьютерных телекоммуникационных системах. Другим средством, существенно дополняющим и расширяющим в данном случае возможности математического моделирование, является имитационное моделирование сетевой инфраструктуры как на базе специализированных средств типа NetCracker, так и на базе универсальных систем моделирования типа Matlab/Simulink.

В рамках проектов по созданию распределенных моделирующих сред в Донецком национальном техническом университете в комплексе используются все перечисленные средства моделирования сетевой инфраструктуры.

При этом модельное сопровождение всех разработок в рамках сетевой инфраструктуры, как локальных сетей кафедрального уровня, так и крупномасштабных университетских сетевых структур, рассматривается как один из неотъемлемых компонентов, необходимых для их развития.

С целью максимального обобщения и повышения эффективности результатов реализации проектов такого рода в ДонНТУ в настоящее время ведется разработка специализированного моделирующего сервера общего пользования, планируемый URL которого http://sim.donntu.edu.ua.

А.М.Белевцев

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЁННЫХ СИСТЕМ ЗАПРОСНОГО ТИПА

В настоящее время в различных областях народного хозяйства, экономики и управления получили распространение так называемые распределённые системы. В работе [1] распределённой называется всякая производственная, информационная, обслуживающая и т.п. система, включающая некоторое число распределённых в пространстве обрабатывающих узлов (центров), взаимодействующих в процессе решения общих задач таким образом, что с каждым взаимодействием связаны некоторые материальные (ресурсные) затраты.

Среди распределённых систем различного назначения выделяют системы запросного типа, в которых инициирование запросов к системе на выполнение каких-либо работ (операций) осуществляется в случайные моменты времени. Кроме того, собственно время выполнения операций в отдельных узлах системы может также быть случайной величиной. Стохастический характер функционирования распределённых систем запро-

сного типа (РСЗТ) вносит дополнительные трудности при их исследовании и тем более -при отыскании рациональных (оптимальных) вариантов организации их работы.

В работах [1,2] сформирован оригинальный методологический подход к исследованию РСЗТ, позволяющий с единых позиций исследовать процессы функционирования, характерные для РСЗТ различного назначения и физической природы этих процессов. Указанный подход основывается на интерпретации функционирования РСЗТ посредством рассмотрения формальным образом построенной совокупности технологических процессов (ТП), присущих данной системе, и поиске такой организации этой совокупности ТП, которая обеспечивает экстремум некоторой целевой функции.

В работах [3,4] формулируется совокупность соответствующих оптимизационных задач как моделей псевдобулевого математического программирования, обеспечивающих поиск наиболее рациональных вариантов построения и функционирования РСЗТ.

Вместе с тем, вполне очевидно, что при построении оптимизационных задач вводится ряд допущений, обеспечивающих практическую возможность получения их решений. Поэтому возникает необходимость использования некоторого инструмента для проверки влияния этих допущений на конечный результат и возможность его практической реализации.

В качестве такого инструмента предлагается система имитационного (статистического) моделирования SIMTEC, обладающая широкими возможностями по моделированию процессов функционирования РСЗТ различного назначения и хорошо зарекомендовавшая себя на ряде практических приложений.

Ниже изложены некоторые основные методические аспекты имитационного моделирования РСЗТ различного назначения посредством аппарата SIMTEC.

Система имитационного моделирования SIMTEC предназначена для моделирования производственных, информационных, управленческих и других процессов, отображаемых посредством процедур обслуживания заявок. Она может использоваться для анализа производительности моделируемой системы, оценки загрузки её отдельных ресурсов, определения "узких мест" и т.д. Как инструмент исследования РСЗТ она обеспечивает проведение детального анализа решений по оптимизации технологических процессов в рассматриваемых системах, поскольку позволяет достаточно подробно отображать индивидуальные особенности процессов функционирования этих систем.

Отличительными особенностями SIMTEC, обеспечивающими её гибкую адаптацию к РСЗТ различного назначения, являются:

- построение модели путём выбора моделирующих блоков из предопределённого их набора и задания связей между ними, что исключает написание и отладку моделирующей программы;

- возможность моделирования производственной программы, записанной во внешнем текстовом файле;

- широкое использование аппарата функций для задания логики работы моделируемой системы, условий проведения модельного эксперимента и сбора информации;

- уникальный набор средств вывода результатов моделирования в виде таблиц, графиков, диаграмм Ганта, гистограмм, в форме динамически изменяющихся картин, иллюстрирующих процессы обработки в моделируемой системе, в форме логической схемы модели, отражающей изменения состояний блоков и течение процесса функционирования системы.

Объекты БШТЕС. Модель рассматриваемой системы в SIMTEC строится из абстрактных объектов, имеющих определённый смысл и логику работы. Определены следующие типы объектов:

- динамические объекты, замещающие элементы материального и информационного потоков, которые подвергаются обработке в моделируемой системе;

- статические объекты, предназначенные для представления в модели отдельных устройств и элементов моделируемых систем, осуществляющих как основные, так и вспомогательные технологические и управленческие операции;

- функции, с помощью которых задаются атрибуты блоков и условия проведения модельного эксперимента;

- почтовые ящики, предназначенные для связи динамических объектов;

- статистические объекты, предназначенные для сбора и вывода в различных формах результатов моделирования;

- подсистемы, позволяющие строить модель из существующих фрагментов.

Динамические объекты являются элементами материального или информационного потока. Примерами динамических объектов могут служить:

- заготовки в машиностроительном производстве, которые в процессе обработки могут претерпевать различные физические и геометрические изменения, однако с каждой заготовкой связывается один и тот же динамический объект в течение всего цикла обработки;

- сигналы об окончании операции обработки на автоматизированном станке;

- запросы на решение определённых задач в вычислительной системе и т.д.

Статические объекты предназначены для представления в модели различных

устройств и элементов производственных, вычислительных и др. систем. Примерами таких устройств и элементов могут служить:

- станки, которые обрабатывают поступающие детали;

- вычислительные машины, осуществляющие решение некоторых задач;

- транспортные тележки, подающие детали от склада к станку;

- устройства вычислительных машин (процессор, устройства памяти), выполняющие определённые функции по обработке информации и т.д.

Функции. С каждым блоком, определённым в схеме модели, связывается набор его атрибутов, которые могут определять временную функцию обработки динамических объектов, функцию преобразования значений параметров динамических объектов либо функцию модификации значений почтовых ящиков. В качестве средства определения таких атрибутов в SIMTEC используется механизм работы с функциями.

Почтовые ящики. С каждым динамическим объектом связываются ряд параметров, которые недоступны другим динамическим объектам. Однако в ряде случаев возникает необходимость передачи от одного объекта другому. Для этих целей служат почтовые ящики, которые представляют собой вещественные переменные, доступные в любом блоке любому динамическому объекту. Эти переменные могут использоваться в качестве операндов любых функций и для задания атрибутов блоков.

Статистические объекты предназначены для сбора и вывода в различных формах результатов модельного эксперимента (в виде диаграмм, таблиц, графиков и др.).

Подсистемы предназначены для упрощения ввода модели путём выделения некоторых стандартных совокупностей блоков.

Процедура создания модели в БШТЕС. Для построения модели исследуемой РСЗТ необходимо выполнить следующие действия:

- выбрать единицу системного времени;

- описать входные потоки;

- выделить в моделируемой системе динамические и статические элементы (объекты);

- на основании логики определённых в SIMTEC блоков для каждого выделенного элемента моделируемой системы подобрать замещающий его блок или систему блоков;

- построить схему модели в виде сети блоков;

- определить атрибуты блоков.

Рассмотрим в качестве методического примера модель автоматизированного участка токарной обработки деталей различной конфигурации. На рис.1 представлена упрощенная схема этого автоматизированного участка.

Рис.1. Упрощенная схема автоматизированного участка

Участок включает в себя четыре группы однотипного оборудования (рабочих мест) для выполнения токаpной обработки поступающих заготовок. Рабочие места размещены в линию вдоль пути адресуемого транспортного средства (ТС)-1 и состоят:

- из станка с ЧПУ - 2;

- из промышленного робота (ПР) - 3;

- из входных - 4 и выходных - 5 буферных позиций станка (позиции загрузки - выгрузки (ПЗВ)).

Заготовки в таре, предназначенные для обработки на участке, поступают в зону загрузки (ЗЗ) - 6, откуда транспортное средство перемещает их для обработки на соответствующие рабочие места. Полностью обработанные детали помещаются на автоматизированный склад (АС) - 7, с которого они могут передаваться в смежные подразделения.

Транспортное средство выполняет транспортные операции между ПЗВ, ЗЗ и АС по следующему алгоритму диспетч^ования транспортно-накопительной системы (ТНС): транспортировка в случае занятости соответствующей ПЗВ осуществляется на межоперационный накопитель (МН) - 8, а в случае занятости последнего заявка на транспортировку остается в ожидании обслуживания. Автоматизированный склад всегда готов принять обработанные детали.

Основные технические характеристики элементов участка приведены в табл. 1 и

2.

Таблица 1

Параметры оборудования_________________________________

№ п/п Параметры основного технологического оборудования

1 Номер группы оборудования 1 2 3 4

2 Расстояние от ЗЗ и АС 15 10 5 10

3 Емкость ПЗВ 1 1 1 1

Т аблица 2

Параметры транспортно-накопительной системы______________________

№ п/п Наименование параметра Значение

1 Ёмкость автоматизированного склада 100

2 Ёмкость межоперационного накопителя 30

3 Средняя скорость ТС (м/час) 2400

4 Время загрузки-выгрузки (час) 0,01

5 Размер транспортной партии 5

На участке планируется обработка 4 типов деталей. Для каждого типа деталей операционные затраты времени, последовательность выполнения операций и используемые для них группы оборудования представлены в табл. 3.

Необходимо построить модель участка, которая позволила бы определить его производительность в течение суток непрерывной работы, а также эффективность заданной маршрутной технологии.

В качестве единицы системного времени возьмем 1 минуту. Партии поступают на участок равномерно через 100 минут заготовки 1 и 3 типов и через 120 минут - заготовки 2 и 4 типов, для имитации поступления этих партий в модель введены 4 блока GENERATE.

Таблица 3

Операционные затраты и используемые группы оборудования_______________

№ п/п Наимено- вание Шифр Материал № группы № операции Тосн. мин Твсм. мин Тсум. мин

1 Втулка G100 D16 1 05 0,68 0,63 1,31

3 10 0,52 0,63 1,15

2 15 6,3 0,72 7,02

4 20 6,30 0,72 7,02

2 Корпус G300 АМГ-6 4 05 1,90 1,04 2,94

2 10 1,00 1,00 2,00

3 Цилиндр G500 35ХЭНМ 2 05 0,68 0,63 1,31

3 10 0,50 0,63 1,13

1 15 6,00 0,72 6,72

4 20 6,00 0,72 6,72

4 Камера G600 35ХЭНМ 3 0,5 4,29 1,13 5,42

1 10 2,32 1,14 3,43

4 15 8,37 1,40 9,77

2 20 18,50 1,13 19,63

Транспортное средство исполняет заявки на перевозку деталей только в том случае, если приемник (требуемая группа основного технологического оборудования) свободен и готов принять заготовку для обработки. Если приемник занят, то деталь перевозится в межоперационный накопитель. Если транспортное средство занято, то заявка встает в очередь.

Для управления в модели транспортным средством создаются два типа динамических объектов, которые представляют материальные потоки и информационные (заявки на перевозку). Динамические объекты, имитирующие заготовки, имеют следующие значения параметров:

P1 - стадия обработки и тип заготовки;

P2 - время перевозки партии;

P3 - время возврата транспортного средства на исходную позицию;

P5 - устройство, пославшее запрос;

Параметры Р5 используются для определения блока, куда следует направить сигнал об окончании транспортировки.

Логика взаимодействия зоны загрузки с транспортным средством воспроизводится следующей схемой:

Рис.2. Логика взаимодействия зоны загрузки с ТС

Блок S позволяет создать запрос к транспортному средству, который выходит по первому выходу, и деталь, направляемую в блок A. Продвижение детали будет заблокировано до тех пор, пока на второй вход блока A не придет сигнал об окончании транспортировки заготовки. Проверка состояния требуемой группы осуществляет блок D, в котором определены соответствующие логические функции выходов, зависящие от параметра P5 и автономных функций lf. Значение параметра P5 позволяет определить блок, на который следует подать сигнал об окончании транспортной операции. Автономные функции lf принимают значение true только тогда, когда соответствующая группа готова принять заготовку.

После прихода сигнала об окончании транспортировки, деталь из блока A переходит в соответствующую группу.

Логика взаимодействия элементов основной группы технологического оборудования и транспортного средства имитируется следующей схемой:

Подтверждение

Рис.3. Логика взаимодействия технологического оборудования с ТС

Входной блок J служит для объединения потоков заготовок после различных стадий обработки. Блоки АС моделируют позиции загрузки и выгрузки. Поскольку заготовки транспортируются партиями, то блок UNP осуществляет их распаковку для индивидуальной обработки на станке. Блок P имитирует токарную обработку, время выполнения которой определяется функцией ran, зависящей от P1 (типа и стадии обработки заготовки). Блок PAC упаковывает обработанные заготовки в партию. Аналогично рассмотренной выше подсистеме, блоки S и A обеспечивают посылку запроса на перевозку готовой партии и получение сигнала об окончании перевозки. С помощью блока D осуществляется выбор дальнейшего пути обработки партии заготовок.

По результатам моделирования производительность участка составила 27 партий, или 135 деталей за сутки непрерывной работы. Существенное различие в коэффициентах загрузки станков (0,248; 0,831; 0,213; 0,640) указало на то, что технологические маршруты разработаны неудачно. Это является основанием для использования аналитического аппарата оптимизации технологических процессов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Белевцев А.М. Об автоматизации технологических процессов в распределенных системах запросного типа//Проектирование и технология электронных средств. 2003. №2. С.19-24.

2. Белевцев А.М. О формальной интерпретации технологических процессов в распределенных системах//Проектирование и технология электронных средств. 2003. №1. С.11-15.

3. Белевцев А.М. О построении моделей оптимизации технологических процессов в распределенных системах запросного типа//Электронная промышленность. М.: №1 2003. Р-5520

4. Белевцев А.М. Вопросы оптимального планирования нагрузки в распределенных системах запросного типа//Известия ТРТУ. Тематический выпуск "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности". -Таганрог, 2003. Вып. 3. С.122-126

В.Ф. Гузик, В.Е. Золотовский, В.Б. Резников, В.А. Переверзев, В.И.Мартиросян

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МНОГОЛУЧЕВОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ НА СИСТЕМЕ СТРУКТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Гидроакустические станции (ГАС) имеют широкую область применения, с их помощью отыскивают косяки промысловых рыб, обследуют трубопроводы, проложенные по дну рек, ищут затонувшие корабли, а также с их помощью можно снять карту глубин фарватера и т.п. В этой связи задача моделирования ГАС представляется крайне актуальной. Проведение моделирования ГАС предполагает решение ряда следующих задач: оценка характеристик ГАС (определение точностных характеристик), уточнение данных сканирования, а также разработки методики гидрографической съемки морского дна.

Решение вышеуказанных задач проводилось с применением системы структурного моделирования, позволяющей реализовать математическое обеспечение блока обработки гидроакустических данных для комплекса камеральной обработки. Структура моделирующего комплекса, решающего задачу построения карт рельефа дна, представлена на рис. 1.