УДК  681.004.51

Ю. А. СОЛЯНИК, Ю. И.ЖУКОВ

(СПбГМТУ, Санкт-Петербург)

Совместное использование функционального и имитационного моделирования для исследования вычислительных процессов и систем на различных этапах их разработки

Предложена методика совместного использования  функционального и имитационного моделирования, обеспечивающая повышение результативности разработки различных этапов жизненного цикла сложной технической системы. Рассмотрен пример  моделирования  этапа эксплуатации специальной вычислительной системы, включающий техническое обслуживание и восстановление работоспособности  системы.

Введение

Функциональная модель сложного процесса в нотации IDEF3  позволяет  наглядно представить потоки работ, сопровождающих конкретные этапы его жизненного цикла: проектирование, конструирование, производство, эксплуатацию и утилизацию. Однако подобная модель в основном позволяет описать качественные характеристики исследуемого процесса, а количественные оценки привести только для прогнозирования затрат на реализацию процесса или на время  его воспроизведения.

Широкий спектр количественных оценок исследуемого процесса, отражающих вероятностное влияние внешней среды на его эффективность можно получить при использовании его имитационной модели.  Процесс разработки такой модели является достаточно трудоемким, а ее отладка требует высокой квалификации разработчика в рассматриваемой предметной области. Эти обстоятельства снижают эффект совместного использования функциональной и имитационной моделей сложного процесса.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рассмотрим подходы к подобной процедуре на примере модели процесса эксплуатации  сложной системы, выделив этапы ее капитального (сравнительно долгосрочного), среднесрочного и оперативного восстановления после нарушения режима нормальной эксплуатации. Особенность эксплуатации системы заключается в том, что ее восстановление может быть выполнено только с использованием одного ресурса, включающего квалифицированного специалиста, необходимое оборудование  и запасные части.

Необходимо решить задачу о количественной оценке эффективности использования специалиста при заданном регламенте выполнения оперативных, среднесрочных и капитальных  работ по восстановлению отказавшей системы.

Функциональное моделирование

В качестве модели – прототипа рассмотрим традиционный процесс  технического обслуживания и восстановления морской компьютерной системы (МКС), иерархическая диаграмма которого представлена на рис. 1.

__________________________________

Научный руководитель д. т.н., профессор .

Рис. 1. Иерархическая диаграмма процесса-прототипа ТО и восстановления МКС.

Анализ диаграмм экспертами в области диагностики и  восстановления МКС позволяет внести конкретные корректировки, как в сами процессы, так и в связи между ними, что нашло отражение на следующих функциональных диаграммах, представленных в нотации IDEF3. Так как, по сути, эта нотация позволяет описать потоки работ, сопровождающих восстановление МКС, то корректировка диаграмм требует более детального изучения особенностей МКС и сопоставления им конкретных технологий восстановления обнаруженных отклонений от нормального функционирования системы. На рис. 2  приведена иерархическая диаграмма, сравнение которой с диаграммой ”как есть”, представленной на рис. 1, позволяет судить о процессах добавленных экспертами.

Рис. 2. Иерархическая диаграмма модели “как должно быть”.

Так статистика отказов системы, требовавших среднесрочного или долгосрочного их восстановления, позволила установить наличие в этих работах идентичных процессов восстановления неисправностей. Это позволило представить подобные работы на диаграммах, состоящими из двух частей:

    Синхронно-выполняемых по одинаковым технологиям работ; Работ, выполняемых последовательно и характеризующих особенности конкретного вида отказов МКС.

При этом, естественно, не допускается дублирования работ в технологии их выполнения по конкретному образцу МКС.

С позиций традиционного перехода от функциональной модели к имитационной возможны следующие варианты ее построения для рассматриваемого процесса:

    Последовательное выполнение работ специалистом для рассмотренных вариантов восстановления МКС (рис. 3); Последовательно – параллельное выполнение работ.

Рис. 3. Структура имитационной модели при последовательной технологии выполнения работ по восстановлению МКС.

Имитационное моделирование

Использование инструментальной среды GPSSWorld для разработки имитационной модели процесса технического обслуживания и ремонта морской компьютерной системы требует:

    Разработки алгоритма и структуры модели; Обоснования семантической направленности сегментов, из которых строится структура имитационной модели; Программирования сегментов модели в соответствии с их назначением; Настройки параметров операторов сегментов модели; Отладки программы на тестовых наборах данных.

Одна и та же структура (рис. 3) может быть использована для различных вариантов модели процесса технического обслуживания и ремонта МКС.

Если априори известны только временные границы выполнения отдельных видов работ по техническому обслуживанию и ремонту  МКС, то программа имитационной модели  такого процесса может иметь вид рис. 4.

Рис. 4. Программа трех разновидностей технического обслуживания МКС.

Рис. 5. Гистограмма распределения времени технического обслуживания МКС.

Результат моделирования, представленный на рис. 5, показывает, что время технического обслуживания распределено приблизительно равномерно во всем исследуемом диапазоне и не позволяет сделать конкретных рекомендаций по совершенствованию исследуемого процесса.

Если же на основании предварительных статистических исследований аналогичных процессов можно принять гипотезу  о конкретной функции  распределения времени проведения определенного вида работ по техническому обслуживанию МКС, то соответствующая программа имитационного моделирования будет генерировать данные в соответствии с экспоненциальным распределением.

Реализация данной программы позволяет получить более точную информацию по времени выполнения конкретных работ и по времени ожидания начала этих работ, если к моменту их получения специалист был занят выполнением других задач.

Гистограммы распределения времени выполнения  работ по техническому обслуживанию МКС  позволяют сделать рекомендации по рациональной последовательности выполнения работ и оптимальной  загрузки специалиста по их выполнению.

На рис. 6  представлена гистограмма распределения времени ожидания МКС начала работы по всем видам технического обслуживания.

Рис. 6. Гистограмма распределения времени ожидания МКС начала работы по всем видам технического обслуживания.

Как видно из рис. 4  построение имитационной модели требует детального программирования достаточно высокой трудоемкости.

Альтернативой такому подходу  может служить трансформация функциональной модели  в нотации IDEF3 в имитационную модель с использованием инструментальных средств пакета Arena от компании Rockwell Software, которая позволяет строить имитационные модели, исследовать их и анализировать результаты их выполнения.

Поскольку функциональная модель технического обслуживания и ремонта МКС уже ранее была построена при помощи программного пакета BPwin AllFusion Process Modeler 7, то лишь необходимо ее перевести в систему Arena для последующего имитационного моделирования. Однако для этого перевода модель надо преобразовать к необходимому виду.

При построении процессной модели используются ряд особенностей:

Для задания начальных и конечных блоков процессной модели используется Referent tool. Названия блоков указываются на английском языке или транслитом. Стрелки от начальных и к конечным блокам задаются в стиле Referent. Стрелки ресурсов (люди, оборудование) имеют стиль Relational.

Модель, подготовленная к  преобразованию в имитационную модель системы Arena, представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Функциональная модель в нотации IDEF3.


Поскольку имитационная модель Arena должна содержать дополнительные параметры по сравнению с моделью IDEF3, в BPwin используются свойства User-Defined Properties (UDP). Настройке должны подлежать следующие из элементов: «Перекресток», «Стрелка», «Ссылка» и «Процесс». На подготовленном элементе изображается канцелярская скобка в верхнем правом углу. Пример UDP настроек для элемента «Процесс» представлен на рис. 8.

Рис. 8. UDP настройка элемента «Процесс».

Подготовленная модель с настроенными элементами готова к экспорту в Arena. В среде BPwin следует открыть диаграмму IDEF3 и затем выбрать меню File/Export/Arena. Далее экспорт производится автоматически. В результате экспорта получим модель в пакете Arena (рис. 9).

Рис. 9. Модель технического обслуживания МКС в пакете Arena.

Полученную модель необходимо довести до логического конца. Допустим, необходимо сымитировать совместную работу технического персонала по обслуживанию и ремонту МКС в течение месяца (22 рабочих дня по 12 часов). Устанавливаем эти данные в настройках запуска имитации и запусткаем программу технического обслуживания МКС. После имитации Arena создает целый ряд отчетов, по которым можно анализировать работу смоделированной системы. Рассмотрим некоторые из них.

Количество обслуженных заявок: за рассматриваемый период на техническое восстановление поступило 28 МКС, однако успело пройти ремонт и выйти из системы лишь 23 штуки. Средняя продолжительность пребывания запросов в системе 50,4240 часов.

Среднее число запросов в очереди каждого процесса:

Время нахождения запросов в системе, время обработки и время ожидания:

Среднее число запросов на обработке (загруженность мастеров):

Таким образом, опираясь на полученные результаты, можно сделать вывод о том, что мастер по ремонту МКС загружен на 91%. Однако вся его занятость направлена в основном на МКС, требующие капитального ремонта, а другие заявки при этом вынуждены стоять в очереди на восстановление. Решением этой проблемы может быть назначение каждому виду работ своего мастера, тогда они будут работать независимо друг от друга, и заявки не будут столь долго находиться в системе.

Заключение

Нотация IDEF3 позволяет построить логически корректную и семантически определенную модель процесса, соответствующего потоку работ, который составляет конкретный жизненный цикл технической системы. Рассмотрен этап технического обслуживания (ТО) и восстановления (В) отказавшей морской компьютерной системы (МКС) одним специалистом. Приведены два варианта построения имитационной модели процесса ТО и В МКС. Процедура преобразования функциональной модели в имитационную с использованием системы Arena отличается меньшей трудоемкостью по сравнению с программированием в среде GPSS world  и позволяет получить более полную результативность исследуемого процесса.

Литература


Жуков и проектирование морских компьютерных систем. Учебное пособие. – Санкт-Петербург: Изд-во СПбГМТУ, 2012.-275 c. Замятина систем: Учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009 – 204 с. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем. – М.: ДМК Пресс, 2004. – 320с.

Текст реферата согласован с научным руководителем. Д. т.н. профессор , место работы Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ).