Для чего имитационное моделирование
Имитационное моделирование систем: что это такое и где используется
Проектирование любого объекта – это многоступенчатый процесс, который требует анализа данных, их систематизации, конструирования и проверки результатов. В зависимости от объема предстоящих работ, трудности его воплощения в жизнь, используется либо реальные испытания, либо имитация. Это упрощает процесс, делает его менее дорогостоящим, а также позволяет вносить коррективы, доработки уже на моменте эксперимента.
В статье мы расскажем про имитационное математическое моделирование систем – что это такое, какие модели получаются, где они находят свое применение.
Особенности технологии
Любая работа с моделями состоит из двух основных этапов:
Затем уже вносятся коррективы, или утверждается данный план. При необходимости можно повторить процедуру несколько раз, чтобы добиться безупречного построения.
Таким образом, этот способ можно назвать наглядным познанием реальности в миниатюре. Есть объекты, которые дорого и трудоемко воплотить в реальность в натуральном размере без точной уверенности в эффективности всех конструктивных элементов, например, космические корабли или все использование имитационного моделирования в области аэродинамики методом фотоупругости.
Создание идентичной модели с повторением особенностей всей системы помогает добиться не только отражения внутренних закономерностей, но и внешних действующих сил, например, воздушных потоков или сопротивления воды.
Конструирование копий объектов началось с появлением первых компьютеров и сначала имело схематический характер, с развитием технологий прем получил все большее развитие и начал применяться даже на небольших производствах из-за своей наглядности.
Где, в каких случаях используется и для чего применяется метод имитационного моделирования
Есть несколько рекомендаций для случаев, когда актуально использование ИМ:
Применение обусловлено тем, что появляется возможность:
Метод имитационного моделирования используется для:
Мы будем рассматривать особенности имитационного моделирования на примере производственных работ и проектирования. Но разновидность систем показывает необходимость применять способ в разных сферах деятельности. Так исследуются характеристики конкретных областей – какие изменения могут произойти, как их контролировать и что предпринять, чтобы предотвратить возможные негативные последствия.
Все возможности создания модели реализуются с помощью компьютера, но различают две основных разновидности процесса:
И математическое, и компьютерное имитационное моделирование основано на программах для автоматизированного проектирования, поэтому нужно ответственно подходить к выбору программного обеспечения. Компания ZWSOFT предлагает свои продукты по невысокой цене. ZWCAD – является аналогом ACAD, но при этом становится со временем популярнее старого софта. Это обусловлено:
Виды имитационного моделирования
Основы аэродинамического и гидродинамического имитационного моделирования
Самыми трудоемкими для разработки являются объекты, которые изготовлены для эксплуатации в условиях повышенного давления, сопротивления или труднодосягаемы. К ним обязательно подходят с точки зрения ИМ, создают математические схемы, меняют исходные данные и проверяют влияние различных факторов, совершенствуют модель. При необходимости создается трехмерный макет, который погружается в имитацию реальной среды. К таким объектам относят:
В основе ИМ аэродинамики часто лежит метод фотоупругости – определение воздействий на вещество определенных сил за счет двойного преломления лучей в материалах оптической природы. Так можно определить степень напряжения и деформации стенок. Этим же методом можно определить не только статичное воздействие, но и динамичное, то есть последствия взрывов, ударной волны.
Гидродинамическая модель задается несколькими параметрами вручную, учитываются все геологические, биологические, химические и физические свойства среды и объекта. На основе этих данных создается объемная модель. Задаются начальные и максимальные границы воздействия на конструкцию. Далее происходит адаптация к условиям нахождения предмета и последующий вывод конечных данных.
Активно применяют этот метод в горнодобывающей промышленности и при бурении скважин. Здесь учитываются сведения о земле,воздушных и водных ключах, возможных неблагоприятных для работ слоях.
Разработка модели
Воссоздаваемая проекция – это упрощенный вариант реального объекта с сохранением характеристик, особенностей, свойств, а также с причинно-следственными связями. Именно реакция на воздействия обычно становится самым важным элементом изучения. Понятие «имитационное моделирование» предполагает три этапа работа с моделью:
Далее этот цикл можно повторять столько раз, сколько это будет необходимо. Так образ является изменчивым в зависимости от введенных исходных данных.
Программное обеспечение для имитационного моделирования систем
При выборе программы для реализации проекта необходимо выбирать софт с поддержкой трехмерного пространства. Также важна возможность 3D-визуализации с последующей объемной печатью.
Компания «ЗВСОФТ» предлагает свою продукцию.
Базовый САПР, ZWCAD 2018 Professional, является аналогом популярного ПО – AutoCAD. Но многие инженеры переходят на «ЗВКАД» из-за облегченной системы лицензирования, более низкой цены и удобного, русскоязычного интерфейса. При этом новая разработка совсем не уступает по функционалу:
При этом на ZWCAD можно установить множество надстроек, направленных на решение тех или иных задач.
Form•Z Pro – программа для создания и работы со сложными 3D объектами. Ее преимущества:
Еще одна разработка – это программа ZW3D. Универсальная CAD-система в трех версиях – облегченная, стандартная и профессиональная. Возможности:
В статье мы рассказали, что относится к методам имитационного моделирования и что является его целью. За новыми технологиями будущее науки и производства.
Имитационное моделирование: создание терминов
История создания терминов
При создании методики по имитационному моделированию мне понадобилось разобраться с терминами. Проблема была в том, что общепринятые термины не годились для описания статистических данных, собранных в процессе имитации. Термины: процесс и экземпляры процесса были неприемлемы, потому что я не мог работать в парадигме Аристотеля. Парадигма Аристотеля не стыкуется с примененным мной матаппаратом. При этом практическое применение данной методики было простое – моделирование и имитация бизнес-объектов с целью принятия управленческих решений. В программе создавался виртуальный объект, описание которого состояло из описания сценариев и их взаимодействия. Сценарии прогонялись внутри программы, а также моделировались ресурсы и их взаимодействия.
Напомню, что:
Имитационное моделирование — метод исследования объектов, основанный на том, что изучаемый объект заменяется имитирующим объектом. С имитирующим объектом проводят эксперименты (не прибегая к экспериментам на реальном объекте) и в результате получают информацию об изучаемом объекте. Имитирующий объект при этом являет из себя информационный объект.
Цель имитационного моделирования — получение приближенных знаний о некотором параметре объекта, не производя непосредственное измерение его значений. Понятно, что это необходимо тогда и только тогда, когда измерение невозможно, или оно стоит дороже проведения имитации. При этом для изучения этого параметра мы можем пользоваться другими известными параметрами объекта и моделью его конструкции. Допуская, что модель конструкции достаточно точно описывает объект, предполагается, что полученные в ходе имитации статистические распределения значений параметра моделирующего объекта будут в той или иной степени совпадать с распределением значений параметра реального объекта.
Понятно, что матаппарат, который был применен, — это статистическая математика. Понятно, что матстатистика не использует термины экземпляры и типы. Она работает с объектами и множествами. В итоге для написания методики я был вынужден был использовать логическую парадигму на основе которой создан стандарт ИСО 15926. Основой его является наличие объектов, классов и классов классов.
Я хочу поделиться некоторыми определениями, которые мне пришлось ввести для объяснения механизмов моделирования и анализа результатов имитации. Этих примеров будет достаточно, чтобы понять, с чем я имел дело, когда строил модель предметной области.
Примеры определений:
Операция
Событие
Обсуждаем цифровые двойники и имитационное моделирование с основателем консалтинговой компании
Основатель NFP Сергей Ложкин рассказал мне, что такое имитационное моделирование, цифровые двойники, почему для Европы наши разработчики дешевые и крутые, и почему в России высокий уровень цифровизации.
Заходите, если хотите узнать, как это работает, кому нужны в России Digital Twin, сколько стоит проект и как этому научиться.
Цифровой двойник – это точная виртуальная копия реального объекта или процесса. Их давно активно используют во всем в мире для экономии денег и повышения безопасности. Россия тоже наконец начинает двигаться в этом направлении и тем приятнее, что у нас есть крутые компании, котирующиеся даже на зарубежном рынке.
Полную версию интервью (час с небольшим) смотрите на моем YouTube-канале, там все очень живо и интересно, а в первом комментарии есть тайм-коды.
Здесь же в очень сжатом виде приведу некоторые моменты, творчески переработанные под печатный формат.
Фаря:
— Сколько времени в вашей компании существует направление «Имитационное моделирование» и почему решили этим заниматься?
Сергей:
— У нас в 2016 году работал сотрудник, который знал, что такое Anylogic. Он сказал, тема прикольная, давайте делать. И мы начали, вообще не зная, что это такое. Начали туда вкладываться, обучать людей, искать лиды. А потом этот человек уволился… А поскольку мы уже прокопали какой-то путь, решили продолжать.
— Ну смотри, появилась какая-то новая штука, которую нужно развивать, а ведь вы прекрасно понимали, что большая часть рынка – это «госуха» с соответствующим менталитетом и разваливающиеся заводы, которые как-то придется моделировать. Вы действительно поверили в эту технологию или просто решили заняться чем-то модным?
— Я бы не сказал, что это тогда было модным, там идея очень интересная. На мой взгляд, цифровые эксперименты на моделях ждут нас во всех сферах, туда надо идти в любом случае. Американцы, например, целые военные сражения моделируют, расставляют танки, самолеты, пехоту и смотрят результат боя.
Ну это в военной сфере. В гражданской Америка, Европа тоже моделируют очень давно. Китай стремиться к моделированию семимильными шагами. Например, немецкая компания SimPlan на Anylogic моделировала работу самолета Airbus, Мерседес активно использует, да любая крупная компания играется с моделями. У нас есть передовые компании, которые это делают. И коммерческие, и государственные, для которых, кстати, цифровая трансформация – одна из основных тем сейчас.
— Ну мы знаем, как это проходит…
— Мы-то знаем… но они какой-то результат должны будут дать. Невозможно об этом только говорить постоянно, скоро ведь спрашивать начну. Так что им надо что-то делать.
— Кто ваши клиенты?
— Это в основном крупные компании. Условно, ТОП-1000 – наши целевые клиенты. В основном это коммерческие компании и коммерческие с государственным участием. Среди клиентов есть системообразующие компании в энергетике, газодобыче, авиаперевозках.
— Что им интересно моделировать?
— Им интересно моделировать процессы, которые экспериментально стоят дорого. Ну, например, есть плавильная печь размером с дом, и любая ошибка изменения техпроцесса, который был выбит на камне еще в 60-х годах, может стоить очень дорого. Поэтому, несмотря на то что эффективность процесса можно повысить, на эксперименты не идут.
В этом случае можно создать «цифровой двойник», в котором учесть процессы в печи и всю обвязку – склады, краны и т.д. и промоделировать все это дело. Например, посмотреть, что будет, если мы не будем понижать температуру в печи.
— Так, а чем цифровой двойник отличается от имитационного моделирования?
— Имитационное моделирование – это процесс создания и работы с цифровым двойником, т.е. с виртуальной копией физического объекта или процесса. Это может быть бизнес-процесс, например, маршрутизации звонков, движение ЖД транспорта, автомобили, что-нибудь, связанное с логистикой и т.д.
Вообще цифровой двойник – это хайповая тема, и под него можно подогнать очень много чего. Это может быть модель какого-нибудь утюга, а можно внедрение 1С назвать цифровым двойником бухгалтерии. Мы это понятие сужаем до каких-либо физических процессов.
— Почему ты считаешь, что имитационное моделирование это хайповая тема? Я вот о цифровых двойниках практически не слышу. Более того, когда я искала на hh вакансии по Anylogic, который вы как раз используете, то их было мало, а больше половины были связаны с вами.
— Весной мы были в Мюнхене на конференции по имитационному моделированию, знакомились с компаниями, которые это делают, и я могу сказать, что Россия в этом плане отстает. Крупный рынок имитационного моделирования в штатах, там все моделируют. А в Европе, например, ты не можешь строить инфраструктурные объекты без моделирования, они даже моделировали завод Фольксваген, который у нас в Калуге.
Даже если взять Anylogic – российский софт для имитационного моделирования, который активно используют во всем мире, то в России объем использования этого продукта менее 10% по их словам. То есть у нас моделирование, по сути, только зарождается. И сейчас у нас все больше и больше осознанных запросов от клиентов.
— Когда вы приходите в компании со своими идеями, часто встречаете сопротивление?
— Да, часто. Особенно в компаниях, где люди «старой закалки» держатся за свои места и говорят, что «эта штука» не позволит им повысить эффективность. При том бывает даже, что менеджмент хочет, но нам же приходится работать на уровень ниже, с мастерами, диспетчерами, с их стороны тоже бывает сопротивление.
Но, сейчас заметен тренд на смену, и он все явнее и явнее ощущается. Уходят «старички», а кто новые приходят, они по-другому уже мыслят. Кроме того, как я говорил, сейчас всех чуть ли не сапогом впихивают в цифровую трансформацию, проводят обучение и даже на предприятиях в глубинке все чаще встречаются продвинутые ребята. Бывает, туда отправляют в командировку москвичей, и они там все развивают.
— Вы чувствуете кадровый голод?
— Зависит от ситуации, мы же проектная организация. Если прибегает много проектов, то голод чувствуется, потому что разработчика нужно готовить от нескольких месяцев. Сейчас я бы не сказал, что есть голод, у нас идет набор примерно одного человека в месяц в связи с тем, что количество проектов увеличивается, но огромной гонки в этом плане нет.
— Сколько вы платите?
— Джуниор может зарабатывать около 50к рублей. Вообще у нас достаточно стандартные ставки. Нормальные зарплаты начинаются от 80к и дальше в потолок. Если человека любят клиенты, и он хорошо совершенствуется, то он быстро может выйти на хорошую зарплату от 120к.
— То есть человек попрограммировал несколько лет, изучил джаву, пришел к вам и у него есть перспективы дойти до 200к.
— (Многозначительный взгляд в камеру)
— Я обратила внимание, что на ютубе у вас часть видео на английском языке. Потом нахожу статью, что вы выходите на британский рынок. Почему?
— Мы действительно планируем выйти на британский рынок, у нас есть цель, чтобы половина выручки была зарубежной. Хочется работать по миру. Сейчас у нас единицы таких проектов, но хочется, чтобы это было на постоянной основе.
— Чувствуются перспективы и интерес к вам в Европе?
— Зависит от того, что мы предлагаем. Например, мы сейчас проводим обучение по имитационному моделированию и RPA для Европы и группы по 20–30 человек набираются, которые потом хотят с нами контактировать.
— Мне еще понравилось в статье, что там у них меньше проверок, лучше правовая и судебная системы, а затраты на разработчиков очень высокие. Я правильно понимаю, что разработчики будут сидеть здесь, а работать будут за рубеж?
— Да, ну это ж классика жанра.
— Просто я не в первый раз замечаю, что у нас появляются новые компании, которые делают хайповый бизнес, очень популярный за рубежом, но еще не набравший обороты в России. Соответственно, они начинают делать проекты для иностранного рынка и мне за наших разработчиков как-то даже обидно, что это, по сути, дешевая рабсила с мозгами, которую можно очень классно эксплуатировать и продавать крутые проекты за рубеж.
— Здесь не совсем согласен, что это эксплуатация, потому что такой разработчик получает очень хорошие премии. Да, он не будет получать, как человек, который живет в UK, но там и расходы на жизнь больше.
— То есть, по сути, вы просто берете ценой?
— Не стоит забывать, что мы не дешевле, чем индусы. Получается, что мы можем предложить только то, что индусы не умеют делать, где нужна действительно экспертиза, инженерия и всякие сложные вещи, которые мы делаем лучше.
— Сколько стоит ваша модель?
— От полумиллиона рублей и до бесконечности. Мы доходили до 10 миллионов.
— Сколько модель за 10 миллионов способна сэкономить вашему клиенту?
— Миллиарды. Инфраструктурные проекты очень дорогие.
— Как вы убеждаете клиентов, что им выгодно купить у вас модель?
— Самый простой для нас вариант – это когда компания в курсе, зачем нужно имитационное моделирование и просто занимает нас как исполнителей. Другой уровень, это когда мы можем сами предложить эффективность, это и есть консалтинг, по сути. В этом случае имитационное моделирование – это лишь один из инструментов, типа RPA, 1С или просто какого-нибудь технического регламента. За инструментом стоит идея, а за идеей – стратегия.
Так вот, когда мы общаемся на уровне идей, мы где-то можем продать, а где-то еще нет – не такие зрелые еще с этой точки зрения. И тут мы уходим в ту или иную индустрию, потому что невозможно быть экспертом во всем.
— Вы сами к ним приходите?
— Сейчас в основном к нам приходят.
Если вам понравилось, приглашаю к просмотру полной версии. Вы также узнаете, как создаются цифровые двойники и что они все-таки из себя представляют, как научиться их разрабатывать и при чем здесь машинное обучение и наука.
Пишите в комменты, что вы думаете об имитационном моделировании и словах Сергея.
Имитационное моделирование
Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.
Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).
Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.
Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
Содержание
Применение имитационного моделирования
К имитационному моделированию прибегают, когда :
Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между её элементами или другими словами — разработке симулятора (англ. simulation modeling ) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.
Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950-х — 1960-х годах.
Имитационное моделирование (ИМ). Области использования и достоинства ИМ. Проблемы ИМ
Содержание
Основные определения [ ]
Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.
Имитационное моделирование — это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).
Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.
Имитационным моделированием иногда называют получение частных численных решений сформулированной задачи на основе аналитических решений или с помощью численных методов.
Имитационная модель — логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
Применение имитационного моделирования [ ]
К имитационному моделированию прибегают, когда :
— дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;
— невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;
— необходимо сымитировать поведение системы во времени.
Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или другими словами — разработке симулятора исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.
Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны. С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего изделия до начала производства. Компьютерное 3D моделирование теперь не редкость даже для небольших компаний.
Подходы имитационного моделирования [ ]
Агентное моделирование — относительно новое (1990-е-2000-е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот, когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей — получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении ее отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент — некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться.
Дискретно-событийное моделирование — подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений — от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Основан Джеффри Гордоном в 1960-х годах.
Системная динамика — парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Метод основан Джеем Форрестером в 1950 годах.
Области применения [ ]
Математическое моделирование исторических процессов