- •1 Методологические основы моделирования сложных систем
- •1.1 Системность
- •Понятия общей теории систем
- •Определение понятия системы
- •Основные свойства, обязательные для любой системы.
- •Взаимодействие и взаимозависимость системы и внешней среды.
- •Определение понятий элементов, связей, функций, внешней среды системы. Элемент
- •Внешняя среда
- •Функции системы
- •Сложность систем
- •Системный подход
- •Классификация систем
- •Развитие искусственной системы и ее жизненный цикл
- •1.2 Моделирование
- •Общая методология моделирования
- •Основные принципы моделирования:
- •Процесс моделирования
- •Анализ и синтез в моделировании
- •Примеры сложных систем Космическая система наблюдения Земли как сложная техническая система Задачи космической системы наблюдения Земли
- •Состав и структура космической системы наблюдения Земли
- •2 Построение математических моделей
- •2.1 Математическая модель, математическое моделирование – основные понятия, термины и определения
- •Цели математического моделирования
- •2.2 Общие методы построения математической модели
- •Микроподход и макроподход в исследованиях системы.
- •Формальная запись модели системы
- •Понятие вариационных принципов
- •Модульное построение моделей
- •2.3 Требования к построению модели
- •Адекватность и достоверность модели
- •Равнозначимость внешнего и внутреннего правдоподобия
- •Анализ чувствительности модели
- •Пример анализа на чувствительность экономической задачи
- •3 Математические модели состояния и структуры системы
- •3.1 Модель состояния системы Состояние системы и ее функционирование
- •Формализация процесса функционирования системы
- •3.2 Модель структуры системы Основные понятия структуры системы
- •Модель состава и структуры системы
- •Методология моделирования структуры системы
- •Виды структур
- •Формирование структуры модели с позиций структурного моделирования.
- •Построение структурных моделей
- •3.3 Модель процесса функционирования
- •Установление функциональных зависимостей
- •Неопределенность функционирования системы
- •Пути уменьшения неопределенностей
- •Основные требования к модели процесса функционирования
- •Анализ функционирования, анализ структуры технической системы
- •Функционально – физический анализ технических объектов.
- •Пример разработки моделей деятельности организации
- •Пример функционально – физического анализа технических объектов
- •Конструкция бытовой электроплитки
- •Функционально стоимостной анализ.
- •4 Этапы построения моделей
- •4.1 Постановка задачи моделирования
- •Разработка содержательной модели
- •Разработка концептуальной модели
- •Описание внешних воздействий
- •Декомпозиция системы
- •Подготовка исходных данных для математической модели
- •Содержание концептуальной модели
- •4.2 Разработка математической модели
- •Разработка функциональных соотношений
- •Выбор метода решения задачи
- •Проверка и корректировка модели
- •Анализ чувствительности модели
- •Проверка адекватности модели
- •Контроль модели
- •Корректировка модели
- •Уточнение модели проектируемого объекта
- •Реализация математической модели в виде программ для эвм
- •4.3 Практическое использование построенной модели и анализ результатов моделирования
- •Примеры построения моделей Математическая реставрация Тунгусского феномена
- •1. Сбор информации о явлении, выдвижение гипотез.
- •2. Содержательная постановка задачи исследования явления.
- •3. Математическая постановка задачи.
- •4. Анализ результатов.
- •5. Проверка адекватности модели – сравнение с натурным экспериментом.
- •6. Анализ результатов.
- •Прогноз климатических изменений
- •1. Содержательная постановка задачи
- •2. Концептуальная постановка. Построение математической модели.
- •3. Проведение вычислительного эксперимента.
- •4. Анализ результатов вычислительного эксперимента.
- •5 Виды математических моделей
- •5.1 Классификация математических моделей
- •Пример представления модели различной сложности и классификации.
- •5.2 Классификация математических моделей в зависимости от оператора модели
- •Линейные и нелинейные модели
- •Обыкновенные дифференциальные модели
- •5.3 Классификация математических моделей в зависимости от параметров модели Непрерывные и дискретные модели
- •Детерминированные и неопределенные модели
- •Дискретно-детерминированная модель
- •Статические и динамические модели
- •Стационарные и нестационарные модели.
- •Формализация системы в виде автомата
- •Формализация системы в виде агрегата
- •Моделирование процесса функционирования агрегата
- •Моделирование агрегативных систем
- •Модель сопряжения элементов
- •6 Математические модели распределения ресурсов в исследовании операций
- •6.1 Моделирование операций распределения ресурсов
- •Формулировка задачи математического программирования
- •6.2 Модели линейного программирования
- •Формулировка общей задачи линейного программирования.
- •Типовые задачи линейного программирования
- •Транспортная задача.
- •Задача коммивояжера.
- •Задача о ранце.
- •Общая задача теории расписаний.
- •Примеры сведения практических задач к канонической транспортной задаче
- •6.3 Распределительные задачи линейного программирования
- •Примеры распределительных задач.
- •Распределение транспортных единиц по линиям
- •Выбор средств доставки грузов.
- •Задача о назначениях
- •Экономическая интерпретация задач линейного программирования.
- •Перевозки взаимозаменяемых продуктов
- •Перевозка неоднородного продукта на разнородном транспорте.
- •7 Математические модели физических явлений и процессов. Универсальность моделей
- •7.1 Математические модели на основе фундаментальных законов
- •Теоретический метод составления математических моделей
- •Основные фундаментальные законы механики
- •Работа, энергия, мощность
- •7.2 Уравнения движения
- •Динамика поступательного движения.
- •7.3 Уравнения состояния
- •Термодинамическая система.
- •Упругие свойства твердых тел.
- •Жидкости.
- •7.4 Универсальность моделей
- •Модели на основе аналогий
- •Типовые математические модели элементов и подсистем
- •Модель колебательного процесса
- •Модель консервативной системы.
- •Электрическая подсистема.
- •Модели элементов гидравлических систем
- •Модели элементов пневматических систем
- •8 Моделирование производственных процессов
- •8.1 Модели систем массового обслуживания
- •Основные элементы систем массового обслуживания.
- •Характеристики потока
- •Классификация смо
- •Оценка эффективности смо
- •Аналитические и статистические модели
- •8.2 Модели производственных процессов
- •Дискретный производственный процесс
- •Непрерывный производственный процесс
- •Агрегатное представление производственного процесса
- •Имитационное моделирование процессов функционирования
- •Формализация основных операций производственного процесса Формализованная схема дискретного производственного процесса.
- •Формализация отклонения течения производственного процесса от нормального
- •Моделирование комплексного процесса обработки, сборки и управления при поточном производстве
- •Формализованная схема непрерывного производственного процесса.
- •9 Синтез модели (проекта) системы
- •9.1 Проектирование системы как процесс создания (синтеза) ее модели
- •9.2 Методология проектирования
- •Типовые проектные процедуры формирования облика системы
- •9.3 Эффективность системы Понятие эффективности системы
- •Формирование модели цели системы
- •Выбор критериев и показателей эффективности
- •Основные принципы выбора критериев эффективности:
- •Проблемы многокритериальности
- •9.4 Технология проектирования
- •9.5 Принятие решений в проектировании
- •Выбор в условиях неопределенности
- •Моделирование принятия решения
- •Прогнозирование в принятии решений
- •9.6 Анализ инвестиционной привлекательности системы Основные типы инвестиций.
- •Основные экономические концепции инвестиционного анализа.
- •Состав работ при инвестиционном проектировании
- •Конкурентоспособность проектируемой системы Оценка потенциальной емкости рынка и потенциального объема продаж
- •Оценка конкурентоспособности
- •Методы оценки эффективности инвестиций
- •Метод определения чистой текущей стоимости.
- •Метод расчета рентабельности инвестиций
- •Метод расчета внутренней нормы прибыли
- •Расчет периода окупаемости инвестиций
- •Маркетинг и управление проектом
- •Задачи управления проектами
- •9.7 Особенности синтеза модели (проекта) технических систем Этапы проектирования
- •Особенности проектирования адаптивных систем
- •Моделирование функционирования технической системы Особенности построения моделей при проектировании
- •Формирование технического облика системы
- •Формирование структуры системы
- •Выбор основных проектных параметров системы
- •Формирование множества вариантов системы
- •10 Информационное обеспечение синтеза системы
- •10.1 Основные задачи и типы информационных систем Общие свойства информационных систем
- •Файл-серверные информационные системы
- •Клиент-серверные информационные системы
- •Архитектура Интернет/Интранет
- •Хранилища данных и системы оперативной аналитической обработки данных
- •10.2 Особенности проектирования информационных систем
- •Схемы разработки проекта
- •1. Предпроектные исследования
- •2 Постановка задачи
- •3 Проектирование системы
- •Архитектура программного обеспечения
- •Подсистема администрирования.
- •Техническая архитектура
- •Организационное обеспечение системы
- •4 Реализация и внедрение системы
- •10.3 Концепции автоматизации проектирования
- •История развития сапр
- •Классификация сапр
- •Стратегическое развитие сапр Современное состояние сапр
- •Направления разработки проектной составляющей сапр
- •Разновидности сапр
- •Математическое и информационное обеспечение сапр
- •11 Моделирование процесса управления
- •11.1 Основные определения
- •Формальная запись системы с управлением
- •11.2 Модели систем автоматического управления
- •Устойчивость движения систем
- •Определение программного движения и управление движением
- •11.3 Модели автоматизированных систем управления
- •Модели автоматизированных систем управления производственными процессами
- •Модели автоматизированных систем управления предприятием
Формализация отклонения течения производственного процесса от нормального
Рассмотренные схемы формализации предполагали нормальное течение процесса. Нарушения нормального течения процесса (параметры процесса выходят за допустимые пределы) могут быть связаны с расстройством режима синхронизации, выходом из строя элементов оборудования и его ремонтом, периодическими наладками оборудования.
Расстройства режима синхронизации производственного процесса
При идеальной синхронизации производственного процесса операция над j-ым полуфабрикатом начинается в момент, когда закончилась операция над (j – 1)-ым полуфабрикатом и после подготовки станка к следующей операции: tпi = tkj-1 + τ гi-1.
На практике такое равенство часто нарушается: интервалы времени, определяющие синхронизацию элементарных актов производственного процесса, могут быть случайными величинами, что может привести к образованию очереди у занятых станков и простоям свободных.
Поступивший к станку очередной полуфабрикат застает станок занятым (выполняется операция над предыдущим полуфабрикатом или станок готовится к выполнению очередной операции).
Предположения о дальнейшем ходе процесса и судьбе полуфабриката:
- ожидание начала операции (нормальное течение процесса не нарушается);
- ожидание начала операции в течение заданного интервала времени τж (например, в случае горячей заготовки), если операция за этот интервал не началась, очередной полуфабрикат исключается из производственного процесса – срыв процесса;
- полуфабрикат исключаются из производственного процесса (например, уходя в брак) с заданными вероятностями - срыв производственного процесса.
В случае срыва производственного процесса необходимы предположения по конкретизации судьбы исключенного полуфабриката:
- полуфабрикат уходит в брак;
- полуфабрикат хранится вблизи станка, ожидая своей очереди (в этом случае необходимо фиксировать новый параметр станка – максимальный объем местного склада для хранения ожидающих полуфабрикатов);
- полуфабрикат дорабатывается (вручную или с помощью дополнительных операций).
Интервал ожидания τж может быть детерминированной, зависящей от состояния и параметров полуфабрикатов, или в общем случае случайной величиной с заданным законом распределения.
Формализованная схема учета работы местного склада: производственный процесс протекает нормально, если количество п полуфабрикатов в очереди меньше некоторого заранее заданного п*, п < п*, при п = п* подача полуфабрикатов на склад прекращается, затем снова возобновляется при п < п*.
Ожидания станков.
Если в момент готовности станка к работе tг очередной полуфабрикат не поступил (tпi > tkj-1 + τ гi-1), то могут иметь место следующие предположения о дальнейшем ходе производственного процесса:
- нормальное течение процесса не нарушается: станок не работает до момента tп или работает вхолостую (в этом случае учитывается время холостой работы станка, что бывает существенным для подсчета времени наработки оборудования);
- происходит срыв процесса и т. д.
Появление брака в процессе выполнения производственной операции.
В процессе производственной операции j–ого полуфабриката на i–ом станке может возникнуть брак с вероятностью pбрij (qij = 1 – pбрij - вероятность выполнения операции без брака), которая в общем случае зависит от параметров полуфабриката и от параметров станка. Обычно наиболее существенна зависимость pбр от тех характеристик станка, которые описывают его состояние как функцию интервала времени, прошедшего с момента последней наладки станка - по мере удаления от момента наладки станка вероятность брака возрастает.
Cрыв процесса за счет отказов оборудования
В случайные моменты времени выходят из строя отдельные элементы производственного оборудования.
Предполагается, что станок состоит из блоков (первичных элементов). Каждый блок (элемент) в данный момент времени может находиться лишь в одном из двух возможных состояний: либо быть исправным (работать), либо быть неисправным (отказать, выйти из строя). Выход из строя каждого блока представляет собой случайное событие.
Длительность безотказной работы блока tотк - случайная величина. Функция распределения F(t) случайной величины tотк характеризует надежность блока и равна вероятности того, что tотк ≤ t, т.е. F(t) = Р { tотк ≤ t }.
При моделировании часто принимают F(t) = 1 – е-λt. Здесь λ - среднее значение количества отказов, приходящихся на единицу времени (интенсивность отказов). Среднее время безотказной работы Tcр для показательного закона распределения оказывается равным Tcр = 1/λ.
Закон распределения случайной величины tотк может быть определен по опытным данным путем обработки достаточно обширного статистического материала.
Следствия отказов оборудования.
В случае отказа оборудования полуфабрикат может уйти в брак с вероятностью рбр или остаться годным для дальнейшей обработки с вероятностью 1 - рбр. После того, как полуфабрикат ушел в брак, его судьба не интересна.
После ремонта отказавшего оборудования длительность операции τоп может уменьшиться (вместе с ремонтом производится наладка станка, что способствует ускорению обработки полуфабриката). При продолжении обработки того же полуфабриката появляется новая случайная величина τд - время дополнительной обработки полуфабриката. Закон распределения τд зависит от параметров станка и полуфабриката.
Состояние станка после отказа одного из его блоков:
- весь станок становится непригодным к выполнению операции;
- станок полностью не отказывает, но качество его работы снижается (например, увеличивается вероятность брака, снижается период времени между последовательными наладками станка, увеличиваются отклонения состояния изделий аkII после операции и т. д.).
Индикация неисправности или отказа оборудования: в модели должно быть отражено, в какое время и по сигналу какого индикатора (прибора, человека и т. д.) становится известным факт отказа оборудования.
Предполагается, что вышедший из строя элемент оборудования может быть отремонтирован или заменен исправным. Время ремонта элемента (замены) τрем является случайной величиной с заранее известным законом распределения, зависящим, как правило, только от характеристик оборудования.
Временной интервал ремонта оборудования:
- кратковременный (замена отказавшей детали), другие блоки и элементы не затрагиваются;
- длительный - наряду с устранением неисправности в отказавшем конкретном блоке, производится наладка других блоков.
Для формализации такой схемы могут быть приняты следующие предположения. При кратковременном ремонте оборудования временем ремонта можно пренебречь. При длительном ремонте определяется время ремонта и момент ввода в строй оборудования. Длительность безотказной работы после любого ремонта - случайные величины.
Постепенный выход оборудования из рабочего состояния.
Возможные предположения о судьбе полуфабрикатов и состояниях оборудования вследствие износа оборудования (наиболее распространенные, но не единственные): заметное увеличение доли бракованных изделий, увеличение разброса координат состояний полуфабриката после операции, увеличение среднего значения (а иногда и разброса) длительности выполнения операции.
Для ликвидации последствий износа оборудования принимаются специальные меры, которые обычно сводятся к периодическим прерываниям производственного процесса (наладка оборудования) для замены или ремонта износившихся элементов (например, смена резцов, подшипников и т. д.).
Обычные предположения при формализации периода времени между последовательными наладками: период между последовательными наладками имеет постоянную длительность; очередная наладка производится в момент, когда суммарное время работы станка достигает заданного значения; очередная наладка назначается тогда, когда вероятность брака или разброс длительности операции выходят за некоторые условные пределы.
Длительность наладки в общем случае считается случайной величиной с заданным законом распределения.
Наладка оборудования может быть единственным основным занятием специально выделенной части персонала (бригады наладчиков). В этом случае могут возникать очереди станков, требующих наладки, а также простои наладчиков. Для формального описания закономерностей, связанных с наладкой оборудования в таких случаях, можно использовать соответствующие типы систем массового обслуживания.