Имитационное моделирование. Введение

Для создания контрольной системы управления любым из показанных на рисунке процессов нужны:
Подсистема планирования
Блок корректировки планов

Рассмотрим пример контроля маркетинговых бизнес процессов:

Контроль продаж

Установленные
цены на продукты

Маркетологи

Прогноз объемапродаж Vп

Фактический объемпродаж Vф

Расхождение Vп - Vф

Современные контрольные системы управления должны включать блоки корректировки параметров контролируемого БП в случае зафиксированныхзначимых отклонений его выходных показателей от расчетных (плановых)

Блоком корректировки здесь является блок изменения цен на продукты

Блок корректировки цен

Пример продажи билетов на спортивные матчи (магистерская диссертация Joan Morris, Massachusetts Institute of Technology, 2001)
В зависимости от измеряемого контрольной системой фактического объема продаж (т.е. поведения покупателей) выбирается стратегия динамического изменения цены

Рассмотрим ситуацию, когда хозяин дискотеки испытывает трудностис персоналом по субботам. Иногда персонала явный избыток, однакоклиенты жалуются на долгое ожидание в раздевалке и медленное выполнениезаказов на напитки.
Так как вам кажется, что персонала слишком много и тем не менее существует риск потери клиентов из-за значительных времен ожидания, вы решаетепровести исследование бизнес процессов дискотеки, чтобы ответить на вопросы:

Чему равно среднее время ожидания клиента в раздевалке и у стойки бара?
Какова интенсивность поступления заказов в барах?
Можно ли существенно сократить время ожидания, наняв еще работников?
Принесет ли эффект гибкое рапределение работников? (напр., не «привязывать»работника только к одному бару)
Каков будет эффект от введения купона на повторение при задержке в баре?
Каков будет эффект от введения «счастливого часа» прибытия на дискотеку?

Для ответа на эти вопросы используют имитационное моделирование.Создается имитационная модель, которая в деталях отражает реальность и которую используют для моделирования этой реальности на компьютере.

Основания для имитационного моделирования

Когда нужно достичь понимания предполагаемой будущей ситуации(Моделируя бизнес процесс и строя графики можно найти «узкие места»)
Когда реальный эксперимент связан с большими затратами(неправильное введение купонов ведет к потере денег)
Когда реальный эксперимент слишком опасен(неправильное расписание на ж/д транспорте грозит авариями)

Иногда вместо имитационного моделирования используют математическоемоделирование. Много полезных матмоделей разработано для этогов «Теории исследования операций»: модели с очередями, оптимизационныеОднако, для построения матмодели как правило, упрощают ситуацию.В результате получают не точные значения реальных показателей, а их оценки. Если ошибкой можно пренебречь – сгодится и матмодель. Имитационная модель тоже может содержать допущения, но результатызначительно более точны.
Замечание:
Матмодели могут использоваться для верификации имитационной модели

Недостатки имитационного моделирования

Имитационное моделирование может потребовать слишком много времени(например, могут потребоваться большое число экспериментов с длинными«прокрутками» процессов, для достижения приемлемой точности)
Нужна осторожность и тщательность в интерпретировании результатов.Определение надежности результатов – сложный и коварный процесс
Имитационное моделирование не дает окончательных доказательств.Все, что произошло в имитационной модели, может произойти в реальности,но не наоборот. Т.е. событие реальности может и не случиться в имитационной модели

Инструменты имитационного моделирования

Для создания имитационной модели используют инструменты, которые обеспечатвозможность моделирования на компьютере событий реальной жизни.Инструментами могут быть «языки» и «графические пакеты»
Имитационный язык – это язык программирования со специальными свойстваминапр., SIMULA
Имитационные (графические) пакеты – инструменты, позволяющие из готовыхблоков конструировать имитационные модели. Многие пакеты ориентированына какую-то предметную область, напр., Taylor II – на производство. Естьуниверсальные пакеты – Arena, ShowFlow и др.
Достоинство имитационных языков – в чрезвычайной гибкости, но достигаемойзначительными усилиями в программировании
Использование пакетов требует настройки блоков. Чем универсальнее пакет, тем больше настраиваемых параметров.
Часто используют комбинацию: пакет+язык моделирования

Прием документов с фотографией.
В среднем клиент появляется раз в 5 мин.
К документу приложено фото, которое проверяется служащим (в среднем 1 мин.)
В 40% случаев фото признается негодным и в течение 1,5мин клиенту предлагается пройти в ближайшее фотоателье, а служащий начинаетобслуживание следующего клиента
С новым фото клиент возвращается в среднем через 20 мин. и становится в начало очереди.
Работа с «правильным» фото в среднем занимает 3,5 мин.

Основные этапы:
1.Постановка проблемыОпределяются цели и границы моделирования. Формулируются вопросына которые моделирование должно дать ответ. Эти вопросы должны бытьколичественными и служить больше для выбора альтернатив, чемдля оптимизации. (вместо вопроса «каков оптимальный режим обслуживанияклиентов в баре?» следует спрашивать «Каково среднее время ожиданияклиентов в баре для режима А? режима В? Режима С?)На этом этапе могут использоваться матмодели – для формулированиявопросов, для оценки «узких мест» и т.п.
На этом этапе принимается решение об использовании имитационной модели

2. Создание концептуальной моделиКонцептуальная модель содержит классы объектов и отношения между нимиНапр., для Дискотеки объектами могут быть: работник, бар, гардероб, клиент
Определяют подходящие характеристики этих объектов.
Характеристики разделяют на квалификационные и количественные
Квалификационные – FIFO или LIFO или др. дисциплины очереди,
или описание последовательности операций (напр., при обслуживании клиента),
или описание бизнес правила (Когда мы будем открывать дополнительный бар?)
Количественные – скорости/интенсивности (напр., поступления заказов),
или пропускные способности (сколько клиентов можем обслуживать одновременно)
Характеристики назначаются для класса в целом
Создание концептуальной модели помогает разобраться в неясных вопросах,
возникших на предыдущем этапе постановки задачи.

3. Этап реализации – построение исполняемой имитационной моделиНа этом этапе концептуальная модель отображается в исполняемую модель
Реализация зависит от используемого инструмента имитационного моделирования
Языки моделирования требуют оригинального проектирования и кодирования
Пакеты моделирования дают более прямой путь отображения концептуальной
модели в блоки исполняемой модели. При этом сформулированные на предыд.
этапе характеристики могут использоваться для настройки параметров блоков.

4. Этап верификации и валидации
Исполняемая модель не обязательно правильная, поэтому требует проверки
Верификация необходима для обнаружения ошибок (в коде, в настройке
параметров блоков и т.п.)
Для верификации совершают тестовые прогоны модели и анализ
полученных результатов.
Часто используют стресс-тесты, в которых модель испытывают в предельныхрежимах.
Цель верификации – убедиться, что исполняемая модель работоспособна
т.е. не «зависает», не «зацикливается» и т.п.
Валидация модели (валидность модели) проверяет ее соответствие реальной
системе. Для этого результаты прогонов дают просмотреть специалистам
в предметной области (практикам). Практики могут заметить неадекватное
поведение имитационной модели.
Верификация и валидация приводят к поправкам имитационной модели.

5. Этап экспериментирования
Чтобы эксперименты дали полезные результаты, они должны проводиться
на проверенной имитационной модели. Делают достаточной длину прогонов
и сравнивают полученные данные

6. Этап интерпретации результатов
Интерпретация результатов должна обеспечивать обратную связь с этапом
постановки проблемы
Должны быть вычислены интервалы надежности для различных измерений,
собранных в процессе моделирования.
Утверждение «Клиенты ждут в среднем 2мин.» - неприемлемое утверждение
Утверждение «С вероятностью 0,95 Клиенты ждут от 110 до 130 сек.» - правильное
Если прогоны мало отличаются, то вероятность будет высокой, иначе нужны
дополнительные прогоны