2010
SIMULACIÓN DE SISTEMAS Síntesis, importancia de la Simulación y algunas aplicaciones en software AweSim - Visual Slam El siguiente trabajo monográfico trata los temas más relevantes de la Simulación de Sistemas, SU IMPORTANCIA, CONCEPTOS Y algunas aplicaciones básicas con programas especiales.
Edward LAMAS CABREDO Universidad “Alas Peruanas” Filial Piura
30/11/2010
I.
RESUMEN Definición: Simulación es el DESARROLLO DE UN MODELO lógicomatemático de un sistema, de tal forma que se obtiene una imitación de la operación de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Sea realizado a mano o en una computadora. Ventajas: Una vez construido, el modelo puede ser modificado de manera rápida con el fin de analizar diferentes políticas o escenarios, generalmente es más barato mejorar el sistema vía simulación que hacerlo directamente en el sistema real. En algunos casos, la simulación es el único medio para lograr una solución. Desventajas: Los modelos de simulación en una computadora son costosos y requieren mucho tiempo para desarrollarse y validarse, el caso de simular un vuelo por computadora, se requiere gran cantidad de corridas computacionales para encontrar "soluciones óptimas", lo cual repercute en altos costos. Es difícil aceptar los modelos de simulación. Importancia: Dentro de la sociedad y del avance de las compañías mundiales que tienen muchos procesos y que no tienen una perceptiva clara de cómo es el proceso productivo, del tiempo, del recurso humano que se utiliza es importante la simulación de sistemas que dará una visión de las actividades y como se desarrollan en el tiempo y en diferentes circunstancias.; además de este existes muchas empresas que ofrecen servicios de simulación una de ellas es PowerWorld Corporation la cual brinda soluciones al análisis y a la operación de los sistemas. Software de Simulación "Awesim": Un proyecto de simulación incluye recolección de datos, construcción de modelos, ejecución de corridas, generación de alternativas, análisis de resultados, presentación de resultados y recomendaciones de implementación basadas en los resultados; Awesim provee el soporte para todas estas actividades y explicare un ejemplo con este software.
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II.
INTRODUCCIÓN La siguiente monografía trata los temas de la Simulación de Sistemas y su modelado así como un ejemplo o aplicación de los procesos que se realizan en un empresa y que son muy importantes y de mucha relevancia en la toma de decisiones por parte de los gerentes y además ayudan a evaluar y verificar los tiempos y el número de procesos adecuados. Como ingeniero de sistemas me siento comprometido con este curso ya que nosotros tenemos que estar capacitados y debemos conocer a fondo si es que queremos sobresalir entre los demás; aparte que es una técnica que brinda muchos frutos dentro de las empresa tanto manufactureras pasando por financieras hasta aeronáuticas, etc. Y con el fin de demostrar lo aprendido he realizado esta monografía dando una síntesis de lo que es simulación de sistemas, su importancia y una pequeña aplicación con software AweSim a través del lenguaje Slam. Edward Lamas Cabredo
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III.
CONTENIDO 1. DEFINICIÓN Simulación es el DESARROLLO DE UN MODELO lógico-matemático de un sistema, de tal forma que se obtiene una imitación de la operación de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Sea realizado a mano o en una computadora, la simulación involucra la generación de una historia artificial de un sistema; la observación de esta historia mediante la MANIPULACIÓN EXPERIMENTAL, nos ayuda a inferir las características operacionales de tal sistema. En la definición anterior se citan dos pasos básicos de una simulación: a) Desarrollo del modelo b) Experimentación El desarrollo del modelo incluye la construcción de ecuaciones lógicas representativas del sistema y la preparación de un programa computacional. Una vez que se ha validado el modelo del sistema, la segunda fase de un estudio de simulación entra en escena, experimentar con el modelo para determinar cómo responde el sistema a cambios en los niveles de algunas variables de entrada. Los términos "sistema" y "modelo" también son importantes en la definición descrita. Un sistema es una colección de variables que interactúan entre sí dentro de ciertos límites para lograr un objetivo. El modelo por su parte es una representación de los objetos del sistema y refleja de manera sencilla las actividades en las cuales esos objetos se encuentran involucrados. 2. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN Ventajas Una vez construido, el modelo puede ser modificado de manera rápida con el fin de analizar diferentes políticas o escenarios. Generalmente es más barato mejorar el sistema vía simulación que hacerlo directamente en el sistema real. Es mucho más sencillo comprender y visualizar los métodos de simulación que los métodos puramente analíticos. Los métodos analíticos se desarrollan casi siempre, para sistemas relativamente sencillos donde suele hacerse un gran número de suposiciones o simplificaciones, mientras que con los modelos de simulación es posible analizar sistemas de mayor complejidad o con mayor detalle. En algunos casos, la simulación es el único medio para lograr una solución.
Desventajas Los modelos de simulación en una computadora son costosos y requieren mucho tiempo para desarrollarse y validarse, el caso de simular un vuelo por computadora. Se requiere gran cantidad de corridas computacionales para encontrar "soluciones óptimas", lo cual repercute en altos costos. Es difícil aceptar los modelos de simulación. Los modelos de simulación no dan soluciones óptimas. La solución de un modelo de simulación puede dar al analista un falso sentido de seguridad.
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3. IMPORTANCIA Dentro de la sociedad y del avance de las compañías mundiales que tienen muchos procesos y que no tienen una perceptiva clara de cómo es el proceso productivo, del tiempo, del recurso humano que se utiliza es importante la simulación de sistemas que dará una visión de las actividades y como se desarrollan en el tiempo y en diferentes circunstancias. No solo en empresas manufactureras sino en empresas financieras, de transporte aéreo, terrestre y marítimo, comercializadoras, etc. necesitan de la simulación por ejemplo del tiempo que se demora la atención al público, el intercambio de información, de las transacciones y de casi todos los procesos que necesiten de tiempo es realmente necesario simular estos problemas o circunstancias de la vida diaria que afrontan las personas en todos los ámbitos como la del trabajador y la del cliente y que de alguna manera aportaran soluciones optimas. La implantación de sistemas computacionales de simulación otorga estas soluciones que de ser aprovechadas al máximo y manteniendo siempre un cuidado especial brindara muchas ventajas como el ahorro de tiempo, y la optimización de procesos productivos, etc. Ahora en el mundo globalizado la importancia de una herramienta que ayude a describir el comportamiento de procesos en general es de gran relevancia y de mucha ayuda a las empresas inclusive se apertura carreras solamente para el diseño de empresas; además de este existes muchas empresas que ofrecen servicios de simulación una de ellas es PowerWorld Corporation la cual brinda soluciones al análisis y a la operación de los sistemas. 4. INTRODUCCIÓN A LAS TÉCNICAS DE MODELADO Y SIMULACIÓN La planeación e implementación de proyectos complejos en negocios, industrias y gobierno requieren de grandes inversiones, razón por la que es necesario realizar estudios preliminares para asegurar su conveniencia de acuerdo a su eficiencia, tamaño y ejecución económica. CARACTERÍSTICAS DESEABLES DE UN MODELO DE SIMULACIÓN Que sea completo Adaptabilidad Credibilidad Simplicidad (menor número de parámetros y variables) Factible tanto en información como en recursos Económico (el costo máximo del modelo debe ser el mínimo beneficio que se obtiene)
PELIGROS Y PROBLEMAS EN SIMULACIÓN Definir los límites y nivel de detalles del sistema. Subestimar el tiempo y costos involucrados en el proceso de modelación. Fallar en la selección del más simple y económico de los modelos para el fin establecido. Ausencia o pérdida de metodología estadística. Considerar como aproximados algunos atributos de un sistema que no existe. Entendimiento superficial del sistema a ser modelado. Poca destreza para comunicarse con administradores y staff que financiarán el proyecto.
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ÁREAS DE APLICACIÓN DE SIMULACIÓN Sistema de colas. Sistema de inventarios Proyecto de inversión. Sistemas económicos Estados financieros. Problemas industriales. Problemas económicos Problemas conductuales y sociales Sistemas biomédicos Sistemas Justo a tiempo Sistemas de Logística
5. PROCESO DE DESARROLLO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN 1. Definición del sistema. Cada estudio debe comenzar con una descripción del problema o del sistema a través de un analista. 2. Análisis del sistema. Deben describirse las interacciones lógicas entre las variables de decisión, de tal suerte que se optimice la medida de efectividad en función de las variables no controlables, sin olvidar las restricciones del sistema. Con el fin de analizar un sistema, es indispensable definir algunos términos. 3. Formulación del modelo. Consiste en generar un código lógicomatemático que defina en forma exacta las interacciones entre las variables; debe ser una definición sencilla pero completa del sistema. 4. Selección del lenguaje. De la selección del lenguaje dependerá el tiempo de desarrollo del modelo de simulación, es importante utilizar el lenguaje que mejor se adecué a las necesidades de simulación que se requieran. 5. Codificación del modelo. Consiste en generar las instrucciones o código computacional necesario para lograr que el modelo pueda ser ejecutado en algún tipo de computadora. La duración de este proceso está directamente relacionada con la selección del lenguaje. 6. Validación del modelo. Es el proceso que tiene como objetivo determinar la habilidad que tiene un modelo para representar la realidad. La validación se lleva a cabo mediante la comparación estadística entre los resultados del modelo y los resultados reales. 7. Experimentación. En este paso se determinan las diversas alternativas que pueden ser evaluadas, seleccionando las variables de entrada y sus diferentes niveles con la finalidad de optimizar las variables de respuesta del sistema real. 8. Implantación. Una vez seleccionada la mejor alternativa, es importante llevarla a la práctica; en muchas ocasiones este último paso es el más difícil ya que se tiene que convencer a la alta dirección y al personal de las ventajas de esta puesta en marcha. 9. Monitoreo y control. No hay que olvidar que los sistemas son dinámicos y con el transcurso del tiempo es necesario modificar el modelo de simulación, ante los nuevos cambios del sistema real, con el fin de llevar a cabo actualizaciones periódicas que permitan que el modelo siga siendo una representación del sistema.
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6. SOFTWARE DE SIMULACIÓN "AWESIM" Un proyecto de simulación incluye recolección de datos, construcción de modelos, ejecución de corridas, generación de alternativas, análisis de resultados, presentación de resultados y recomendaciones de implementación basadas en los resultados. Awesim provee el soporte para todas estas actividades y es la herramienta que se ha usado en mi presente ciclo académico y que cumple con mis expectativas como alumno. Awesim está implementado para ser usado con el Microsoft WINDOWS e incorpora el lenguaje VISUAL SLAM para la construcción de modelos. Nodos y comandos básicos de VISUAL SLAM. Nodos básicos Comandos Básicos EQUIVALENCE ACCUMULATE FIN ACTIVITY GEN ASSIGN NAME AWAIT INITIALIZE BATCH INTLC CLOSE MONTR COLCT OPTION CREATE NETWORK DETECT PRIORITY EVENT RECORD FREE SEEDS BLOQUE GATE SEVNT GOON SIMULATE OPEN TIMST PREEMPT VAR QUEUE BLOQUE RESOURCE TERMINATE UNBATCH
Problemas Básicos: Problema 01: Sistema de 04 puntos de Atención (Servidores) Se tiene un sistema que posee 4 puntos de atención (4 servidores), donde existe una cola ante cada servidor con una capacidad máxima de espera de 3 por cola. El tiempo entre llegadas de clientes a los puntos de atención es RNORM(2,1) minutos, donde cada cliente elige la cola más corta al momento de su llegada. Los servidores son idénticos y demoran EXPON(6) minutos en atender un cliente. Si las colas ante los servidores están todas llenas, los clientes son desviados hacia una cola especial, en la cual existen 2 servidores (un experto y un aprendiz), el experto demora 3.5 minutos por cliente y el aprendiz demora 8 minutos por cliente. En dicha cola prefieren al experto. Simule el sistema para atender a 500 clientes, y obtenga estadísticas sobre el tiempo promedio de los clientes en el sistema. La solución a este problema a través del programa AweSim es la siguiente: Se trata de un problema de colas que se dividen en 4 servidores homogéneos y debemos evaluar el tiempo que se demora en realizar una operación un conjunto de clientes en este caso 500. Utilizaremos los nodos CREATE, SELECT, ACTIVITY, QUEVE, COLCT y TERMINATE no necesariamente en ese orden.
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Proceso 01: Programando NETWORKS: (Fig. 01) 1. Comenzamos programando el nodo CREATE colocamos en tiempo entre llegadas distribución Normal de entre 2 a 1 minutos y grabamos el tiempo con ATRIB[1]. 2. Luego utilizamos el nodo SELECT para seleccionar la cola y elegimos como parámetro que el cliente se dirija a la cola más corta a través de SMALLEST SIZE pero con una condición si está lleno se va a una cola especial que luego la programaremos. 3. Programamos los servidores con el nodo QUEVE que significa COLA con una capacidad de 3 clientes por cola seguidamente programamos el tiempo de servicio en el nodo ACTIVITY y allí colocamos el tiempo que se demoran que es distribución Exponencial de 6 minutos para todos los servidores. 4. Al final empleamos el nodo COLCT para las estadísticas del tiempo evaluando desde que iniciamos la simulación y que empezamos a grabar el tiempo y eso lo hacemos con TNOW- ATRIB[1], utilizando un COLCT para cada servidor y por último todos los COLCT los dirigimos por medio de ACTIVITY que también sirven para unir al nodo final que es TERMINATE. 5. Todavía no hemos acabado tenemos que programar la COLA ESPECIAL esta también utilizaría el nodo QUEVE pero su capacidad es ilimitada (INF) y seleccionamos a través del nodo SELECT a que servidor elegiremos al aprendiz o al experto, como prefieren al experto colocamos como parámetro de selección en orden (ORDER) y elegirá al Experto primero; pasamos a programar el tiempo de los servidores haciendo uso del nodo ACTIVITY para cada uno, para el EXPERTO colocamos en duración 3.5 minutos y para el aprendiz la duración es de 8 minutos y finalizamos con las estadísticas con el nodo COLCT y con el mismo tiempo TNOW- ATRIB[1] y esto lo llevamos al nodo TERMINATE. Proceso 02: Programando CONTROL: (Fig. 02) 1. En GEN CONTROL colocamos nuestro nombre, el nombre del proyecto, la fecha y el número de corridas que en este caso es 1. 2. Luego en LIMITS verificamos los límites globales y los atributos en este caso tenemos un atributo. 3. Y terminamos. Estadísticas: El tiempo total de la Simulación fue de 736.632892 Las estadísticas de los COLCT fue de: Etiqueta ATENCION_S1 ATENCION_S2 ATENCION_S3 ATENCION_S4 ATENCION_EXPER
Valor Desviación Medio Estándar 20.480 12.076 20.288 11.242 20.592 15.314 17.209 11.356 4.975 2.107
Número de Observaciones 116 110 105 114 55
Valor Valor máximo mínimo 1.303 77.705 0.383 43.463 0.018 66.049 0.420 46.660 3.500 11.471
Las estadísticas de QUEVE (Colas) fue de: Número archivo 1 2 3 4 5 8
Etiqueta SERVIDOR1 SERVIDOR2 SERVIDOR3 SERVIDOR4 COLA_ES
Duración Desviación Longitud Duración Promedio Media Estándar máxima actual de tiempo de espera 2.234 0.932 3 0 14.184 2.061 1.054 3 0 13.804 1.974 1.071 3 0 13.852 1.715 1.078 3 0 11.084 0.025 0.184 3 0 0.330
Fig. 01 Programación de Nodos en AweSim (Diagrama)
Fig. 02: Programación del CONTROL en AweSim
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IV.
CONCLUSIONES La Simulación es el desarrollo de un modelo de un sistema obteniendo una imitación de la operación de un proceso de la vida real a través del tiempo, se puede trabajar a través de una computadora con sistemas computacionales y se debe realizar experimentos continuos para lograr mejores resultados. La simulación posee ventajas y desventajas; la ventaja es que siempre tendrá una visión de un proceso y la desventaja es que no siempre esa visión puede ser la correcta. Es importante en las sociedades y en las grandes empresas y algunas principales utilidades son: mejora del proceso productivo, ahorro de tiempo y dinero. Comprende muchas áreas de aplicación como son: Sistema de colas, Sistema de inventarios, Proyecto de inversión, Sistemas económicos, Estados financieros, Sistemas de Logística, etc. A través de distintos programas podemos simular el comportamiento de procesos y así contribuir por ejemplo con la empresa. El programa AweSim y cuyo lenguaje de programación es Slam es muy bueno para modelar estos sistemas.
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V.
BIBLIOGRAFÍA
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SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE MODELOS ESTOCÁSTICOS Azarang M., Garcia E. - Mc. Graw Hill. México APUNTES DE SIMULACIÓN VISUAL SLAM - AWESIM Raúl Zuñiga Arriaza – 2002
VI.
INDICE CARATULA………………………………………………… ...………………………….(01)
I. RESUMEN………………………………………………………………………… ....(02) II. INTRODUCCION………………………………………………………………… .....(03) III. CONTENIDO……………………………………………………………………… .…(04) 1. 2. 3. 4. 5. 6.
DEFINICIÓN…………………………………………………………………..…(04) VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MODELOS DE SIMULACIÓN….(04) IMPORTANCIA………………………………………………………….………( 05) INTRODUCCIÓN A LAS TÉCNICAS DE MODELADO Y SIMULACIÓN…(05) PROCESO DE DESARROLLO DE UN MODELO DE SIMULACIÓN…….(06) SOFTWARE DE SIMULACIÓN "AWESIM"………………………………….( 07)
IV. CONCLUSIONES………………………………………………………………….…(10) V. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………….(11)
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