Arena simulation - Università degli Studi di Brescia

Arena simulation
Cos’è la simulazione
• Simulazione è un termine generico, che comprende una serie di metodi e
applicazioni che consentono di imitare o rappresentare sistemi reali,
tipicamente attraverso un calcolatore.
• Simulare prevede la costruzione di un modello che deve essere validato
• La simulazione non mira ad ottenere una soluzione analitica
• Risulta essere molto più utile e potente dei rigidi approcci matematici
“Approximate answer to exact problem is better than exact answer to approximate
problem”
Simulazione di processi
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Aree di applicazione
• Produzione: schedulazione e gestione delle scorte
• Servizi
• Trasporti e logistica
• Sanità
• Sistemi
• Telecomunicazioni
• Militare
• Politiche pubbliche
Simulazione di processi
Simulazione: il problema di Buffon (1733)
Per stimare π, viene lanciato un ago lungo l su un tavolo, diviso in strisce
di larghezza d (con d > l)
La probabilità che l’ago attraversi una linea è data da P = 2l/ πd.
Ripetendo il lancio si ottiene p = n°volte che l’ago attraversa una linea, e
si può stimare π.
Esperimento per stimare un parametro difficile da definire
esattamente
casualizzazione
replicazioni per ridurre l’errore
Simulazione di processi
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Simulazione di un sistema
Attraverso la simulazione è possibile:
Studiare
Misurare
Migliorare
Progettare
Controllare
un sistema esistente.
La simulazione permette soprattutto di “provare” il sistema virtualmente,
quando direttamente può essere svantaggioso, pericoloso o costoso
Simulazione di processi
Modellazione
Un modello è un insieme di assunzioni e approssimazioni che descrivono,
rappresentano come funziona un sistema.
Non esiste un modello da cui attingere, caso mai esistono metodi e
strumenti su cui fondare il modello.
I principali vantaggi derivanti da una buona modellazione:
1. studiare un modello anziché il sistema reale può risultare più facile, più
veloce, meno rischioso e più economico
2. è possibile testare un’ampia gamma di idee (fare un errore su un modello
non ha conseguenze, diverso è farlo direttamente sul sistema)
Simulazione di processi
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Modellazione: tipologie
Analizzando lo stato dell’arte della modellazione è possibile riscontrare
diverse classificazioni a seconda di:
• Obiettivo
• Dinamicità
• Approccio
• Orizzonte temporale
• Metodo
• Tecniche di implementazione
Simulazione di processi
Modellazione: classificazione
OBIETTIVO
- Minimizzazione di una funzione di costo
- Massimizzazione delle performance
- Ottimizzazione del sistema attraverso riconfigurazione
- Ottimizzazione del layout
- Corretta allocazione delle risorse
- Miglioramento continuo
DINAMICITA’
- Statico
- Dinamico
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Modellazione: classificazione 2
APPROCCIO
- Integrato
- Gerarchico
VARIABILI
- Discrete
- Continue
- Miste
ORIZZONTE TEMPORALE
- Lungo
- Medio
- Breve
N°ITEMS
- Mono
- Multi
Simulazione di processi
Modellazione: classificazione 3
TECNICHE di IMPLEMENTAZIONE
- Software
- Algoritmi
- Network design
- ….
METODO
- Deterministico
- Stocastico
- Economico
- Simulativo
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Simulazione: vantaggi
• Flessibilità di progettazione, implementazione ed applicazione
• Consente di introdurre nella modellazione stocasticità e dinamicità
• Fornisce rappresentazione accurata e visibilità dei processi
• Supporta complessità decisionale e operativa
• Facilità di implementazione ed apprendimento
• Reattività agli eventi e alle variazioni
Simulazione di processi
Simulazione: svantaggi
• La simulazione non conduce a risposte esatte, solo ad approssimazioni
• L’incorporazione di variabili stocastiche necessita di un’accurata
conoscenza statistica per l’analisi dei risultati in output
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ARENA
Kelton D., Sadowski R., Sturrock D., 2004, Simulation with Arena, 3rd ed., McGraw-Hill
Simulazione di processi
Basi del linguaggio SIMAN / Arena
– ENTITA’: oggetti che fluiscono attraverso il sistema, come clienti, pezzi,
parti, veicoli, etc. oppure informazioni, elementi logici, etc.
– CODE: aree di attesa dove il movimento delle entità è temporaneamente
sospeso.
– RISORSE: componenti del sistema che devono essere allocate alle entità,
come macchine, operatori, centralini, etc.
– ATTRIBUTI: rappresentano dei valori associati alle singole entità, come il
tipo di lavorazione, il tempo di arrivo, etc.
– VARIABILI: rappresentano valori che descrivono lo stato del sistema o del
processo, come il numero di macchine disponibili, il numero di setup, etc.
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ARENA SIMULATION ENVIRONMENT
Dal menu di Avvio di Windows selezionare Programs\Rockwell Software\Arena
8.01\Arena 8.01
Il software in dotazione è una versione “studenti”. E’ possibile utilizzarlo per costruire modelli
simulativi di dimensione limitata in termini di numero di moduli ed entità.
Simulazione di processi
ARENA
Arena è un’applicazione di Windows:
– Aspetto, operatività e funzioni sono standard
– Permette di interfacciarsi con altri comuni software (MS Office, CAD..)
Si presuppongono note le principali nozioni di informatica circa:
– Dischi, file, cartelle, percorsi
– Utilizzo del Mouse e della tastiera
– Ridimensionare, muovere finestre
– Menu
– le chiavi Ctrl, Alt, Shift
– Tagliare, copiare e incollare
– Compilare caselle di dialogo
Simulazione di processi
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Aprire un modello esistente
File/Open … o icona
Si cerca l’opportuna directory tramite la finestra di dialogo
Cliccando su Apri o tramite un doppio click sul file. I file di Arena hanno
estensione “.doe”.
Project Bar
Toolbar
Model Window
Status Bar
Simulazione di processi
ARENA menus
Simulazione di processi
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ARENA Toolbars
STANDARD
DRAW
ARRANGE
ANIMATE
ANIMATE TRANSFER
VIEW
RUN INTERACTION
Simulazione di processi
ARENA toolbar basics
Apre un nuovo file. Equivalente a File/New
Apre un file salvato in precedenza, equivalente a File/Open
Aggiunge o elimina i pannelli templates, che contengono i
moduli per la simulazione
Help
Chiude la sessione di Arena, equivalente a File/Exit
Simulazione di processi
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Model Window
La finestra modello è separata in due parti:
1.Flowchart view
Dove appaiono
-Grafici
-Schemi e mappe dei Processi
-Animazioni e disegni
Ciascuno dei quali modificabili aprendo con un doppio click una casella di dialogo
2.Spreadsheet view
vengono visualizzati dati del modello, che possono essere qui modificati
- vengono visualizzati tutti gli elementi simili presenti nel modello
Molti parametri in un modello possono essere modificati in entrambe le
visualizzazioni
La barra orizzontale regolabile suddivide le due viste.
Attraverso View Split/Screen (o ) è possibile visualizzare solo l’ultima vista
selezionata
Simulazione di processi
Project bar
Si trova normalmente sulla parte sinistra di una finestra di Arena.
E’ composta da pannelli che contengono gli oggetti per la modellazione: i
moduli
- sia moduli per il diagramma che per fogli di calcolo
Viene visualizzato un pannello per volta.
- sono presenti vari pannelli: Basic process, Reports, Navigate. Altri possono essere
aggiunti
- La project Bar può essere nascosta via View/Project Bar
Simulazione di processi
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Status bar
Si trova nella parte inferiore della finestra di Arena.
Visualizza varie informazioni sul posizionamento:
- coordinate del cursore
- tempo e numero di replicazioni durante la la simulazione
- è possibile nasconderla con il comando View/ Status Bar
Simulazione di processi
Muoversi nella finestra modello
La finestra rappresenta il world space
- individuato in coordinate (x,y). In ogni direzione lo spazio si estende per 32,000
unità.
- Attraverso le barre di scorrimento è possibile muoversi all’interno della finestra.
ZOOM
-Zoom in (down):
-Zoom out (up):
or View/ Zoom In
or View/ Zoom Out
Named views
– permette di nominare una particolare vista per poi richiamarla
Display grid ( ), o snap ( )
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MODULI
• Sono blocchi basilari per la costruzione di un modello di simulazione.
• Sono di due tipi: flowchart
e data
• Differenti moduli significano diverse azioni o specifiche
• I moduli da utilizzare si trovano all’interno della Project Bar
- per aggiungere un modulo flowchart nel modello, occorre trascinarlo dalla Project
Bar nella finestra modello.
- in ogni modello possono essere presenti molti moduli flowchart uguali
- per selezionare un modulo data, occorre cliccare sulla Project Bar e modificare il
modulo nella vista spreadsheet della finestra modello
- in ogni modello può essere presente un unico modulo data, ma può contenere
molte righe
Simulazione di processi
MODULI Flowchart
L’insieme di questi moduli descrive il processo
– rappresentano nodi e stadi attraverso cui le entità fluiscono
– tipicamente sono connessi tra loro
Il pannello Basic Process contiene i seguenti moduli flowchart:
–Create, Dispose, Process, Decide, Batch, Separate, Assign, Record
Gli altri pannelli offrono differenti collezioni di moduli
Esistono due modi per modificarli:
–Doppio click per aprire la finestra di dialogo per le modifiche
–Selezionare (singolo click) un tipo di modulo dalla Project Bar, che visualizza in formato dati
tutti I moduli del tipo presenti nel modello
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MODULI Data
Settano valori e condizioni per l’intero modello
–Non sono interessati da flussi di entità nè da connessioni
Il pannello Basic Process contiene i seguenti moduli data:
–Entity, Queue, Resource, Variable, Schedule, Set
Gli altri pannelli offrono differenti collezioni di moduli
Le icone sulla Project Bar appaiono come piccole tabelle
Per usare un modulo data, occorre selezionarlo (singolo click) nella Project
Bar, modificandolo nella vista spreadsheet
–Doppio click per aggiungere una riga
–Cliccare col destro per altre operazioni
Simulazione di processi
Relazioni tra moduli
I vari moduli Flowchart e Data sono relazionati dai nomi degli oggetti:
Queues, Resources, Entity types, Variables … altri
Arena provvede ad una lista di nomi di default per questi oggetti
– Predefinendola dove utile
– Aiutando a richiamare I nomi e prevenendo nomi non corretti
Tutti i nomi nel modello devono essere univoci, anche i nomi dei moduli
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ARENA SIMULATION
BASIC PROCESS TEMPLATE
Simulazione di processi
Il modulo CREATE
E’ il modulo da cui vengono generate le entità
- se sono presenti più di un modulo Create, essi devono avere nomi differenti
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Il modulo CREATE: condizioni
Name – nome del modulo (sovrascrivere al default)
Entity Type – immettere un nome descrittivo
– possono esserci diversi Entity Type con nomi distinti
Time Between Arrivals area
– specifica la natura dei tempi che separano due arrivi successivi
(Type - Value – Units)
Entities per Arrival – constant, random o generalmente “Expression”
Max Arrivals – blocca la creazione di entità dopo aver raggiunto tale quantitativo
First Creation
– tempo della prima creazione
SMART file 054
Simulazione di processi
Modifica dei moduli nella vista spreadsheet
E’ un’alternativa alle finestre di dialogo. Risulta conveniente quando si ha
bisogno di modificare più moduli simili o molte caratteristiche del modulo.
• Click, doppio click sui campi per visualizzare o modificare
• Click destro sul margine sinistro per cancellare una riga e il relativo modulo
• Click destro sul campo per richiamare Expression Builder di aiuto per
costruire espressioni complesse con le variabili di Arena.
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Il modulo ENTITY
E’ un modulo di dati, quindi modificabile solo nella visualizzazione
spreadsheet.
Visualizza, modifica aspetti relativi a diversi tipi di entità.
Selezionando I campi si attivano liste a tendina
Simulazione di processi
Il modulo PROCESS
Rappresenta il processo (solitamente un macchinario) che include le
risorse, le code e il tempo di processo
Simulazione di processi
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Il modulo PROCESS: condizioni
Logic area – cosa succede alle entità
Action
• Seize Delay Release – le entità occupano alcune unità di una Risorsa
(spesso dopo aver atteso in coda), vengono ritardate del tempo di
processo, poi rilasciano le unità di risorsa occupata.
• E’ possibile ritardare (Delay) solamente le entità senza risorse nè code
• E’ presente anche l’opzione Seize Delay (rilascio successivo) o Delay
Release (se la risorsa è stata precedentemente occupata)
• Priority– numeri più bassi significano priorità più alta
Resources
definisce le risorse da allocare e/o rilasciare
• Doppio click sulla riga (o Add) per aprire la sottofinestra di dialogo
• Definire Nome, numero di unità da occupare della risorsa
Simulazione di processi
Il modulo PROCESS: condizioni (2)
Delay Type
l’unità di tempo per il ritardo è definita da distribuzioni di probabilità, da una costante
o da Expression.
Units
Unità di tempo del ritardo
Allocation
Come considerare il ritardo nei costi
SMART files 037-040
Simulazione di processi
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Il modulo RESOURCE
Definendo una risorsa nel modulo Process, automaticamente viene creata
una voce identificativa della risorsa nel modulo di dati Resource.
La risorsa può essere modificata in questo modulo, in particolare:
–Type: definisce se la capacità della risorsa sia fissa o variabile secondo una
specifica schedulazione
– Failures: definisce pause o fermate della risorsa
SMART files
004 – 021 - 027
Simulazione di processi
Il modulo QUEUE
Specifica ogni aspetto delle code presenti nel modello
–Se non viene specificato un particolare nome in altri moduli, la coda prende il
nome di default di Queue I.
Type
Specifica la disciplina della coda
–Se viene scelto Lowest or Highest Attribute Value, compare un altro campo dove
viene specificato quale attributo
Shared
Definisce se la coda è condivisa tra più risorse
SMART file 046
Report Statistics
Selezionato per rendere automatico il collezionamento di statistiche e report circa
lunghezza della coda o tempo trascorso in coda
Simulazione di processi
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Animazione di Code e Risorse
L’animazione di una coda si ottiene già selezionando un comando Seize in
un modulo Process.
Il tipo di entità animata nella coda viene definita da Entity.Picture nel
modulo Entity. Per modificarla View/Entity Pictures
Invece non vengono definite automaticamente le animazioni di una
Risorsa
– per aggiungerne una, nella barra strumenti Animazione, cliccare su Resource
per aprire la finestra di dialogo Resource Picture Placement
•Identifier – nome della risorsa
•Specificare differenti disegni per gli stati della risorsa Idle, Busy, …
– Per disegni predefiniti, occorre aprire una “picture library” (.plb estensione)
– Selezionare la figura sulla destra, selezionarla (singolo-click), selezionare uno
stato (Idle, Busy, …)sulla sinistra, poi per copiare la figura
–Per modificarla in seguito, doppio click sulla figura
SMART files
010 – 014 - 015
Simulazione di processi
Il modulo DISPOSE
Rappresenta entità che escono dal modello
Name
Nome univoco del modulo
Record Entity Statistics
Se selezionato dà in automatico tempo
medio e massimo nel sistema delle entità
che escono da questo punto del sistema.
Check per statistiche
Molti sono selezionati per defult
Nessuna difficoltà nel selezionarle
In alcuni modelli possono rallentare la
simulazione
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Collegare moduli flowchart
I collegamenti permettono di definire la corretta sequenza dei moduli
attraverso i quali le entità fluiscono,
Per fare una connessione
– Cliccare su Connect (o Object/Connect)
– Il cursore diventa una croce
– Cliccare sul punto di uscita del modulo origine, poi sul punto d’accesso
del modulo destinazione
– per non avere una linea segmentata, ma personalizzata, cliccare durante il
collegamento
Object menu
- Auto-Connect: collega automaticamente l’ultimo modulo inserito con un modulo
selezionato ed inserito in precedenza
- Smart Connect: impone segmenti verticali o orizzontali
- Animate Connectors: mostra le entità in movimento lungo le connessioni
Simulazione di processi
PLOT
Visualizza l’andamento di variabili del sistema durante la simulazione
Il plot scompare quando la simulazione termina
E’ una modalità di visualizzazione dinamica dei dati
Selezionare Plot
dalla barra strumenti animazione; “Add” per aggiungere
– Expression da visualizzare nel plot
– Min/Max valore dell’asse y
– Numero di punti da visualizzare (# History Points) per plot
– Stepped option (per curve a tratti costanti)
– Colori
Nel dialog principale sono presenti una serie di caselle per perfezionare il plot
SMART file 058
Simulazione di processi
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Abbellimento del modello
E’ possibile aggiungere e modificare oggetti dalla barra degli strumenti
Disegno
E’ possible aggiungere e modificare anche testo (font, dimensione, colore,
orientamento) dalla barra degli strumenti Disegno.
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Run Setup
Run/Setup dialog – cinque tabelle
– Project Parameters: Titolo del progetto, il proprio nome, statistiche in output
– Replication Parameters – numero di Replicazioni, durata e unità di tempo delle
replicazioni, periodo di Warm-up (dopo quanto vengono azzerate le statistiche),
condizione di termine, opzioni di inizializzazione tra le replicazioni.
– Le altre tre tabelle specificano la velocità dell’animazione, le condizioni della
simulazione e le preferenze per I report.
Terminare la simulazione:
Siccome Arena non definisce di default il termine delle
simulazioni, se non viene specificato, la simulazione
continuerebbe all’infinito
Simulazione di processi
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Iniziare la simulazione
Run: Cliccare
dalla barra strumenti Standard
– Prima o dopo un cambiamento è possibile vedere gli errori logici del
modello: Run/Check
– Durante la simulazione è possibile osservare il modello, spostarsi
all’interno dello stesso, ma non modificarlo
– E’ possibile aumentare la velocità dell’animazione durante la
simulazione (Speed up (>) or slow down (

Tipologie di statistiche nel Report
La maggior parte delle statistiche sono classificabili in tre tipologie
1. Tally
risultano dalla media, massimo e minimo di una lista (finita) di valori.
Utilizzata per output di processo relativo a intervalli di tempo
discreto, come tempi di attesa in coda, tempo totale nel sistema,…
2. Time-persistent
fanno riferimento a risultati di un plot dove l’asse delle x è un tempo
continuo. Utilizzata per output di processo relativo a tempi continui,
come lunghezza delle code, WIP, utilizzo delle risorse,….
3. Counter
Somme di qualcosa. Spesso viene utilizzata per contare quante entità
passano attraverso un punto nel modello.
Vedi modulo RECORD
Simulazione di processi
Altro sui Report
I report così definiti sono basati su database di MS Access, che
automaticamente vengono completati durante la simulazione.
Se la simulazione prevede più replicazioni vengono prodotti più report per
ciascuna di esse.
La colonna “Half Width” indica l’intervallo di confidenza dell’output in
simulazioni lunghe. E’ un ottimo indice per la validità dei risultati ottenuti.
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