Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС

Предлагаются технология и программное обеспечение имитационного моделирования широкого класса случайных процессов. Представлены примеры решения двух известных задач теории вероятностей и теории надежности, связанных с анализом случайных процессов, методом имитационного моделирования в пакете СМ-ДЭС....

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2010
Main Authors: Максимей, И.В., Шевченко, Д.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут проблем математичних машин і систем НАН України 2010
Series:Математичні машини і системи
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83300
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС / И.В. Максимей, Д.Н. Шевченко // Мат. машини і системи. — 2010. — № 3. — С. 141-152. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-83300
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-833002025-02-09T13:09:28Z Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС Iмітаційне моделювання випадкових процесів у СМ-ДЕС Simulation modeling of random processes in the package SM-DES Максимей, И.В. Шевченко, Д.Н. Моделювання і управління великими системами Предлагаются технология и программное обеспечение имитационного моделирования широкого класса случайных процессов. Представлены примеры решения двух известных задач теории вероятностей и теории надежности, связанных с анализом случайных процессов, методом имитационного моделирования в пакете СМ-ДЭС. Показана возможность решения широкого спектра других прикладных задач. Пропонуються технологія і програмне забезпечення імітаційного моделювання широкого класу випадкових процесів. Наведені приклади вирішення двох відомих задач теорії ймовірностей і теорії надійності, пов'язаних з аналізом випадкових процесів, методом імітаційного моделювання в пакеті СМ-ДЕС. Показано можливість вирішення широкого спектру інших прикладних задач. Technology and software are offered for simulation modeling of the broad class of the random processes. There are two well-known problems of probability theory and reliability theory associated with analysis of random processes. The article contains examples of solving these problems by simulation in the package SM-DES. Possibility of solving a wide range of other applications is also presented. 2010 Article Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС / И.В. Максимей, Д.Н. Шевченко // Мат. машини і системи. — 2010. — № 3. — С. 141-152. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1028-9763 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83300 519.85:519.21:004 ru Математичні машини і системи application/pdf Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Моделювання і управління великими системами
Моделювання і управління великими системами
spellingShingle Моделювання і управління великими системами
Моделювання і управління великими системами
Максимей, И.В.
Шевченко, Д.Н.
Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
Математичні машини і системи
description Предлагаются технология и программное обеспечение имитационного моделирования широкого класса случайных процессов. Представлены примеры решения двух известных задач теории вероятностей и теории надежности, связанных с анализом случайных процессов, методом имитационного моделирования в пакете СМ-ДЭС. Показана возможность решения широкого спектра других прикладных задач.
format Article
author Максимей, И.В.
Шевченко, Д.Н.
author_facet Максимей, И.В.
Шевченко, Д.Н.
author_sort Максимей, И.В.
title Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
title_short Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
title_full Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
title_fullStr Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
title_full_unstemmed Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС
title_sort имитационное моделирование случайных процессов в см-дэс
publisher Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
publishDate 2010
topic_facet Моделювання і управління великими системами
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83300
citation_txt Имитационное моделирование случайных процессов в СМ-ДЭС / И.В. Максимей, Д.Н. Шевченко // Мат. машини і системи. — 2010. — № 3. — С. 141-152. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series Математичні машини і системи
work_keys_str_mv AT maksimejiv imitacionnoemodelirovanieslučajnyhprocessovvsmdés
AT ševčenkodn imitacionnoemodelirovanieslučajnyhprocessovvsmdés
AT maksimejiv imítacíjnemodelûvannâvipadkovihprocesívusmdes
AT ševčenkodn imítacíjnemodelûvannâvipadkovihprocesívusmdes
AT maksimejiv simulationmodelingofrandomprocessesinthepackagesmdes
AT ševčenkodn simulationmodelingofrandomprocessesinthepackagesmdes
first_indexed 2025-11-26T02:02:40Z
last_indexed 2025-11-26T02:02:40Z
_version_ 1849816590917304320
fulltext © Максимей И.В., Шевченко Д.Н., 2010 141 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 УДК 519.85:519.21:004 И.В. МАКСИМЕЙ, Д.Н. ШЕВЧЕНКО ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В СМ-ДЭС Abstract. Technology and software are offered for simulation modeling of the broad class of the random processes. There are two well-known problems of probability theory and reliability theory associated with analysis of random processes. The article contains examples of solving these problems by simulation in the package SM-DES. Possibility of solving a wide range of other applications is also presented. Key words: simulation modeling, statistical modeling, random processes, information technologies, parametric failure. Анотацiя. Пропонуються технологія і програмне забезпечення імітаційного моделювання широкого класу випадкових процесів. Наведені приклади вирішення двох відомих задач теорії ймовірностей і теорії на- дійності, пов'язаних з аналізом випадкових процесів, методом імітаційного моделювання в пакеті СМ-ДЕС. Показано можливість вирішення широкого спектру інших прикладних задач. Ключовi слова: імітаційне моделювання, статистичне моделювання, випадкові процеси, інформаційні тех- нології, параметрична відмова. Аннотация. Предлагаются технология и программное обеспечение имитационного моделирования широ- кого класса случайных процессов. Представлены примеры решения двух известных задач теории вероят- ностей и теории надежности, связанных с анализом случайных процессов, методом имитационного моде- лирования в пакете СМ-ДЭС. Показана возможность решения широкого спектра других прикладных задач. Ключевые слова: имитационное моделирование, статистическое моделирование, случайные процессы, информационные технологии, параметрический отказ. 1. Введение Поведение множества технических и организационных систем может быть описано случайными процессами (СП). Исследование подобных систем зачастую сводится к подробному анализу соот- ветствующих СП, например, процесса параметрического (износового) отказа силовой механиче- ской системы. В настоящее время известно большое количество аналитических моделей СП, каждая из которых рассматривает, однако, узкий класс соответствующих систем. Эффективным способом анализа произвольных систем и соответствующих им СП является имитационное моделирование. Проблемы последующего статистического анализа СП, требующего получения большого количест- ва реализаций, успешно решаются с использованием современной компьютерной техники. Наи- большее преимущество имитационное моделирование имеет в случае анализа систем, функцио- нирование которых описывается многомерными СП с зависимыми компонентами, когда аналитиче- ские методы громоздки и трудоемки. Основными проблемами имитационного моделирования являются: – реализация алгоритмов, позволяющих адекватно генерировать СП; – реализации алгоритмов постановки и проведения имитационных экспериментов, а также сбора и анализа статистики по множеству полученных реализаций (траекторий) СП; – автоматизация имитационного моделирования для решения практических задач. В настоящее время существует программное обеспечение, предназначенное для имитаци- онного моделирования СП. Иногда создатели новых классов СП сами реализуют программное обеспечение для генерации СП [1, 2]. Однако вышеуказанное обеспечение, как правило, не явля- ется общедоступным и не предназначено для универсального практического использования. В данной связи актуально рассмотрение известных классов СП, допускающих «алгоритми- ческое» описание и применимых для имитационного моделирования задач теории игр, параметри- ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 142 ческих отказов технических систем и решения других практических задач, а также разработка средств автоматизации имитационного моделирования. Особый интерес представляют СП с не- прерывным временем и фазовым пространством, применимые для моделирования параметриче- ских отказов механических систем, задач гидравлики и др. Для имитационного моделирования СП при анализе технических систем предлагается ори- гинальный программный комплекс СМ-ДЭС, реализующий агрегатный способ формализации [3]. Каждый агрегат имитационной модели предназначен для генерирования того или иного класса СП, их функционального преобразования и сбора статистики о реализациях СП. 2. Описание алгоритмов моделирования некоторых классов СП Пусть α , β – одномерные случайные величины с произвольными законами распределения, тогда СП, определяемый выражением ( ) tt βαξ += , ∞<≤ t0 , (1) называется веерным случайным процессом. Для моделирования веерного СП в СМ-ДЭС реализован специальный класс агрегатов, гра- фическое изображение которых представлено на рис. 1 а, задание параметров (1) осуществляется в панели на рис. 2 а. Примеры нескольких реализаций веерного СП с параметрами 0=α и ( )5,0;5,0~ Nβ представлены на рис. 3 а. а) б) Рис. 1. Графическое изображение имитационной модели веерного СП в пакете СМ-ДЭС: обычного (а); с внешним управлением параметром β (б) а) б) Рис. 2. Задание параметров веерного СП в пакете СМ-ДЭС: обычного (а); с внешним управлением параметром β (б) ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 143 а) б) Рис. 3. Семейство реализаций веерного СП в СМ-ДЭС: обычного (а); модифицированного (б) При моделировании веерного СП значения случайных величин α и β разыгрываются один раз при 0=t . Однако возможна модификация, когда значение β разыгрывается всякий раз, когда значение процесса ( )tξ изменяется на фиксированную величину ξΔ (на один квант): ( ) ( ) ( )112211 ... −−++−++=Δ+= iii tttttit βββαξαξ , (2) где iβ – i -я реализация случайной величины β , it – модельное время разыгрывания iβ , предше- ствующее моменту времени ( )ttt i ≤ , определяемое рекуррентным уравнением .1 i ii tt β ξΔ += − (3) Примеры нескольких реализаций модифицированного веерного СП с параметрами 0=α и ( )5,0;5,0~ Nβ представлены на рис. 3 б. В качестве законов распределения величин α и β целесообразно использовать равно- мерное, нормальное, логнормальное и распределение Вейбулла, которые охватывают широкий класс типовых распределений, а также таблично заданное распределение. Для моделирования веерного СП, значение параметра β которого зависит от состояния других объектов (агрегатов), в СМ-ДЭС реализован агрегат «Управляемый веерный процесс». Его графическое изображение представлено на рис. 1 б, а задание параметров осуществляется в панели на рис. 2 б. Случайный процесс ( )tξ с дискретным временем называется процессом с независимыми приращениями, если для любого натурального i и любых моментов времени nttt <<< ...10 слу- чайные величины ( )0tξ , ( ) ( ) ( ) ( )101 ,..., −−− ii tttt ξξξξ , являющиеся приращениями процесса ( )tξ , независимы в совокупности [4]. В пакете СМ-ДЭС реализован специальный класс агрегатов, моде- лирующих СП с независимыми, одинаково распределенными, приращениями ( ) ( )1−−=Δ ii tt ξξξ и одинаково распределенными интервалами времени 1−−=Δ ii ttt между сменами состояний СП. Начальное состояние ( )0tξ процесса также может подчиняться некоторому заданному распреде- лению (рис. 4). ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 144 а) б) в) Рис. 4. Графическое изображение (а) и окна параметров СП с независимыми приращениями в пакете СМ-ДЭС: пуассоновского (б); обобщенного пуассоновского (в) Данный агрегат моделирует достаточно широкий класс известных СП. Например, при на- чальном состоянии ( ) 00 =ξ , интервалах времени tΔ между сменами состояний, подчиняющихся экспоненциальному распределению с параметром λ , и приращениях 1=Δξ , данный СП является пуассоновским процессом (рис. 5 а). Если при этом приращения подчиняются распределению Коши с параметром 1−−=Δ ii ttt , то имеем дело с процессом Коши [4, с. 287]; а если произвольному рас- пределению, то – с обобщенным пуассоновским процессом (рис. 4 в и рис. 5 б) [4, с. 312]. а) б) Рис. 5. Семейства реализаций СП в СМ-ДЭС: пуассоновского (а); обобщенного пуассоновского (б) В особый класс СП с независимыми приращениями выделяют процесс случайного блужда- ния – СП с дискретным временем и дискретным фазовым пространством, который при изменении времени на один шаг tΔ с вероятностью +p увеличивает свое состояние на один квант xΔ , с ве- роятностью −p – уменьшает свое состояние на один квант xΔ и с вероятностью −+ −− pp1 со- храняет прежнее состояние [3]. В общем случае, интервалы времени tΔ между возможными сменами состояний процесса случайного блуждания могут быть случайными величинами. Например, если интервалы времени tΔ между возможными сменами состояний подчиняются экспоненциальному распределению с па- раметром ( )μλ + , а вероятности переходов определяются выражениями ( )μλλ +=+ /p , +− −= pp 1 , (5) то имеем дело с процессом «гибели и размножения», где λ – интенсивность рождения очередной особи, а μ – интенсивность смерти (рис. 6). ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 145 а) б) в) Рис. 6. Графическое изображение (а), окно параметров (б) и семейство реализаций в СМ-ДЭС (в) процесса случайного блуждания, соответствующего процессу «гибели и размножения» Выполняя предельный переход в процессе случайного блуждания при 0→Δt с одновре- менным выполнением условий ( )totbx Δ+Δ=Δ , ( )tot b ap Δ+Δ+=+ 22 1 и ( )tot b ap Δ+Δ−=− 22 1 , (6) получают диффузионный СП с коэффициентом переноса Ra∈ и коэффициентом диффузии 0>b [3]. При 0=a и 0=b имеем дело с винеровским СП (рис. 7). а) б) Рис. 7. Окно параметров (а) и пример реализации (б) винеровского СП в пакете СМ-ДЭС Смешанным процессом авторегрессии и скользящего среднего (AutoRegressive Moving Av- erage, ARMA) называется СП ( )tξ с дискретным временем ...,2,1,0 ±±=t и непрерывным фазо- вым пространством, значения которого удовлетворяют разностному уравнению [3, 5, 6]. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )tqtbtbptatat qp η+−η++−η+−ξ++−ξ=ξ ...1...1 11 , (7) где ( )tη – дискретный белый шум – последовательность, состоящая из независимых в совокупно- сти и одинаково распределенных случайных величин с нулевым математическим ожиданием, p – порядок авторегрессии, paa ,...,1 – коэффициенты авторегрессии, q – порядок скользящего сред- него, qbb ,...,1 – коэффициенты скользящего среднего. Если в ARMA 0=p и Nq∈ , то имеем дело с процессом скользящего среднего (MA) по- рядка q : ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 146 ( ) ( ) ( ) ( ) μ+η+−η++−η=ξ tqtbtbt q...11 , (8) где μ – математическое ожидание процесса MA [3], а если в ARMA 0=q и Np∈ , то имеем дело с процессом авторегрессии (AR) порядка p : ( ) ( ) ( ) ( )tptatat p ηξξξ +−++−= ...11 . (9) Адекватное описание наблюдаемых на практике явлений, моделируемых стационарными СП, зачастую дос- тигается моделями ARMA, порядок которых не превышает 2 [6]. Однако в пакете СМ-ДЭС реализована возможность моделирования процессов ARMA порядка 5 и выше (рис. 8). Выбирая специальным образом значения парамет- ров ARMA p , { }ia , q , { }jb в (7), можно моделировать стационарный гауссовский СП – процесс ( )tξ с дискрет- ным временем и непрерывным фазовым пространством, определяемый автокорреляционной функцией ( )tttR Δ+, , все сечения которого подчиняются нормальному закону распределения [3]. При этом в (7) ( )tη – гауссовский белый шум – последовательность, состоящая из независимых, в совокупности нормально распределенных случайных величин с нулевым мате- матическим ожиданием и дисперсией 2σ . При моделировании нестационарных гауссовских СП обычно используют соотношение ( ) ( ) ( )tftt += ξζ , (10) где ( )tξ – гауссовский стационарный СП с нулевым математическим ожиданием и постоянной ко- нечной дисперсией, ( )tf – неслучайная функция времени, называемая трендом, например [3]: ( ) ∑ = α+α= m i i ittf 1 01 , ( ) ( )∑ = γ+βα+α= m i iii ttf 1 02 cos , ( ) ( )∑ = ++= m i iii ttf 1 03 exp γβαα . (11) Имитационная модель нестационарного гауссовского СП с трендом ( )tf2 (11) в пакете СМ- ДЭС представлена на рис. 9. На рис. 10 представлен пример реализации данного СП. При моделировании трендов c функцией ( )tf его значения воспроизводятся с заданной точностью xΔ . При этом время 2t очередного изменения значения функции ( )tf определяется в данный момент модельного времени 1t решением уравнения (12): Рис. 8. Окно параметров процесса ARMA в пакете СМ-ДЭС ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 147 ( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( )⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ =′Δ+ <′Δ− >′Δ+ = − − ,0, ,0.., ,0.., 1 111 1 111 1 2 tfфункцияеслиtt tfетtточкевубываетtfеслиxtff tfетtточкеввозрастаетtfеслиxtff t (12) где tΔ – задаваемая пользователем величина интервала времени, бесконечно малая относитель- но значения xΔ . Если аналитическое решение уравнения (12) затруднено, то можно воспользо- ваться численным решением, полученным линеаризацией функции тренда ( )tf в точке 1t . а) б) в) Рис. 9. Моделирование нестационарного гауссовского СП: модель в пакете СМ-ДЭС (а), параметры агрегата, моделирующего тренд (б), параметры агрегата необходимого функционального преобразования (в) Рис. 10. Реализации в пакете СМ-ДЭС стационарного гауссовского СП, тренда и нестационарного гауссовского СП В современной литературе [2, 3, 5, 7] приводятся алгоритмы моделирования других СП, на- пример, ARCH, BL, Gamma, GARCH, FAR, EXPAR, SVM, TAR, TES. Однако особый интерес для имитационного моделирования технических систем представляет стационарный процесс авторег- рессии с произвольным распределением состояний (AutoRegressive To Anything, ARTA) [1, 2]. Про- цесс ARTA точно соответствует заданной структуре автокорреляции (аналогично процессу AR), а также стационарному распределению состояний (отличающемуся, при необходимости, от нор- мального распределения): ( ) ( )( )( )tFt ξζ Φ+= − 5,01 , (13) где ( )•−1F – функция, обратная функции заданного стационарного распределения состояний про- цесса ARTA, ( )•Ф – функция Лапласа, ( )tξ – стационарный гауссовский СП с единичной диспер- сией и заданной автокорреляционной функцией ( )tttR Δ+, . ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 148 Стационарный гауссовский СП ( )tξ моделируется выражением (9), где порядок p и коэф- фициенты авторегрессии paaa ,...,, 21 определяют авторегрессионную структуру процесса ARTA, а дисперсия используемого в (9) гауссовского белого шума ( )tη определяется уравнениями Юла- Уокера [5]. Для определения функции Лапласа используются две аппроксимации непрерывными дробями отношения Миллса [7, с. 256]. В соответствии с методом обратной функции, преобразова- ние ( )•−1F величины ( )( )( )tξΦ+5,0 , подчиняющейся равномерному распределению на интервале (0, 1), завершается получением величины с заданной функцией распределения ( )•F . Моделирование нормального стационарного закона распределения состояний процесса ARTA выполняется непосредственным линейным преобразованием ( )tξ стационарного гауссов- ского СП с единичной дисперсией и заданной автокорреляционной функцией ( ) [ ] [ ] ( )tMt ξζσζζ ⋅+= , (14) где [ ]ξM – математическое ожидание стационарного процесса ARTA, [ ]ξσ – его стандартное от- клонение. Подход и результаты моделирования ARTA в пакете СМ-ДЭС представлены на рис. 11. Агрегат AS1 на рис. 11 а предназначен для сбора статистики о реализациях моделируемого про- цесса. На рис. 12–13 представлены результаты статистического анализа автокорреляционной структуры и распределения состояний моделируемого процесса ARTA в пакете Statgraphics. а) б) в) Рис. 11. Моделирование процесса ARTA: модель в пакете СМ-ДЭС (а), параметры агрегата, моделирующего процесс ARTA (б), пример реализации (в) а) Estimated Autocorrelations for Col_1 0 5 10 15 20 25lag -1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 Au to co rre la tio ns б) Estimated Partial Autocorrelations for Col_1 0 5 10 15 20 25lag -1 -0,6 -0,2 0,2 0,6 1 Pa rti al A ut oc or re la tio ns Рис. 12. Анализ автокорреляционной структуры процесса ARTA в пакете Statgraphics ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 149 Summary Statistics for Col_1 Count 38895 Average 4,97563 Standard deviation 4,94743 Coeff. of variation 99,4333% Minimum 0,000343408 Maximum 51,771 Range 51,7707 Stnd. skewness 156,758 Stnd. kurtosis 220,468 Chi-Squared Test Exponential Normal Chi-Squared 100,256 28516,8 D.f. 98 97 P-Value 0,417807 0,0 Histogram for Col_1 0 10 20 30 40 50Col_1 0 4 8 12 16 20 24 (X 1000,0) fre qu en cy Distribution Exponential Normal Kolmogorov-Smirnov Test Exponential Normal DPLUS 0,00134903 0,133291 DMINUS 0,00349396 0,157296 DN 0,00349396 0,157296 P-Value 0,729343 0,0 Рис. 13. Статистический анализ распределения состояний процесса ARTA в пакете Statgraphics 3. Примеры использования пакета СМ-ДЭС для имитационного моделирования систем 3.1. Задача о разорении игрока Укажем решение задачи о разорении игрока, приведенной, например, в [4, с. 333], методом стати- стического моделирования в пакете СМ-ДЭС. Визуальное изображение имитационной модели СП «разорения игрока» в СМ-ДЭС представлено на рис. 14 а. Элемент AW1 непосредственно модели- рует процесс случайного блуждания. Его вероятностные характеристики заданы в окне на рис. 14 б. Здесь вероятность проигрыша одной денежной единицы при ставке на «черное» в европейской ру- летке – 19/37, выигрыша – 18/37. Начальный капитал игрока составляет 50 д.е. а) б) Рис. 14. Имитационная модель СП «разорения игрока» в пакете СМ-ДЭС а) б) Рис. 15. Примеры реализаций СП «разорения игрока» (а) и статистическое распределение времени до разорения в пакете СМ-ДЭС (б) ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 150 На рис. 15 а представлены примеры реализаций процесса «разорения игрока» в СМ-ДЭС, а на рис. 15 б – результаты статистического анализа «времени разорения» по 4642 реализациям данного процесса. При этом среднее время до разорения составило 1930 ставок, оценка стандарт- ного отклонения – 1600 ставок, наименьшее время до разорения среди наблюдаемых значений – 172 ставки, а наибольшее – 14582 ставки. 3.2. Имитационное моделирование параметрического отказа вала Рассмотрим работу вала (рис. 16) при постоянной износной нагрузке ( ) NN FtF = с целью опреде- ления вероятности безотказной работы в течение наработки t по критерию превышения допусти- мого значения износа maxRΔ . Примером подобной системы может служить силовая система рельс- колесо-колодка железнодорожного подвижного состава. Примем следующие допущения: – сила (износовая) постоянна: ( ) NN FtF = ; – площадь взаимодействия тел не изменяется, а взаимодействие осуществляется только на линии касания (данное допущение выполняется, например, когда контр- тело не подвержено износу); – угловая скорость вращения вала постоянна ( ) ω=ω t . В данных условиях величина износа вала ( )tRΔ прямо пропорциональна наработке t : ( ) ( ) ( ) tVtRRtR ⋅=−=Δ 0 , (15) где V – «скорость износа», определяемая материа- лом вала (в том числе, коэффициентом трения), уг- ловой скоростью вала ω и силой NF , ( )tR – радиус вала в момент наработки t . В силу анизотропии материала вала скорость его износа V является случайной величиной с функцией плотности распределения ( )vfv . Тогда величина износа вала ( )tRΔ в течение наработки t представляет собой веерный СП (рис. 17). Для некоторых типовых распределений скорости износа 0V известно [8] аналитическое ре- шение поставленной задачи: функция плотности распределения ( )tfξ наработки вала до отказа, функция отказа ( )tFξ , средняя наработка до отказа и другие показатели. Так, при условии нор- мального распределения скорости износа V наработка вала до отказа подчиняется альфа- распределению с параметрами [ ] [ ]VVM σα /= и [ ]VR σβ /maxΔ= [8]. Вал FN(t) ω(t) Контртело Рис. 16. Структурная схема взаимодействия вала и контртела v fξ(t ) t t* Fξ(t*) fV(v) ΔRmax ( )tRΔ fV(v) 0 ξ ( ) ( )tftR ξΔ , Рис. 17. Веерный процесс износа вала ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 151 Для произвольных распределений скорости износа V можно получить решение с помощью имитационного моделирования, которое заключается в многократной реализации СП деградации элементов механической системы во времени до неработоспособного состояния, сборе и анализе статистики о времени наработки объекта до отказа. Концептуальная модель износа вала в пакете СМ-ДЭС [9] представлена на рис. 18 а. Здесь агрегат AV2 имитирует веерный СП (1) с заданными вероятностными характеристиками; агрегат AV1 имитирует максимально допустимое значение износа maxRΔ ; агрегат AC1 вырабатывает сиг- нал «высокого» уровня, если уровень сигнала на выходе агрегата AV1 превышает уровень сигнала на выходе AV2, что соответствует работоспособному состоянию вала и вырабатывает сигнал «низ- кого» уровня в противном случае; AX1, AY1 – вспомогательные агрегаты, необходимые для управ- ления моделированием. а) б) в) Рис. 18. Модель веерного процесса износа вала в СМ-ДЭС (а); пример нескольких реализаций данного процесса (б); гистограмма частостей наработки вала до отказа в СМ-ДЭС (в) Если, например, параметр V -веерного процесса (15) подчиняется логнормальному рас- пределению с математическим ожиданием и стандартным отклонением, равным 5⋅10–10 мкм/мкс, некоторое множество реализаций процесса износа вала в пакете СМ-ДЭС представлено на рис. 18 б. При этом фиксировалось время наработки вала до отказа. Гистограмма частостей полу- ченных значений представлена на рис. 18 в. Для критерия обеспечения точности средней наработки вала до отказа в 4 % относительно точечного значения были получены следующие оценки показателей надежности (табл. 1). Таблица 1. Результаты имитационного моделирования безотказности вала Заданная точность оценки средней наработки вала до отказа относительно точечного значения 4 % Объем выборки реализаций имитационной модели вала до отказа 8867 Точечная оценка средней наработки вала до отказа, ч 550,028 Точечная оценка стандартного отклонения наработки вала до отказа, ч 531,841 Точечная оценка вероятности безотказной работы вала в течение 200 ч 0,783065 4. Заключение Имитационное моделирование является одним из наиболее универсальных методов анализа сложных систем. В некоторых задачах процесс функционирования исследуемой системы выража- ется через типовые СП, модели которых широко известны в теории вероятностей. В этой связи, для создания адекватных моделей в программных пакетах автоматизации имитационного модели- рования должны быть реализованы алгоритмы большого количества классов типовых СП. ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2010, № 3 152 В работе представлен справочный материал по многим классам СП, допускающим алго- ритмическое описание, которые применимы для имитационного моделирования технических сис- тем, технологических и экономических процессов. Показана реализация данных СП в программном комплексе автоматизации имитационного моделирования СМ-ДЭС. Приведены примеры решения самых разнообразных задач: теории игр и параметрической надежности методом имитационного моделирования в пакете СМ-ДЭС. Показана возможность и технология решения широкого класса других теоретических и практических задач, сводящихся к моделированию СП. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Cario M.C. Autoregressive to anything: Time-series input processes for simulation / Marne C. Cario, Barry L. Nel- son // Operations Research Letters. – 1996. – Vol. 19. – P. 51 – 58. 2. Кельтон В. Имитационное моделирование. Классика CS / В. Кельтон, А. Лоу. – [3-е изд.]. – СПб.: Питер; Ки- ев: Издательская группа BHV, 2004. – 847 с. 3. Харин Ю.С. Математические и компьютерные основы статистического анализа данных и моделирования: учеб. пособие / Харин Ю.С., Малюгин В.И., Абрамович М.С. – Мн.: БГУ, 2008. – 455 с. 4. Маталыцкий М.А. Вероятность и случайные процессы: теория, примеры, задачи: учеб. пособие / Маталыц- кий М.А. – Гродно: ГрГУ, 2006. – 588 с. 5. Вероятность и математическая статистика: Энциклопедия / Под ред. Ю.В. Прохорова. – [репр. изд.]. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. – 912 с. 6. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / В.С. Королюк, Н.И. Портенко, А.В. Скороход, А.Ф. Турбин. – М.: Наука, 1985. – 640 с. 7. Надежность и эффективность в технике: Справочник: в 10 т. – Т. 2: Математические методы в теории на- дежности и эффективности / Под ред. Б.В. Гнеденко. – М.: Машиностроение, 1987. – 280 с. 8. ГОСТ 27.005-97. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения. – Мн.: Госстандарт, 2005. – 15 с. 9. Shevchenko D.N. Program Technological Complex of a Research of Safety of Electronic Systems / D.N. Shevchenko // Computer Data Analysis and Modeling: Robustness and Computer Intensive Methods: Proc. 6-h International Conference. – Minsk: BSU, 2001. – Vol. 2. – P. 208 – 213. Стаття надійшла до редакції 17.11.2009