Конструирование имитационных моделей в экономике и управлении

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  
УНИВЕРСИТЕТ «РИНХ» 
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Г.Н. Хубаев, С.М. Щербаков 
 
КОНСТРУИРОВАНИЕ  
ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ 
В ЭКОНОМИКЕ И УПРАВЛЕНИИ 
 
 
МОНОГРАФИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону 
2009 

УДК 330.4 
Х 98 
 
 
Хубаев, Г. Н., Щербаков, С. М.  
Х 98 
Конструирование имитационных моделей в экономике и управлении : 
монография / Г. Н. Хубаев, С. М. Щербаков. Ростов-н/Д., Рост. гос. 
экон. ун-т. «РИНХ», 2009. – 176 c. 
 
ISBN 978-5-7972-1445-8 
 
Монография посвящена проблемам имитационного моделирования экономических процессов с использованием средств языка UML. Предлагается 
подход, основанный на интеграции визуального и имитационного моделирования; на автоматизированном синтезе имитационных моделей. Описываются 
возможности и преимущества разработанного подхода и реализующего его 
инструментария; направления их использования в различных областях экономики и управления. 
УДК 330.4 
 
 
Рецензенты: Крюков С. В., Тищенко Е. Н. 
 
 
Утверждено в качестве монографии редакционно-издательским советом 
университета.  
 
 
 
 
ISBN 978-5-7972-1445-8 
© Ростовский государственный экономический университет «РИНХ», 2009 
© Хубаев Г.Н., 2009 
© Щербаков С.М., 2009 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................... 4 
1. УНИФИЦИРОВАННЫЙ ЯЗЫК UML В ЗАДАЧАХ                                        
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ............................................................ 7 
2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ......... 14 
2.1. Интеграция визуального и имитационного моделирования                                   
на основе языка UML.......................................................................................... 14 
2.2. Формализованная метамодель интеграции визуального                                                      
и имитационного моделирования...................................................................... 23 
2.3. Синтез имитационных моделей на основе диаграмм языка UML................. 26 
2.4. Алгоритмическое обеспечение автоматизированного синтеза 
имитационных моделей...................................................................................... 34 
2.5. Методика визуального и имитационного моделирования                               
деловых процессов.............................................................................................. 37 
3. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ                                             
В СИСТЕМЕ СИМ-UML ......................................................................................... 41 
3.1. Структура и особенности построения системы СИМ-UML .......................... 41 
3.2. Функциональные возможности системы СИМ-UML..................................... 45 
3.3. Процесс имитационного моделирования в системе СИМ-UML ................... 47 
3.4. Пример решения экономической задачи в системе СИМ-UML.................... 53 
3.5. Пример имитационного моделирования деловых процессов                                          
в системе СИМ-UML .......................................................................................... 57 
4.  ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ИНТЕГРАЦИИ ВИЗУАЛЬНОГО                       И 
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.......................................................... 71 
4.1. Процессно-статистический подход к учету затрат                                       
материальных и трудовых ресурсов.................................................................. 71 
4.2. Имитационное моделирование производственной деятельности                             
на основе UML-моделей..................................................................................... 81 
4.3. Имитационное моделирование для оценки экономической 
эффективности системы информационной безопасности предприятия ....... 83 
4.4. Использование процессно-статистического подхода                                                           
в сфере государственного управления.............................................................. 92 
4.5. Имитационное моделирование в задачах оценки экономической 
эффективности интернет-приложений при их построении и развитии ........ 99 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................ 106 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................................ 109 
Приложение А Руководство разработчика имитационных моделей  - пользователя 
системы СИМ-UML................................................................................................ 119 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Управление предприятием или организацией предполагает принятие 
решений в условиях действия большого числа внешних факторов, наличия 
множества взаимодействующих элементов управляемой системы и ориентировано на достижение комплекса различных целей. Средством обеспечения эффективности принимаемых решений служит моделирование. Использование 
моделей позволяет рассмотреть различные аспекты объекта управления, исследовать последствия управляющих воздействий, сравнить различные варианты принимаемых решений. Рассматривая вопросы моделирования, будем 
исходить из следующего определения 1: 
Модель - искусственный объект, представляющий собой отображение 
(образ) системы и ее компонентов.. Считается, что М моделирует А, если М 
отвечает на вопросы относительно А.  
Здесь М - модель, А - моделируемый объект (оригинал).  
Частями (элементами) системы могут быть любые комбинации разнообразных сущностей, включающие людей, информацию, программное обеспечение, оборудование, изделия, сырье или энергию (энергоносители).  
В современном менеджменте деятельность предприятия все чаще рассматривается как совокупность бизнес-процессов (деловых процессов): проводится выделение деловых процессов, оценка их эффективности, исследование 
возможности их совершенствования [50, 51, 66]. Анализ деловых процессов 
невозможен без использования того или иного инструмента моделирования – 
общепризнанной нотации представления бизнес-процессов и методологии ее 
использования. Среди наиболее распространенных нотаций для визуального 
моделирования обычно выделяют ARIS, семейство IDEF, BPMN и другие, а 
также унифицированный язык моделирования UML. Визуальное моделирование деловых процессов предоставляет возможности для их осмысления, оценки и рационализации. Вместе с тем переход на количественный уровень позволяет обеспечить более точную и обоснованную оценку существующего или 
возможного состояния системы, дает возможность выработать наиболее рациональный вариант совершенствования деловых процессов. 
В большинстве случаев сложность управляемой системы и наличие значительной стохастической составляющей делают наиболее эффективным и, 
зачастую, единственно обоснованным использование имитационных моделей 
[19, 26]. Имитационная модель обладает высокой степенью подобия изучаемой 
системе, позволяет рассматривать значительное число деталей деятельности 
предприятия, учитывает случайные факторы. Эксперименты над имитационной моделью в итоге способствуют получению оценки различных вариантов 
предлагаемых управленческих решений. Одним из недостатков имитационных 
моделей является достаточная трудоемкость их построения. При этом привяз                                           
1 Рекомендации по стандартизации. – М.: Госстандарт России, 2001 (шрифтовые выделения - авторские). 

ка к конкретному предприятию и конкретным условиям, свойственная имитационным моделям, влечет за собой необходимость модификации модели при 
любой, даже незначительной, реорганизации деятельности предприятия. 
За счет использования современных систем имитационного моделирования, ориентированных на построение модели в графическом режиме, можно сократить время и затраты труда на построение имитационной модели по сравнению с разработкой имитационных программ на языках высокого уровня или на 
специализированных языках, подобных GPSS. Однако развитые современные 
системы имитационного моделирования дороги, достаточно сложны в освоении, 
требуют высокой и специализированной квалификации разработчика. Для решения абсолютного большинства реальных производственных и управленческих 
задач зачастую не требуется привлечение всех функциональных возможностей 
системы имитационного моделирования и не всегда необходим предлагаемый 
системой уровень детализации. 
Таким образом, разработка методологии использования визуальных моделей деловых процессов как основы для автоматизированного формирования 
имитационных моделей является актуальной задачей. 
Интеграция визуального и имитационного моделирования позволяет 
проводить одновременное исследование деловых процессов на качественном 
и количественном уровнях, при этом визуальная модель служит для формирования структуры имитационной модели. Имитационное моделирование дает 
возможность рассматривать и сравнивать различные варианты построения 
системы, получать количественную оценку предлагаемых управленческих решений. 
Проблема автоматизации построения имитационных моделей является 
достаточно сложной и предполагает решение нескольких задач: выбор нотации и 
методики визуального моделирования; интеграцию структурных и количественных компонентов; разработку методов и алгоритмов имитационного моделирования; создание соответствующего программного обеспечения. 
В настоящей монографии описан предлагаемый способ решения указанного комплекса задач и представлены направления использования полученных 
результатов. 
В первой главе рассматриваются возможности унифицированного языка 
моделирования UML в контексте обсуждаемых проблем. Выбор в пользу языка UML как средства визуального представления деловых процессов был обусловлен следующими причинами: способностью языка описывать структуру и 
динамику моделируемой системы, возможностью расширения, объектноориентрованной идеологией моделирования на основе UML. Важным является 
и то обстоятельство, что UML становится фактическим стандартом моделирования и проектирования информационных систем, а задача совершенствования деловых процессов тесно связана с задачей автоматизации. 
Во второй главе монографии описывается предлагаемая концепция интеграции визуального и имитационного моделирования и рассматривается 

разработанный метод автоматизированного синтеза имитационных моделей 
деловых процессов на основе языка UML. 
В рамках концепции интеграции визуального и имитационного моделирования выбранное подмножество UML-диаграмм и их элементов связывается с 
количественными компонентами и затем используется для формирования программного кода имитационной модели. Таким образом, необходима разработка 
метамодели, которая определяет состав визуальных и количественных компонентов и их взаимосвязи. Построенная метамодель описана в формализованном виде 
(с помощью аппарата теории множеств) и в виде общей схемы (в формате семантической сети). Подробно рассматриваются включенные в метамодель визуальные и имитационные компоненты, их совместное использование для моделирования деловых процессов. 
Метод автоматизированного синтеза предполагает формирование программного кода имитационной модели на основе взаимосвязанных диаграмм 
языка UML и количественных компонентов (переменных). Реализация метода 
потребовала разработки совокупности алгоритмов, включающей как алгоритмы работы имитационной модели, так и алгоритмы автоматического построения ее программного кода. В монографии описываются обобщенные алгоритмы формирования и сборки программного кода имитационной модели. Реализация алгоритмов в рамках программной системы осуществлена на основе 
объектно-ориентированного подхода. 
Третья глава монографии содержит описание конструктивных особенностей и функций системы синтеза имитационных моделей на основе языка 
UML (СИМ-UML) – программного средства, разработанного в рамках реализации предложенной концепции. Система позволяет строить UML-модели с 
помощью графического конструктора, задавать необходимые количественные 
параметры, автоматически формировать программный код имитационной модели и проводить имитационное моделирование. В монографии демонстрируется методика использования предложенного подхода и системы для решения 
задач анализа и совершенствования деловых процессов. Более детально система СИМ-UML описана в руководстве разработчика имитационных моделей 
(Приложение А). 
Четвертая глава монографии посвящена вопросам решения прикладных 
задач экономики и управления с использованием предложенного инструментария. Здесь рассматриваются несколько областей, которые объединяет сложность моделируемых систем и наличие множества случайных факторов. В 
большинстве случаев ставится вопрос об оценке затрат различных ресурсов 
(прежде всего затрат труда), об эффективности внедрения и использования 
информационных технологий. Описывается основанный на использовании 
предложенного инструментария процессно-статистический подход к учету затрат ресурсов, его возможности и области применения (в сфере производства и 
в области государственного управления). Рассматривается применение визуального и имитационного моделирования для оценки экономической эффективности интернет-приложений в процессе их построения и развития. 

1. УНИФИЦИРОВАННЫЙ ЯЗЫК UML В ЗАДАЧАХ 
ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 
 
На сегодняшний день имеется несколько распространенных средств  
анализа и моделирования деловых процессов. В большинстве случаев используются стандарты семейства IDEF [83] (реализующие методы структурного 
анализа и проектирования – SADT [37]), нотация для моделирования бизнеспроцессов BPMN [148], методология и инструментарий ARIS [39, 84], а также 
универсальный язык моделирования UML [32, 49]. Иногда производители программных средств предлагают и собственные нотации представления деловых 
процессов [10, 122, 145, 147]. 
Из множества возможных вариантов в качестве средства визуального 
представления деловых процессов (имея в виду дальнейшую интеграцию с методом имитационного моделирования) авторами выбран язык UML. Такой выбор обусловлен рядом значительных преимуществ языка [49, 71, 77]. 
Язык UML: 
1) обладает гибкостью и универсальностью. Средства языка можно использовать для решения задач анализа, моделирования и проектирования в 
различных областях; 
2) содержит средства представления как статики, так и динамики моделируемой системы; 
3) включает в себя представления и визуальные средства, позволяющие 
рассматривать моделируемую систему:  
- с разных сторон; 
- на разном уровне детализации; 
- на разных этапах анализа, проектирования и разработки; 
4) является общепризнанным стандартом проектирования и разработки 
программного обеспечения; 
5) обладает возможностью расширения, что позволяет адаптировать средства языка для эффективного решения задач моделирования в разных областях; 
6) реализует объектно-ориентированную идеологию, соответствующую 
специфике имитационного моделирования. 
Можно выделить следующие области пересечения тематики имитационного моделирования и применения языка UML, которые нашли отражение в 
работах отечественных и, прежде всего, зарубежных исследователей: 
- представление системы имитационного моделирования; 
- представление имитационной модели; 
- собственно построение имитационной модели на основе UMLспецификаций системы. 
Язык UML может использоваться для проектирования и описания системы имитационного моделирования [139, 144]. Например, в [139] описывается набор классов для построения дискретно-событийных имитационных моделей. Диаграмма классов (Class diagram) отображает такие классы, как «За

прос», «Ресурс», «Эксперимент» и т.д.  Диаграмма состояний (State Machine 
diagram) описывает процесс имитационного моделирования.  
Сама имитационная модель (если она выполнена на основе объектноориентированного подхода) также может быть описана в терминах языка UML 
[22, 108, 113, 134]. UML-модель позволяет специфицировать статические и 
динамические объекты имитационной модели, задавать их параметры и определять способ их взаимодействия. Преимуществами использования стандартного графического языка UML для представления имитационной модели являются упрощение описания и документирования разрабатываемой имитационной модели, обеспечение обмена информацией между разработчиками, возможность использования стандартных CASE-средств. Такой подход используется, например, в [101], где предлагается описывать имитационную модель в 
нотации UML. Посредством диаграммы классов предлагается задавать объекты имитационной модели (генераторы, заявки, очереди, серверы), а с помощью диаграмм последовательности (Sequence diagram) – описывать взаимодействие этих объектов. Далее с помощью специальной программы производится трансформация UML-диаграмм в код имитационной программы на языке Java. Фактически на языке UML основан интерфейс системы имитационного моделирования.  
Наибольший интерес представляет третья область, которая предполагает 
использование существующих визуальных UML-моделей для поддержки или 
автоматизации построения имитационной модели. Диаграммы языка UML могут рассматриваться как основа для построения структуры имитационной модели, что позволяет сократить затраты труда на имитационное моделирование, 
а также совместить имитационное моделирование с процессом анализа и проектирования.  
Рассмотрим различные направления использования языка UML при 
имитационном 
моделировании 
сложных 
технических 
и 
социальноэкономических систем (рис. 1) [79]. 
Язык UML в настоящее время является стандартным средством визуального моделирования при разработке программного обеспечения. Инструментарий языка позволяет создавать модели, рассматривающие программную систему с разных точек зрения: соответствующие диаграммы позволяют отобразить ее функциональное назначение, архитектуру, поведение и реализацию. 
При этом можно описать как статические, так и динамические аспекты. UMLмодели выступают в роли «чертежей» для последующего «строительства» 
сложной программной системы [49]. 
Значительную роль при разработке программных средств играют вопросы производительности. Принятие многих проектных решений (выбор СУБД и 
структуры базы данных, состав средств разработки, комплекс аппаратных 
средств, архитектура приложения и т.д.) требует использования количественных методов оценки производительности. Такую оценку желательно получать 
на ранней стадии – на стадии проектирования системы – с тем, чтобы вносить 
необходимые изменения ценой сравнительно небольших затрат.  

Рис. 1. Возможные направления использования языка UML  
и метода имитационного моделирования 
 
UML-спецификации проектируемой программной системы могут рассматриваться как основа для построения моделей оценки производительности 
[114, 120, 131, 144]. Сложность моделируемых систем и ограничения аналитических методов делают наиболее перспективным применение для оценки производительности методов имитационного моделирования. Так, в [133] рассматриваются способы построения моделей оценки производительности на 
основе UML-диаграмм. Предлагается подход, связанный с комбинацией диаграммы взаимодействия (Collaboration diagram) и диаграммы состояний. В 
изображения объектов на диаграмме взаимодействия  вкладываются диаграммы состояний для соответствующих объектов.  
Для решения задач оценки производительности к UML-модели программной системы будут предъявляться дополнительные требования: в отношении используемых диаграмм, в отношении степени детализации модели и 
Направления использования языка UML 
для имитационного моделирования 
Оценка производительности 
 программных средств 
Моделирование 
 деловых процессов 
Интеграция в жизненный цикл разработки программного обеспечения 
Перевод в стандартную нотацию для моделирования  
Имитационное моделирование 
Использование аналитических методов 
Построение системы имитационного моделирования 
Использование 
стандартной системы имитационного моделирования 

т.д. Также необходимо определить способ нанесения на UML-диаграммы числовых характеристик для оценки производительности. Например, в [121] 
предлагается набор аннотаций для определения параметров производительности на UML-диаграммах. Результаты моделирования возвращаются в исходную модель в качестве помеченных значений для получения отклика на уровне 
проектирования системной архитектуры.  
Документ «UML profile for schedulability, performance and time 
specification» (обычно применяется сокращенное название «UML performance 
profile»), разработанный OMG [151], определяет стереотипы и помеченные 
значения, присоединяемые к элементам модели, в частности, на спецификациях поведения и развертывания системы [132]. В [144] предлагается формат аннотаций (основанный на «UML performance profile») для трех диаграмм – диаграммы прецедентов (Use Case diagram), диаграммы деятельности (Activity 
diagram), диаграммы развертывания (Deployment diagram).  Специальный алгоритм 
позволяет 
осуществлять 
трансляцию 
аннотированных 
UMLспецификаций программных систем в имитационные модели.   
В [126] описывается система UML-PSI для имитационного моделирования программных систем на основе UML-моделей для оценки производительности. Исходная UML-модель создается в каком-либо CASE-средстве, откуда 
экспортируется в формат XMI. Модель состоит из множества конкурирующих 
за ресурсы процессов. Параметры имитационной модели задаются на аннотированной UML-диаграмме. Результаты моделирования возвращаются в исходную UML-модель в качестве помеченных значений, связанных с  соответствующими элементами диаграмм. При этом диаграмма прецедентов соответствует потоку заявок, диаграмма деятельности – выполняемым по запросу операциям, а диаграмма развертывания  – активным и пассивным ресурсам.  
Отметим, что подобный подход может использоваться не только для 
анализа производительности системы с технической точки зрения, но и для 
оценки экономической эффективности информационной системы в разных вариантах ее построения и при различных условиях ее использования - на основе 
моделирования затрат труда на эксплуатацию системы. 
Возможности языка UML широко используются не только для проектирования программных систем, но и для  моделирования деятельности организации. Совершенствование деловых процессов требует построения модели для 
проведения анализа предлагаемых изменений.  Существующие в рамках языка 
UML инструменты позволяют описывать деловые процессы, протекающие в 
организации, и различные варианты их модификации. 
Обращение к языку UML как к средству описания бизнес-процессов определяется, прежде всего, гибкостью языка и его ориентацией на объектноориентированный подход [9, 14, 90, 128]. С другой стороны, возможность различных способов использования средств языка UML для описания деятельности организации требует выбора конкретного набора средств и методики их 
использования. Средства расширения языка UML позволяют зафиксировать 
набор инструментов для моделирования бизнеса.