Avaliao e Desempenho de Sistemas Modelagem e Simulao

Avaliação e Desempenho de Sistemas Modelagem e Simulação de Sistemas FATEC 2010

Definindo Simulação de Sistemas �“Simulação implica na modelagem de um processo ou sistema, de tal forma que o modelo imite as respostas do sistema real numa sucessão de eventos que ocorrem ao longo do tempo, Schriber [1974]. �“Simulação é o processo de projetar um modelo de um sistema real e conduzir experimentos com este modelo com o propósito de entender seu comportamento e/ou avaliar estratégias para sua operação”, Pegden [1991]. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 2

Por que Simular? �Para prever o comportamento futuro dos sistemas usando modelos, isto é, antecipar os efeitos produzidos por alterações ou pelo emprego de outros métodos em suas operações. �Construir teorias e hipóteses considerando observações efetuadas através de modelos; �Permitir ao analista realizar estudos sobre os correspondentes sistemas para responder questões do tipo: “O que aconteceria se ? ” 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 3

Por que Simular? (cont. ) �Facilidade de compreensão e aceitação dos resultados. �Esta aceitação deve-se a fatores, tais como: �níveis de detalhes; � a visualização dos sistemas (inclusive com animações); �economia de tempo e recursos financeiros. Ganhos de produtividade e qualidade; �a percepção de que o comportamento do modelo simulado é muito semelhante ao do sistema real. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 4

Razões para Experimentar com Modelos �O sistema modelado ainda não existe. � Neste caso a simulação poderá ser usada para planejar o novo sistema; �Experimentar com o sistema real é dispendioso. � O modelo poderá indicar, com muito menos custo, quais os benefícios de se investir em um novo equipamento, por exemplo; �A experimentação com o sistema real é inadequada. � O planejamento do atendimento de situações de emergência. Exemplo: um desastre em um aeroporto. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 5

Sistemas �“Um conjunto de objetos, como pessoas ou máquinas, por exemplo, que atuam e interagem com a intenção de alcançar um objetivo ou um propósito lógico” [Schmidt e Taylor, 1970]. �Na prática, são os objetivos de um particular estudo, que vão definir que objetos devem constituir o sistema. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 6

Modelos �O processo de imitação e criação de uma história artificial dos sistemas reais (modelagem, simulação e experimentação), pressupõe uma série de simplificações. �Tais simplificações, que usualmente tomam a forma de relações matemáticas ou lógicas, chamamos de modelos. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 7

Modelos Inferência Representação esquemática de um modelo de sistema 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 8

Tipos de Modelos e o Processo Decisório �Modelos Voltados à Previsão: �A simulação pode ser usada para prever o estado de um sistema em algum ponto no futuro, com base no comportamento atual e ao longo do tempo. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 9

Tipos de Modelos e o Processo Decisório �Modelos Voltados à Investigação: �Busca de informações e desenvolvimento de hipóteses sobre o comportamento de sistemas. �As variáveis de resposta servem para construir e organizar as informação sobre a natureza do fenômeno ou sistema sob estudo. �Os experimentos recaem sobre as reações do sistema (modelo) a estímulos normais e anormais 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 10

Tipos de Modelos e o Processo Decisório �Modelos Voltados à Comparação: �Avaliar dos efeitos de mudanças sobre as variáveis de controle. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 11

Tipos de Modelos e o Processo Decisório Modelos Específicos �Utilizados em situações específicas e únicas, mesmo considerando um baixo volume de recursos financeiros envolvido no processo decisório. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 12

Tipos de Modelos e o Processo Decisório �Modelos Específicos �Quando e qual tipo de equipamento novo deve ser comprado; �Quando e como reorganizar os recursos voltados ao atendimento de clientes. Filas de atendimento em bancos, hospitais, supermercados, etc. ; �Decidir sobre a alocação de determinado tipo de equipamento servindo uma ou outra linha de produção; �Decidir sobre qual o poder de processamento necessário a um servidor de rede de comunicação de acordo com diferentes tipos de cargas ao sistema; 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 13

Tipos de Modelos e o Processo Decisório �Modelos Genéricos �Modelos que são usados periodicamente por longos períodos. Necessitam ser flexíveis e robustos. Exemplos 11/03/2021 ü Modelos sobre aplicações orçamentarias, baseadas em desempenho e projeções simuladas do futuro; ü Modelos para gerenciamento do tráfego sobre uma área em particular. Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 14

Modelos Discretos e Modelos Contínuos �Estes conceitos estão associados a idéia de sistemas que sofrem mudanças de forma discreta ou contínua ao longo do tempo. �Os termos corretamente atribuídos são: modelos de mudança discreta e modelos de mudança contínua. �A caracterização de um modelo é dada em função da maneira com que ocorrem as mudanças nas variáveis de estado do sistema. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 15

Modelos de Mudança Discreta ou Discretos �Nestes modelos, as variáveis de estado mantémse inalteradas ao longo de intervalos de tempo e mudam seus valores somente em momentos bem definidos, também conhecidos como tempo de ocorrência do evento. �A variação do tempo, nestes modelos, pode ser tanto discreta como contínua. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 16

Modelos de Mudança Discreta ou Discretos 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 17

Modelos de Mudança Contínua ou Contínuos �Nestes modelos, as variáveis de estado podem mudar continuamente ao longo do tempo. �Por exemplo, imaginemos um modelo que descreva um sistema composto de uma caixa d’água com seu conteúdo escoando por um furo na sua base. � Como variáveis de estado, poderíamos utilizar seu volume ou o seu nível de água. �Intuitivamente, podemos imaginar que qualquer das duas variáveis de estado estará variando continuamente ao longo do tempo simulado. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 18

Modelos de Mudança Contínua ou Contínuos 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 19

Vantagens de Empregar a Simulação �Reusabilidade dos modelos; �Passível de uso mesmo que os dados de entrada estejam, ainda, na forma de “esquemas” ou rascunhos. �A simulação é, geralmente, mais fácil de aplicar do que métodos analíticos (menos simplificações). �Pelo alto nível de detalhamento o modelo pode substituir o sistema real evitando sua perturbação; 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 20

Vantagens de Empregar a Simulação �O tempo pode ser controlado. Pode ser comprimido ou expandido. Permite-nos reproduzir os fenômenos de maneira lenta ou acelerada, para que possamos melhor estudálos; �Podemos compreender melhor quais variáveis são as mais importantes em relação a performance e como as mesmas interagem entre si e com os outros elementos do sistema; 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 21

Vantagens de Empregar a Simulação �Facilitar a identificação de “gargalos”, preocupação maior no gerenciamento operacional de inúmeros sistemas, tais como fluxos de materiais, fluxo de informações ou de produtos; �Um estudo de simulação costuma mostrar como realmente um sistema opera, em oposição à maneira com que todos pensam que ele opera; �Novas situações, sobre as quais tenhamos poucos conhecimentos e experiência, podem ser tratadas, de tal forma que se tenha, teoricamente, alguma preparação diante de futuros eventos. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 22

Desvantagens de Empregar a Simulação �A construção de modelos requer treinamento especial. � Envolve arte e portanto o aprendizado se da ao longo do tempo com a aquisição de experiência. �Os resultados da simulação são, muitas vezes de difícil interpretação (processos aleatórios incluídos no modelo). �A modelagem e a experimentação associadas a modelos de simulação consomem muitos recursos, principalmente tempo. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 23

Passos na Formulação de um Estudo Envolvendo Modelagem e Simulação Etapa de Planejamento Etapa de Modelagem Etapa de Experimentação Conclusão do Projeto Formulação e análise do problema Coleta de dados Projeto experimental Comparação e identificação das melhores soluções Planejamento do projeto Formulação do modelo conceitual Tradução do modelo Experimentação Verificação e validação do modelo Análise estatística dos resultados Documentação Apresentação dos resultados Implementação Coleta de macro informações 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 24

Erros mais Comuns na Abordagem via Simulação �Pouco conhecimento ou treinamento com a ferramenta utilizada; �Objetivos com pouca clareza ou definição; �Construção de modelos muito detalhados; �Realizar conclusões sem base estatística; 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 25

Exemplo: �Problema: Gerar imagens em computador que “imitem” xilogravuras reais

Modelagem: �Estudo da realidade �Identificação de requisitos �Definição de parâmetros de entrada e saída �Desenvolvimento do algoritmo (simulador)

Simulação: �Levantamento de dados a serem usados no simulador �Execução de simulações �Geração de dados de saída

Avaliação de Resultados: �Resultado do trabalho é uma imagem: �Exemplo: renderização usando radiosidade

Validação de Resultados: �Resultado do trabalho é uma imagem: �Exemplo: renderização usando radiosidade Como avaliar?

Avaliação de Resultados: �Resultado do trabalho é uma imagem: �Exemplo: renderização usando radiosidade ão ç ra ? a p de m a Co alid re Como avaliar? vi s l ua c om a

Avaliação de Resultados: �Resultado do trabalho é uma imagem: �Exemplo: renderização usando radiosidade e d a d i l a ! l u Q sua i V Como avaliar?

Avaliação de Resultados: �Resultado do trabalho é um movimento: �Exemplo: animação facial

Avaliação de Resultados: �Resultado do trabalho é um movimento: �Exemplo: animação facial co ão ç ra de? a p da m i Co eal r a m

Avaliação de Resultados: Pode ainda depender do objetivo do sistema:

Avaliação de Resultados: �Comparação com a realidade depende de como vamos comparar… �Lado-a-lado…

Resultados - Céus Cirrus – Render Cirrus - Natureza 1000 200 Utiliza nuvens 15 - sementes 10 20 FPS - 10 e 50 Modelos billboards Bases

Resultados - Céus Nimbus – Render Nimbus - Natureza 1000 200 Utiliza nuvens 15 - sementes 10 20 FPS - 10 e 50 Modelos billboards Bases

Resultados - Céus Nuvens de Chuva – Render Nuvens de Chuva - Natureza 1000 200 Utiliza nuvens 15 - sementes 10 20 FPS - 10 e 50 Modelos billboards Bases

Resultados - Céus o ã ç a a i tiv l a a v t i A al u Q Nuvens Fractostratus Nimbus Cirrus de Chuva –– Render ––Render Fractostratus Nuvens Cirrus Nimbus de Chuva --Natureza - Natureza 1000 200 Utiliza nuvens 15 - sementes 10 20 FPS - 10 e 50 Modelos billboards Bases

Avaliação de Resultados: �Avaliação quantitativa: Simulação de multidões

Avaliação de Resultados: �Avaliação quantitativa: Simulação de multidões • A - Mean velocity on corridors without traffic jams; • • • B - Mean velocity on corridors with traffic jams; C - Mean velocity on stairs without traffic jams; D - Mean velocity on stairs with traffic jams; E - Higher density F - Global Evacuation Time

COMO FUNCIONA A SIMULAÇÃO

Tratando a Variabilidade dos Sistemas �As diferenças fundamentais entre os dois tratamentos (T. Filas e simulação): �para a solução analítica o objetivo da coleta e tratamento de dados é a determinação de valores que representam o comportamento médio das variáveis do sistema; �para a simulação o objetivo é compreender o comportamento dinâmico e aleatório das variáveis, com a intenção de incorporá-lo ao modelo. 11/03/2021 Aula 12 -Modelagem e Simulação de Sistemas 45

Exemplo Prático Professor em época de prova, realizando atendimento de dúvida de alunos. 11/03/2021 46

Objetivo? �Realizar simulação manual do processo apresentado. �Determinar o tempo médio que um estudante passa tirando dúvidas com o professor �Determinar o percentual do tempo que o professor fica ocupado tirando dúvidas �Definição - Professor e estudantes anciosos por tirar dúvidas � Excluindo 11/03/2021 os estudantes sem dúvidas do problema. Aula 2 -Modelagem e Simulação de Sistemas 47

Estados do sistema!!! �Número de estudantes a espera de atendimento �Ocupação ou não do professor Galina �Mudança do estado!? � Um estudante novo chega para atendimento � Um estudante acaba de tirar suas dúvidas e parte do sistema 11/03/2021 Aula 2 -Modelagem e Simulação de Sistemas 48

Simulação Atendimento Aluno 11/03/2021 Aula 2 -Modelagem e Simulação de Sistemas 49

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Exercício �Dados os seguintes tempos de chegada para um centro de serviço único (0, 2; 0, 6; 2, 2; 2, 6; 3, 0) e os tempos de serviço correspondentes (0, 8; 0, 4; 1, 2; 0, 2), faça uma tabela para a simulação do sistema, com uma visão orientada a evento e uma outra orientada a processo, calculando quando o serviço começa, o tempo de partida, e o tempo de espera na fila de cada um dos cinco usuários. � Sabendo que o tempo total de simulação é de 4, 0 unidades de tempo, calcule a utilização, o tempo médio de espera, o tamanho médio da fila, e a vazão do centro de serviço. 11/03/2021 Aula 2 -Modelagem e Simulação de Sistemas 51