Przez dziesięciolecia tworzenie symulacji złożonych systemów – czy to w inżynierii, obronności, czy w nauce – było ograniczone przez niekompatybilne narzędzia programowe i niespójne metody. W nowym badaniu zaproponowano praktyczne rozwiązanie zakorzenione w teorii systemów ugruntowanych matematycznie. Naukowcy profesor Bernard Zeigler z RTSync Corp., dr Robert Kewley z simlytics.cloud i profesor Gabriel Wainer z Carleton University wykazali, że podejście do modelowania zwane DEVS, skrót od Discrete Event SystemSpecification, może służyć jako wspólny standard symulowania szerokiej gamy systemów, niezależnie od tego, jak bardzo mogą się one różnić.
Profesor Zeigler i jego zespół skupili się na trzech kluczowych cechach DEVS: zamknięciu w ramach sprzężenia, uniwersalności i niepowtarzalności. Funkcje te mogą wydawać się techniczne, ale oferują korzyści w świecie rzeczywistym. Zamknięcie pod sprzęgłem oznacza, że mniejsze modele można łączyć w większe, pozostając jednocześnie w ramach DEVS, jak na przykład układanie klocków Lego w celu zbudowania większej konstrukcji, którą można ponownie układać. „Każdy system zbudowany poprzez połączenie wielu modeli DEVS można matematycznie przedstawić jako pojedynczy model DEVS, który po symulacji daje takie same wyniki”. – wyjaśnił profesor Zeigler. Oznacza to, że nawet bardzo złożone systemy można traktować w taki sam sposób, jak proste, co ułatwia zarządzanie symulacjami i zwiększanie ich skalowania.
Zespół profesora Zeiglera podkreślił także uniwersalność DEVS, czyli jego zdolność do opisywania dowolnego systemu działającego poprzez zdarzenia zachodzące w określonym czasie, zwane zdarzeniami dyskretnymi. Na przykład, niezależnie od tego, czy jest to rozkład jazdy pociągów, linia produkcyjna czy system transakcji online, DEVS może to modelować. „Reprezentacja DEVS jest również wyjątkowa, co oznacza, że podstawowa, najprostsza wersja każdego takiego systemu jest dokładnie zgodna z modelami DEVS” – powiedział profesor. Wainera. Dzięki temu DEVS może łączyć różne modele w ramach jednego spójnego standardu.
Ich badania dostarczają praktycznych kroków umożliwiających przystosowanie starszych lub niestandardowych systemów do współpracy z DEVS. „Opakowując” te systemy – dodając kompatybilny interfejs, aby mogły komunikować się jak modele DEVS – mogą współpracować z innymi komponentami DEVS. Takie podejście jest szczególnie przydatne dla organizacji takich jak Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, który często korzysta ze starszych narzędzi symulacyjnych. Jak zauważył dr Kewley: „Usuwa to główną przeszkodę w powszechnym przyjęciu DEVS w organizacjach posiadających duże inwestycje w symulacje”.
Podejście to wspiera opracowaną przez Departament Obrony Modular Open Systems Approach (MOSA) strategię projektowania, która kładzie nacisk na budowanie systemów z oddzielnych, wymiennych części, które można łatwo aktualizować i łączyć. Naukowcy sugerują, że DEVS może stanowić podstawę tego podejścia, zapewniając, że wszystkie elementy systemu, niezależnie od tego, w jaki sposób zostały utworzone, mogą płynnie współpracować. Koncepcja zwana magistralą DEVS pomaga to osiągnąć, umożliwiając różnym narzędziom i systemom komunikację ze sobą we wspólnym środowisku symulacyjnym.
W badaniu profesora Zeiglera przyjrzano się także dwóm przydatnym technikom: spłaszczaniu i pogłębianiu. Spłaszczanie oznacza upraszczanie złożonych modeli poprzez usuwanie zagnieżdżonych warstw, dzięki czemu wszystkie części znajdują się na tym samym poziomie, co pomaga przyspieszyć przebieg symulacji. Pogłębianie jest odwrotne — wprowadza większą strukturę poprzez organizowanie części w większe moduły wielokrotnego użytku, co ułatwia zarządzanie nimi i budowanie na nich. „Spłaszczanie eliminuje strukturę poprzez zmniejszenie ruchu komunikatów i zwiększenie wydajności symulacji; pogłębianie może wprowadzić strukturę hierarchiczną w celu zwiększenia modułowości, ponownego wykorzystania i skalowalności” – powiedział profesor Zeigler.
Profesor Zeigler i jego zespół kończą, opisując, w jaki sposób DEVS może ewoluować. Proponują utworzenie standardowych modułów DEVS, ulepszenie narzędzi symulacyjnych i upewnienie się, że DEVS dobrze współpracuje z powszechnie używanymi platformami, takimi jak FMI, co oznacza Functional Mock-up Interface, standard wymiany modeli i współsymulacji. Wszystkie te wysiłki mają na celu zbudowanie elastycznego i niezawodnego systemu opartego na DEVS, w którym modele można z łatwością ponownie wykorzystać, dostosować i połączyć.
Opierając swoje podejście na ugruntowanej teorii i zapewniając łatwe w użyciu metody łączenia różnych systemów, naukowcy uważają, że DEVS oferuje praktyczne rozwiązanie. W miarę jak oprogramowanie staje się coraz bardziej wzajemnie powiązane i złożone, posiadanie niezawodnego sposobu na jego holistyczną symulację i testowanie jest ważniejsze niż kiedykolwiek wcześniej — a niniejsze badanie oferuje mocne, poparte matematycznie rozwiązanie.
Dr Doowhan Kim, prezes RTSync, podkreślił, że DEVS konsekwentnie udowadnia, że zapewnia rygorystyczność i modułowość, których wymaga branża w zakresie skalowalnych, godnych zaufania środowisk symulacyjnych. Powiedział: „RTSync przewodzi wysiłkom mającym na celu komercjalizację platform opartych na DEVS, takich jak cyfrowe bliźniaki w świecie rzeczywistym i infrastruktury symulacyjne oparte na chmurze”. Jednocześnie organizacje takie jak Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) pracują nad standaryzacją DEVS, zapewniając interoperacyjność i wiarygodność w sektorach obronnym, naukowym i przemysłowym. Łącznie wysiłki te wyznaczają przejście DEVS od badań akademickich do uznanej na całym świecie podstawy badań naukowych i innowacji inżynieryjnych.
Odniesienie do czasopisma
Zeigler B., Kewley R., Wainer G., „Zamknięcie DEVS w ramach sprzężenia, uniwersalności i wyjątkowości: umożliwienie symulacji i interoperacyjności oprogramowania na podstawie podstaw teorii systemu”. Komputery, 2025. DOI: https://doi.org/10.20944/preprints202510.1207.v1
O Autorach
Bernarda P. Zeiglera jest emerytowanym profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie w Arizonie, gdzie wykładał aż do przejścia na emeryturę. Oprócz tego pełni funkcję głównego naukowca w firmie typu spin-off, która pierwotnie powstała w wyniku jego laboratorium w Centrum Integracyjnego Modelowania i Symulacji w Arizonie (ACIMS). Uzyskał tytuł licencjata z fizyki inżynieryjnej na Uniwersytecie McGill, tytuł magistra inżynierii elektrycznej na MIT oraz stopień doktora. doktorat z informatyki/komunikacji na Uniwersytecie Michigan. Najbardziej znany jest z opracowania struktury DEVS do modelowania i symulacji, a także posiada status członka w największych stowarzyszeniach zawodowych. Jego praca obejmuje badania akademickie i komercyjne zastosowania modelowania w inżynierii systemów i środowiskach oprogramowania.
Roberta Kewleya jest dyrektorem i inżynierem systemów w Simlytics.cloud LLC, gdzie koncentruje się na stosowaniu metod symulacji i modelowania w złożonych systemach, w tym w środowiskach operacyjnych, opartych na chmurze i „systemach systemów”. Jego kariera obejmuje role w inżynierii systemów obronnych i edukacji symulacyjnej. Jest autorem prac z zakresu modelowania opartego na danych, symulacji stowarzyszonych i struktur modeli rozproszonych. W Simlytics kieruje pracami nad integracją starszych i nowszych technologii, aby można było je wspólnie wykorzystać w elastycznych platformach symulacyjnych. Doświadczenie Kewleya łączy głębię techniczną w inżynierii systemów z praktyczną orientacją na wyzwania przemysłowe i organizacyjne.
Gabriela Wainera jest profesorem na Wydziale Systemów i Inżynierii Komputerowej na Uniwersytecie Carleton w Ottawie w Kanadzie i kieruje laboratorium zaawansowanych symulacji w czasie rzeczywistym. Posiada stopień doktora. z Uniwersytetu w Buenos Aires/Uniwersytetu Aix-Marseille oraz piastował stanowiska wizytujące w instytucjach badawczych w Argentynie, Francji i Kanadzie. Jego badania obejmują metody modelowania i symulacji, systemy czasu rzeczywistego, modele komórkowe oraz równoległe lub internetowe środowiska symulacyjne. Publikował wiele publikacji, kierował dużymi grantami oraz pełnił funkcje kierownicze w redakcjach i konferencjach. Wainer nadal kształtuje sposób opracowywania, integrowania i nauczania narzędzi symulacyjnych.
