Dalla simulazione al Digital Twin: Il caso del terminal petrolifero

Elementi di un modello di simulazione

In generale, il modello di simulazione dovrà essere sufficientemente complesso da rispondere alle esigenze del caso, ma deve comunque rimanere il più semplice possibile. Devono inoltre essere chiari i limiti di utilizzo del modello stesso.

Un modello di simulazione è costituito dai seguenti elementi:

• Variabili di stato. Un sistema è descritto, in ogni istante di tempo, da un insieme di variabili che prendono nome di variabili di stato. Quindi, ad esempio, in riferimento ad un sistema a coda, il numero degli utenti presenti nel sistema in un certo istante di tempo è una variabile di stato.
• Esistono sistemi discreti in cui le variabili cambiano istantaneamente, in corrispondenza di precisi istanti di tempo finiti, oppure appartenenti ad un insieme numerabile, e sistemi continui in cui le variabili variano con continuità rispetto al tempo. Si osservi che, la scelta di un modello continuo o discreto da utilizzare non

è necessariamente obbligata dallatipologia del sistema; si può infatti decidere, ad esempio, di costruire un modello discreto per un sistema continuo, a seconda dello studio da effettuare. Un esempio tipico è il caso in cui nel rappresentare una linea ferroviaria, la posizione del treno può essere descritta da una variabile reale che fornisce la distanza dalla stazione di origine, oppure da variabili binarie che descrivono lo stato libero/occupato di ciascuna delle sezioni di blocco in cui è divisa la linea.

Si definisce “evento” un qualsiasi accadimento istantaneo che ha il valore di almeno una delle variabili di stato. L’arrivo di un utente ad un sistema a coda è un evento, così come il completamento di un servizio. Esistono eventi esterni al sistema (eventi esogeni) ed eventi interni (eventi endogeni). Ad esempio, l’inizio del servizio ad un utente in coda è un evento endogeno, mentre

L'arrivo di un utente ad un sistema a coda è un evento esogeno.

Entità e attributi. Le entità sono singoli elementi del sistema che devono essere definiti. Un esempio di entità è un utente presso un sistema a coda, oppure un servente. Nel primo caso l'entità fluisce all'interno del sistema e si parla di "entità dinamica", nel secondo caso si parla di "entità statica". Le entità possono essere caratterizzate da attributi che forniscono un valore di un dato assegnato alla stessa. È chiaro che, alcuni attributi possono essere di interesse in alcuni casi e non in altri. Le entità possono essere raggruppate in classi, che sono insiemi di entità dello stesso tipo, ovvero si possono raggruppare le entità in base agli attributi. Se, ad esempio, consideriamo persone di sesso maschile e femminile come utenti di un sistema a coda, essendo le entità le persone, esse

Possono essere raggruppate in due classi in base all'attributo "sesso".

Risorse. Le risorse sono elementi del sistema che forniscono un servizio alle entità. Un'entità può richiedere una o più unità di risorsa e se questa non è disponibile l'entità dovrà mettersi, ad esempio, in una coda, in un'altra azione. Se attesa che si renda disponibile, oppure intraprendere invece la risorsa è disponibile, essa viene "catturata" dall'entità, "trattenuta" per il tempo necessario e poi "rilasciata". Un esempio di risorsa potrebbe essere un operaio che sovrintende il funzionamento di una macchina, la quale non può funzionare senza l'operaio stesso. Quando è richiesto l'utilizzo di questa macchina, se la risorsa "operaio" è disponibile, l'esecuzione del lavoro è effettuata, altrimenti si attende la sua disponibilità.

L'operaio verrà "trattenuto" per la durata dell'esecuzione del lavoro e poi "rilasciato". Si osservi che, in generale, un elemento del modello potrebbe essere considerato parimenti un'entità o una risorsa. Questo, ovviamente, dipende da come si è scelto di costruire un modello.

Un'attività è un'operazione la cui durata è nota a priori, all'inizio della sua esecuzione. Tale durata può essere una costante, un valore aleatorio generato da una distribuzione di probabilità, oppure data in input o calcolata in base ad altri eventi che accadono nel sistema. Un esempio è dato dal tempo di servizio in un sistema a coda. Un ritardo è un periodo di tempo di durata indefinita che è determinata dalle condizioni stesse del sistema. Il tempo che un'entità trascorre presso una coda prima che si liberi una risorsa della quale necessita.

di tempo”, appartenenti ad un insieme numerabile. In questi “istanti” accadono gli eventi. È chiaro che, essendo questi, modelli di natura dinamica, è necessario registrare, ovvero tenere memoria, del tempo (simulato) che procede. In particolare sarà necessario definire un meccanismo di avanzamento del tempo per far procedere il tempo simulato da un valore ad un altro. La variabile che in un modello di simulazione fornisce il valore corrente del tempo simulato si chiama “simulation clock”, ed esistono due modi per definire il suo avanzamento:

• Avanzamento del tempo al prossimo evento;
• Avanzamento del tempo ad incrementi prefissati.

Nel primo caso il “simulation clock” è inizializzato a zero e viene avanzato del primo degli eventi futuri; poi il sistema al tempo dell’accadimento viene aggiornato tenendo conto dell’evento accaduto, si aggiornano i tempi degli eventi futuri e si itera il procedimento.

La differenza con l'avanzamento ad incrementi prefissati sta nel fatto che i periodi di inattività non vengono considerati.

Riportiamo come esempio un caso reale, per la quale soluzione si è rilevato utile lo strumento di simulazione "Anylogic".

Un'autorità portuale stava affrontando i seguenti problemi:

• La porta veniva utilizzata da più client e da questa passavano un totale di 16 prodotti;
• Inoltre, si prevedeva che il tonnellaggio spedito di tutti i prodotti dal porto sarebbe aumentato dell'80% nei 5 anni successivi.

Le opzioni di aggiornamento disponibili erano diverse, ad esempio la creazione di nuovi posti, il trasferimento di esistenti, il dragaggio; ma la decisione chiave da prendere si basava su quanto altro prodotto avrebbe potuto essere esportato senza aggiornare la porta.

"Evans & Peck" ha utilizzato unLa società di consulenza globale approccio di modellazione ad eventi discreti per mappare le operazioni portuali.

Per un singolo ancoraggio. 17I principali vantaggi dello strumento di modellazione sviluppato includono i seguenti risultati:

• l'autorizzazione della porta è stata fornita con uno strumento per gestire i primi passi lungo il percorso di aggiornamento;
• sono stati individuati ritardi nelle operazioni portuali che hanno fornito alla direzione le opzioni per aumentare la produzione oltre i limiti attuali senza spese in conto capitale.

Figura 1.2 Port Model

Lo stesso metodo di modellazione decisionale può essere applicato all'analisi delle efficienze, nelle operazioni logistiche come il trasporto di prodotti, dalle miniere su strada o ferrovia ad un porto e nelle analisi della programmazione della produzione nelle industrie manifatturiere e di trasformazione. 182. Agent Based Simulation

I modelli basati sull'agente (in sigla, ABM, acronimo di agent-based model) sono una classe di modelli computazionali, finalizzati alla simulazione al computer di azioni e