ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ И МАШИННОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ

С развитием вычислительной техники наиболее эффективным методом исследования больших систем стало машинное моделирование, без которого невозможно решение многих крупных народ­нохозяйственных проблем. Поэтому одной из актуальных задач подготовки инженеров-системотехников является освоение теории и методов математического моделирования с учетом требований системности, позволяющих не только строить модели изучаемых объектов, анализировать их динамику и возможность управления машинным экспериментом с моделью, но и судить в известной мере об адекватности создаваемых моделей исследуемым системам, о границах применимости и правильно организовать моделирование систем на современных средствах вычислительной техники.

1.Методологические аспекты моделирования.Прежде чем рассматривать математические, алгоритмические, программные и прикладные аспекты машинного моделирования, необходимо изучить общие методологические аспекты для широкого класса математических моделей объектов, реализуемых на средствах вычислительной техники.Моделирование с использованием средств вычислительной техники(ЭВМ, АВМ, ГВК) позволяет исследовать механизм явлений, протекающих в реальном объекте с большими или малыми скоростями, когда в натурных экспериментах с объектом трудно (или невозможно) проследить за изменениями, происходящими в течение короткого времени, или когда получение достоверных результатов сопряжено с длительным экспериментом. При необ­ходимости машинная модель дает возможность как бы «растяги­вать» или «сжимать» реальное время, так как машинное моделиро­вание связано с понятием системного времени, отличного от реаль­ного. Кроме того, с помощью машинного моделирования в диало­говой системе можно обучать персонал АСОИУ принятию решений в управлении объектом, например при организации деловой игры, что позволяет выработать необходимые практические навыки ре­ализации процесса управления.

Сущность машинного моделирования системы состоит в прове­дении на вычислительной машине эксперимента с моделью, которая представляет собой некоторый программный комплекс, описыва­ющий формально и (или) алгоритмически поведение элементов системы S в процессе ее функционирования, т. е. в их взаимодейст­вии друг с другом и внешней средой Е. Машинное моделирование с успехом применяют в тех случаях, когда трудно четко сфор­мулировать критерий оценки качества функционирования системы и цель ее не поддается полной формализации, поскольку позволяет сочетать программно-технические возможности ЭВМ со способ­ностями человека мыслить неформальными категориями. В даль­нейшем основное внимание будет уделено моделированию систем на универсальных ЭВМ как наиболее эффективному инструменту исследования и разработки АСОИУ различных уровней, а случаи использования АВМ и ГВК будут специально оговариваться.

2.Требования пользователя к модели. Сформулируем основные требования, предъявляемые к модели М процесса функционирова­ния системы S.

1.Полнота модели должна предоставлять пользова­телю возможность получения необходимого набора оценок харак­теристик системы с требуемой точностью и достоверностью.

2.Гибкость модели должна давать возможность воспроизведения раз­личных ситуаций при варьировании структуры, алгоритмов и пара­метров системы.

3.Длительность разработки и реализации модели большой системы должна быть по возможности минимальной при учете ограничений на имеющиеся ресурсы.

4.Структура модели должна быть блочной, т. е. допускать возможность замены, добав­ления и исключения некоторых частей без переделки всей модели.

5.Информационное обеспечение должно предоставлять возможность эффективной работы модели с базой данных систем определенного класса.

6.Программные и технические средства должны обеспечи­вать эффективную (по быстродействию и памяти) машинную ре­ализацию модели и удобное общение с ней пользователя.

7.Должно быть реализовано проведение целенаправленных (планируемых) ма­шинных экспериментов с моделью системы с использованием аналитико-имитационного подхода при наличии ограниченных вычис­лительных ресурсов.

С учетом этих требований рассмотрим основные положения, которые справедливы при моделировании на ЭВМ систем S, а так­же их подсистем и элементов.

При машинном моделировании систе­мы S характеристики процесса ее функционирования определяются на основе модели М, построенной исходя из имеющейся исходной информации об объекте моделирования. При получении новой ин­формации об объекте его модель пересматривается и уточняется с учетом новой информации, т. е. процесс моделирования, включая разработку и машинную реализацию модели, является итерацион­ным. Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет получена модель М, которую можно считать адекватной в рамках решения поставленной задачи исследования и проектиро­вания системы S.

Моделирование систем с помощью ЭВМ можно использовать в следующих случаях:

а) для исследования системы S до того, как она спроектирована, с целью определения чувствитель­ности характеристики к изменениям структуры, алгоритмов и пара­метров объекта моделирования и внешней среды;

б) на этапе проек­тирования системы S для анализа и синтеза различных вариантов системы и выбора среди конкурирующих такого варианта, который удовлетворял бы заданному критерию оценки эффективности систе­мы при принятых ограничениях;

в) после завершения проектирова­ния и внедрения системы, т. е. при ее эксплуатации, для получения информации, дополняющей результаты натурных испытаний (эксп­луатации) реальной системы, и для получения прогнозов эволюции (развития) системы во времени.

Существуют общие положения, применяемые ко всем перечисленным случаям машинного моделирования. Даже в тех случаях, когда конкретные способы моделирования отличаются друг от друга и имеются различные модификации моделей, например в области машинной реализации моделирующих алгоритмов с исполь­зованием конкретных программно-технических средств, в практике моделирования систем можно сформулировать общие принципы, которые могут быть положены в основу методологии машинного моделирования.

3.Этапы моделирования систем. Рассмотрим основные этапы моделирования системы S, к числу которых относятся: построение концептуальной модели системы и ее формализация; алгоритмизация модели системы и ее машинная реализация; получение и интерпретациярезультатов моделирования системы.

Взаимосвязь перечисленных этапов моделирования систем и их составляющих (подэтапов) может быть представлена в виде сетевого графика, показанного на рис. 1.

Рис. 1. Взаимосвязь этапов моделирования систем

Перечислим эти подэтапы:

1.1 - постановка задачи машинного моделирования системы;

1.2 -анализ задачи моделирования системы;

1.3 – определение требований к исходной информации об объекте моделирования и организация ее сбора;

1.4 - выдвижение гипотез и принятие предположений;

1.5 - определение параметров и переменных моде­ли;

1.6 - установление основного содержания модели;

1.7 - обо­снование критериев оценки эффективности системы;

1.8 - опреде­ление процедур аппроксимации;

1.9 - описание концептуальной модели системы;

1.10 - проверка достоверности концептуальной модели;

1.11 -составление технической документации по первому этапу;

2.1 - построение логической схемы модели;

2.2 - получение математических соотношений;

2.3 - проверка достоверности моде­ли системы;

2.4 - выбор инструментальных средств для моделиро­вания;

2.5 - составление плана выполнения работ по программи­рованию;

2.6 - спецификация и построение схемы программы;

2.7 - верификация и проверка достоверности схемы программы;

2.8 - проведение программирования модели;

2.9 - проверка до­стоверности программы;

2.10 - составление технической докумен­тации по второму этапу;

3.1 - планирование машинного экспери­мента с моделью системы;

3.2 - определение требований к вычис­лительным средствам;

3.3 - проведение рабочих расчетов;

3.4 - анализ результатов моделирования системы;

3.5 - представление результатов моделирования;

3.6 - интерпретация результатов мо­делирования;

3.7 - подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций;

3.8 - составление технической документации по третьему этапу.

Таким образом, процесс моделирования системы Sсводится к выполнению перечисленных подэтапов, сгруппированных в виде трех этапов. На этапе построения концептуальной модели M_к и ее формализации проводится исследование моделируемого объекта с точки зрения выделения основных составляющих процесса его функционирования, определяются необходимые аппроксимации и получается обобщенная схема модели системы S, которая преоб­разуется в машинную модель М_м. на втором этапе моделирования путем последовательной алгоритмизации и программирования мо­дели. Последний третий этап моделирования системы сводится к проведению согласно полученному плану рабочих расчетов на ЭВМ с использованием выбранных программно-технических средств, получению и интерпретации результатов моделирования системы S с учетом воздействия внешней среды Е. Очевидно, что при построении модели и ее машинной реализации при получении новой информации возможен пересмотр ранее принятых решений, т. е. процесс моделирования является итерационным. Рассмотрим содержание каждого из этапов более подробно.