Вопрос 48. Функциональные действия (ФД) при реализации имитационной модели. Упрощенные действия (ФД). Что порождает ошибки имитации процесса функционирования реальной системы

Метод имитационного моделированияв общем виде определяется как экспериментальный метод исследования реальной системы по ее имитационной модели, который сочетает особенности эксперименталь­ного подхода и специфические условия использования вычислительной техники.

В процессе имитационного моделирования исследователь имеет дело с четырьмя основными элементами:

1) реальная система;

2) логико-математическая модель моделируемого объекта;

3) имитационная (машинная) модель;

4) ЭВМ, на которой осуществляется имитация – направленный вычислительный эксперимент.

Исследователь изучает реальную систему, разрабатывает логико-математическую модель реальной системы. Имитационный характер исследования предполагает наличие логико - или логико-математических моделей, описываемых изучаемый процесс [6].

Каждая имитационная модель представляет собой комбинацию шести основных составляющих: компонентов, параметров, переменных, функциональных зависимостей, ограничений, целевых функций.

Под компонентами понимают составные части, которые при соответствующем объединении образуют систему.

Параметры - это величины, которые исследователь (пользователь модели) может выбирать произвольно, т.е. управлять ими.

Переменные в отличие от параметров могут принимать только значения, определяемые видом данной функции.

Функциональные зависимости описывают поведение параметров и переменных в пределах компонента или же выражают соотношения между компонентами системы.

Ограничения- устанавливаемые пределы изменения значений переменных или ограничивающие условия их изменения.

Целевая функция предназначена для измерения степени достижения системой желаемой (требуемой) цели и вынесения оценочного суждения по результатам моделирования [1].

При реализации имитационной модели, как правило, рассматриваются не все реально осуществляемые функциональные действия (ФД) системы, а только те из них, которые являются наиболее существенными для исследуемой операции. Кроме того, реальные аппроксимируются упрощенными действиями, причем степень этих упрощений определяется уровнем детализации учитываемых в модели факторов.

Названные обстоятельства порождают ошибки имитации процесса функционирования реальной системы, что, в свою очередь, обусловливает адекватность модели объекту-оригиналу и достоверность получаемых в ходе моделирования результатов [2].

49. Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.

Имитационные модели принято классифицировать по четырем наиболее распространенным признакам:

5) типу используемой ЭВМ;

6) способу взаимодействия с пользователем;

7) способу управления системным временем (механизму системного времени);

8) способу организации квазипараллелизма (схеме форма-лизации моделируемой системы).

По типу используемой ЭВМ различают аналоговые, цифровые и гибридные имитационные модели.

По способу взаимодействия с пользователем имитационные модели могут быть автоматическими (не требующими вмешательства исследователя после определения режима моделирования и задания исходных данных) и интерактивными (предусматривающими диалог с пользователем в том или ином режиме в соответствии со сценарием моделирования).

Различают два механизма системного времени:

1) задание времени с помощью постоянных временных интервалов (шагов);

2) задание времени с помощью переменных временных интервалов (моделирование по особым состояниям).

При реализации первого механизма системное время сдвигается на один и тот же интервал (шаг моделирования) независимо от того, какие события должны наступать в системе. При моделировании по особым состояниям системное время каждый раз изменяется на величину, соответствующую интервалу времени до планируемого момента наступления следующего события.

Важнейшим классификационным признаком имитационных моделей является схема формализации моделируемой системы (способ организации квазипараллелизма).
Наибольшее распространение получили пять способов:

1) просмотр активностей;

2) составление расписания событий;

3) управление обслуживанием транзактов;

4) управление агрегатами;

5) синхронизация процессов.

50. Различают два механизма системного времени:

• с использованием постоянных переменных временных интервалов (шагов);
• с использованием переменных временных интервалов (моделирование по особым состояниям).

При реализации первого механизма системное время сдвигается на один и тот же интервал (шаг моделирования) независимо от того, какие события должны наступать в системе. При этом наступление всех событий, имевших место на очередном шаге, относят к его окончанию.

На рисунке 1 представлена иллюстрация данного механизма. Для этого механизма считают, что событие А₁ наступило в момент окончания первого шага; событие А₂ - в момент окончания второго шага; события А₃, А₄, А₅- в момент окончания четвертого шага (эти моменты показаны стрелками) и т.д.

Существует разновидность механизма моделирования по особым состояниям, предусматривающая возможность изменения порядка обработки событий, так называемый механизм моделирования с реверсированием (обращением) шага по времени. Согласно этому механизму, все события в системе разбиваются на два класса: фазовые и простые. К первым относят события, порядок моделирования которых нельзя изменять в моделируемой системе. Остальные события относят к простым. Поэтому сначала моделируют очередное фазовое событие, а затем все простые события до этого фазового в произвольном порядке.

Таким образом, механизм системного времени с постоянным шагом легко реализуем: достаточно менять временную координату на фиксированный шаг и проверять, какие события уже наступили.

51. Определение понятий: класс объектов, работа (активность), события, процесс, фаза процесса. Описание их взаимосвязи в имитационной модели и при её реализации.

Метод имитационного моделирования - это экспериментальный метод исследования реальной системы по ее имитационной модели, который сочетает особенности экспериментального подхода и специфические условия использования вычислительной техники.

При имитационном моделировании воспроизводится алгоритм функционирования системы во времени – поведение системы; причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания, что позволяет по исходным данным получить дающие возможность оценить характеристики системы сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени. Основным преимуществом имитационного моделирования является возможность решения сложных задач.

Основными понятиями при имитационном моделировании являются: класс объектов, работа (активность), события и процесс.

Если мы рассматриваем область имитационного моделирования, то в стратегии объектно-ориентированного подхода объект является первым важным понятием. Объект – это некоторая сущность в виртуальном пространстве, обладающая определенным состоянием и поведением, имеющая заданные значения свойств (атрибутов) и операций над ними.

Следующим важным понятием является класс. Класс - родственные по определенным характеристикам, поведению объекты.

Для создания гибкой и мощной системы моделирования необходимо определить классы объектов, которые предполагается использовать в создаваемой системе моделирования. Для этого необходимо провести декомпозицию моделируемой системы на структурные элементы, которым будут соответствовать объекты модели. Объекты являются экземплярами классов, т.е. необходимо определить набор объектных классов, способных составить модель системы любой конструктивной схемы.

Если создать крупные классы (каждый объектный класс имеет много свойств), а самих классов будет мало, то из них сложно будет компоновать новые топологические схемы моделируемых технических систем, решать различные задачи имитационного моделирования и проектирования – среда моделирования получится недостаточно гибкой.

Если разбить предметную область на слишком простые по своим функциям классы объектов, и их будет много, трудоемкой процедурой будет составление из них сложной модели объекта. Повышенная сложность, кроме того, повышает вероятность ошибок.

Декомпозиция предметной области должна выполняться по СЭ моделируемой технической системы – например, для авиационного двигателя в функциональном аспекте это: входное устройство, компрессор, камера сгорания, турбина, реактивное сопло и т.д.

Итак, объектный класс – это единое, неделимое информационное образование, описывающее функционирование определённого типа структурных элементов моделируемой технической системы, либо отдельную проектную процедуру, из которых складывается весь процесс проектирования или моделирования технической системы.

Работа (активность) - это единичное действие системы по обработке (преобразованию) входных данных. В зависимости от природы моделируемой системы под входными данными могут пониматься информационные данные или какие-либо материальные ресурсы.

Под процессом понимают логически связанный набор работ. Некоторые процессы могут рассматриваться как работы в процессе более высокого уровня. Любой процесс характеризуется совокупностью статических и динамических характеристик.

К статическим характеристикам процесса относятся:

Ø длительность;

Ø результат;

Ø потребляемые ресурсы;

Ø условия запуска (активизации);

Ø условия остановки (прерывания).

Статические характеристики процесса не изменяются в ходе его реализации, однако при необходимости любая из них может быть представлена в модели как случайная величина, распределенная по заданному закону.

Динамической характеристикой процесса является его фаза (активен или находится в состоянии ожидания).

Моделирование в терминах процессов проводится в тех случаях, если система оценивается по каким-либо временным показателям, либо с точки зрения потребляемых ресурсов.

Например, при оценке производительности вычислительной сети обработка заданий может быть представлена в модели как совокупность соответствующих процессов, использующих ресурсы сети (оперативную память, пространство на жестких дисках, процессорное время, принтеры и т.д.).

Если модель строится с целью изучения причинно-следственных связей, присущих системе, динамику системы целесообразно описывать в терминах событий.

Событие представляет собой мгновенное изменение некоторого элемента системы или состояния системы в целом. Событие характеризуется:

Ø условиями (или законом) возникновения;

Ø типом, который определяет порядок обработки (дисциплину об-служивания) данного события;

Ø нулевой длительностью.

События подразделяют на две категории:

1. события следования, которые управляют инициализацией процессов (или отдельных работ внутри процесса);

2. события изменения состояний (элементов системы или системы в целом).

Механизм событий используется в качестве основы построения моделей, предназначенных для исследования причинно-следственных связей в системах при отсутствии временных ограничений. К таким задачам можно отнести, например, некоторые задачи по оценке надежности.