Конструирование имитационной модели.

Центральным местом процесса имитационного моделирования является конструирование имитационной модели. В свою очередь его можно разбить на следующие этапы: описание, формализация, разработка моделирующего алгоритма, разработка моделирующей программы.

На этапе описания производится изложение в содержательной форме (неформализованной форме) сведений об используемой системе, предлагаемом алгоритме ее работы, характеристиках внешней среды и условиях, в которых система будет функционировать. Для подготовки описания используется либо анализ действующей системы или ее прототипов (если они имеются) на основании документации на систему, результатов ее функционирования и т.д., либо анализ представления разработчиков о будущей системе и ее подсистемах и связях между ними, с использованием данных о прототипах отдельных частей системы, если такая система создается заново.

Описание системы условно разбивается на статическое и динамическое.

Статическое описание – используется для описания структуры системы и внешней среды, с ней взаимодействующей. Причем внешняя среда, в свою очередь может включать в себя системы, активно взаимодействую­щие с рассматриваемой и являющиеся не менее сложными. В этом случае в них выделяют общую исполнительную часть, непосредственно взаимодействующую с моделируемой системой, а саму систему описывают более или менее детально, в зависимости от необходимости.

Результатом статического описания являются структурные и функцио­нальные схемы системы и внешней среды. Структурные схемы отображают состав входящих в них компонент, а функциональные – назначение компонент и взаимосвязи между ними в процессе функционирования.

Динамическое описание – отображает логику функционирования исследуемой системы и процессы ее взаимодействия с внешней средой. Выделяются этапы, режимы работы, состояния системы и ее элементов. Формами динамического описания являются сценарии; технологические карты, диаграммы; схемы функционирования алгоритмов и др.

К сценариям прибегают в тех случаях, когда отсутствует полная информация о возможном варианте развития процессов (например, в конфликте о поведении противника). При этом, как правило, формируют несколько вариантов сценариев. Среди них должны быть и такие, которые ставят эту систему в наихудшее положение.

В самом сценарии приводится содержательное описание развертывания процесса функционирования моделируемой системы и внешней среды во времени.

Технологические карты и диаграммы отображают логическую последо­вательность операций, осуществляемую системой по отработке единич­ного изделия (напр. детали) с привязкой (или без) их к месту их проведе­ния.

Для описания системы со сложной логикой процессов функционирова­ния могут быть использованы блок-схемы алгоритмов.

Важной частью этапа описания системы и внешней среды является сбор числовых данных о процессе функционирования: производительность обо­рудования, пропускная способность каналов обслуживания, интенсивность потока заявок и т. д. Для сбора исходных данных (ИД) используется наблюдение за работой системы, экспертный опрос разработчиков, документация и т. д. При большом объеме ИД их систематизируют – разделяют на: данные по системе и внешней среде; по структуре и функциональным характеристи­кам; по управляемым характеристикам состояния системы и т. д.

Часто получение ИД превращается в большую проблему и может служить основным препятствием для построения адекватной модели (при разработке новых систем, при анализе конфликтов и др.).

Этап формализации. На этом этапе конструирования имитационной модели осуществляется переход от содержательного описания к математической модели, в результате чего определяется ее структура, параметры, переменные состояния модели, математическое описание взаимосвязей между параметрами и переменными и др.

Формализация – наиболее сложный этап конструирования, требующий творческого подхода и опыта разработчика.

Важной частью этапа формализации является упрощение модели – пред­положение, позволяющее избавиться от излишней детализации при отображении реальных процессов в модели в пределах допустимой точности. При проведении упрощения в модель не включается все то, что не оказывает существенного влияния на результаты исследования. (например, принимаются предположение о линейном характере взаимо­связи между переменными, о независимости отдельных процессов друг от друга, о детерминированном характере переменной и др.).

Одним из наиболее важных принципов формализации является обеспе­чение компромисса между ожидаемой точностью результатов моделирования и сложностью модели.

Другим важным принципом формализации является принцип баланса точности, включающий в себя:

- обеспечение соразмерности систематической погрешности моделирования и исходной неопределенности;

- соответствие точностей отдельных элементов модели;

- соответствие систематической и статистической погрешностей моделирования.

Соблюдение этих принципов позволяет избежать неоправданной дета­лизации модели по сравнению с необходимой точностью и возможно­стями ее реализации, заложенными в исходных данных, точности опи­сания отдельных подсистем и др.

Следующей частью этапа формализации является выбор и построение структуры модели. Основой для этого является статическое описание системы в виде структурных и функциональных схем. При этом целесообразно использовать такие традиционные структурные представления типовых мат. моделей, соответствующих рассматриваемой системе, как например:

- для СМО – выделение источников заявок, очередей, каналов обслуживания;

- в сетевых моделях - выделения работ, событий, ресурсов и др.

Следующая задача этапа формализации – выбор параметров, переменных состояния модели и формализация, описание взаимосвязей между ними.

Под параметрами понимаются характеристики модели, которые исследователь задает перед началом эксперимента (интенсивности потока заявок, параметры законов распределения, времени безотказной работы элементов, ограничение на длину очереди и др.) и не изменяет их значений в ходе моделирования.

Переменные состояния – это характеристики модели, которые определяют ее состояние и могут изменить свои значения в ходе ее функционирования. Например: число обработанных деталей, число занятых каналов обслуживания; параметры движения ЛА в полете; модельное время и др.

Для определения значений переменных состояния в процессе функционирования модели необходимо описать взаимосвязи между ними и параметрами модели.

Взаимосвязи между параметрами и переменными состояния могут быть:

- функциональные (например, изменение координат ЛА во время полета от скорости, ускорений и начального положения его в пространстве);

- стохастические (например, длительность обслуживания заявки от вида закона распределения и его числовых характеристик);

- алгоритмические (например, переключение станка на соответствующий режим работы при определенном сочетании материала, инструмента, числа оборотов и т. д. ).

Алгоритмическое описание взаимосвязей является наиболее общим. К нему могут быть сведены все остальные формы взаимосвязей, т. к. в конкретном итоге имитационная модель представляет собой программно реализованный моделирующий алгоритм.

При описании взаимосвязей на некоторые элементы могут накладываться ограничения, которые обычно разделяются на естественные и искусственные. Естественные ограничения обусловлены самой физической природой моделируемых процессов (время обслуживания не может быть меньше 0). Искусственные вводятся разработчиком системы исходя из технических требований к ней (ограничения по скорости и перегрузкам ЛА).

Для формализации переходов модели от состояния к состоянию в процессе моделирования используют различные приемы (подходы). Наиболее широко используются агрегативный и событийный подходы.