Методика 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 специалистов 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.

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.

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 пара метров 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.

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 интерпре­тация результатов 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 S сводится к выполнению перечисленных подэтапов, сгруппированных в виде трех этапов. На этапе построения концептуальной модели Мк 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.