Технологические этапы машинного моделирования сложной системы

 

1. Составление содержательного описания объекта моделирования

Представляет собой выполнение следующих действий. Вначале определяется объект имитации, достаточный для изучения тех сторон его функционирования, которые представляют интерес для исследователя. Устанавливаются границы изучения функционирования объекта. Составляется возможный список ограничений модели, которые допустимы при организации имитации или при наличии которых ещё имеет смысл имитация функционирования СС. Перед разработчиками ИМ ставятся вполне конкретные цели моделирования и формулируются основные критерии эффективности, по которым предполагается проводить сравнение на модели вариантов организации СС. Результатом работ на данном этапе является содержательное описание объекта моделирования с указанием целей имитации и аспектов функционирования объекта моделирования, которые необходимо изучить на ИМ. Обычно оно представляет собой техническое описание объекта моделирования, описание внешней среды, с которой он взаимодействует, и временную диаграмму этого взаимодействия.

2. Построение концептуальной модели

На основании содержательного описания детализируется задача моделирования, определяется процедура и график её решения. Уточняется методика всего ИЭ в зависимости от наличных ресурсов, выделенных для имитации. Необходимо провести декомпозицию СС на составные компоненты, описать процессы их функционирования и взаимосвязи между ними. Общая задача моделирования разбивается на ряд частных задач. Устанавливаются приоритеты решения этих задач. Обосновываются требования в ресурсах ЭВМ. Выполняются такие работы, как выбор параметров и переменных СС, представляющих интерес для моделирования; уточнение критериев эффективности вариантов СС; выбор типов аппроксимации отдельных компонентов модели. Проводятся также предварительный анализ требований к модели СС; определение необходимых математических уравнений, описывающих реальные процессы; поиск возможных методов проверки правильности функционирования модели. Одновременно с этим исследователь должен выбрать способ будущей формализации процессов в объекте моделирования. Результатом выполнения работ являются концептуальная модель, выбранный способ формализации и организации имитации. В состав концептуальной модели входят: уточнённое содержательное описание, свободное от всего того, что не представляет интереса для имитации поведения СС, список параметров и переменных моделирования; критерии эффективности функционирования вариантов системы; список используемых методов обработки результатов имитации и перечисление способов представления результатов моделирования. При создании небольших ИМ данный этап работ совмещается с этапом составления содержательного описания моделируемой системы. Только с усложнением объекта моделирования и задач имитации появляется необходимость определения способа формализации, который подходит для решения конкретной задачи исследования СС.

3. Формализация объекта моделирования

В зависимости от сложности СС могут использоваться три вида формализации: аппроксимация явлений функциональными зависимостями, алгоритмическое описание процессов в СС, смешанное представление в виде последовательности формул и алгоритмических записей. В зависимости от принятого способа имитации используются свои способы формализации (активностями, событиями, процессами, транзактами, агрегатами, элементами системной динамики и др.). При составлении формального описания СС исследователю рекомендуется такая последовательность действий: уточнение декомпозиции системы, алгоритмизация компонентов модели, уточнение взаимодействия с управляющей программой моделирования, документация этапа.

4. Программирование и отладка модели

На данном этапе выполняются следующие действия. Во-первых, составляется план создания и использования программной модели. В плане указывается тип ЭВМ, средство автоматизации моделирования, примерные затраты памяти и времени на создание ИМ. Во-вторых, приступают к программированию алгоритмов ИМ. Не существует существенных отличий создания программы ИМ от других видов программного обеспечения на языках программирования. Однако опыт, накопленный в области моделирования, потребность в моделировании все более сложных систем и возможности современных ЭВМ обусловили появление новых взглядов на архитектуру и функции программного обеспечения системного моделирования.

Появление имитационных систем — закономерное следствие общей тенденции развития программного обеспечения вычислительных машин, которая заключается во все более полной автоматизации действий по программированию и подготовке задач к решению на ЭВМ.

В свое время стремление пользователей переложить на ЭВМ как можно большую часть рутинных операций привело к появлению универсальных и различных проблемно-ориентированных языков программирования, среди которых были многочисленные языки моделирования. Следует заметить, что некоторые языки моделирования, например СИМУЛА-67, СИМСКРИПТ-2 и др., нисколько не уступают по своим алгоритмическим возможностям универсальным языкам и называются проблемно-ориентированными лишь постольку, поскольку содержат ряд специальных средств, ориентированных на программирование моделей.

Построение на базе языков моделирования систем программирования позволило во многом облегчить разработку и реализацию моделей. Кроме того, многие языки моделирования содержат стандартные средства для подготовки и выполнения машинных прогонов, накопления, обработки и представления результатов имитации. Однако набор этих стандартных средств обычно довольно ограничен (генераторы псевдослучайных чисел, автоматический расчет средних и дисперсий, печать таблиц и графиков).

Модель сложной системы не всегда удается концептуально выдержать в рамках одного языка моделирования. Отдельные элементы и подсистемы могут быть описаны, например, обыкновенными дифференциальными уравнениями, другие — конечными автоматами, третьи — в терминах теории массового обслуживания и т. д. В этом случае использование какого-либо одного языка моделирования может привести к потере точности описания реаль­ных систем или к усложнению программ.

Программирование моделей сложных систем осложняется тем, что их разработка и эксплуатация обычно выполняются разными лицами. Поэтому к модели как к конечному программному продукту предъявляются высокие требования. Разработчик должен организовать удобное взаимодействие пользователя с моделью, для чего необходимо программировать специальные модули, обеспечивающие ввод-вывод информации в удобной для пользователя форме. Модель должна быть составлена с учетом возможности ее дальнейшей модификации, поэтому разработчик должен предусмотреть обоснованные стандарты на организацию межмодульного интерфейса в модели.

Требование быстрого и правильного составления модели обусловливает необходимость:

- замены программирования конструированием из готовых элементов;

- разработки проблемно-ориентированных библиотек элементов;

- отдельной трансляции элементов для выявления синтаксических ошибок в их описаниях;

- автономной отладки элементов;

- автоматической компоновки элементов в моделирующий алгоритм.

Нетривиальными для сложных моделей становятся процедуры подготовки машинных экспериментов, сбора, хранения и обработки результатов машинных экспериментов. Появляется необходимость в использовании готовых или разработке новых прикладных программ, реализующих более сложные по сравнению со стандартными возможностями языков моделирования процедуры планирования машинных экспериментов и обработки данных. Пользователь может потребовать от разработчика предусмотреть стандартные средства для подключения таких программ к модели, что обеспечит пользователю возможность самостоятельного выбора этих программ при имитации.

Таким образом, собственно модель сложной системы дополняется множеством программ, обеспечивающих ее эффективное использование.

5. Испытание ИМ

Включает два аспекта:

1) необходимо убедиться в правильности динамики развития алгоритма моделирования компонентов ИМ (верификация);

2) определить совпадение с заданной точностью векторов характеристик поведения объекта моделирования и ИМ (адекватность).

При отсутствии адекватности проводят калибровку ИМ (" подправляют" характеристики алгоритмов компонентов модели). Наличие ошибок во взаимодействии компонентов ИМ возвращает исследователя к этапу создания ИМ на бумаге. Возможно, что в ходе формализации исследователь слишком упростил процессы и исключил из рассмотрения ряд важных сторон функционирования СС, что привело к неадекватности ИМ. В этом случае исследователь должен вернуться к этапу формализации СС. В тех случаях, когда выбор способа формализации оказался неудачным, исследователю необходимо повторить этап составления концептуальной модели с учётом новой информации и появившегося опыта. Наконец, когда у исследователя оказалось недостаточно информации об объекте, он слишком упростил моделируемые явления, исключил из рассмотрения важные стороны функционирования СС и т.д., то необходимо вернуться к этапу составления содержательного описания СС и уточнить его с учётом результатов испытания предыдущей ИМ СС.

6. Исследование свойств ИМ

На данном этапе решаются так называемые тактические проблемы постановки ИЭ: оцениваются точность имитации явлений, необходимый объем выборки, длина реализация прогона ИМ, устойчивость результатов моделирования, чувствительность критериев качества к изменению параметров ИМ, стационарность режима моделирования и др.. Получить эти оценки в ряде случаев бывает весьма сложно, однако без успешных результатов этой работы доверия к ИМ не будет. Точность имитации явлений обычно представляет собой оценку влияния стохастических элементов на функционирование ИМ СС. Устойчивость результатов моделирования характеризуется сходимостью контролируемого отклика моделирования к определённой величине при изменениях параметров модели СС. Стационарность режима моделирования характеризует собой некоторое установившееся равновесие процессов в модели СС, когда дальнейшая имитация бессмысленна, поскольку новой информации из ИМ исследователь не получит и продолжение имитации приведёт к увеличению затрат машинного времени. Поэтому необходимо разработать процедуру проверки момента достижения стационарного режима имитации. Чувствительность ИМ представляется величиной минимального приращения выбранного критерия качества, вычисляемого по статистикам моделирования, при последовательном варьировании параметров моделирования на всём диапазоне их изменения.

7. Эксплуатация ИМ

Исследователь СС, выяснив условия и найдя характеристики, при которых должен выполняться имитационный эксперимент, переходит к решению стратегических задач – расчету выборочных средних значений (дисперсии и моментов более высокого порядка) откликов модели и различных зависимостей на их основе.

Этап эксплуатации ИМ начинается с составления плана эксперимента, позволяющего исследователю получить максимум информации при минимальных усилиях на вычисление. Составляется статистическое обоснование плана эксперимента. Планирование эксперимента представляет собой процедуру выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Стремятся минимизировать общее число опытов на ИМ с одновременным варьированием всеми переменными. Выбирают такую стратегию ИЭ, которая позволяет принимать обоснованную стратегию с помощью процедур принятия решений после каждой серии экспериментов на ИМ.

8. Анализ результатов моделирования

Данный этап завершает технологическую цепочку этапов создания и использования ИМ. Получив результаты моделирования, исследователь приступает к интерпретации результатов. Возможно, что в ходе интерпретации результатов исследователь установил наличие ошибок либо при создании модели, либо при формализации объекта моделирования. В этих случаях осуществляется возврат на этап построения описания ИМ или на составление концептуальной модели СС соответственно. Результатом этапа интерпретации данных ИЭ являются рекомендации по проектированию или модификации СС. На их основе исследователи приступают к принятию решений. На интерпретацию результатов ИЭ оказывают существенное влияние изобразительные возможности средств моделирования на ЭВМ. При анализе результатов ИЭ рекомендуется использовать пакеты OLAP (On-Line Analytical Processing), включающие текстовый процессор, средства статистической обработки и графической презентации данных, принятия решений.

В конечном итоге после выполнения всех перечисленных выше итерационных этапов имитации исследователь либо окажется удовлетворённым результатами моделирования и будет их учитывать при проектировании СС, либо забракует проектируемую систему и сформулирует техническое задание на разработку новой архитектуры СС.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: