Формализация и алгоритмизация компьютерных моделей

 

Общие методологические аспекты широкого класса компьютерных моделей позволяют исследовать механизм явления, протекающие 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 “растягивает” или “сжимает” реальное время, так как машинное моделирование связано с понятием системного времени, отличного от реального. Кроме того, с помощью машинного моделирования можно обучать персонал АСОИУ принятию решений в управлении объектом.

 

Сущность машинного моделирования системы состоит в проведениичисленного 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.

 

Требованиями пользователя к модели M процесса функционированиясистемы S являются:

 

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

 

2. Гибкость модели должна давать возможность воспроизведенияразличных 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.

 

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.

 

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 для анализа и синтеза различных вариантов системы и выбора такого варианта, который будет удовлетворять заданному критерию оценки эффективности системы при принятых ограничениях;

 

в) при эксплуатации системы, для получения информации, дополняющей результаты натурных испытаний (эксплуатации) реальной системы, и получения прогнозов развития системы во времени.

 

Основные этапы моделирования больших систем:

 

1) построение концептуальной (описательной) модели системы и ее формализация;

 

2) алгоритмизация модели и ее компьютерная реализация;

 

3) получение и интерпретация результатов моделирования.

 

20. Каким образом происходит построение концептуальной модели и ее формализация?

На первом этапе машинного моделирования (построение концептуальной модели и ее формализация) формируется модель и строится ее формальная схема. Основное назначение этого этапа – переход от содержательного описания объекта к его логико-математической модели, другими словами процесс формализации. Моделирование на ЭВМ – наиболее эффективный метод оценки характеристик больших систем.

Модель должна быть адекватной, иначе нельзя получить достоверные результаты моделирования. Под адекватной моделью будем понимать

 

модель, которая с определенной степенью приближения на уровне

понимания моделируемой системы S разработчиком модели отражает процесс ее функционирования во внешней среде E.

 

Наиболее рационально строить модель функционирования системы по блочному принципу. Могут выделяться три автономные группы блоков такой модели:

 

1 группа:представляют собой имитатор воздействий внешней среды Е на систему S;

 

2 группа:является собственно моделью процесса функционированияисследуемой системы S;

 

3 группа:служит для машинной реализации блоков двух первых групп,

а также для фиксации и обработки результатов моделирования.

 

После перехода от описания моделируемой системы S к ее модели М, построенной по блочному принципу, строятся математические модели процессов, происходящих в различных блоках. Компьютерная модель представляет собой совокупность соотношений (например, уравнений, логических условий, операторов), определяющих характеристики процесса функционирования системы S в зависимости от структуры системы, алгоритмов поведения, параметров системы, воздействий внешней среды Е, начальных условий и времени.

 

Формализации процесса функционирования любой системы S должно предшествовать изучение составляющих его явлений. Результатом является описание процесса, в котором изложены закономерности, характерные для исследуемого процесса, и постановку прикладной задачи.

 

Содержательное описание является исходным материалом для последующих этапов формализации. Для моделирования процесса функционирования системы на ЭВМ необходимо преобразовать математическую модель процесса в соответствующий моделирующий алгоритм и машинную программу.

 

Последовательность действий:

1. Постановка задачи машинного моделирования системы.

2. Анализ задачи моделирования системы.

 

3. Определение требований к исходной информации об объекте моделирования и организация ее сбора.

 

4. Выдвижение гипотез и принятие предположений.

 

5. Определение параметров и переменных модели.

 

6. Установление основного содержания модели.

7. Обоснование критериев оценки эффективности системы.

8. Определение процедур аппроксимации;

9. Описание концептуальной модели системы.

 

10. Проверка достоверности концептуальной модели.

 

Составление технической документации по первому этапу

 

 

21. Каким образом происходит алгоритмизация модели и ее компьютерная реализация?

Вторым этапом моделирования является этап алгоритмизации модели и ее машинная реализация. Этот этап представляет собой этап, направленный

на реализацию идей и математических схем в виде машинной модели М процесса функционирования систем S.