Компьютерное имитационное моделирование. Статистическое имитационное моделирование

Рассмотрены вычислительные эксперименты с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов или систем.

Компьютерное моделирование как новый метод научных исследований основывается на

• построении математических моделей для описания изучаемых процессов;
• использовании новейших вычислительных машин, обладающих высоким быстродействием (миллионы операций в секунду) и способных вести диалог с человеком.

Суть компьютерного моделирования состоит в следующем: на основе математической модели с помощью ЭВМ проводится серия вычислительных экспериментов, т.е. исследуются свойства объектов или процессов, находятся их оптимальные параметры и режимы работы, уточняется модель. Например, располагая уравнением, описывающим протекание того или иного процесса, можно изменяя его коэффициенты, начальные и граничные условия, исследовать, как при этом будет вести себя объект. Имитационные модели - это проводимые на ЭВМ вычислительные эксперименты с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов или систем.

Реальные процессы и системы можно исследовать с помощью двух типов математических моделей: аналитических и имитационных.

В аналитических моделях поведение реальных процессов и систем (РПС) задается в виде явных функциональных зависимостей (уравнений линейных или нелинейных, дифференциальных или интегральных, систем этих уравнений). Однако получить эти зависимости удается только для сравнительно простых РПС. Когда явления сложны и многообразны исследователю приходится идти на упрощенные представления сложных РПС. В результате аналитическая модель становится слишком грубым приближением к действительности. Если все же для сложных РПС удается получить аналитические модели, то зачастую они превращаются в трудно разрешимую проблему. Поэтому исследователь вынужден часто использовать имитационное моделирование.

Имитационное моделирование представляет собой численный метод проведения на ЭВМ вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов и систем во времени в течении заданного периода. При этом функционирование РПС разбивается на элементарные явления, подсистемы и модули. Функционирование этих элементарных явлений, подсистем и модулей описывается набором алгоритмов, которые имитируют элементарные явления с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени.

Имитационное моделирование - это совокупность методов алгоритмизации функционирования объектов исследований, программной реализации алгоритмических описаний, организации, планирования и выполнения на ЭВМ вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими функционирование РПС в течении заданного периода.

Под алгоритмизацией функционирования РПС понимается пооперационное описание работы всех ее функциональных подсистем отдельных модулей с уровнем детализации, соответствующем комплексу требований к модели.

"Имитационное моделирование" (ИМ)- это двойной термин. "Имитация" и "моделирование" - это синонимы. Фактически все области науки и техники являются моделями реальных процессов. Чтобы отличить математические модели друг от друга, исследователи стали давать им дополнительные названия. Термин "имитационное моделирование" означает, что мы имеем дело с такими математическими моделями, с помощью которых нельзя заранее вычислить или предсказать поведение системы, а для предсказания поведения системы необходим вычислительный эксперимент (имитация) на математической модели при заданных исходных данных.

Основное достоинство ИМ:

возможность описания поведения компонент (элементов) процессов или систем на высоком уровне детализации;

отсутствие ограничений между параметрами ИМ и состоянием внешней среды РПС;

возможность исследования динамики взаимодействия компонент во времени и пространстве параметров системы;

Эти достоинства обеспечивают имитационному методу широкое распространение.

Рекомендуется использовать имитационное моделирование в следующих случаях:

Если не существует законченной постановки задачи исследования и идет процесс познания объекта моделирования. Имитационная модель служит средством изучения явления.

Если аналитические методы имеются, но математические процессы сложны и трудоемки, и имитационное моделирование дает более простой способ решения задачи.

Когда кроме оценки влияния параметров (переменных) процесса или системы желательно осуществить наблюдение за поведением компонент (элементов) процесса или системы (ПС) в течение определенного периода.

Когда имитационное моделирование оказывается единственным способом исследования сложной системы из-за невозможности наблюдения явлений в реальных условиях (реакции термоядерного синтеза, исследования космического пространства).

Когда необходимо контролировать протекание процессов или поведение систем путем замедления или ускорения явлений в ходе имитации.

При подготовке специалистов для новой техники, когда на имитационных моделях обеспечивается возможность приобретения навыков в эксплуатации новой техники.

Когда изучаются новые ситуации в РПС. В этом случае имитация служит для проверки новых стратегий и правил проведения натурных экспериментов.

Когда особое значение имеет последовательность событий в проектируемых ПС и модель используется для предсказания узких мест в функционировании РПС.

Однако ИМ наряду с достоинствами имеет и недостатки:

Разработка хорошей ИМ часто обходится дороже создания аналитической модели и требует больших временных затрат.

Может оказаться, что ИМ неточна (что бывает часто), и мы не в состоянии измерить степень этой неточности.

Зачастую исследователи обращаются к ИМ, не представляя тех трудностей, с которыми они встретятся и совершают при этом ряд ошибок методологического характера.

И тем не менее ИМ является одним из наиболее широко используемых методов при решении задач синтеза и анализа сложных процессов и систем.

Одним из видов имитационного моделирования является статистическое имитационное моделирование, позволяющее воспроизводить на ЭВМ функционирование сложных случайных процессов.

При исследовании сложных систем, подверженных случайным возмущениям используются вероятностные аналитические модели и вероятностные имитационные модели.

В вероятностных аналитических моделях влияние случайных факторов учитывается с помощью задания вероятностных характеристик случайных процессов (законы распределения вероятностей, спектральные плотности или корреляционные функции). При этом построение вероятностных аналитических моделей представляет собой сложную вычислительную задачу. Поэтому вероятностное аналитическое моделирование используют для изучения сравнительно простых систем.

Подмечено, что введение случайных возмущений в имитационные модели не вносит принципиальных усложнений, поэтому исследование сложных случайных процессов проводится в настоящее время, как правило, на имитационных моделях.

В вероятностном имитационном моделировании оперируют не с характеристиками случайных процессов, а с конкретными случайными числовыми значениями параметров ПС. При этом результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели рассматриваемого процесса, являются случайными реализациями. Поэтому для нахождения объективных и устойчивых характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение, с последующей статистической обработкой полученных данных. Именно поэтому исследование сложных процессов и систем, подверженных случайным возмущениям, с помощью имитационного моделирования принято называть статистическим моделированием.

Статистическая модель случайного процесса - это алгоритм, с помощью которого имитируют работу сложной системы, подверженной случайным возмущениям; имитируют взаимодействие элементов системы, носящих вероятностный характер.

При реализации на ЭВМ статистического имитационного моделирования возникает задача получения на ЭВМ случайных числовых последовательностей с заданными вероятностными характеристиками. Численный метод, решающий задачу генерирования последовательности случайных чисел с заданными законами распределения, получил название "метод статистических испытаний" или "метод Монте-Карло".

Так как метод Монте-Карло кроме статистического моделирования имеет приложение к ряду численных методов (взятие интегралов, решение уравнений), то целесообразно иметь различные термины.

Итак, статистическое моделирование - это способ изучения сложных процессов и систем, подверженных случайным возмущениям, с помощью имитационных моделей.

Метод Монте-Карло - это численный метод, моделирующий на ЭВМ псевдослучайные числовые последовательности с заданными вероятностными характеристиками.

Методика статистического моделирования состоит из следующих этапов:

Моделирование на ЭВМ псевдослучайных последовательностей с заданной корреляцией и законом распределения вероятностей (метод Монте-Карло), имитирующих на ЭВМ случайные значения параметров при каждом испытании;

Преобразование полученных числовых последовательностей на имитационных математических моделях.

Статистическая обработка результатов моделирования.

Обобщенный алгоритм метода статистических испытаний представлен на рис.1:

 

 

Рис. 1. Обобщенный алгоритм метода статистических испытаний

 

2.1.2.8 Компьютерные технологии в оформлении результатов научных исследований

 

Процесс и средства оформления научных работ. Используемые программные средства

Результаты НИ могут быть представлены в виде отчета, доклада, статьи и т.п., в оформлении которых в настоящее время широко используются средства вычислительной техники. Обычно процесс создания научного документа включает:

1. Подготовку текстовой части, содержащей формулы и спецсимволы.

2. Формирование таблиц и их графическое отображение.

3. Подготовку иллюстраций в виде схем, рисунков, чертежей, графиков, диаграмм.

4. Грамматический и лексический контроль.

5. Импорт рисунков и графических изображений из других систем.

6. Прямой и обратный переводы.

7. Форматирование документа и печать.

Названные операции в основном поддерживаются текстовыми и табличными процессорами общего назначения, системами грамматического контроля, автоматизированного перевода, а также комплексными и интегрированными системами.

Необходимо отметить, что подготовка научных работ к публикации представляет определенные трудности. Проблема решается использованием специальных редакторов для научных документов, к которым можно отнести: ChiWriter, TCube (T3), WordPerfect и др. Возможно использование для этих целей системы MahtCAD.

Для документов с небольшим количеством формул из обычных текстовых редакторов (ТР) можно использовать MS Word.

MS Word поддерживает процесс создания научных документов следующими средствами:

1. Функция Вставка/Символ позволяет использовать в тексте различные символы.

2. Формат/Шрифт можно установить верхние и нижние индексы.

3. Редактор формул Вставка/Объект/Microsoft Eques даёт возможность набора формул, содержащих различные символы.

4. Выполнение несложных схем и изображений с помощью функции панели инструментов – пиктограмма (ПГ) Рисование.

5. Создание и редактирование таблиц (пункт Таблица).

6. Грамматический контроль пункт Сервис/Орфография, соответствующая ПГ.

7. Замена повторяющихся слов на синонимы (пункт Сервис/Язык/Тезаурус).

В создании научных документов, кроме редакторов научных текстов используются следующие программные средства (ПС):

1. Формирование табличной информации целесообразно вести средствами табличного процессора (ТбП) (Excel, QuattroPro) с использованием возможностей графическогоотображения.

2. Для создания сложных графических иллюстраций в научных документах удобнее применять системы деловой графики (например, Corel-Draw!) и геометрического моделирования (AutoCAD и т.п.).

3. Эффективный грамматический контроль текста выполняется с помощью специализированных систем типа Orfo, Lingvo Corrector, Propis и т.п.

4. Фотоизображения в текст документа можно встраивать, используя сканирование и средства оптического распознавания, средства их редактирования и цифровую фотографию (например, FineReader, Adobe Photoshop и т.п.).

5. Автоматизированный перевод может быть реализован системами Stylus, Promt, Socrat.

В обеспечении комплексного создания документов в настоящее время существуют направления:

1. Применение интегрированных программных систем, обеспечивающих в рамках одной системы создание текста, таблиц, графиков (Framework, Works).

2. Использование комплексов взаимосвязанных программ в рамках одной операционной оболочки. Например, MS Office включает самостоятельные ПС Word, Excel и др., но имеющие механизм эффективного обмена данными.

3. Гиперсреды и мультимедийные системы.

Комплексы взаимодействующих приложений (КВП): основные сведения

Комплексы взаимодействующих приложений создаются в соответствующих операционных средах, как набор самостоятельно работающих систем. Наиболее известны следующие комплексы: Corel Office, Novell Perfect Office, SmartSuite, MS Office и др.

Удобным инструментом для форматирования КВП является операционная среда Windows. Здесь наиболее эффективным комплексом автоматизации делопроизводства является КВП MS Office. Он включает:

• текстовый процессор Word;

• табличный процессор Excel;

• систему для создания презентаций PowerPoint;

• систему управления базами данных Access.

Кроме того, в MS Office могут входить средства для работы с электронной почтой, для планирования работы офиса и т.п.

Каждое приложение в MS Office имеет конкретное назначение, однако располагают стандартным интерфейсом, приспособленным к решению задач программы.

Программы MS Office имеют средства для взаимодействия, обеспечивают необходимый доступ к данным, создаваемым в различных приложениях. Все это дает возможность эффективного создания комплексных документов, в том числе и разными пользователями. Под комплексным документом здесь понимается документ, включающий текст, таблицы, графики, рисунки и т.п.

Для обеспечения быстрого доступа к любому приложению КВП используется инструментальная панель системы, активизируемая командой Панель Microsoft Office с панели задач. Команда Настройки позволяет установить нужные кнопки, скорректировать инструментальную панель (ИП) и удобно ее разместить. С помощью этой панели, а также строки задач можно переходить по открытым приложениям. Эту же операцию обеспечивают клавиши Alt+Tab.

При работе в интегрированной среде MS Office используются следующие понятия:

1. Документ - приемник (ДП) — это файл, содержащий данные, созданные в других программах. Т.е. ДП—это составной документ.

2. Документ - источник (ДП) — файл, из которого берется информация.

3. Объект - некоторый элемент документа (фрагмент текста, рисунок, фрагмент или вся таблица, график диаграмма и т.п.)

4. Приложение - клиент — программа, с помощью которой создается составной документ.

5. Приложение - сервер —программа, в которой создается объект.

Существенными понятиями рассматриваемой среды являются также понятия о способах обмена данными между программами и документами.

Обмен данными между программами может осуществляться следующими способами:

1. Копирование и перемещение (вырезание) — это простой перенос объекта из одного документа в другой без установления каких-либо связей.

2. Связывание - способ, обеспечивающий связь объекта с документом-источником, где его изменения программой-сервером автоматически отражаются в составном документе. При этом необходимо сохранение документа-источника.

3. Внедрение - обеспечивает связь объекта с программой-сервером, но без отслеживания изменений. При данном виде связи предоставляется возможность редактировать объект в составном документе средствами программы-сервера. Сохранять документ-источник здесь нет необходимости, однако внедренные объекты увеличивают объем файла документа-приемника.

Обмен данными в MS OFFICE

Для реализации способов обмена данными в MS Office используются

следующие средства:

· буфер обмена Windows;

· динамический обмен данными - DDE;

· технология связи и внедрения объектов - OLE;

· технология связи в офисе (OfficeLinks);

· замена формата файлов.

Использование буфера обмена Windows для копирования и перемещения фрагментов документов между приложениями аналогично действию этих операций в пределах одного документа и отличается необходимостью перехода в соответствующее открытое приложение. Здесь используются команды: Вырезать, Копировать, Вставить. Содержание буфера просматривается и ограниченно редактируется из программы Windows - Буфер Обмена. Необходимо помнить, что в нем находится только последний фрагмент информации, вырезанный или скопированный.

Связь типа DDE позволяет установить постоянную связь между двумя открытыми WS-приложениями через буфер обмена.

Порядок выполнения работ здесь следующий: запускаются обе программы, выделяются необходимые фрагменты документов, выполняется команда Копировать, в документе-приемнике указывается место вставки и вызывается команда Правка/Специальная вставка. В диалоговом окне данного режима выполняются необходимые процедуры.

Способ связывания при этом реализуется включением кнопки Вставить связь, а способ внедрения - кнопкой Вставить. Здесь следует учитывать, что невозможно установить связь с файлом, еще не записанным на диск.Вставляемый в документ-приемник фрагмент может быть изображенполностью или в виде значка при установке соответствующего флажка вдиалоговом окне.

Технология OLE позволяет использовать вставку объекта непосредственно из документа-источника, что может быть удобно для установления связи с неактивным приложением.

Внедрение объекта этим способом выполняется в следующей последовательности: указывается место вставки объекта, активизируется пункт Вставка/Объект, в диалоговом окне которого используется вкладка Создать из файла с указанием необходимого файла. Способ связывание или внедрение реализуется флажком - Связать с файлом.

С помощью вкладки Создать новый пункта Вставка/Объект можно вставить в документ объект в виде фрагмента, в том числе из вспомогательных программ (например, из WordArt, ClipArt и т.п.).

Управление связями объектов DDE или OLE выполняется из диалогового окна Правка/Связи.

Изменения в перенесенном фрагменте выполняются средствами программы-сервера, которая активизируется двойным щелчком левой кнопки мыши по данному объекту (выход - щелчок вне фрагмента).

Изменения можно выполнять и в документе-источнике, после сохранения которого (при наличии связи) они автоматически попадают в документприемник.

Внедрение объектов может быть выполнено из открытых рядом документов перемещением (выделение и буксирование мышью) или копированием (выделение и буксирование мышью с нажатием клавиши Ctrl).

Технология OfficeLinks основана на программных возможностях совместного использования приложений в MS Office. В частности это относится к:

· Созданию таблицы средствами Excel непосредственно в Word. Здесь используется кнопка ИП - Вставка таблицы Excel;

· Внедрению объектов с помощью пункта Вставка (Файл, Рисунок, Объект).

Замена формата файлов для совместного использования данных может выполняться как при использовании файлов приложений MS Office, так и файлов других программ.

При загрузке преобразование производится через пункт Файл/Открыть и диалоговое окно Преобразовать файл.

При сохранении используется пункт Файл/Сохранить как.../Вывести в формате, где указывается формат документа-приемника.

Таким образом, комплексная работа приложений обеспечивает в рамках одной среды создание полноценных документов.