Лекции.Орг


Поиск:




Категории:

Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника

 

 

 

 


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 компьютерная реализация; получение и интерпретация результатов моделирования системы.

На этапе построения концептуальной модели М 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 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 W. Очевидно, что при построении модели и ее машинной реализации, при получении новой информации возможен пересмотр ранее принятых решений, т. е. процесс моделирования является итерационным.

Этап концептуального моделирования

Рассмотрим более под­робно основные подэтапы построения концептуальной модели М системы и ее формализации.

1. Постановка задачи машинного моделирования системы. Дает­ся четкая формулировка задачи исследования конкретной системы S и основное внимание уделяется таким вопросам, как: а) признание существования задачи и необходимости машинного моделирова­ния; б) выбор методики решения задачи с учетом имеющихся ресурсов; в) определение масштаба задачи и возможности разби­ения ее на подзадачи.

При этом воз­можен пересмотр начальной постановки задачи в процессе модели­рования.

2. Анализ задачи моделирования системы. Проведение анализа задачи сводится к выбору критериев оценки эффективности про­цесса функционирования системы S, определению переменных модели М, выбору возможных методов идентификации и выполнению предварительного анализа содержа­ния последующих этапов.

3. Определение требований к исходной информации об объекте моделирования и организация ее сбора. На этом подэтапе проводится: а) выбор необходи­мой информации о системе S и внешней среде W; б) подготовка априорных данных; в) анализ имеющихся экспериментальных дан­ных; г) выбор методов и средств предварительной обработки ин­формации о системе.

При этом необходимо помнить, что именно от качества исход­ной информации об объекте моделирования существенно зависят как адекватность модели, так и достоверность результатов модели­рования.

4. Выдвижение гипотез и принятие предположений. Гипотезы при построении модели системы S служат для заполнения «пробелов» в понимании задачи исследователем. Выдвигаются также гипотезы относительно возможных результатов моделирования системы S, справедливость которых проверяется при проведении машинного эксперимента. При выдвижении гипотез и принятии предположений учитываются следующие факторы: а) объем име­ющейся информации для решения задач; б) подзадачи, для которых информация недостаточна; в) ограничения на ресурсы времени для решения задачи; г) ожидаемые результаты моделирования.

Таким образом, в процессе работы с моделью системы S воз­можно многократное возвращение к этому подэтапу в зависимости от полученных результатов моделирования и новой информации об объекте.

5. Определение параметров и переменных модели. Целью этого подэтапа является подготовка к построению математической модели системы S, функционирующей во внешней среде W, для чего необходимо рассмотрение всех параметров и пе­ременных модели и оценка степени их влияния на процесс функци­онирования системы в целом. Описание каждого параметра и пере­менной должно даваться в следующей форме: а) определение и краткая характеристика; б) символ обозначения и единица измере­ния; в) диапазон изменения; г) место применения в модели.

6. Установление основного содержания модели. На этом подэтапе определяется основное содержание модели и выбирается метод построения модели системы, которые разрабатываются на основе принятых гипотез и предположений. При этом учитываются следу­ющие особенности: а) формулировка задачи моделирования систе­мы; б) структура системы S и алгоритмы ее поведения, воздействия внешней среды W; в) возможные методы и средства решения задачи моделирования.

7. Обоснование критериев оценки эффективности системы. Для оценки качества процесса функционирования моделируемой систе­мы S необходимо выбрать некоторую совокупность критериев оценки эффективности, т. е. в математической постановке задача сводится к получению соотношения для оценки эффективности как функции параметров и переменных системы. Эта функция представляет собой поверхность отклика в исследуемой области изменения, параметров и переменных и позволяет определить реакцию систе­мы. Эффективность системы S можно оценить с помощью интег­ральных или частных критериев, выбор которых зависит от рас­сматриваемой задачи.

8. Определение процедур аппроксимации. Для аппроксимации реальных процессов, протекающих в системе S, обычно использу­ются три вида процедур: а) детерминированную; б) вероятностную; в) определения средних значений.

При детерминированной процедуре результаты моделирования однозначно определяются по данной совокупности входных воздей­ствий, параметров и переменных системы S. В этом случае отсут­ствуют случайные элементы, влияющие на результаты моделирова­ния. Вероятностная (рандомизированная) процедура применяется в том случае, когда случайные элементы, включая воздействия внешней среды W, влияют на характеристики процесса функциони­рования системы S и когда необходимо получить информацию о законах распределения выходных переменных. Процедура опреде­ления средних значений используется тогда, когда при моделирова­нии системы интерес представляют средние значения выходных переменных при наличии случайных элементов.

9. Описание концептуальной модели системы. На этом подэтапе построения модели системы: а) описывается концептуальная мо­дель М в абстрактных терминах и понятиях; б) дается описание модели с использованием типовых математических схем; в) прини­маются окончательно гипотезы и предположения; г) обосновывает­ся выбор процедуры аппроксимации реальных процессов при по­строении модели. Таким образом, на этом подэтапе проводится подробный анализ задачи, рассматриваются возможные методы ее решения и дается детальное описание концептуальной модели М, которая затем используется на втором этапе моделирования.

10. Проверка достоверности концептуальной модели. Один из методов проверки модели М, — применение операций обратного перехода, позволяющий проанализировать модель, вернуться к принятым аппроксимациям и, наконец, рассмотреть снова реальные процессы, протекающие в моделируемой системе S. Проверка достоверности концептуальной модели М должна включать: а) проверку замысла модели; б) оценку достоверности исходной информации; в) рассмот­рение постановки задачи моделирования; г) анализ принятых ап­проксимаций; д) исследование гипотез и предположений.

11. Составление технической документации по первому этапу. В конце этапа построения концептуальной модели М, и ее фор­мализации составляется технический отчет по этапу, который вклю­чает в себя: а) подробную постановку задачи моделирования систе­мы S; б) анализ задачи моделирования системы; в) критерии оценки эффективности системы; т) параметры и переменные модели систе­мы; д) гипотезы и предположения, принятые при построении моде­ли; е) описание модели в абстрактных терминах и понятиях; ж) описание ожидаемых результатов моделирования системы S.

Этап алгоритмизации модели

На втором этапе моделирования — этапе алгоритмизации моде­ли и ее компьютерной реализации — математическая модель, сфор­мированная на первом этапе, воплощается в конкретную компьютерную модель. Этот этап представляет собой этап практической деятель­ности, направленной на реализацию идей и математических схем в виде компьютерной модели МК процесса функционирования системы S.

1. Построение логической схемы модели. Рекомендуется строить модель по блочному принципу, т. е. в виде некоторой совокупности стандартных блоков. Построение модели систем S из таких блоков обеспечивает необходимую гибкость в процессе ее эксплу­атации, особенно на стадии машинной отладки. При построении блочной модели проводится разбиение процесса функционирования системы на отдельные достаточно автономные подпроцессы. Блоки такой модели бывают двух типов: основные и вспомогательные. Каждый основной блок соответствует некоторому реальному подпроцессу, имеющему место в моделиру­емой системе S, а вспомогательные блоки представляют собой лишь составную часть компьютерной модели, они не отражают функ­ции моделируемой системы и необходимы лишь для машинной реализации, фиксации и обработки результатов моделирования.

2. Получение математических соотношений. Схема компьютерной модели МК должна представлять собой полное отражение заложен­ной в модели концепции и иметь: а) описание всех блоков модели с их наименованиями; б) единую систему обозначений и нумерацию блоков; в) отражение логики модели процесса функционирования системы; г) задание математических соотношений в явном виде.

Таким образом, в общем случае построенная компьютерная модель МК системы будет иметь комбинированный характер, т. е. отражать аналитико-имитационный подход, когда часть процесса в системе описана аналитически, а другая часть имитируется соответству­ющими алгоритмами.

3. Проверка достоверности модели системы. Эта проверка явля­ется первой из проверок, выполняемых на этапе реализации модели. И как модель представляет собой приближенное описание процесса функционирования реальной системы S, то до тех пор, пока не показана достоверность модели МК, нельзя утверждать, что с ее помощью будут получены результаты, совпадающие с теми, кото­рые могли бы быть получены при проведении натурного эксперимента с реальной системой S. Поэтому определение достоверности модели можно считать наиболее важной проблемой при моделировании систем. Проверка модели должна дать ответ на вопрос, нисколько логическая схема модели системы и используемые математические соотношения отражают замысел модели, сформирован­ный на первом этапе. При этом проверяются: а) возможность решения поставленной задачи; б) точность отражения замысла в ло­гической схеме; в) полнота логической схемы модели; г) правиль­ность используемых математических соотношений.

4. Выбор инструментальных средств для моделирования. Вообще, выбор инструментальных средств может быть проведен и на предыдущих подэтапах, но рассматриваемый подэтап является последним, когда этот выбор должен быть сделан окончательно, так как в противном случае возникнут трудности в проведении дальнейших работ по реализации модели.

5. Верификация и проверка достоверности схемы программы. Верификация программы — доказательство того, что поведение программы соответствует спецификации на программу. Эта провер­ка является второй на этапе компьютерной реализации модели системы. При этом проводится проверка соответствия каждой операции, пред­ставленной в схеме программы, аналогичной ей операции в логичес­кой схеме модели.

6. Проверка достоверности программы. Эта последняя проверка на этапе компьютерной реализации модели, которую необходимо про­водить: а) обратным переводом программы в исходную схему; б) проверкой отдельных частей программы при решении различных тестовых задач; в) объединением всех частей программы и провер­кой ее в целом на контрольном примере моделирования варианта системы S.

7. Составление технической документации по второму этапу. Для завершения этапа компьютерной реализации модели МК необходи­мо составить техническую документацию, содержащую: а) логичес­кую схему модели и ее описание; б) адекватную схему программы и принятые обозначения; в) полный текст программы; г) перечень входных и выходных величин с пояснениями; д) инструкцию по работе с программой; е) оценку затрат компьютерного времени на моделирование с указанием требуемых ресурсов ЭВМ.

Таким образом, на этом этапе разрабатывается схема модели системы S, проводится ее алгоритмизация и программирование с использованием конкретных программно-технических средств, т. е. строится компьютерная модель МК, с которой предстоит работать для получения необходимых результатов моделирования по оценке характеристик процесса функционирования системы S (задача анализа) или для поиска оптимальных структур, алгоритмов и параме­тров системы (задача синтеза).

Этап получения и интер­претации результатов моделирования

На третьем этапе моделирования — этапе получения и интер­претации результатов моделирования — компьютер используется для проведения рабочих расчетов по составленной и отлаженной про­грамме. Результаты этих расчетов позволяют проанализировать и сформулировать выводы о характеристиках процесса функци­онирования моделируемой системы.

1. Планирование компьютерного эксперимента с моделью системы. Перед выполнением рабочих расчетов на компьютере должен быть состав­лен план проведения эксперимента с указанием комбинаций пе­ременных и параметров, для которых должно проводиться модели­рование системы. Планирование компьютерного эксперимента при­знано дать в итоге максимальный объем необходимой информации об объекте моделирования при минимальных затратах компьютерных ресурсов.

При этом различают стратегическое и тактическое плани­рование компьютерного эксперимента. При стратегическом планирова­нии эксперимента ставится задача построения оптимального плана эксперимента для достижения цели, поставленной перед моделированием (например, оптимизация структуры, алгоритмов и парамет­ров системы, исследуемой методом моделирования на компьтере). Тактическое планирование компьютерного эксперимента преследует частные цели оптимальной реализации каждого конкретного экс­перимента из множества необходимых, заданных при стратегичес­ком планировании.

2. Определение требований к вычислительным средствам. Необ­ходимо сформулировать требования по времени использования вычислительных средств, а также указать те внешние устройства компьютера, которые потребуются при моделировании. При этом также рационально оценить, исходя из требуемых ресурсов, возможность ис­пользования для реализации конкретной модели компьютера, локальной вычислительной сети или Интернет.

3. Проведение рабочих расчетов. После составления программы модели и плана проведения компьютерного эксперимента с моделью системы S можно приступить к рабочим расчетам, которые обычно включают в себя: а) подготовку наборов исходных данных дня ввода в компьютер; б) проверку исходных данных, подготовленных для ввода; в) проведение расчетов; г) получение выходных данных, т. е. результатов моделирования.

Проведение компьютерного моделирования рационально выполнять в два этапа: контрольные, а затем рабочие расчеты. Причем контрольные расчеты выполняются для проверки компьютерной модели М и определения чувствительности результатов к изменению ис­ходных данных.

4. Представление результатов моделирования. Как уже отмеча­лось, необходимо на третьем этапе моделирования уделить внима­ние форме представления окончательных результатов моделирова­ния в виде таблиц, графиков, диаграмм, схем и т. п. Целесообразно в каждом конкретном случае выбрать наиболее подходящую форму, так как это существенно влияет на эффективность их дальнейшего употребления заказчиком. В большинстве случаев наиболее простой формой считаются таблицы, хотя графики более наглядно иллюстрируют результаты моделирования системы S. При диало­говых режимах моделирования наиболее рациональными средст­вами оперативного отображения результатов моделирования явля­ются средства мультимедиа технологии.

6. Интерпретация результатов моделирования. Получив и про­анализировав результаты моделирования, их нужно интерпретиро­вать по отношению к моделируемому объекту, т. е. системе S, Основное содержание этого подэтапа — переход от информации, полученной в результате машинного эксперимента с моделью М, к информации применительно к объекту моделирования, на основа­нии которой и будут делаться выводы относительно характеристик процесса функционирования исследуемой системы S.

7. Подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций. При подведении итогов моделирования должны быть отмечены главные особенности, полученные в соответствии с планом эксперимента над моделью М результатов, проведена проверка гипотез и предположений и сделаны выводы на основании этих результатов. Все это позволяет сформулировать рекомендации по практическому использованию результатов моделирования.

8. Составление технической документации по третьему этапу. Эта документация должна включать в себя: а) план проведения компьютерного эксперимента; б) наборы исходных данных для модели­рования; в) результаты моделирования системы; г) анализ и оценку результатов моделирования; д) выводы по полученным результатам моделирования; указание путей совершенствова­ния компьютерной модели и возможных областей ее приложения.

Таким образом, процесс моделирования системы S сводится к выполнению перечисленных этапов моделирования. На этапе построения концептуальной модели М, проводится исследование моделируемого объекта, определяются необходимые аппроксима­ции и строится обобщенная схема модели, которая преобразуется в компьютерную модель МК на втором этапе моделирования путем последовательного построения логической схемы модели и схемы программы. На последнем этапе моделирования проводят рабочие расчеты, получают и интерпретируют результаты модели­рования системы S.

Рассмотренная последовательность этапов и подэтапов отражает наиболее общий подход к построению и реализации модели системы S.



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Характеристики моделей систем | Тема 1. Опасное действие электрического тока.
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2018-11-12; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1780 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Есть только один способ избежать критики: ничего не делайте, ничего не говорите и будьте никем. © Аристотель
==> читать все изречения...

2250 - | 2202 -


© 2015-2025 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.014 с.