ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

В настоящее время метод машинного моделирования широко применяется при разработке обеспечивающих и функциональных подсистем различных АСОИУ (интегрированных АСУ, автоматизированных систем научных исследований и комплексных испытаний, систем автоматизации проектирования и т.д.). При этом, независимо от объекта можно выделить следующие основные этапы моделирования: 1) построение концептуальной модели системы S и её формализация; 2) алгоритмизация модели системы S и её машинная реализация; 3) получение результатов машинного моделирования и их интерпретация.

Методология машинного моделирования На первом этапе моделирования формируется модель, строится её формальная схема и решается вопрос об эффективности и целесообразности моделирования системы S (об аналитическом расчёте или имитационном моделировании) на вычислительной машине На втором этапе математическая модель, сформулированная на первом этапе, воплощается в машинную, то есть решается проблемы алгоритмизации модели, её рационального разбиения на блоки и организации интерфейса между ними, а также задача получения необходимой точности и достоверности результатов при проведении машинных экспериментов. На третьем этапе ЭВМ используется при проведении машинных экспериментов. На третьем этапе ЭВМ используется для имитации процесса функционирования системы S, для сбора необходимой информации, её статической обработки и интерпретации результатов моделирования.

Методология машинного моделирования На всех этапах моделирования переход от описания к машинной модели М м, разбиение модели на части, выбор основных и второстепенных параметров, переменных и характеристик системы, являются неформальными операциями. Принципы моделирования можно условно разделить на совокупность основных правил построения моделей систем и способов их машинной реализации, причём правила определяют общие свойства, которыми должна обладать построенная машинная модель, а способы реализации дают конкретные приёмы получения нужных свойств модели системы. Правила построения и способы их реализации образуют единую систему, так что обособленное их рассмотрение не даёт полного представления о методологии машинного моделирования.

Методология машинного моделирования Иерархическая структура взаимосвязи эвристических правил построения и практических способов реализации машинных моделей Мм может быть условно представлена в виде схемы, которая задает цепь неформальных действий, выполняемых при моделировании систем в широком смысле этого слова. На схеме сплошными линиями показаны связи общих правил и способов с частными, пунктирными возможность использования соответствующего правила или способа. правила: 1 сопоставление точности и сложности модели; 2 соразмерность погрешностей моделирования и описания; 3 реализация блочного представления модели; 4 специализация моделей для конкретных условий; 5 достаточность набора элементов модели; 6 наглядность модели для исследователя и пользователя; способы: 7 минимальный обмен информацией между блоками; 8 упрощение модели по критерию интерпретации; 9 удаление блоков с модификацией критерия; 10 замена зависимых воздействий независимыми; 11 проверка точности на условных моделях 12 проверка точности по сходимости результатов; 13 выбор эквивалента входных блоков; 14 сравнение моделей различной сложности; 15 параллельное моделирование вариантов системы.

Правило сопоставления точности и сложности модели (правило 1) характеризует компромисс между ожидаемой точностью и достоверностью результатов моделирования и сложностью модели системы S с точки зрения ее машинной реализации. Правило соразмерности погрешностей моделирования системы и ее описания (правило 2) представ­ляет, по сути, «баланс точностей», определяемый соответствием систематической погрешности моделирования из-за неадекватности модели Мм описанию системы S с погрешностью в задании описания вследствие неопределенности исходных данных; взаимным соответствием точностей блоков модели; соответствием систематической погрешности моделирования на ЭВМ и случайной погрешности представления результатов моделирования Правила построения машинных моделей

Способ параллельного моделирования вариантов системы (способ 15) – это возможность параллельного моделирования конкурирующих вариантов исследуемой системы S с оценкой разностей соответствующих показателей качества функционирования. Практическая реализация правил 1 и 2 возможна лишь при наличии гибкой системы, позволяющей создать достаточное разнообразие вариантов модели, т. е. необходимо выполнение правила достаточности набора элементов модели Мм (правило 5) типовых процедур моделирования и оптимизации в математическом и программном обеспечении моделирования. Построение моделей во многом творческая задача, решаемая человеком, т. е. при ее решении должно быть соблюдено правило наглядности модели для исследователя (правило 6), выполнение которого дает возможность исследователю и пользователю оперировать с привычными представлениями об объекте моделирования, что позволяет избежать многих ошибок и упро­щает трактовку полученных результатов. Правила построения машинных моделей

Переходить от описания системы S к ее машинной модели М м наиболее рационально путем построения блочной модели, т. е., необходимо выполнение правила реализации блочного представления модели (правило 3), в соответствии с которым надо находить блоки, удобные для автономного моделирования, и блоки, допускающие исследования натурными методами, принимать решение о существенности или несущественности каждого блока для задачи исследования характеристик данной системы S с целью сохранения структуры описания в пределах этого блока, замены ее упрощенным описанием или удаления блока из модели. Правила построения машинных моделей

Разбиение на блоки с точки зрения дальнейшей реализации модели целесообразно проводить, по возможности минимизируя число связей между блоками модели, т. е. отсюда вытекает способ минимального обмена информацией между блоками (способ 7). Кроме того, при решении вопроса о допустимости удаления блоков из модели целесообразно пользоваться способом упрощения модели М м по критериям интерпретации (способ 8), т. е. несущественными считаются те блоки, которые мало влияют на критерий интерпретации результатов моделирования и в силу этого могут быть удалены из модели, в том числе и в процессе моделирования системы. Способы удаления блоков различаются в зависимости от характера взаимодействия этих блоков с оставшейся частью системы. Удаляя оконечные блоки, составляющие описание взаимодействия системы S с внешней средой Е, необходимо учесть это при формировании критерия интерпретации результатов моделирования, т. е. это соответствует способу удаления блоков с модификацией критерия (способ 9). Способы реализации машинных моделей

Способы удаления блоков различаются в зависимости от характера взаимодействия этих блоков с оставшейся частью систе­мы. Удаляя оконечные блоки, составляющие описание взаимодействия системы S с внешней средой Е, необходимо учесть это при формировании критерия интерпретации результатов моделирования, т. е. это соответствует способу удаления блоков с модификацией критерия (способ 9). Рассмотрим теперь способ замены блока, осуществляющего воздействие на исследуемую часть системы S. Такой блок не является автономным и его нельзя заменить одним эквивалентным, не зависимым от исследуемой части системы. Но в раде случаев удается указать диапазон изменения переменных, т. е. функционирование исследуемой части системы можно изучать путем многократного моделирования (по числу воздействий) при различных значениях переменных внутри заданного интервала. Эти предположения реализуются способом замены зависимых воздействий независимыми (способ 10). Способы реализации машинных моделей

При реализации модели Л/м системы S необходимо решить путем сопоставления вопрос о способе выбора эквивалента входных воздействий (способ 13): упрощение замкнутого контура, образуемого входным блоком и исследуемой частью системы без разрыва обратной связи; построение вероятностного эквивалента на основе предварительного его исследования (частичного моделирования); замена входного блока наихудшим воздействием по отношению к исследуемой части системы. Можно использовать и временное разделение на блоки (условные подмодели), которые отражают различные этапы или режимы функционирования системы S, т. е. в этом случае в них могут входить пересекающиеся части системы. В ряде случаев выделение условных подмоделей позволяет добиться упрощений при реализации машинной модели М м, сузить разброс результатов моделирования и тем самым сократить требуемое количество прогонов. Правило специализации для конкретных условий (правило 4), определяет целесообразность использования набора частных условных подмоделей, предназначенных для анализа характеристик процесса функционирования системы S в конкретных условиях и дающих возможность судить о системе в целом по совокупности частных показателей, полученных на условных подмоделях, построенных с учетом особенностей планирования машинных экспериментов. При этом специализация полной модели системы позволяет в отдельных случаях проверить точность ее упрощенного блочного представления, т. е. отсюда вытекает способ проверки точности на условных моделях (способ 11). Способы реализации машинных моделей

Условные подмодели строятся независимо друг от друга, что позволяет ускорить исследование, выпол­няя параллельные машинные эксперименты со всеми подмоделями, например на нескольких ЭВМ. Динамика моделирования системы S может быть определена как движение в некотором подпространстве моделей {М}. Причем при исследовании систем движение идет в сторону усложнения модели. Отсюда вытекает способ проверки точности по сходимости результатов (способ 12), т. е. проверки точности результатов моделирования, получаемых на моделях возрастающей сложности. Такой способ позволяет двигаться «снизу вверх» в подпространстве моделей {М} от упрощенной модели, заведомо реализуемой на ЭВМ, в сторону ее развития и усложнения в пределах ограничений вычис­лительных ресурсов. В таком движении в подпространстве моделей {М} следует остановиться, когда различие моделей становится незначительным. Эти особенности и реализуются способом сравнения моделей с различной сложностью (способ 14). Способы реализации машинных моделей

Рассматривая АСОИУ с точки зрения технологии обработки информации и принятия решений, можно выделить функциональ ную схему управления, состоящую из обеспечивающих подсистем находящихся во взаимосвязи как между собой, так и с внешней средой. При проектировании АСОИУ различных уровней, исходя из общности решаемых задач, принято выделять информационное математическое, программное, техническое и организационное обеспечение. Техническое обеспечение одна из основных составных частей АСОИУ, той материально-технической базы, с помощью которой реализуются экономико-математические методы управления. Комплекс технических средств включает в себя разнообразные средства вычислительной техники, сбора и передачи информации, обеспечивающие своевременную и качественную переработку управляющей информации, причем территориальная удаленность объектов управления в АСОИУ требует применения средств передачи информации, основная задача которых обмен информацией между местом ее возникновения и информационно- вычислительным центром с необходимой скоростью и достоверностью.

О бъект моделирования Наиболее перспективным направлением в области создания технического обеспечения АСОИУ является построение информационно-вычислительных сетей, цифровых сетей интегрального обслуживания, позволяющих наиболее эффективно использовать ресурсы обработки и хранения информации. Структурная схема такой сети показана на рисунке, где выделены уровни базовой (магистральной) сети, реализующей обмен информацией между центрами коллективного пользования, и терминальной (абонентской) сетью, обеспечивающей обмен информацией между пользователями и ЭВМ. Основными структурными элементами сети являются: узлы(центры) коммутации потоков, осуществляющие все основные операции по управлению сетью, включая коммутацию и маршрутизацию потоков сообщений (пакетов); концентраторы, обеспечивающие сопряжение входных низкоскоростных каналов связи с выходным высокоскоростным каналом; терминалы, выполняющие функции организации доступа пользователя к ресурсам сети и функции по локальной обработке информации; каналы связи, реализующие обмен информацией между узлами сети (узлами коммутации, концентраторами, терминалами) с требуемым качеством.

Моделирующий алгоритм