ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ НА ЗВМ

---

ВОЗМОЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ НА ЗВМ»

Обеспечение требуемых показателей качества функционирова­ния больших систем, связанное с необходимостью изучения проте­кания стохастических процессов в исследуемых и проектируемых системах S, позволяет проводить комплекс теоретических и экс­периментальных исследований, взаимно дополняющих друг друга. Эффективность экспериментальных исследований сложных систем оказывается крайне низкой, поскольку проведение натурных экс­периментов с реальной системой либо требует больших материаль­ных затрат и значительного времени, либо вообще практически невозможно (например, на этапе проектирования, когда реальная система отсутствует). Эффективность теоретических исследований с практической точки зрения в полной мере проявляется лишь тогда, когда их результаты с требуемой степенью точности и до­стоверности могут быть представлены в виде аналитических соот­ношений или моделирующих алгоритмов, пригодных для получе­ния соответствующих характеристик процесса функционирования исследуемых систем.

1.Средства моделирования систем.

Появление современных ЭВМ было решающим условием широкого внедрения аналитических ме­тодов в исследование сложных систем. Стало казаться, что модели и методы, например математического программирования, станут практическим инструментом решения задач управления в больших системах. Действительно, были достигнуты значительные успехи и создании новых математических методов решения этих задач, однако математическое программирование так и не стало прак­тическим инструментом исследования процесса функционирования сложных систем, так как модели математического программирова­ния оказались слишком грубыми и несовершенными для их эффек­тивного использования. Необходимость учета стохастических свойств системы, недетерминированности исходной информации, наличия корреляционных связей между большим числом перемен­ных и параметров, характеризующих процессы в системах, приво­дят к построению сложных математических моделей, которые не могут быть применены в инженерной практике при исследовании таких систем аналитическим методом. Пригодные для практических расчетов аналитические соотношения удается получить лишь при упрощающих предположениях, обычно существенно искажающих фактическую картину исследуемого процесса. Поэтому в последнее время все ощутимее потребность в разработке методов, которые дали бы возможность уже на этапе проектирования систем исследо­вать более адекватные модели. Указанные обстоятельства приводят к тому, что при исследовании больших систем все шире применяют методы имитационного моделирования.

Наиболее конструктивным средством решения инженерных за­дач на базе моделирования в настоящее время стали ЭВМ. Со­временные ЭВМ можно разделить на две группы: универсальные, прежде всего предназначенные для выполнения расчетных работ, и управляющие, позволяющие проводить не только расчетные ра­боты, но прежде всего приспособленные для управления объектами в реальном масштабе времени. Управляющие ЭВМ могут быть использованы как для управления технологическим процессом, экспериментом, так и для реализации различных имитацион­ных моделей.

В зависимости от того, удается ли построить до­статочно точную математическую модель реального процесса, или вследствие сложности объекта не удается проникнуть в глубь функ­циональных связей реального объекта и описать их какими-то ана­литическими соотношениями, можно рассматривать два основных пути использования ЭВМ:

как средства расчета по полученным аналитическим моделям и

как средства имитационного моделиро­вания.

Для известной аналитической модели, полагая, что она достато­чно точно отображает исследуемую сторону функционирования реального физического объекта, перед вычислительной машиной стоит задача расчета характеристик системы по каким-либо мате­матическим соотношениям при подстановке числовых значений. В этом направлении вычислительные машины обладают возмож­ностями, практически зависящими от порядка решаемого уравнения и от требований к скорости решения, причем могут быть исполь­зованы как ЭВМ, так и АВМ.

При использовании ЭВМ разрабатывается алгоритм расчета характеристик, в соответствии с которым составляются программы (либо генерируются с помощью пакета прикладных программ), дающие возможность осуществлять расчеты по требуемым анали­тическим соотношениям. Основная задача исследователя заключа­ется в том, чтобы попытаться описать поведение реального объекта одной из известных математических моделей.

Использование АВМ, с одной стороны, ускоряет для достаточно простых случаев процесс решения задачи, с другой стороны, могут возникать погрешности, обусловленные наличием дрейфа парамет­ров отдельных блоков, входящих в АВМ, ограниченной точностью, с которой могут быть заданы параметры, вводимые в машину, а также неисправностями технических средств и т. д.

Перспективно сочетание ЭВМ и АВМ, т. е. использование гиб­ридных средств вычислительной техники — гибридных вычислите­льных комплексов (ГВК), что в ряде случаев значительно ускоряет процесс исследования.

В ГВК удается сочетать высокую скорость функционирования аналоговых средств и высокую точность расчетов на базе цифровых средств вычислительной техники. Одновременно удается за счет наличия цифровых устройств обеспечить контроль проведения опе­раций. Опыт использования вычислительной техники в задачах моделирования показывает, что с усложнением объекта большую эффективность по скорости решения и по стоимости выполнения операций дает использование гибридной техники.

Конкретным техническим средством воплощения имитационной модели могут быть ЭВМ, АВМ и ГВК. Если использование анало­говой техники ускоряет получение конечных результатов, сохраняя некоторую наглядность протекания реального процесса, то приме­нение средств цифровой техники позволяет осуществить контроль за реализацией модели, создать программы по обработке и хране­нию результатов моделирования, обеспечить эффективный диалог исследователя с моделью.

Обычно модель строится по иерархическому принципу, когда последовательно анализируются отдельные стороны функциониро­вания объекта и при перемещении центра внимания исследователя рассмотренные ранее подсистемы переходят во внешнюю среду. Иерархическая структура моделей может раскрывать и ту последовательность, в которой изучается реальный объект, а именно после­довательность перехода от структурного (топологического) уровня к функциональному (алгоритмическому) и от функционального к параметрическому.

Результат моделирования в значительной степени зависит от адекватности исходной концептуальной (описательной) модели, от полученной степени подобия описания реального объекта, числа реализаций модели и многих других факторов. В ряде случаев сложность объекта не позволяет не только построить математичес­кую модель объекта, но и дать достаточно близкое кибернетическое описание, и перспективным здесь является выделение наиболее трудно поддающейся математическому описанию части объекта и включение этой реальной части физического объекта в имитаци­онную модель. Тогда модель реализуется, с одной стороны, на базе средств вычислительной техники, а с другой — имеется реальная часть объекта. Это значительно расширяет возможности и повыша­ет достоверность результатов моделирования.

Моделирующая система реализуется на ЭВМ и позволяет ис­следовать модель М, задаваемую в виде определен­ной совокупности отдельных блочных моделей и связей между ними в их взаимодействии в пространстве и времени при реализации какого-либо процесса. Можно выделить три основные группы бло­ков:

блоки, характеризующие моделируемый процесс функциониро­вания системы S;

блоки, отображающие внешнюю среду Е и ее воздействие на реализуемый процесс;

блоки, играющие служебную вспомогательную роль, обеспечивая взаимодействие первых двух, а также выполняющие дополнительные функции по получению и обработке результатов моделирования.

Кроме того, моделирующая система характеризуется набором переменных, с помощью которых удается управлять изучаемым процессом, и набором на­чальных условий, когда можно изменять условия проведения ма­шинного эксперимента.

Таким образом, моделирующая система есть средство проведе­ния машинного эксперимента, причем эксперимент может ставиться многократно, заранее планироваться, могут определяться условия его проведения. Необходимо при этом выбрать методику оценки адекватности получаемых результатов и автоматизировать как про­цессы получения, так и процессы обработки результатов в ходе машинного эксперимента.

2.Обеспечение моделирования.

Моделирующая система характеризуется наличием математического, программного, инфор­мационного, технического, эргономического и других видов обес­печения.

Математическое обеспечение моделирующей системы включает в себя совокупность математических соотношений, опи­сывающих поведение реального объекта, совокупность алгоритмов, обеспечивающих как подготовку, так и работу с моделью. Сюда могут быть отнесены алгоритмы: ввода исходных данных, имита­ции, вывода, обработки.

Программное обеспечение по своему содержанию включает в себя совокупность программ: планирования эксперимента, модели системы, проведения эксперимента, обработки и интерпре­тации результатов. Кроме того, программное обеспечение должно обеспечивать синхронизацию процессов в модели, т. е. необходим блок, организующий псевдопараллельное выполнение процессов в модели. Машинные эксперименты с моделями не могут проходить без хорошо разработан­ного и реализованного информационного обеспечения.

Информационное обеспечение включает в себя средства и технологию организации и реорганизации базы данных модели­рования, методы логической и физической организации массивов, формы документов, описывающих процесс моделирования и его результаты. Информационное обеспечение является наименее разработанной частью, поскольку только в на­стоящее время наблюдается переход к созданию сложных моделей и разрабатывается методология их использования при анализе и синтезе сложных систем с использованием концепции базы данных и знаний.

Техническое обеспечение включает в себя прежде всего средства вычислительной техники, связи и об­мена между оператором и сетью ЭВМ, ввода и вывода инфор­мации, управления проведением эксперимента.

Эргономическое обеспечение пред­ставляет собой совокупность научных и прикладных методик и ме­тодов, а также нормативно-технических и организационно-методи­ческих документов, используемых на всех этапах взаимодействия человека-экспериментатора с инструментальными средствами (ЭВМ, гибридными комплексами и т. д.). Эти документы, использу­емые на всех стадиях разработки и эксплуатации моделирующих систем и их элементов, предназначены для формирования и поддер­жания эргономического качества путем обоснования и выбора ор­ганизационно-проектных решений, которые создают оптимальные условия для высокоэффективной деятельности человека во взаимо­действии с моделирующим комплексом.

Таким образом, моделирующая система может рассматриваться как машинный аналог сложного реального процесса. Она позволяет заменить эксперимент с реальным процессом функционирования системы экспериментом с математической моделью этого процесса в ЭВМ. В настоящее время имитационные эксперименты широко используют в практике проектирования сложных систем, когда реальный эксперимент невозможен.

3. Возможности и эффективность моделирования систем на ЭВМ

Несмотря на то что имитационное моделирование на ЭВМ является мощным инстру­ментом исследования систем, его применение рационально не во всех случаях. Известно множество задач, решаемых более эффектив­но другими методами. Вместе с тем для большого класса задач исследования и проектирования систем метод имитационного моде­лирования наиболее приемлем. Правильное его употребление воз­можно лишь в случае четкого понимания сущности метода имита­ционного моделирования и условий его использования в практике исследования реальных систем при учете особенностей конкретных систем и возможностей их исследования различными методами.

В качестве основных критериев целесообразности применения метода имитационного моделирования на ЭВМ можно указать следующие: отсутствие или неприемлемость аналитических, числен­ных и качественных методов решения поставленной задачи; наличие достаточного количества исходной информации о моделируемой системе S для обеспечения возможности построения адекватной имитационной модели; необходимость проведения на базе других возможных методов решения очень большого количества вычисле­ний, трудно реализуемых даже с использованием ЭВМ; возмож­ность поиска оптимального варианта системы при ее моделирова­нии на ЭВМ.

Имитационное моделирование на ЭВМ, как и любой метод исследований, имеет достоинства и недостатки, проявляющиеся в конкретных приложениях. К числу основных достоинств ме­тода имитационного моделирования при исследовании сложных систем можно отнести следующие: машинный эксперимент с имита­ционной моделью дает возможность исследовать особенности про­цесса функционирования системы S в любых условиях; применение ЭВМ в имитационном эксперименте существенно сокращает продо­лжительность испытаний по сравнению с натурным экспериментом; имитационная модель позволяет включать результаты натурных испытаний реальной системы или ее частей для проведения даль­нейших исследований; имитационная модель обладает известной гибкостью варьирования структуры, алгоритмов и параметров мо­делируемой системы, что важно с точки зрения поиска оптималь­ного варианта системы; имитационное моделирование сложных систем часто является единственным практически реализуемым ме­тодом исследования процесса функционирования таких систем на этапе их проектирования.

Основным недостатком, проявляющимся при машинной реали­зации метода имитационного моделирования, является то, что ре­шение, полученное при анализе имитационной модели М, всегда носит частный характер, так как оно соответствует фиксированным элементам структуры, алгоритмам поведения и значениям парамет­ров системы S, начальных условий и воздействий внешней среды Е. Поэтому для полного анализа характеристик процесса функциони­рования систем, а не получения только отдельной точки приходится многократно воспроизводить имитационный эксперимент, варьи­руя исходные данные задачи. При этом, как следствие, возникает увеличение затрат машинного времени на проведение эксперимента с имитационной моделью процесса функционирования исследуемой системы S.

Эффективность машинного моделирования. При имитационном моделировании, так же как и при любом другом методе анализа и синтеза системы S, весьма существен вопрос его эффективности. Эффективность имитационного моделирования может оцениваться рядом критериев, в том числе точностью и достоверностью резуль­татов моделирования, временем построения и работы с моделью М, затратами машинных ресурсов (времени и памяти), стоимостью разработки и эксплуатации модели. Очевидно, наилучшей оценкой эффективности является сравнение получаемых результатов с реаль­ным исследованием, т. е. с моделированием на реальном объекте при проведении натурного эксперимента. Поскольку это не всегда удается сделать, статистический подход позволяет с определенной степенью точности при повторяемости машинного эксперимента получить какие-то усредненные характеристики поведения системы. Существенное влияние на точность моделирования оказывает число реализаций, и в зависимости от требуемой достоверности можно оценить необходимое число реализаций воспроизводимого случай­ного процесса.

Существенным показателем эффективности являются затраты машинного времени. В связи с использованием ЭВМ различного типа суммарные затраты складываются из времени по вводу и выводу данных по каждому алгоритму моделирования, времени на проведение вычислительных операций, с учетом обращения к опера­тивной памяти и внешним устройствам, а также сложности каждого моделирующего алгоритма. Расчеты затрат машинного времени являются приближенными и могут уточняться по мере отладки программ и накопления опыта у исследователя при работе с имита­ционной моделью. Большое влияние на затраты машинного време­ни при проведении имитационных экспериментов оказывает рацио­нальное планирование таких экспериментов. Определенное влияние на затраты машинного времени могут оказать процедуры обработ­ки результатов моделирования, а также форма их представления.