 |
17. Подходы к построению моделей системы
|
|
|
|
17. Подходы к построению моделей системы
Процессы моделирования, создания моделей не имеют формализованного алгоритма их проведения. Исследование любой, достаточно сложной, системы имеет свои особенности, требует творческого, индивидуального подхода. Тем не менее существует большой опыт построения разнообразных моделей, который позволяет сформулировать основные принципы и подходы, определяющие требования, которым должна удовлетворять удачно построенная модель. Суть и назначение некоторых из этих принципов изложим ниже.
1. Адекватность (тождественность) модели. Этот принцип определяет требование соответствия модели системе-оригиналу по совокупности исследуемых свойств, по уровню их сложности и организации. Естественно говорить не просто об адекватности модели, а о большей или меньшей адекватности. Адекватность следует рассматривать только по определенным признакам – свойствам, принятым в данном исследовании.
2. Соответствие модели решаемой задаче. Этот принцип подчеркивает целесообразность конструирования специализированных моделей для решения конкретной задачи. Разработка универсальной модели для решения многих разнообразных задач в большинстве случаев оказывается трудновыполнимой, а сама модель оказывается практически непригодной.
3. Соответствие сложности модели и требований исследования существенных свойств системы-оригинала, а также точности результатов моделирования. Этот принцип определяет целесообразность уменьшения сложности модели за счет абстрагирования от несущественных деталей, поскольку модель в общем случае должна быть проще исследуемой системы.
Однако модель может быть упрощена только до уровня, обеспечивающего оценку существенных свойств системы с требуемой точностью. Таким образом, имеется два противоречивых требования: с одной стороны, необходимо понижать сложность модели, а с другой – обеспечивать необходимую точность исследования существенных свойств системы.
|
|
|
Выходом из этого противоречия может явиться выполнение следующих рекомендаций:
· исключение несущественных переменных, объединение нескольких переменных, чем достигается сокращение их общего числа;
· изменение природы рассматриваемых параметров и (или) функциональной зависимости между ними. Например, некоторые переменные параметры рассматривать как постоянные, дискретные – как непрерывные, нелинейные зависимости – как линейные;
· изменение пределов ограничений, а также их возможное исключение, модификация или включение дополнительных ограничений;
· установление разумной точности модели. Например, точность результатов моделирования не может быть выше точности исходных данных.
4. Конструирование модели в виде отдельных достаточно самостоятельных, законченных элементов (блоков). Использование этого принципа облегчает разработку сложных систем за счет многократного использования одних и тех же блоков и обеспечения связей между ними. Структуризация блоков в основном осуществляется в соответствии с выполняемыми ими функциями.
5. Многовариантность построения элементов (блоков) модели исходя из предъявляемых к ним требованиям, прежде всего по точности выходных параметров. Многовариантность элементов обеспечивает рациональное построение модели системы в целом.
Говоря о подходах к построению моделей систем, необходимо иметь в виду, что к созданию модели можно приступать на основе исходных данных, которые либо уже известны, либо могут быть получены тем или иным способом. В зависимости от конкретной ситуации это может быть:
|
|
|
· непосредственный анализ создаваемой или совершенствуемой системы;
· проведение эксперимента на функционирующей системе или на ее фрагменте;
· анализ систем-аналогов.
Построение моделей, как правило, носит итеративный характер. Процесс конструирования модели начинается с создания достаточно простых моделей, позволяющих глубже понять исследуемую систему. Кроме того, на их создание затрачиваются сравнительно небольшие материальные и временные ресурсы. Создаваемые затем более сложные модели используются для учета влияния гораздо более широкого числа параметров на результаты моделирования. Для моделирования сложных систем необходимо разрабатывать целый ряд иерархических моделей, различающихся уровнем отображаемых функций и точностью определения выходных параметров модели.
18. Имитационная модель
Моделирование сложных систем является достаточно трудоемким и трудно формализуемым процессом. Порядок моделирования зависит от поставленных целей исследования, а также от назначения, вида, сложности исследуемой системы и многих других факторов. Рассмотрим порядок системного моделирования с использованием имитационной модели, реализуемой на ЭВМ. Такое моделирование предполагает выполнение следующих основных этапов:
· формулирование целей моделирования, содержательное описание моделируемой системы, разработка ее концептуальной модели;
· выбор средств формализации концептуальной модели, разработка алгоритма реализации модели, выбор средств и методов моделирования;
· разработка программы имитационной модели, проверка ее адекватности и корректировка модели;
· планирование и реализация процесса моделирования, обработка и анализ полученных результатов, выработка рекомендаций и принятие проектных решений по исследуемой системе.
Блок-схема процесса системного моделирования приведена на Рис. 1.
Целью моделирования в данном случае является необходимость определения свойств и характеристик проектируемой или совершенствуемой системы еще до момента ее конструирования и изготовления. Моделирование позволит получить в более короткие сроки проект работоспособной системы, которую не придется существенно дорабатывать после ее изготовления. Таким образом, моделирование сокращает и удешевляет процесс проектирования, изготовления и внедрения системы. На этапе формирования целей моделирования должны быть определены существенные характеристики системы-оригинала, а также определена и описана вся совокупность критериев оценки как этих характеристик, так и выходных характеристик системы в целом. Кроме того, на данном этапе должно быть определены виды и объемы ресурсов (материальных, финансовых, человеческих, временных), выделяемых на создание системы в целом, а также на этапе моделирования системы. Конечная цель моделирования заключается в выборе наилучшего варианта проектируемой или совершенствуемой системы. Этот выбор осуществляется на основании критериев эффективности, которые также должны быть определены при постановке целей моделирования.
|
|
|
Рис. 1. Блок схема алгоритма процесса системного моделирования
Содержательное описание моделируемой системы осуществляется с позиций системного анализа. Исходя из цели исследования системы устанавливаются и описываются совокупность ее элементов, взаимосвязи между ними, возможные состояния каждого элемента, существенные характеристики состояний и отношения между ними.
Естественно, такое словесное описание может содержать логические неточности, противоречия и неопределенности. Оно является лишь исходной естественно-научной концепцией исследуемой системы. Такое предварительное, приближенное представление системы называется концептуальной моделью.
Таким образом концептуальная модель определяет в словесной форме состав и структуру системы, свойства ее элементов и причинно-следственные связи между ними. Для того чтобы концептуальная модель служила хорошей основой для последующих этапов моделирования, требуется обстоятельно изучить моделируемую систему. В концептуальной модели должна быть изложена информация о природе и параметрах каждого элементарного процесса исследуемой системы, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и значении каждого процесса в общем процессе функционирования системы, т. е. в выполнении технологических процессов преобразования веществ, информации или энергии.
|
|
|
На этапе разработки концептуальной модели осуществляется ее стратификация, т. е. выбор страт, характеризующих уровень детализации модели. Выбор уровня детализации, как правило определяется параметрами, допускающими варьирование в процессе моделирования. Именно эти параметры обеспечивают определение интересующих выходных характеристик системы. Таким образом, определяются элементы модели, т. е. такие ее части, для которых известны или могут быть получены зависимости выходных параметров от входных. Как правило, модель сложной системы имеет большое количество элементов. В этом случае реализуется иерархическая модульная структура модели. Каждый модуль (страта) такой модели состоит из совокупности модулей (страт) более низких рангов, вплоть до элементов модели.
В концептуальной модели определяются связи между ее элементами – вещественные, энергетические, информационные. Вещественные и энергетические связи отражают возможные пути перемещения рассматриваемого продукта и энергии от одного элемента модели к другому. Информационные связи обеспечивают передачу управляющих воздействий и информации о состоянии каждого элемента. Управляющие воздействия содержат указания о том, когда, откуда и сколько вещества, энергии, информации взять, какую операцию по преобразованию выполнить и куда передать.
В сложных системах обычно одновременно протекает несколько функциональных процессов, каждый из которых состоит из определенной последовательности отдельных элементарных операций. Часть операций может выполняться параллельно разными элементами системы. Такие системы функционируют в соответствии с алгоритмическим принципом управления. В концептуальной модели должны быть конкретизированы все решающие правила и описаны алгоритмы управления совокупностью протекающих в системе, а следовательно, и в модели функциональных процессов.
Концептуальная модель предусматривает реализацию так называемого процесса локализации. Суть локализации заключается в описании грани исследуемой системы, а также в определении внешних объектов, с которыми взаимодействует система. К числу таких объектов относятся источники, создающие рабочую входную нагрузку для системы, а также управляющие и возмущающие воздействия. В концептуальной модели по возможности точно должны быть описаны величины и характер каждого из возможных внешних воздействий.
|
|
|
