Тема2.5 Имитационное моделирование.

Развитие моделей, использующих имитационный подход, связано с необходимостью исследования очень сложных систем. Аналитические и численные методы применены далеко не для всех систем.

Ситуации, когда исследователю рекомендуется применять модели, имитирующие поведение реального объекта:

1) если не существует законченной постановки задачи исследования и идет процесс познаний объекта моделирования или отдельных его элементов;

2) если аналитические методы имеются, но математические процедуры трудно реализуемы, сложны и трудоемки;

3) когда кроме оценки влияния параметров сложной системы желательно осуществить наблюдения, за поведением отдельных компонентов этой системы, в течении определенного периода времени;

4) когда имитационный подход оказывается единственным способом исследования сложной системы из-за невозможности наблюдения явлений в реальной обстановке;

5) когда необходимо контролировать протекание процессов в сложной системе путем замедления или ускорения явлений в ходе имитации;

6) при подготовке специалистов и освоения новой техники, когда имитатор обеспечивает возможность приобретения необходимых навыков в эксплуатации новой техники.

7) когда изучаются новые ситуации в сложных системах. В этом случае имитация служит для предварительной проверки новых стратегий и правил принятия решений перед проведением экспериментов на реальной системе.

8) когда основное значение имеет последовательность событий в проектируемой сложной системе.

Имитационный подход, оправдан, если вопросы на которые должна ответить модель, относятся к не выявлению Фундаментальных законов и причин, определяющих динамику реальной системы, а к анализу проведения системы.

1. Особенности моделей, использующих имитационный подход.

Суть подхода, используемого при разработке имитаторов, состоит в том, что процесс функционирования сложной системы представляется в виде определенного алгоритма, реализуемого на ЭВМ.

Для систем состоящих из множества элементов, приходится строить модель не только всей системы, но и отдельных элементов. Как и для аналитического подхода, разработка имитатора ведется с использованием некоторой совокупности гипотез. Изменение даже одной гипотезы для одного из элементов системы может привести к необходимости пересмотра всей модели системы и поиску новых методов исследования. Имитационный подход позволяет максимально использовать всю имеющуюся информацию в системе.

Имитаторы используются для моделирования сложных динамических систем. При моделировании обычно используются три представления времени:

- реальное время моделируемой системы;

- модельное время, по которому используется синхронизация событий в системе;

- машинное время имитации, отражает затраты ресурсов времени ЭВМ на организацию имитации.

Еще одной особенностью имитационного подхода является относительная простота учета стохастической неопределенности исходных параметров моделирования.

Построение имитатора можно представить как технологический процесс, который можно разбить на восемь технологических этапов:

1) Содержательное описание объекта моделирования, формулирует основные вопросы о поведении сложной системы, ответы на которые требуется получить: определяется объект имитации; устанавливаются границы и ограничения моделирования; выбираются показатели для сравнения эффективности вариантов системы.

2) Концептуальная модель систем: на основе содержательного описания определяется общий замысел модели, выдвигаются основные гипотезы, фиксируются сделанные допущения. Концептуальная модель сложной системы представляет собой упрощенное алгоритмическое отображение реальной системы. В состав концептуальной модели входит: уточнение описания объекта моделирования, список параметров и переменных моделирования критерии эффективности функционирования вариантов системы, список используемых методов.

3) Формальное описание объекта моделирования: построение исследователем формального представления алгоритмов поведения компонентов сложной системы и отражения вопросов взаимодействия компонентов между собой.

4) Конструирование имитатора: преобразование формального описания в описании имитатора. Данный этап вводится для сложных систем. Здесь прорабатываются вопросы, связанные с синхронизацией частей компонентов модели в модельном времени, организацией сбора статистики, знанием начальных условий моделирования, обработкой результатов имитации.

5) Программирование и отладка модели: Отладочный процесс обязательно включает как независимую отладку программы для всей модели. Данный этап предполагает разработку технической документации на программную реализацию модели.

6) Испытание и исследование модели: проверка правильности алгоритма моделирования исследуемого объекта в ходе имитации его поведения; определения степени адекватности модели и объекта исследования.

Под адекватностью программной реализации имитатора понимают степень совпадения с заданной точностью векторов характеристик поведения объекта и модели.

Исследование свойств имитатора предполагает оценку точности и устойчивости результатов имитации явлений, а так же определение чувствительности значений критериев качества к изменению параметров модели.

Под точностью имитации явления понимают оценку влияния стохастических элементов на функционирование модели сложной системы.

Устойчивость результатов моделирования характеризуется сходимостью контролируемых параметров к определенным величинам при увеличении времени моделирования варианта сложной системы, что обычно наблюдается на практике в системах с конечным числом состояний.

Стационарность режима моделирования характеризует некоторое установившееся равновесие процессов в модели системы при котором дальнейшее увеличение времени моделирования не приводит к получению новой информации.

Чувствительность модели определяется величиной минимального приращения значений выбранного критерия качества, вычисляемого по статистикам моделирования, при последовательном изменении параметров моделирования на всем диапазоне.

7) Эксплуатация имитатора. Этап начинается с составления плана экспериментов, позволяющего исследователю получить максимум информации при минимальных затратах на проведение вычислений и обработку результатов. Планирование экспериментов представляет собой процедуру выбора минимального числа и условий проведения поставленной задачи с заданной точностью. После составления плана преступают к реализации. Итогом работы являются результаты экспериментов на модели.

8) Анализ результатов моделирования: всесторонний анализ полученных результатов с целью получения рекомендаций по проектированию системы. На результаты анализа влияние может оказывать представление данных на ЭВМ, использование компьютерной графики и мультипликации может оказать существенную помощь.

Достоинства и недостатки имитационного подхода

Достоинства: при достаточно глубоком знании поведения реальной системы и правильном представлении информации в имитаторе характеризуется большой близостью к реальной системе, чем аналитические и численные модели.

Недостатки: обязательное присутствие в цикле создания имитатора этапа программирования, стоимость, сложность и длительность которого может быть значительной. Необходимость использовать ЭВМ соответствующего класса в значительной степени осложняет использование модели. А так же срок жизни имитатора ограничен сроком использования ЭВМ, для которых была разработана его программная реализация.

2. Условия построения аналитической модели.

- Система должна быть относительно простой.

- Потоки события между элементами системы должны быть простейшими или близкими к ним.

При невыполнении данных условий аналитическое моделирование используется лишь в некоторых частных случаях, когда после принятия дополнительных гипотез возможно разрешение возникающих сложностей. Если эти сложности при математическом моделировании являются непреодолимыми, то представляется не целесообразным применение моделей, использующих имитационный подход.

Дата добавления: 2015-07-08