Технологические этапы создания и использования имитационных моделей

Схема взаимосвязи технологических этапов моделирования приведена на рис. 1.

1. Составление содержательного описания объекта моделирования: определение объекта имитации, установление границ и ограничений моделирования, выбор показателей для сравнения эффективности вариантов системы.

Результаты: содержательное описание объекта моделирования, выполненное на языке, принятом при составлении технических отчетов и понятном заказчику, с указанием целей имитации и аспектов функционирования объекта моделирования, которые необходимо изучить на имитационной модели. Обычно оно представляет собой:

• техническое описание объекта моделирования,
• описание внешней среды, с которой взаимодействует объект моделирования,
• временную диаграмму взаимодействия внешней среды с объектом моделирования.

1.1. Постановка задачи моделирования. Это начало создания имитационной модели. Но зачастую заказчик ставит задачу недостаточно четко. Поэтому работа обычно начинается с поискового изучения системы. Оно порождает новую информацию, касающуюся ограничений, задач и возможных альтернативных вариантов. Отправной точкой при построении модели сложной системы можно считать исходную документацию на существующую систему или техническое задание на проектируемую систему. Совокупность сведений об объекте моделирования представляется в ней в виде схем, текстов, таблиц экспериментальных данных, характеризующих предполагаемую структуру и функционирование системы. В исходной документации одновременно могут быть избыток информации об одних аспектах поведения системы и недостаток информации о других аспектах. Имеется также информация о внешних воздействиях и окружающей среде. Как правило, информации, представленной в исходной документации, бывает недостаточно для описания поведения сложной системы и изучения различных сторон ее поведения. Зачастую это и не требуется. Задача может оказаться значительно уже. Поэтому необходимо сначала четко определить цель будущего исследования на модели, а затем в соответствии с этой целью переработать весь объем исходной информации и восполнить недостающую информацию. На этом этапе исследователь широко применяет опрос инженерно-технического персонала или специалистов, имеющих опыт работы с прототипом проектируемой или реально существующей системы, поведение которой необходимо исследовать.

Результаты:

· Четкая формулировка целей и задач исследования реальной системы.

· Обоснование необходимости имитационного моделирования.

· Определение имеющихся ресурсов для имитационного моделирования.

· Определение возможности разделения задачи на подзадачи.

1.2. Определение требований к исходной информации и ее сбор. Требования к исходной информации определяются в соответствии с целью исследования. Исходная информация должна быть достаточной для изучения тех сторон функционирования объекта имитации, которые представляют интерес для исследователя. Именно от качества исходной информации об объекте моделирования зависят как адекватность модели, так и достоверность результатов моделирования.

1.3. Выдвижение гипотез и предположений. Устанавливаются границы изучения функционирования объекта. Составляется возможный список ограничений модели, которые допустимы при организации имитации или при наличии которых еще имеет смысл имитация функционирования объекта моделирования. Гипотезы при построении модели системы служат для заполнения «пробелов» в понимании задачи исследователем. Предположения дают возможность провести упрощение модели.

1.4. Выбор показателей и критериев качества (эффективности) моделируемой системы. Определяется теми задачами, для решения которых и строится модель. Часто наблюдается плохая тенденция имитировать все, что касается поведения объекта исследования. Следует строить модель, ориентированную на решение лишь тех вопросов, на которые требуется найти ответы, а не имитировать реальную систему во всех подробностях. Можно сослаться на закон Парето.

Закон Парето: в каждой группе или совокупности существует жизненно важное меньшинство и тривиальное большинство. Ничего действительно важного не происходит, пока не затронуто жизненно важное меньшинство.

На первом этапе важно отделить главное от второстепенного. Выбор цели моделирования определяет характеристики, которые отражают поведение сложной системы. В дальнейшем вся работа сводится к выявлению и детализации тех аспектов функционирования системы, которые имеют отношение к выбранным показателям.

1.5. Определение управляющих переменных системы. Изучается информация, относящаяся к управлению системой. Устанавливается состав управляемых и контролируемых характеристик объекта моделирования. Прежде всего выделяются те характеристики управления системой и контроля за ее работой, которые имеют отношение к цели моделирования. Все составляющие функциональной зависимости, определяющие значение показателя качества (эффективности) системы включаются в состав управляющих переменных и контролируемых характеристик моделирования.

1.6. Детализация описания режимов функционирования системы. Перерабатывается и дополняется имеющаяся информация для возможного выделения алгоритмов функционирования в каждом из режимов работы системы. Любые неясности устраняются. Составляются временные диаграммы функционирования системы. Определяются наиболее неясные или сложные моменты функционирования компонент системы, устанавливается последовательность действий этих компонент, выделяются вероятные места возникновения конфликтных ситуаций и приводится принятый порядок их разрешения в системе.

1.7. Составление описания внешней среды. Информация о поведении внешней среды берется из технического задания. В случае моделирования отдельных аспектов функционирования существующей системы проводится исследовательская работа, цель которой состоит в определении алгоритмов взаимодействия системы с внешней средой. Иногда возможны модификация или пополнение состава управляющих переменных системы из-за детализации алгоритмов взаимодействия между системой и внешней средой.

2. Составление концептуальной модели: формулировка замысла модели, переход от реальной системы к логической схеме ее функционирования.

Актуальность: при создании небольших моделей данный этап совмещается с составлением содержательного описания, которое в этом случае практически представляет собой концептуальную модель; этап необходим только с усложнением объекта моделирования и задач имитации.

Главная цель: определение того способа формализации, который наиболее подходит для решения конкретной задачи проектирования.

Общее представление концептуальной модели: упрощенное алгоритмическое отображение реальной системы.

Рекомендации Н. П. Бусленко: сложная система расчленяется на конечное число частей (декомпозиция системы), сохраняя при этом связи, обеспечивающие их взаимодействие; полученные части при необходимости вновь расчленяются до тех пор, пока не получатся элементы, удобные для математического или алгоритмического описания; в результате этого сложная система представляется в виде многоуровневой конструкции взаимосвязанных элементов, объединяемых в подсистемы (подмодели) различных уровней; при этом стремятся к тому, чтобы получаемые подмодели отвечали реально существующим фрагментам системы.

Виды концептуальных моделей.

· Основной удельный вес в выполняемых функциях модели занимают стохастические элементы при достаточно простом алгоритме функционирования компонент системы, при этом основным математическим методом является метод статистических испытаний (имитационные модели, предназначенные для отработки вопросов оптимизации архитектуры системы).

· Основным в модели является представление алгоритмических аспектов ее функционирования (имитационные модели, предназначенные для поиска узких мест в будущей системе).

Узкое место в системе – такая ситуация, когда скорость поступления запросов одних компонент системы на некоторый общий ресурс системы превышает скорость их удовлетворения со стороны управляющей части системы; в результате к этим ресурсам в системе выстраиваются длинные очереди заказов от компонент системы; в то же время другие ресурсы могут оставаться неиспользованными.

Виды ресурсов системы.

· Механизмы и приспособления общего пользования.

· Места, где выполняются некоторые типовые операции многими компонентами системы.

· Персонал или ремонтные бригады, последовательно обслуживающие различные компоненты сложной системы.

Содержание выполнения этапа: для всех применяемых способов формализации исследователь должен выполнить последовательность подэтапов; сравнивая получаемые при каждом способе формализации результаты, делается окончательный выбор.

2.1. Декомпозиция сложной системы. Просматривая трудности декомпозиции реальной системы при каждом из возможных способов имитации, исследователь ранжирует их по предпочтительности с точки зрения удобства декомпозиции объекта моделирования.

2.2. Выбор параметров и переменных модели. Изучение влияния изменения значений параметров (выбираются произвольно) на исследуемую систему представляет цель имитации. Переменные модели могут принимать только вполне определенные значения, задаваемые перед началом имитации. Прорабатывая вопросы параметризации объекта моделирования, исследователь определяет для себя степень удобства каждого способа имитации с точки зрения задания параметров моделирования.

Характеристики, входящие в состав функций показателей качества (эффективности).

· Параметры модели (являются варьируемыми характеристиками в функциях).

· Статистики моделирования (измеряются в ходе моделирования, и по окончании очередной имитации варианта системы их значения подставляются в функцию показателя).

Содержание описания параметра:

· Определение и идентификатор.

· Единицы измерения.

· Диапазон изменения.

· Качественные характеристики (однозначный-многозначный, регулируемый-нерегулируемый).

· Место применения в модели.

· Источник получения значений параметра.

2.3. Уточнение критериев эффективности функционирования системы. Уточняется зависимость критериев эффективности моделируемой системы от накапливаемой статистики моделирования и определяется место и моменты включения процедур для вычисления статистик.

2.4. Аппроксимация реальных процессов математическими выражениями. Сопоставляется величина ошибки от аппроксимации функциональных действий в реальных процессах при каждом из способов имитации и сложность выполнения такой аппроксимации.

Факторы сложности выполнения аппроксимации функциональных действий.

· Количество активностей.

· Число взаимосвязей между активностями.

· Трудность написания и наглядность представления алгоритмов активностей.

· Возможность реализации алгоритмов активностей на базовом языке программирования, имеющемся в распоряжении исследователя.