Формализация имитационной модели

На третьем этапе имитационного исследования осуществляется формализация объекта моделирования. Процесс формализации сложной системы включает:

выбор способа формализации;

и составление формального описания системы.

В процессе построения модели можно выделить 3 уровня ее представления:

неформализованный (этап 2) — концептуальная модель;

формализованный (этап 3) — формальная модель;

программный (этап 4) — имитационная модель.

Каждый уровень отличается от предыдущего степенью детализации моделируемой системы и способами описания ее структуры и процесса функционирования. При этом уровень абстрагирования возрастает.

Концептуальная модель -это систематизированное содержательное описание моделируемой системы (или проблемной ситуации) на неформальном языке. Неформализованное описание разрабатываемой имитационной модели включает определение основных элементов моделируемой системы, их характеристики и взаимодействия между элементами на собственном языке, могут использоваться таблицы, графики, диаграммы и т.д. Неформализованное описание модели необходимо как самим разработчикам (при проверке адекватности модели, ее модификации и т.д.), так и для взаимопонимания со специалистами других профилей.

Концептуальная модель содержит исходную информацию для системного аналитика, выполняющего формализацию системы и использующего для этого определенную методологию и технологию, т.е. на основании неформализованного описания осуществляется разработка более строгого и подробного формализованного описания.

Далее формализованное описание преобразуется в программу-имитатор также в соответствии с некоторой методикой (технологией программирования).

Аналогичная схема, кстати, имеет место и при выполнении имитационных экспериментов: — содержательная постановка отображается на формальную модель, после чего вносятся необходимые изменения и дополнения в методику направленного вычислительного эксперимента.

Основная задача этапа формализации -дать формальное описание сложной системы, свободное от второстепенной информации, имеющейся в содержательном описании, алгоритмическое представление объекта моделирования. Цель формализации — получить формальное представление логико-математической модели, т.е. алгоритмов поведения компонент сложной системы и отразить на уровне моделирующего алгоритма вопросы взаимодействия между собой этих компонент.

Может оказаться, что информации, имеющейся в содержательном описании недостаточно для формализации объекта моделирования. В этом случае необходимо вернуться к этапу составления содержательного описания и дополнить его данными, необходимость в которых обнаруживается при формализации объекта моделирования. На практике таких возвратов может быть несколько.

Формализация полезна в определенных пределах и для простых моделей неоправданна.

Наблюдается существенное разнообразие схем (концепций) формализации и структуризации, нашедших применение в имитационном моделировании. Схемы формализации ориентируются на различные математические теории и исходят из разных представлений об изучаемых процессах —отсюда их многообразие —отсюда проблема выбора подходящей (для описания данного объекта моделирования) схемы формализации.

Для дискретных моделей, например, могут применяться процессно-ориентированные системы (process description), системы, основанные на сетевых парадигмах (network paradigms), для непрерывных -потоковые диаграммы моделей системной динамики.

Наиболее известные и широко используемые на практике концепции формализации: агрегативные системы и автоматы; сети Петри и их расширения; модели системной динамики, которые подробно мы будем изучать в лекции 4.

В рамках одной концепции формализации могут быть реализованы разнообразные алгоритмические модели. Как правило, та или иная концепция структуризации (схема представления алгоритмических моделей) или формализации на технологическом уровне закреплена в системе моделирования, языке моделирования. Концепция структуризации более или менее явно лежит в основе всех имитационных систем и поддерживается специально разработанными приемами технологии программирования. Это упрощает построение и программирование модели. Например, язык моделирования GPSS, имеет блочную концепцию структуризации, структура моделируемого процесса изображается в виде потока транзактов, проходящего через обслуживающие устройства, очереди и другие элементы систем массового обслуживания.

В ряде современных систем моделирования, наряду с аппаратом, поддерживающим ту или иную концепцию структуризации, имеются специальные средства, обеспечивающие применение в системе определенной концепции формализации.

В основе построения имитационных моделей лежат современные методы структуризации сложных систем и описания их динамики. Широко используются в практике анализа сложных систем следующие модели и методы:

сети кусочно-линейных агрегатов, моделирующие дискретные и непрерывно-дискретные системы;

сети Петри (сети событий, Е-сети, КОМБИ-сети и др. расширения), применяемые при структуризации причинных связей и моделировании систем с параллельными процессами, служащие для стратификации и алгоритмизации динамики дискретных и дискретно-непрерывных систем;

потоковые диаграммы и конечно-разностные уравнения системной динамики, являющиеся моделями непрерывных систем;

и другие.

В лекции 4 мы подробно рассмотрим некоторые полезные концепции формализации.