Раздел 2, Введение в имитационное моделирование
2.
осуществляется в виде текстового отчета, а также компьютерной
презентации, необходимой для проведения публичного обсуж
дения и защиты проекта. При оформлении результатов реко
мендуется опираться на требования стандартов и регламентов,
предъявляемых к технической документации, в соответствую
щих предметных областях (ЕСКД, СПДС и пр.).
В процессе имитационного моделирования наиболее слож
ным и ответственным моментом представляется формулировка
выводов или принятие проектных решений, которые определя
ют новизну и практическую ценность выполненного исследова
ния. Сделанные по результатам вычислительных экспериментов
выводы, а также принятые технические решения в значительной
мере характеризуют личность и научную квалификацию иссле
дователя.
При традиционном (неавтоматизированном) подходе к ком
пьютерному моделированию основное значение всегда при
давалось этапу программирования. Разрабатываемая с исполь
зованием алгоритмических языков компьютерная программа
описывает как структуру системы, так и предопределяет схему
проведения вычислительного эксперимента. Обработка сведен
ных к табличной форме результатов исследований поведения
системы выполняется при этом чаще всего вручную или с ис
пользованием стандартных инструментов деловой графики из
популярных офисных редакторов.
Достоинства такого подхода: техническая простота, гибкость
и универсальность, которые проявляются вследствие природной
гибкости и универсальности компьютерного программирования
как способа описания моделей. У опытного программиста по
лучаются компактные и эффективные в вычислительном отно
шении модели, которые легко им самим модифицируются, опи
сываются и развиваются. Кроме того, можно отметить важные
дидактические функции программирования как учебной мето
дики моделирования. Неавтоматизированное (ручное) состав
ление моделирующей программы требует практического освое
ния языка моделирования, а длительный процесс написания
и отладки программы способствует изучению и закреплению
теоретических знаний как о методике, так и о предмете исследо
вания. Однако обратной, негативной стороной этих достоинств
выступает высокая трудоемкость и длительность разработки мо-
делей что часто представляется непреодолимым препятствием
я промышленного внедрения неавтоматизированной методи
ки моделирования.
С появлением интерактивных программ-оболочек (сред)
имитационного моделирования существенно изменилась техно
логия моделирования, которая теперь рассматривается как авто
матизированный процесс построения и исследования моделей,
имеющий программную поддержку моделирующей среды. Но
и в этом случае необходим осознанный выбор специалистом
адекватной методики описания системы и обоснование соот
ветствия средств и возможностей выбранной модельной среды
объекту и задачам моделирования. Если инструментарий при
кладной программной оболочки соответствует целям и объ
екту моделирования, то становится возможным составление
практически ценной и эффективной имитационной модели без
прямого программирования. Такую информационную техноло
гию иногда называют «визуальным программированием», пред
ставляющим собой автоматизированное составление програм
мы человеком в диалоговой среде, с использованием типовых
графических схем и команд, выбираемых из пользовательского
меню. Данная методика, несомненно, проще для неподготов
ленного пользователя. Диалог не требует от пользователя авто
матизированной системы моделирования глубокого изучения
синтаксиса алгоритмического языка, значительно сокращает
время и трудоемкость моделирования. Однако за такие достоин
ства приходится платить существенно меньшей, по сравнению
с «прямым» программированием, гибкостью и универсальностью
инструментария, ограниченного рамками среды моделирования.
Генерируемые автоматизированной средой модельные програм
мы обычно получаются более громоздкими и менее эффектив
ными в вычислительном отношении. Чаще всего для проведения
вычислительного эксперимента они требуют обязательного на
личия у заказчика на компьютере не только разработанной про
граммистом модели, но и прикладной среды, то есть работают
режиме интерпретации.
в
При рассмотрении содержания основных этапов работ можно
констатировать, что в процессе имитационного моделирования
73
2 5. Программные средства имитационного моделирования
выступает компьютерное моделирование. Известны критерии
используется взаимосвязанный набор, симбиоз различных ма
системности получаемых решений, такие как: иерархичность, де
тематических методов и информационных технологий, необ
композиция, системное единство и пр. Их мы обсудим более под
ходимых для реализации каждой конкретной модели. Так, на
робно в последующих главах, опираясь на примеры разработки
ранних этапах применяются символьные модели, и даже вер
автоматизированных систем проектирования изделий и процес
бальные описания, характерные для концептуального модели
сов машиностроения. Если цель моделирования сформулиро
рования, графо-аналитические и структурно-функциональные
вана качественно, тогда в процессе синтеза модели обязательно
конструкции используются для представления структуры систе
должны использоваться неформальные творческие способно
мы, логико-математические и аналитические модели применя
сти человека. Если удается дать количественную формулировку
ются для описания отдельных блоков имитационной модели,
цели, то можно уже говорить о наличии целевой функции, что
алгоритмические модели — для описания динамики системы.
позволяет автоматизировать и само моделирование.
В процедурах обработки и анализа результатов вычислительного
эксперимента используются методы теории вероятности и тео
рии принятия решений. Технология проведения и планирования
вычислительного эксперимента, с соответствующими математи
2.5.
ческими методами, привнесена в имитационное моделирование
из натурного моделирования.
Одним из ярко выраженных направлений компьютерного
П р о г р а м м н ы е средства
и м и т а ц и о н н о г о моделирования
моделирования можно считать стремление к автоматизации по
строения моделей с целью сокращения времени и трудоемко
сти решения практических задач, но при этом нельзя недооце
нивать главенствующую роль человека. Создание любой, хоть
сколь-либо нетривиальной модели, основано на использовании
чисто человеческих качеств, таких как интуиция, воображение,
творческое мышление. На большинстве этапов от разработчи
ка имитационной модели требуются как формальное знание
предметной области и методики эксперимента, так и наличие
трудноформализуемых умений и навыков решения задач моде
лирования. Например, достаточно глубокие предметные знания
и понимание сути изучаемого явления необходимы для проведе
ния предварительного анализа любого реального объекта. Плюс
к этому, надо иметь развитые навыки абстрагирования для вы
явления упрощенной, но адекватной модели сложной системы.
Еще более важными считаются умения и навыки интерпретации
результатов моделирования. Особого внимания и обсуждения
заслуживает необходимость обоснования адекватности, сходи
мости и точности разработанных моделей.
В системном анализе существуют выверенные принципы ор
ганизации проектирования систем, составной частью которого
74
При выборе программных средств имитационного моделиро
вания следует учитывать следующие основные факторы и харак
теристики.
Одним из важнейших свойств, которым должен обладать про
граммный продукт имитационного моделирования, является его
гибкость и универсальность. То есть возможность моделировать
системы различного типа и сложности. В этом случае трудно
обойтись только командами интерактивной пользовательской
среды, не прибегая к прямому программированию.
Следующим важным свойством любого прикладного про
граммного продукта выступает простота и легкость в практи
ческом применении, которое в значительной мере противоречит
первому требованию. Чем проще программная среда, тем больше
ограничений она накладывает на возможности моделирования.
В итоге можно сделать вывод, что при выборе инструменталь
ной системы придется искать компромисс между универсально
стью и простотой либо выбирать узкоспециализированные про
граммы для решения различных по типу задач.
Для обучения имитационному моделированию требуется,
чтобы среда разработки имела интуитивно понятный интерфейс
или, как говорят, «дружественный диалог» на родном языке,
75
2.5. Программные средства имитационного моделирования
исследуемых систем: непрерывные, дискретные и комбиниро
была снабжена хорошими руководствами, всплывающими под
сказками, развитой подсистемой помощи, а еще лучше — элек
тронным учебником, демонстрирующим приемы работы. Не по
мешает наличие набора типовых примеров с решениями.
Программная среда должна быть снабжена интерактивными
средствами отладки программы, которые позволяют: отслежи
вать состояние всех переменных; оперативно устанавливать их
значения; пошагово контролировать прогон вычислительного
эксперимента.
Для комплексного применения компьютерных технологий
необходимо иметь возможность импортировать данные из дру
гих приложений и экспортировать данные в популярных форма
тах передачи данных, например, в таблицы Excel или стандарт
ные записи баз данных.
В современных программах обязательным считается наличие
средств автоматизации статистического анализа и обработки ре
зультатов расчетов, а также подсистемы деловой графики.
2.5.1. Языки имитационного молелирования
В специализированном программном обеспечении имита
ционного моделирования используются проблемно-ориенти
рованные процедурные языки. Высокий уровень проблемной
ориентации языка моделирования значительно упрощает про
граммирование и отладку имитационной модели. Такой язык
содержит синтаксические конструкции, непосредственно от
ражающие понятия, в которых представлена формализованная
модель, и близкие концептуальному уровню описания модели
руемой системы, имеют встроенные средства управления имита
ционным экспериментом.
Концепция объектно-ориентированного программирования
была впервые реализована в языке СИМУЛА, разработанном
в Норвежском вычислительном центре. В среде профессионалов
широко известен язык имитационного моделирования СЛАМ,
разработанный профессором университета Пурдью (штат Ин
диана) Аленом Прицкером [46, 19].
Языки имитационного моделирования можно классифици
ровать по трем основным группам, соответствующим трем типам
76
ванные.
Классическим языком первого типа является язык DYNAMO,
разработанный Дж. Форрестером [62].
Ко второму типу относится широко известный и распростра
ненный язык для моделирования дискретных систем — GPSS
[19,49,129]. Основная область применения GPSS — это модели
рование систем массового обслуживания. Развитие языка GPSS,
разработанное компанией Minuteman и названное GPSS World
[139], может моделировать как дискретные, так и непрерывные
процессы. Эта новая версия классического языка моделирова
ния позволяет использовать возможности операционной систе
мы Windows, обеспечивающие интерактивность и визуальное
представление информации.
В GPSS World включен полноэкранный текстовый редактор,
позволяющий работать сразу с несколькими объектами (текст
модели, журнал, отчет и т.д.). Графический интерфейс редак
тора дает возможность интерактивно взаимодействовать с вы
полняющимися процессами моделирования, а также применять
несколько окон для отображения их работы. Классический язык
GPSS дополнен вспомогательным объектно-ориентированным
языком PLUS (Programming Language Under Simulation), кото
рый содержит большую библиотеку стандартных процедур и на
бор настроек. За время своего развития GPSS World превратился
в универсальную среду имитационного моделирования общего
назначения, приспособленную для профессионалов, и охваты
вает самые различные предметные области.
Локализация GPSS World для России (русификация про
граммного и методического обеспечений) выполнена казанской
фирмой «Элина-Компьютер» [122], которая не только занимает
ся внедрением и распространением программ, но и поддержи
вает один из самых популярных российских сайтов по имитаци
онному моделированию [129], организует научные конференции
семинары по данной тематике. Основные направления своей
и
Деятельности — это российское сообщество специалистов по
имитационному моделированию видит в достижении двух прио
ритетных задач: объединение всего процесса имитационных ис
следований в рамках единой программной среды; превращение
77