Использование имитационного моделирования на этапах проектирования сложных систем

Актуальность создания современных технологий имитационного моделирования.

Технология – понятие, включающее в себя совокупность производственных процессов и операций, с помощью которых создаются определенные виды изделий, а также описание способов производства.

Поскольку программы для ЭВМ также являются изделиями, создаваемыми коллективами специалистов разной квалификации при значительных трудовых затратах, то актуальной является задача создания современной технологии производства таких программ. Имитационные модели являются специфичным и достаточно сложным программным изделием, и их разработка должна вестись с применением прогрессивной технологии.

Технология проектирования имитационной модели включает в себя методы и средства, обеспечивающие их создание и развитие в течение всего периода их жизни. Этот период включает этапы проектирования, изготовления и эксплуатации имитационной модели. Он начинается с формирования назначения и принципов построения имитационной модели и завершается после полного прекращения эксплуатации модели.

Как правило, имитационная модель является средством проектирования сложных систем. Технология их изготовления и использования увязана с технологией проектирования и эксплуатации объекта моделирования. Поэтому вначале рассмотрим вопросы применения имитационного моделирования на различных этапах проектирования сложных систем, затем рассмотрим собственно технологию создания и эксплуатации имитационных моделей.

Проектирование сложной системы представляет собой весьма трудоемкий процесс, в котором участвуют разные специалисты. Большие размеры системы, сложность поведения ее компонент, высокая стоимость разработки требуют методов математического моделирования на всех этапах проектирования такой системы. Поэтому моделирование сопровождает и процесс проектирования, и процесс испытания, и процесс эксплуатации сложной системы.

Этапы проектирования, предусматриваемые ГОСТами на разработку программных изделий, например ЕСПД.

1. Формулировка технического задания.

2. Разработка технических предложений по созданию изделия.

3. Разработка эскизного проекта.

4. Разработка технического проекта.

5. Рабочее проектирование.

6. Испытание изделия.

Понятия внешнего и внутреннего проектирования. На всех этапах проектирования специалистам приходится рассматривать две стороны объекта проектирования:

1. Внешнее проектирование – рассмотрение требований к системе со стороны внешней среды.

2. Внутреннее проектирование – рассмотрение организации функционирования сложной системы.

Формулировка технического задания. Начало работы над проектом сложной системы имеет целью сформулировать задачи проектирования и организовать рабочие группы по решению поставленных задач проектирования. Вначале образуется небольшая инициативная группа специалистов, которая на основе всесторонних обсуждений вырабатывает соответствующий документ.

Содержание документа, формулирующего техническое задание.

1. Формулировка проблем (результаты обсуждений).

2. Предлагаемые варианты решений (с указанием достоинств и недостатков каждого из них).

3. Предложения по необходимому составу специалистов, комплектованию и срокам подключения рабочих групп.

4. Грубая оценка времени и денежных средств, необходимых для разработки проекта.

В результате создается группа специалистов-проектировщиков, имеющая четко поставленную задачу проектирования сложной системы.

Разработка технических предложений.

На этом этапе предполагается:

1. Выбор наилучшего решения.

2. Укомплектование группы проектировщиков системы до полного состава.

3. Составление плана всех работ над проектом.

Для выбора наилучшего решения часть сил и средств направляется на поиск альтернативных решений. Для этого используются аналитические и имитационные модели. Затем наступает момент выбора решения. Многократно пересматривается формулировка задачи проектирования сложной системы. Основными средствами исследования являются математические модели проектируемого объекта.

Виды моделирования компонент при разработке технических предложений.

1. Проектирование единичной нити – проработка вопросов выполнения основных функций системы.

2. Проектирование большой нагрузки – просматривание действий системы, которые зачастую случайно распределены во времени.

3. Состязательное проектирование – нахождение на модели ответных действий системы на тот случай, когда внешняя среда пытается затруднить работу алгоритма системы.

Эти три вида работ должны осуществляться одновременно в течение проектирования. Этот этап характеризуется появлением большого количества новых идей решения проблемы, новых проработок по частным вопросам отдельных направлений работы. Новые идеи должны документироваться в виде рабочих записок или отчетов. С ними необходимо знакомить всех разработчиков. К этому времени должна быть укомплектована группа проектировщиков системы. Обязательно постоянство основного состава группы в процессе проектирования сложной системы. В результате их работы формулируется проблема, изыскиваются пути ее реализации, составляется план выполнения проекта системы.

План выполнения проекта системы должен:

1. Содержать график распределения времени по этапам работ с указанием необходимых средств и состава исполнителей.

2. Предусматривать консультации крупных специалистов по сложным вопросам.

3. Содержать заявки на проведение натурного и модельного экспериментов.

Эскизное проектирование. Этап начинается с разработки первого варианта того, что называется системой. Для этих целей требуется большое число экспериментов, в результате которых получают данные, позволяющие создать лучшую математическую модель сложной системы. На этапе эскизного проектирования решаются вопросы, допускающие многозначные ответы.

Отчетная документация этапа должна содержать:

1. Подробное описание работы всей системы в целом.

2. Четкое описание подсистемы (форма, количество и времена ее создания, алгоритм ее функционирования).

3. Перечень допустимых значений характеристик системы.

4. Хотя бы один метод физической реализации предложенного способа функционирования сложной системы.

5. Информацию об исследованиях других методов физической реализации предложенного способа.

Техническое проектирование.

Выполняется: когда система уже «заморожена» и идет отладочная работа.

Уточняются и детализируются алгоритмы функционирования компонент системы. На имитационных моделях проверяется, соответствуют ли компоненты системы своему назначению. На этом этапе наряду с множеством подмоделей компонент системы обязательны создание и испытание обобщенной имитационной модели самой системы, с помощью которой решаются все вопросы внешнего и внутреннего проектирования.

Отчетность: аналогична отчетности предыдущего этапа, но содержит более детализированные описания системы и ее компонент.

Рабочее проектирование.

Характеризуется: созданием опытного образца, предназначенного для испытания свойств системы.

Опытный образец системы должен иметь в своем составе контрольную аппаратуру. Зачастую при конструировании контрольной аппаратуры используются ЭВМ, позволяющие заменить ряд имитаторов-устройств соответствующими программами-имитаторами и таким образом автоматизировать процесс исследования свойств системы с помощью образца. На этом этапе должна быть разработана техническая документация.

Содержание технической документации.

1. Технические характеристики по эксплуатации опытного образца системы.

2. Полное описание всех технических решений, использованных при создании опытного образца.

Испытание изделия. Осуществляются испытание и оценка принятых проектных решений по созданию сложной системы. Основная цель испытания состоит в получении подтверждения, что система работает так, как предусматривалось при проектировании. В ходе испытания система отлаживается, исключаются неизбежные дефекты ее функционирования. Испытание проводится по плану испытаний, предусматривающему усложнение условий работы опытного образца в процессе испытания по специально разработанным методикам. В результате испытаний составляются отчеты. В них даются рекомендации по улучшению использования системы и производственных условий и приводятся результаты анализа различий между реальным образцом системы и ее моделью.