4.КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

4.1.Общая характеристика компьютерного моделирования. Классификация компьютерных моделей

Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем, к которым относятся строительные и дорожные машины. Предметом компьютерного моделирования применительно к техническим наукам могут быть сложные технические системы, конструкции машин, комплексов, оборудования, технологический процесс производства с большим количеством связей и операций процессов, системный анализ

комплектов. Необходимо отметить, что компьютерное моделирование

объектов при проведении сервисных работ по техническому обслуживанию, диагностированию и ремонтуИоборудования, машин и

экспериментальных исследований с последующим испытанием в реальных условиях готового опытного образца машины, оборудования, агрегата.

применимо для проведения большогоДколичества промежуточных

Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их

возможности проводить вычислительные эксперименты, в тех

моделей позволяет определить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения её параметров и начальных условий [28]. В настоящее время с помощью методов графического и компьютерного моделирования возможна разработка конструкций деталей, узлов, агрегатов машин, металлоконструкций, их 3D-моделей. Системы автоматизации систем проектирования и роботизации технологических процессов уже невозможно представить без применения компьютерных технологий. Компьютерное моделирование является основой современных измерительных и регистрирующих комплексов, применяемых как в виде встроенных,

87

так и самостоятельных систем для экспериментальных и диагностических исследований техники.

Компьютерное моделирование – процесс создания и исследования моделей с помощью компьютера.

Компьютерная модель – это модель, реализованная средствами программной среды (рис. 4.1).

Рис. 4.1.иКомпьютернаябмодель трактора РТ-М-160

Компьютерное моделирование дает возможность:

• расширить круг исследовательских объектов: становится возможным изучать неповторяющиеся явления, явления прошлого и будущего, объекты, которые не воспроизводятся в реальных условиях;

• визуализировать объекты любой природы, в том числе и

•получать разные характеристики объекта в числовом или графическом виде;

•находить оптимальную конструкцию объекта, не изготовляя его пробных экземпляров;

•проводить эксперименты без риска негативных последствий для здоровья человека или окружающей среды.

Выделяют следующие виды моделирования:

1. Физическое моделирование. Так как компьютер может быть

представлен как часть экспериментальной установки или тренажера, то он воспринимает внешние сигналы, осуществляет соответствующие расчеты и выдает сигналы, управляющие различными манипуляторами.

2. Динамическое или численное моделирование предполагает численное решение системы алгебраических и дифференциальных

на ЭВМ с требуемой точностью. Имитационное моделирование предусматривает формальное описание логики функционирования исследуемой системы с течением времени, которое учитывает

исследования поведения экономических, биологических, социальных и иных систем, обучающих программ и анимаций. Например, модель технологического процесса, некоторой отрасли производства и т.д.

4. Статистическое моделирование используется для изучения стохастических систем и состоит в многократном проведении

вычислительных сетей, различных динамических систем, на которые воздействуют случайные факторы. Статистические модели применяются при решении вероятностных задач, а также при обработке больших массивов данных (интерполяция, экстраполяция, регрессия, корреляция, расчет параметров распределения и т. д.). Они отличаются от детерминированных моделей, использование которых предполагает численное решение систем алгебраических или дифференциальных уравнений либо замену изучаемого объекта детерминированным автоматом.

5.Информационное моделирование заключается в создании информационной модели, то есть совокупности специальным образом организованных данных (знаков, сигналов), отражающих наиболее

существенные стороны исследуемого объекта. Различают наглядные, графические, анимационные, текстовые, табличныеИинформационные модели. К ним относятся всевозможные схемы, графы, графики, таблицы, диаграммы, рисунки, анимацииД, выполненные на ЭВМ, в том числе цифровая карта звездного неба, компьютерная модель земной поверхности и т.д.

6.Моделирование знанийАпредполагает построение системыб

доказательства теорем, математических преобразований, построения роботов, использования естественного языка для общения с ЭВМ.

В процессе создания компьютерной модели полезно разработать удобный интерфейс, который позволит визуализировать формальную модель, а также реализовать интерактивный диалог человека с компьютером на этапе исследования модели.

Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной модели:

1)построение алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;

2)построение компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, систем управления базами данных (СУБД) и др.).

90

Электронная таблица – компьютерная программа, позволяющая проводить вычисления с данными, представленными в виде двумерных массивов, имитирующих бумажные таблицы.

продукты этогоСкласса: SuperCalc, Microsoft MultiPlan, Quattro Pro, Lotus 1-2-3, Microsoft Excel, OpenOffice.org Calc, таблицы AppleWorks

и gnumeric, минималистический Spread 32. Окно программы Microsoft Excel в виде электронной таблицы приведено на рис. 4.2.

Система управления базами данных (СУБД) – совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных. Основные компоненты системы управления базами данных представлены на рис. 4.3.

91

Удобной формой представления логической структуры моделей процессов функционирования систем является схема. На различных этапах моделирования составляются обобщенные и детальные логические схемы моделирующих алгоритмов, а также схемы программ.

Обобщенная схема модели (укрупненная) задает общий порядок действий без каких-либо уточняющих деталей. Она показывает, что необходимо выполнить на очередном шаге.

Детальная схема модели содержит уточнения, отсутствующие в обобщенной схеме, и показывает не только то, что следует выполнить на очередном шаге, но и как это выполнить.

Логическая схема моделирующего алгоритма представляет

Различие между бэтимиАсхемами заключается в том, что логическая схема отражаетилогическую структуру модели процесса функционирования с стемы, а схема программы – логику машинной реализации Смодели с спользованием конкретных средств программной реал зац модели [7].

математического обеспечения конкретной ЭВМ и представляет собой интерпретацию логической схемы моделирующего алгоритма разработки программы.

Рассмотрим подэтапы, выполняемые при алгоритмизации и программировании модели, обращая внимание на задачи каждого подэтапа и методы их решения:

1. Построение логической схемы модели. Рекомендуется строить модель по блочному принципу. Построение модели системы из блоков обеспечивает необходимую гибкость модели в процессе эксплуатации, а также дает ряд преимуществ на стадии ее машинной отладки. При построении блочной модели проводится разбиение процесса функционирования системы на отдельные достаточно автономные подпроцессы. Блоки модели бывают основные и вспомогательные. Каждый основной блок соответствует некоторому подпроцессу, имеющему место в моделируемой системе, а вспомогательные блоки представляют лишь составную часть

95

машинной модели и необходимы только для машинной реализации модели, фиксации, обработки результатов моделирования.

2.Получение соотношений модели. Одновременно с построением логической схемы модели необходимо, где это возможно, получить математические соотношения в виде явных функций. Схема машинной модели должна представлять собой полное отражение концепции, заложенной в модели, и иметь описание всех блоков модели с их наименованиями; единую систему обозначений и нумерацию блоков; отражение логики модели, задание математических соотношений в явном виде.

3.Проверка достоверности модели системы. Проверка модели

на рассматриваемом подэтапе должна дать ответ на вопрос, насколько

Необходимо сделать выбор средствАдля реализации модели на основе следующих требований: наличие необходимого математического обеспечения; доступностьбвыбранной ЭВМ для разработчика модели.

5. Разработка плана выполнения работ по программированию.

Такой план помогает учесть оценки объема программы и трудозатрат на ее составление. Он должен включать в себя обоснование языка

6.ПостроениеСсхемы программы. Наличие логической схемы модели позволяет построить схему программы. Это одна из основных задач на этапе машинной реализации модели.

7.Проверка достоверности схемы программы. Проводитсяи оценку

проверка соответствия каждой операции, представленной в схеме программы, аналогичной ей операции логической схемы.

8. Проведение программирования модели. При достаточно подробной схеме программы, отражающей все операции логической схемы модели, можно приступать к программированию модели. Часто переход от схемы к программе является чисто формальным шагом, так как заключается в записи пространственной структуры в линейном виде.

96

9.Проверка достоверности программы. Эта проверка должна проводиться либо путем обратного перевода программы в ее схему, либо проверкой отдельных частей программы при решении тестовых задач, либо объединением всех частей программы и проверкой ее в целом. Необходимо также уточнить оценки затрат машинного времени на моделирование.

10.Составление технической документации по проделанному

этапу. Техническая документация по данному этапу содержит логическую схему модели и ее описание, схему программы и принятые обозначения, полный текст программы, перечень входных и выходных величин с пояснениями, инструкцию по работе с программой, оценку затрат машинного времени на моделирование.

4.3. Основные этапы компьютерногоИмоделирования

рис. 4.5.

Схема этапов компьютерногоДмоделирования изображена на

При реализации этапов компьютерного моделирования

концептуальная модельб. ОАосновываются эффективность и целесообразность моделированияи системы.

выполняется следующее:

Этап 1. Анализ требований и проектирование. На первом этапе обозначаются цель и задачи моделирования. Разрабатывается

Концептуальная модель (КМ) – модель предметной области, состоящей из Сперечня вза мосвязанных понятий, используемых для описания этой области, вместе со свойствами и характеристиками, классификацией этих понятий по типам, ситуациям, признакам в данной области и законов протекания процессов в ней. При создании КМ параллельно формируется область исходных данных (информационное пространство системы). На данном этапе выявляются количественные характеристики (параметры) функционирования системы и ее элементов, численные значения которых входят в исходные данные для моделирования; происходит выбор законов распределения случайных величин, аппроксимация функций и т. д. Затем формализованное описание концептуальной модели преобразуется в программу-имитатор в соответствии с некоторой методикой (технологией программирования). Пример концептуальной модели приведен на рис. 4.6.

97

Рис. 4.6. Концептуальная модель функционирования объемного гидропривода одноковшового экскаватора

99

В дальнейшем производится окончательная детализация, локализация (выделение системы из окружающей среды), структуризация (указание и общее описание связей между выделенными элементами системы), укрупненное описание динамики функционирования системы и ее возможных состояний.

Для выполнения подэтапа «Задание модельного времени»

необходимо ввести понятие модельного времени. В компьютерной модели переменная, обеспечивающая текущее значение модельного времени, называется часами модельного времени. Модельное время обусловливает возможность проведения внутри языка экспериментов над моделью процесса функционирования объекта управления, позволяющих предвидеть последствия принятия тех или иных решений и выбрать наилучшее с точки зрения критерия управление. Отсчет модельного времени всегда начинаетсяИс нуля, а его значения находятся в глобальной переменной timer. нтервалы времени – это

переменные с плавающей точкой. ДПри моделировании модельное

время может меняться быстрее или медленнее, чем в реальной системе. Это зависит от степени детализации модели и сложности описания изучаемого процесса. В любом случае модельное время изменяется при выполнении некоторых событий, а события в системе моделирования возникают в результате перемещения транзактов.

В зависимости от бспосоАа продвижения модельного времени методы моделированияиподразделяются на:

- методы с пр ращен ем временного интервала; - методыСс продв жен ем времени до особых состояний (от

события к событию).

В первом случае модельное время продвигается на некоторую величину t. Определяются изменения состояний элементов и выходных воздействий системы, которые произошли за это время. После этого модельное время снова продвигается на величину t, и процедура повторяется. Так продолжается до конца периода моделирования Тm. Шаг приращения времени t зачастую выбирается постоянным, но в общем случае он может быть и переменным. Этот метод называют «принципом t».

Во втором случае в текущий момент модельного времени t сначала анализируются те будущие особые состояния – поступление дискретного входного воздействия (заявки), завершение обслуживания и т. п., для которых определены моменты их наступления ti > t. Выбирается наиболее раннее особое состояние, и

100

Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты. В том случае, когда компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и т.д. Если известен результат исследования, то можно сравнить его с полученным результатом моделирования. Полученные выводы часто способствуют проведению дополнительной серии экспериментов, а иногда и изменению модели. Основой для выработки решения служат результаты тестирования и экспериментов. Если результаты не соответствуют целям моделирования (реальному объекту или процессу), значит, допущены ошибки на предыдущих этапах или входные данные не являются лучшими параметрами в изучаемой области, поэтому разработчик возвращается к одному из предыдущих

формул для расчётных полей Аи фильтровДнеобходимо убедиться в правильности их работы.бДля этого можно ввести тестовые записи, для которых заранее известен результат операции. Компьютерный эксперимент завершаетсяивыдачей результатов в удобном для анализа и принятия решен я в де.

Одно Сиз пре муществ компьютерных информационных моделей – возможность создания различных форм представления выходной информации, называемых отчётами. Каждый отчёт содержит информацию, отвечающую цели конкретного эксперимента. Удобство компьютерных отчётов заключается в том, что они позволяют сгруппировать информацию по заданным признакам, ввести итоговые поля подсчёта записей по группам и в целом по всей базе и в дальнейшем использовать эту информацию для принятия решения. Среда позволяет создать и хранить несколько типовых, часто используемых форм отчётов. По результатам некоторых экспериментов можно создать временный отчёт, который удаляется после копирования его в текстовый документ или распечатки.

Этап 4. Подведение итогов компьютерного моделирования.

Анализ полученных результатов производится с целью получения рекомендаций по проектированию системы или ее модификации. При

104

этом проводят оценку проделанной работы, сопоставляют поставленные цели с полученными результатами и создают окончательный отчет по выполненной работе. В случае различия результатов, полученных при исследовании компьютерной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при построении описательной качественной модели могут быть неправильно отобраны существенные свойства объектов, в процессе формализации могут быть допущены ошибки в формулах и так далее. В этих случаях необходимо провести корректировку модели, причем уточнение модели может проводиться многократно, пока анализ результатов не покажет их соответствие изучаемому объекту.

1.Охарактеризуйте компьютерное моделированиеДИ.

2.В чем отличие компьютерной модели от математической?

3.Какие существуют виды компьютерногоА моделирования?

4.В чем заключается отличие баз данных от системы управления базами данных? б

5.Перечислите этапы компьютерного моделирования и опишите их.

6.Какие методы используютсяи для верификации компьютерной модели?

7.СформулируйтеС, что такое компьютерный эксперимент.

105