Обзор литературы Применение системного анализа при моделировании
Моделирование (в широком смысле) является основным методом исследований во всех областях знаний и научно обоснованным методом оценок характеристик сложных систем, используемым для принятия решений в различных сферах инженерной деятельности [1, 2]. Существующие и проектируемые системы можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных), реализуемых на современных ЭВМ, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.
Определение моделирования
Замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели называется моделированием. Таким образом, моделирование может быть определено как представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов с его моделью. Теория замещения одних объектов (оригиналов) другими объектами (моделями) и исследования свойств объектов на их моделях получила названиетеории моделирования[1, 2,3].
В процессе изучения моделируемого процесса, модель выступает в роли относительного самостоятельного квазиобъекта, позволяющего получить при исследовании некоторые знания о самом объекте [4].
Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах, то модель адекватна объекту [2]. При этом адекватностьмодели зависит от цели моделирования и принятых критериев.
Системный анализ ‑ основа современного моделирования
В настоящее время при моделировании сложных химико-технологических систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода тем, что рассматривает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатываемых раздельно [5, 6, 1-2]. В отличие от этого системный подход предполагает последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.
Сущность системного подхода определяется его стратегией, в основе которой лежат общие принципы, применимые к решению любой системной задачи [4, 5, 7]. К ним можно отнести:
четкую формулировку цели исследования, постановку задачи по реализации этой цели и определение критерия эффективности решения задачи;
разработку развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи;
пропорционально последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов и возможных направлений;
организацию последовательных приближений и повторных циклов исследований на отдельных этапах;
принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении составных частных задач и т. п.
Центральным понятием системного анализа является понятие системы, т. е. объекта, взаимодействующего с внешней средой и обладающего сложным внутренним строением, большим числом составных частей и элементов. Элемент системы – самостоятельная и условно неделимая единица. Элементы взаимодействуют между собой и окружающей средой, иначе говоря, между ними существует материальная, энергетическая и информационная связь. Совокупность элементов и связей образует структуру системы. Расчленение системы на подсистемы позволяет вскрыть иерархию структуры и рассматривать систему на разных уровнях ее детализации [3]. Сложность системы определяется сложностью ее структуры, количеством элементов и связей, числом уровней иерархии [8], объемом информации, циркулирующей в системе. Система характеризуется алгоритмом функционирования, направленным на достижение определенной цели.
Формализация системы осуществляется с помощью математической модели, выражающей связь между выходными параметрами системы, параметрами состояния и входными управляющими и возмущающими переменными. Сложная система обычно формализуется как детерминированно-стохастическая модель. На разных уровнях иерархии может преобладать как детерминированное, так и стохастическое описание подсистем [3].
С позиций системного анализа решаются задачи моделирования, оптимизации, управления и оптимального проектирования химико-технологических систем. Сущность системного подхода в данном случае состоит в том, что вся информация, получаемая в лабораториях, на опытных и промышленных установках, последовательно накапливается и обогащается в процессе разработки полной математической модели химико-технологической системы [9]. Данная информация может сохраняться в базах данных и базах знаний и впоследствии использоваться для эвристического анализа новой, ранее не рассматривавшейся проблемы. Современные средства хранения и анализа данных дают огромные возможности для создания баз данных нового поколения – информационных систем, использующих алгоритмы искусственного интеллекта, интерактивного взаимодействия с пользователем, экспертного анализа и самообучения [10].
Вместе с тем единичный технологический процесс со всем его сложным комплексом элементарных физико-химических явлений представляет типичную большую систему в смысле ее классического кибернетического определения. Уровень сложности этой системы, определяемый многообразием элементарных физико-химических эффектов, насыщенностью взаимных связей между ними, совмещенностью и взаимодействием явлений различной физико-химической природы в локальном объеме пространства, настолько высок, что ставит ее в разряд сложнейших кибернетических систем [1].
Таким образом, на основании вышеизложенного, становится понятно, что любая химико-технологическая система может быть представлена как совокупность информационных и материальных потоков, источниками и получателями которых являются элементы технологической схемы (рис.1.1) [11,12]. Из-за крайне высокого уровня взаимозависимости параметров материальных и информационных потоков друг от друга задача формализации процесса прогнозирования свойств системы и расчета ее рабочих параметров многократно усложняется. Решение данной задачи в общем виде, т.е. прогнозирование свойств системы в целом, становится практически невозможно.
Однако разбиение системы на отдельные элементы-блоки дает возможность подойти не к формализации задачи в целом, а математическому описанию отдельных блоков химико-технологической системы. Такое описание будет в достаточной мере отражать все свойства технологической единицы как технологические, так и информационные. Составление же адекватной математической модели поведения материального или информационного потока в пределах одной технологической единицы значительно более просто, чем для системы в целом.
При использовании блочного подхода к моделированию системы любая, сколь угодно сложная технологическая система, может быть представлена как совокупность уже описанных математически блоков – технологических единиц. Причем, под технологической единицей понимается как отдельное явление, так и технологический аппарат, потому что и явление, и работа аппарата в целом могут рассматриваться как сложная система, для которой существует отдельное математическое описание [13,14,15].
Таким образом, блочный подход к моделированию технологической схемы (или процесса) обеспечивает упрощение математического описания и существенно повышает возможность автоматизации процесса моделирования. Первая стадия блочного моделирования химико-технологической системы может выглядеть, как представлено на рис. 1.1.
На рис. 1.2 представлена вторая стадия блочного моделирования химико-технологической системы.
Таким образом, используя принципы системного анализа как основу блочного моделирования, имея достаточно полную базу данных и базу знаний по математическим моделям отдельных блоков, можно полностью или частично автоматизировать процесс математического описания химико-технологической системы. Совокупность баз данных, баз знаний и прикладных модулей анализа информации и расчета параметров ХТС составит информационную систему, которая может быть использована для различных целей в процессе проектирования и расчета химико-технологических.
Рис. 1.1. Первая стадия блочного моделирования химико-технологической системы.
