47. В чем заключается суть машинного эксперимента с имитационной моделью.

Имитационное моделирование— это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе.

Процесс последовательной разра­ботки имитационной модели начинается с создания простой модели, которая затем постепенно усложняется в соответствии с требованиями, предъявляемыми решаемой проблемой.

Использование машинного экспериментакак средства решения сложных прикладных проблем, несмотря на присущую каждой конкретной задаче специфику, имеет ряд общих черт (этапов). На рис. 11.1 представлены этапы применения математической (имитационной) модели (по взглядам академика А. А. Самарского).

Каждому из показанных на рисунке этапов присущи собственные приемы, методы, технологии. Все эти этапы носят ярко выраженный творческий характер и требуют от разработчика модели особой подготовки.

По мнению А. М. Наместникова, в процессе имитационного моделирования можно выделить следующие основные этапы:

1. Формулирование   проблемы:  описание  исследуемой  пробле­мы и определение целей исследования.

2. Разработка модели: логико-математическое описание мо­делируемой системы в соответствии с формулировкой проблемы.

3.  Подготовка данных: идентификация, спецификация и сбор данных.

4. Трансляция модели:  перевод модели на  язык, приемлемый  для используемой ЭВМ.

5. Верификация: установление правильности машинных про­грамм.

6. Валидация: оценка требуемой точности и соответствия имитационной модели реальной системе.

7. Стратегическое и тактическое планирование: определение условий проведения машинного эксперимента с имитационной моделью.

8. Экспериментирование: прогон имитационной модели на ЭВМ для получения требуемой информации.

9. Анализ результатов:  изучение  результатов  имитационного эксперимента для подготовки выводов и рекомендаций по ре­шению проблемы.

10. Реализация и документирование:  реализация   рекомендаций, полученных на основе имитации, и составление докумен­тации по модели и ее использованию.

Этап - проведение машинного эксперимента и анализ результатов- включают прогон имитационной модели на компьютере и интерпретацию полученных выходных данных. При использовании результатов имитационных экспериментов для подготовки выводов или проверки гипотез о функционировании реальной системы применяются статистические методы.

Вопрос 48. Функциональные действия (фд) при реализации имитационной модели. Упрощенные действия (фд). Что порождает ошибки имитации процесса функционирования реальной системы

Метод имитационного моделирования в общем виде определяется как экспериментальный метод исследования реальной системы по ее имитационной модели, который сочетает особенности эксперименталь­ного подхода и специфические условия использования вычислительной техники.

В процессе имитационного моделирования исследователь имеет дело с четырьмя основными элементами: 

1. реальная система;

2. логико-математическая модель моделируемого объекта;

3. имитационная (машинная) модель;

4. ЭВМ, на которой осуществляется имитация – направленный вычислительный эксперимент. 

Исследователь изучает реальную систему, разрабатывает логико-математическую модель реальной системы. Имитационный характер исследования предполагает наличие логико - или логико-математических моделей, описываемых изучаемый процесс [6].

Каждая имитационная модель представляет собой комбинацию шести основных составляющих: компонентов, параметров, переменных, функциональных зависимостей, ограничений, целевых функций.

Под компонентами понимают составные части, которые при соответствующем объединении образуют систему.

Параметры - это величины, которые исследователь (пользователь модели) может выбирать произвольно, т.е. управлять ими.

Переменные в отличие от параметров могут принимать только значения, определяемые видом данной функции.

Функциональные зависимости описывают поведение параметров и переменных в пределах компонента или же выражают соотношения между компонентами системы.

Ограничения - устанавливаемые пределы изменения значений переменных или ограничивающие условия их изменения.

Целевая функция предназначена для измерения степени достижения системой желаемой (требуемой) цели и вынесения оценочного суждения по результатам моделирования [1].

При реализации имитационной модели, как правило, рассматриваются не все реально осуществляемые функциональные действия (ФД) системы, а только те из них, которые являются наиболее существенными для исследуемой операции. Кроме того, реальные аппроксимируются упрощенными действиями, причем степень этих упрощений определяется уровнем детализации учитываемых в модели факторов.

Названные обстоятельства порождают ошибки имитации процесса функционирования реальной системы, что, в свою очередь, обусловливает адекватность модели объекту-оригиналу и достоверность получаемых в ходе моделирования результатов [2].

49. Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.

Имитационные модели принято классифицировать по четырем наиболее распространенным признакам:

5. типу используемой ЭВМ;

6. способу взаимодействия с пользователем;

7. способу управления системным временем (механизму системного времени);

8. способу организации квазипараллелизма (схеме форма-лизации моделируемой системы).

По типу используемой ЭВМ различают аналоговые, цифровые и гибридные имитационные модели. 

По способу взаимодействия с пользователем имитационные модели могут быть автоматическими (не требующими вмешательства исследователя после определения режима моделирования и задания исходных данных) и интерактивными (предусматривающими диалог с пользователем в том или ином режиме в соответствии со сценарием моделирования). 

Различают два механизма системного времени:

1. задание времени с помощью постоянных временных интервалов (шагов);

2. задание времени с помощью переменных временных интервалов (моделирование по особым состояниям).

При реализации первого механизма системное время сдвигается на один и тот же интервал (шаг моделирования) независимо от того, какие события должны наступать в системе. При моделировании по особым состояниям системное время каждый раз изменяется на величину, соответствующую интервалу времени до планируемого момента наступления следующего события.

Важнейшим классификационным признаком имитационных моделей является схема формализации моделируемой системы (способ организации квазипараллелизма).Наибольшее распространение получили пять способов:

1. просмотр активностей;

2. составление расписания событий;

3. управление обслуживанием транзактов;

4. управление агрегатами;

5. синхронизация процессов.

50. Различают два механизма системного времени:

• с использованием  постоянных переменных временных  интервалов (шагов);

• с использованием переменных временных интервалов  (моделирование по особым состояниям).

При реализации первого механизма системное время сдвигается на один и тот же интервал (шаг моделирования) независимо от того, какие события должны наступать в системе. При этом наступление всех событий, имевших место на очередном шаге, относят к его окончанию.

На рисунке 1 представлена иллюстрация данного механизма. Для этого механизма считают, что событие А₁наступило в момент окончания первого шага; событие А₂- в момент окончания второго шага; события А₃, А₄, А₅- в момент окончания четвертого шага (эти моменты показаны стрелками) и т.д.

Рисунок 1 - Реализация механизмов системного времени с постоянным шагом

При моделировании по особым состояниям системное время каждый раз изменяется на величину, соответствующую интервалу времени до планируемого момента наступления следующего события, т.е. события обрабатываются поочередно - каждое «в свое время». Если в реальной системе какие-либо события наступают одновременно, это фиксируется в модели. Для реализации этого механизма требуется специальная процедура, в которой отслеживаются времена наступления всех событий и из них выделяется ближайшее по времени. Такую процедуру называют календарем событий. На рисунке 2 стрелками обозначены моменты изменения системного времени.

Рисунок 2 - Реализация механизмов системного времени с переменным шагом

Существует разновидность механизма моделирования по особым состояниям, предусматривающая возможность изменения порядка обработки событий, так называемый механизм моделирования с реверсированием (обращением) шага по времени. Согласно этому механизму, все события в системе разбиваются на два класса: фазовые и простые. К первым относят события, порядок моделирования которых нельзя изменять в моделируемой системе. Остальные события относят к простым. Поэтому сначала моделируют очередное фазовое событие, а затем все простые события до этого фазового в произвольном порядке.

Таким образом, механизм системного времени с постоянным шагом легко реализуем: достаточно менять временную координату на фиксированный шаг и проверять, какие события уже наступили.