14. Имитационное моделирование. Общая технологическая схема и оценки реализаций.
Имитационное моделирование – количественный метод анализа, количественная статистика стоимостных показателей. Если проводится реинжениринг, то проводится расширенный количественный анализ, в том числе динамический анализ. При этом один метод не отрицает другой. На некоторых уровнях вполне достаточно пользоваться исключительно CASE-средствами.
П
ри
планировании и построении модельных
экспериментов мы имеем дело с двумя
типами переменных – факторами и
откликами.
Фактор= режим= независимая переменная= входная переменная = экзогенная переменная.
Отклик= выход= зависимая переменная= выходная переменная= переменная состояния= эндогенная переменная.
1. Формулировка проблемы и определение целей имитационного исследования Документированным результатом на этом этапе является составленное содержательное описание объекта моделирования;
2. Разработка концептуального описания. Результатом деятельности системного аналитика является концептуальная модель (или вербальное описание) и выбор способа формализации для заданного
объекта моделирования.
3. Формализация имитационной модели. Составляется формальное описание объекта моделирования.
4. Программирование имитационной модели (разработка программы-имитатора). На этапе осуществляется выбор средств автоматизации моделирования, алгоритмизация, программирование и отладка
имитационной модели.
5. Испытание и исследование модели, проверка модели. Проводится верификация модели, оценка адекватности, исследование свойств имитационной модели и другие процедуры комплексного тестирования разработанной модели.
6. Планирование и проведение имитационного эксперимента. На данном технологическом этапе осуществляется стратегическое и тактическое планирование имитационного эксперимента.
Результатом является составленный и реализованный план эксперимента, заданные условия имитационного прогона для выбранного плана.
7. Анализ результатов моделирования. Исследователь проводит интерпретацию результатов моделирования и их использование – собственно принятие решений.
Для выбора плана эксперимента следует:
определить критерии планирования эксперимента;
синтезировать экспериментальную модель;
сравнить полученную модель с существующими моделями со стандартными планами и выбрать оптимальный план.
Планирование эксперимента по имитационному моделированию, как и другие проблемы планирования, требует систематического подхода. Три этапа:
построение структурной модели;
построение функциональной модели;
построение экспериментальной модели;
Вид экспериментальной модели определяется должным образом подобранными критериями планирования. Необходимо рассматривать следующие критерии:
Число варьируемых факторов.
Число уровней (значений) квантования каждого фактора.
Являются ли уровни факторов качественными или количественными?
Должны ли быть уровни квантования фиксированы (управляемы) или случайны (неуправляемы)?
Следует ли оценивать нелинейные эффекты?
Должны ли все факторы иметь одинаковое число уровней?
Необходимое число измерений переменной отклика.
Следует ли выявить взаимное влияние различных факторов?
Каков характер имеющихся ограничений: ограничено время на исследования, ограничены средства или машинное время?
Какова требуемая точность?
Количественная – переменная, величина которой может быть измерена с помощью некоторой интервальной или относительной шкалы.
Качественная – переменная, величина которой не может быть измерена количественно, а упорядочивается методами ранжирования.
Фиксированные уровни: мы управляем уровнями квантования или устанавливаем их. Случайные уровни выбираются случайно (например, с помощью метода Монте-Карло). Жесткая модель – используемая для построения эксперимента математическая модель имеет фиксированные параметры. Вероятностная – если факторы модели могут изменяться случайным образом. И то, и другое – смешанная модель.
Эффект взаимодействия – комбинированное влияние на отклик двух или более факторов, проявляющееся помимо индивидуального влияния всех этих факторов по отдельности.
Структурная модель характеризуется числом факторов и числом уровней для каждого фактора. Выбор этих параметров определяется целями эксперимента, точностью измерений факторов, интересом к нелинейным эффектам и т. п.
Функциональная модель: ограниченность числа возможных измерений, возникающая вследствие ограниченности ресурсов. Структурная модель выбирается исходя из того, что должно быть сделано, а функциональная — из того, что может быть сделано.
Построение структурной модели:
выбор переменной отклика
перечисление влияющих факторов
классификация факторов
определение уровней установления факторов.
Классификация факторов в соответствии с тем, как они войдут в будущий эксперимент:
фактор может быть постоянным
фактор может быть переменным, но неуправляемым
фактор может быть переменным и управляемым. Наиболее интересен для модели
Следующий шаг проектирования структурной модели состоит в определении уровней, на которых следует измерять и устанавливать данный фактор. Минимальное число уровней фактора, не являющегося постоянным, равно двум. Качественный фактор по своей сути принимает ряд возможных уровней. Для количественного фактора необходимо выделить интересующую нас область его изменения и определить степень нашей заинтересованности нелинейными эффектами.
Функциональная модель определяет количество элементов структурной модели, которые должны служить действительными измерителями отклика, т. е. определять, сколько необходимо иметь различных информационных точек. Подобные функциональные модели могут быть либо совершенными (в измерении отклика участвуют все ее элементы), либо несовершенными.
Метод имитационного моделирования – это экспериментальный метод исследования реальной системы по ее имитационной модели; сочетает особенности экспериментального подхода и специфических условий использования вычислительной техники.
Имитационное моделирование (Шеннон) – процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью проанализировать функционирование (поведение) системы, либо оценить по критериям различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы.
Особенность имитационного моделирования состоит в том, что имитационная модель позволяет воспроизводить моделируемые объекты: с сохранением их логической структуры, с сохранением их поведенческих свойств, т.е. последовательности чередования явлений во времени – изоморфизм, гомоморфизм.
Возможности метода имитационного моделирования, обусловившие его применение:
позволяет решать задачи исключительной сложности
обеспечен различный (и очень высокий) уровень детализации
можно исследовать динамику моделей (во времени)
Применяется в системах принятия решений (позволяет исследовать много альтернатив)
исследователь может получить ответ на вопрос «Что будет, если» и получить ответ
ИМ – удобный аппарат исследования стохастических систем
В описании имитационной модели выделяют две составляющие:
относится к описанию структуры модели – статическое описание системы,
относится к процессу функционирования – динамическое описание системы.
Понятие модельного времени. Системное время, благодаря которому синхронизируется время для всех элементов. Методы моделирования времени: пошаговое – время изменяется с одинаковым шагом, пособытийное – время изменяется при смене состояний системы.
Соответственно, выделяют 2 класса моделей:
непрерывные — переменные изменяются непрерывно, состояние моделируемой системы обычно описывается системой дифференциальных уравнений, продвижение времени зависит от численных методов
дискретные — переменные меняются дискретно, в определенные моменты (наступления событий); динамика таких моделей представляет собой процесс перехода от одного состояния в другое
Есть еще комбинированные (непрерывно–дискретные) модели.