1. Общая организация вычислительного процесса на ЭВМ

2. Система СИМОНА имитационного моделирования нестандартных уравнений агроэкосистем.

3. Автоматизация имитационного эксперимента при моделировании динамики агроэкосистем.

Тема: Математическое обеспечение задач моделирования

продукционного процесса

1. Общая организация вычислительного процесса на эвм

Модель продукционного процесса имеет блочную систему. Описание той или иной группы процессов протекающих в системе почва – растения – приземный воздух сводится к решению определенной математической задачи.

Например, при описании динамики тепло – и – влагообмена в почве сводится к решению дифференцированного уравнения параболического типа. Для описания турбулентного влаго- и теплопереноса в посеве служит система двух уравнений эллиптического типа. В соответствии с этим можно выделить следующие этапы реализации модели на ЭВМ:

- выбор численной схемы решения математической задачи в каждом отдельном блоке модели;

- выбор метода «согласования» блоков;

- выбор метода объединения входных не контролируемых и контролируемых воздействий (погодные условия и прямой агротехники);

- выбор метода представления и средств отображения результатов моделирования;

- организация вычислительного процесса в целом.

При выборе методов необходимо учитывать временной шаг модели и применять уравнения, обладающие различными временными свойствами.

2. Симона – система имитационного моделирования

Нестандартных уравнений агросистем

Исследования сложных динамических систем, в частности агросистем, способствовало формированию «имитационного моделирования».

Имитационная модель является своеобразным инструментом, позволяющим получить сведения о деталях поведения исследуемой системы. Реализованная на ЭВМ модель представляет собой сложный комплекс программ, содержащий несколько тысяч элементарных команд. Любое изменение структуры модели или отдельных ее частей приводит к переделке программы, что является весьма трудоемким процессом.

Для решения прикладных задач создается не одна модель, а много вариантов или банк моделей. Все это способствует созданию специально операционной системы языка моделирования, позволяющий МГКО изменять структуру модели, моделировать ее отдельные части и управлять выполнением моделирующей программы на ЭВМ. Именно такая система и получила название СИМОНА и была создана в Агрофизическом институте. Данная система имеет блочную структуру, в каждый блок записаны отдельные процессы или группы процессов, происходящие в растительном покрове или в окружающей среде.

Имитация представляет собой воспроизведение функционирования моделируемой системы во времени.

В имитационной системе должны быть предусмотрены:

- способы организации данных, обеспечивают простоту и эффективность машинных экспериментов с моделью;

- средства формирования и воспроизведения динамических свойств моделируемой системы:

- способы и средства видоизменения и перенастройки модели, сборки модели из набора типовых блоков:

- возможности имитации стохастических процессов, т. е. анализа случайных величин и временных рядов.

При моделировании сложных систем включающих сотни и тысячи переменных необходимо соблюдать следующие требования:

1. Язык имитационного моделирования должен содержать инструкции обличающие организацию исходных данных о состоянии модели:

- позволяющих оперировать с различными значениями;

- обеспечивать экспериментатору постоянный доступ в память машины и контроль за информацией.

2. Второе требование сводится к необходимости формализации динамического поведения системы и сводится к трем основным моментам:

1. момент: разработка стандартных программ для численного интегрирования дифференциальных уравнений отдельных блоков;

2. момент: автоматизация процесса выбора той или иной стандартной программы для решения конкретной задачи;

3. момент организация процесса имитации в целом (т.е. автоматизации процесса передачи управления от блока к блоку), автоматического выбора шага модели.

3. При имитации динамики агроэкосистем нельзя не считаться с тем, что погода оказывает значительное влияние на изменения в агроэкосистеме.

Поэтому язык моделирования должен включать:

а) средства обращения со случайными величинами;

б) в системе должны быть предусмотрены процедуры статистической обработки результатов машинных экспериментов.

Агроэкосистема это очень сложная система, поэтому никакая модель не может претендовать на ее описание в целом. Поэтому для решения отдельных задач должны создаваться частные модели.

Имеется два пути реализации изложенных выше требований.

Разработка проблемно-ориентировочного языка высокого уровня, но создание такого языка трудоемкий процесс, связанный с большими материальными затратами.

Создание пакета программ на языке

При создании операционной системы СИМОНА авторы избрали второй путь. Введем несколько определений:

• «содержательный блок» - отлаженная и собранная программа, с помощью которой решается система уравнений, описывающих некоторый процесс жизнедеятельности растения или процессы, происходящие в окружающей среде:

• «вектор состояния блока» - массив переменных, задающих значения параметров процесса в момент времени t_i

• «глобальная переменная» - переменная являющаяся входной или выходной одного из содержательных блоков;

• «состояние модели» - совокупность всех векторов состояний блоков, включенных в конкретный вариант модели;

• «основной шаг модели» - интервал астрономического времени

r = t_i+1 - t_i

Операционная система и язык управления позволяют обеспечить:

1. Автоматическую сборку модели из содержательных блоков и программ системы в любом порядке, определяемом пользователем;

2. Доступность состояния модели при выполнении временного шага для любого содержательного блока;

3. Передачу управления от блока к блоку в соответствии с заданием на сборку и выполнении модели;

4. Пошагование зацикливование модели с одновременной модификацией номера шага;

5. Выход из под шагового зацикливания т. е. прекращение выполнения модели на ЭВМ;

6. Выполнение любого содержательного блока;

7. Запись на магнитную ленту или диск;

8. Стыковка информации с последующей статистической обработкой;

9. Возможность прерывания выполнения модели в любое время;

10. Автоматическое изменение шага модели;

11. Принудительное изменение шага модели;

12. Возможность ввода в систему начальных данных и значений констант;

13. Возможность формирования библиотеки систем;

14. Возможность создания каталога имен глобальных переменных;

15. Распечатку протокола выполнения модели.

В реализованной версии оперативная система содержит шесть видов работ.