Компьютерное моделирование

Авторы: В.Д. Боев, Р.П. Сыпченко

1.1. Общее определение модели

1.2. Классификация моделей и моделирования

1.2.1. Классификация моделей и моделирования по признаку "характер моделируемой стороны объекта"

1.2.2. Классификация моделей и моделирования по признаку "характер процессов, протекающих в объекте"

1.2.3. Классификация моделей и моделирования по признаку "способ реализации модели"

1.3. Этапы моделирования

1.4. Адекватность модели

1.5. Требования, предъявляемые к моделям

2.1. Дискретные марковские процессы

2.2. Моделирование по схеме непрерывных марковских процессов

2.3. Схема гибели и размножения

2.4. Элементы СМО, краткая характеристика

2.5. Моделирование СМО в классе непрерывных марковских процессов

2.5.1. Многоканальная СМО с отказами

2.5.2. Многоканальная СМО с ожиданием

2.5.3. Одноканальная СМО с ограниченной очередью

2.5.4. Одноканальная замкнутая СМО

2.5.5. Одноканальная СМО с конечной надежностью

2.6. Метод динамики средних. Сущность и содержание метода

2.7. Принцип квазирегулярности

2.8. Элементарные модели боя

2.8.1. Модель высокоорганизованного боя

Моделирование

Описание состояний одной боевой единицы

Построение размеченных графов состояний

Составление уравнений динамики средних

Решение уравнений динамики средних

2.8.2. Высокоорганизованный бой с пополнением группировок

2.8.3. Высокоорганизованный бой с упреждением ударов

2.8.4. Модель боя с неполной информацией

2.8.5. Учет запаздывания в переносе и открытии огня

3.1. Сущность имитационного моделирования

Моделирование

3.2. Общая характеристика метода имитационного моделирования

3.3. Статистическое моделирование при решении детерминированных задач

3.4. Моделирование равномерно распределенной случайной величины

3.5. Моделирование случайной величины с произвольным законом распределения

3.6. Моделирование единичного события

3.7. Моделирование полной группы несовместных событий

3.8. Моделирование совместных независимых событий

3.8.1. Определение совместных исходов по жребию

3.8.2. Последовательная проверка исходов

3.9. Моделирование совместных зависимых событий

3.10. Классификация случайных процессов

3.11. Способы продвижения модельного времени

3.12. Модель противоборства двух сторон

3.13. Модель противоборства как процесс блуждания по решетке

3.14. Типовая схема имитационной модели с продвижением времени по событиям

3.15. Имитационная модель системы массового обслуживания

4.1. Сущность и цели планирования эксперимента

4.2. Элементы стратегического планирования экспериментов

4.3. Стандартные планы

4.4. Формальный подход к сокращению общего числа прогонов

4.5. Элементы тактического планирования

4.6. Точность и количество реализаций модели при определении средних значений параметров

4.6.1. Определение оценки матожидания

4.6.2. Определение оценки дисперсии

4.7. Точность и количество реализаций модели при определении вероятностей исходов

4.8. Точность и количество реализаций модели при зависимом ряде данных

4.9. Проблема начальных условий

5.1. Характеристики случайных величин и процессов

5.2. Требования к оценкам характеристик

5.3. Оценка характеристик случайных величин и процессов

5.4. Гистограмма

5.4. Элементы дисперсионного анализа. Критерий Фишера

5.6. Критерий Вилькоксона

5.7. Однофакторный дисперсионный анализ

5.8. Выявление несущественных факторов

5.9. Сущность корреляционного анализа

5.10. Обработка результатов эксперимента на основе регрессии

6.1. Основы построения и принципы функционирования языка имитационного моделирования

6.2. Построение моделей с устройствами

6.2.1. Организация поступления транзактов в модель и удаления транзактов из нее

6.2.1.1. Поступление транзактов в модель

6.2.1.2. Удаление транзактов из модели и завершение моделирования

6.2.1.3. Изменение значений параметров транзактов

6.2.2. Занятие и освобождение одноканального устройства

6.2.3. Имитация обслуживания посредством задержки во времени

6.2.4. Проверка состояния одноканального устройства

6.2.5. Методы сбора статистики в имитационной модели

6.2.5.1. Регистратор очереди

6.2.5.1. Статистические таблицы

6.2.6. Методы изменения маршрутов движения транзактов в модели

6.2.6.1. Блок TRANSFER

6.2.6.2. Блок DISPLACE

6.2.7. Прерывание функционирования одноканального устройства

6.2.7.1. Прерывание в приоритетном режиме

6.2.7.2. Прерывание в режиме "захвата"

6.2.7.3. Проверка состояния одноканального устройства, функционирующего в приоритетном режиме

6.2.8. Недоступность одноканального устройства

6.2.8.1. Перевод в недоступное состояние и восстановление доступности

6.2.8.2. Проверка состояний недоступности и доступности одноканального устройства

6.2.9. Сокращение машинного времени и изменение дисциплин обслуживания методом применения списков пользователя

6.2.9.1. Ввод транзактов в список пользователя в безусловном режиме

6.2.9.2. Вывод транзактов из списка пользователя в условном режиме

6.2.10. Построение моделей систем с многоканальными устройствами и переключателями

6.2.10.1. Занятие многоканального устройства и его освобождение

6.2.10.2. Перевод многоканального устройства в недоступное состояние и восстановление его доступности

6.2.10.3. Проверка состояния многоканального устройства

6.2.10.4. Моделирование переключателей

6.3. Решение прямой и обратной задач в системе моделирования

6.3.1. Постановка прямой и обратной задач

6.3.2. Решение прямой задачи

6.3.2.1. Блок-диаграмма модели

6.3.2.2. Программа модели

6.3.2.3. Ввод текста программы модели, исправление ошибок и проведение моделирования

6.3.3. Решение обратной задачи

6.4. Пример построения моделей с ОКУ, МКУ и списками пользователя

6.4.1. Модель процесса изготовления изделий на предприятии. Прямая задача

6.4.1.1. Постановка задача

6.4.1.2. Исходные данные

6.4.1.3. Задание на исследование

6.4.1.4. Уяснение задачи на исследование

6.4.1.5. Блок-диаграмма модели

6.4.1.6. Программа модели

6.4.2. Модель процесса изготовления изделий на предприятии. Обратная задача

6.4.2.1. Постановка задачи

6.4.2.2. Программа модели

6.5. Уменьшение числа объектов в модели

6.5.1. Постановка задачи

6.5.2. Исходные данные

6.5.3. Задание на исследование

6.5.4. Блок-диаграмма модели

6.5.5. Программа модели

6.6. Применение матриц, функций и изменение версий модели

6.6.1. Постановка задачи бизнес-процесса

6.6.2. Уяснение задачи

6.6.3. Программа модели

6.7. Моделирование неисправностей одноканальных устройств

6.7.1. Постановка задачи

6.7.2. Исходные данные

6.7.3. Задание на исследование

6.7.4. Уяснение задачи

6.7.5. Программа модели

6.8. Моделирование неисправностей многоканальных устройств

6.8.1. Постановка задачи

6.8.2. Программа модели

7.1. Дисперсионный анализ (отсеивающий эксперимент). Прямая задача

7.2. Регрессионный анализ (оптимизирующий эксперимент). Прямая задача

7.3. Дисперсионный анализ (отсеивающий эксперимент). Обратная задача

7.3.1. Постановка задачи

7.3.2. Исходные данные

7.3.3. Задание на исследование

7.3.4. Уяснение задачи на исследование

7.3.5. Программа модели

7.3.6. Проведение экспериментов

8.1. Применение текстовых объектов и потоков данных

8.1.1. Блок OPEN

8.1.2. Блок CLOSE

8.1.3. Блок READ

8.1.4. Блок WRITE

8.1.5. Блок SEEK

8.2. Разработка модели в GPSS World

8.2.1. Постановка задачи

8.2.2. Программа модели

8.3. Создание стартовой формы приложения - имитационной модели

8.3 Добавление компонент в стартовую форму имитационной модели

8.3.1. Добавление полей редактирования

8.3.2. Добавление меток

8.3.3. Добавление компонент для ввода и вывода данных, представленных в виде таблиц

8.3.4. Добавление командных кнопок

8.4. События и процедуры обработки событий

8.4.1. События

8.4.2. Разработка процедур обработки событий для кнопок

8.4.3. Разработка процедур обработки событий для полей редактирования

8.4.4. Модификация программы имитационной модели

8.5. Работа с приложением

0. Лекция: Введение

Имитационное моделирование как необходимая часть инженерного образования сложилось в середине прошлого, двадцатого века. Воспринятое поначалу как своеобразный численный метод решения сложных задач, как "младший брат" аналитического моделирования, оно постепенно стало основным, подчас единственным методом при анализе и синтезе сложных систем и процессов.

Общеизвестно, что правильно поставленный натурный эксперимент, то есть исследование свойств объекта на самом объекте, максимально информативен. Оказывается, что эксперимент с компьютерной имитационной моделью вполне конкурентоспособен с натурным. Не говоря о том, что натурный эксперимент в ряде случаев вообще невозможен или нецелесообразен, эксперимент с имитационной моделью может быть приемлемо информативен и выполнен значительно быстрее и дешевле натурного. Это и предопределило стремительное и повсеместное внедрение имитационного моделирования в научный и инженерный обиход.

В популяризации имитационного моделирования заметную роль сыграли работы Р. Шеннона и Т. Д. Шрайбера. В свое время эти работы были широко известны в среде научных работников и инженеров. Большую положительную роль в распространении компьютерного имитационного моделирования у нас в стране сыграли работы по моделированию сложных систем на ЭВМ члена-корреспондента АН СССР Н. П. Бусленко и выдающегося математика академика АН СССР А. А. Самарского. Их работы в области математического моделирования и вычислительного эксперимента широко используются на практике.

Огромный мировой опыт применения имитационного моделирования вызвал необходимость теоретического осмысления этого метода познания. Образовались центры в Москве, Санкт-Петербурге, Казани и др., объединяющие инженеров, научных сотрудников и преподавателей высшей школы, применяющих и пропагандирующих как само имитационное моделирование, так те или иные инструментальные средства. Регулярно проводятся общероссийские научно-практические конференции. Все чаще стали появляться публикации, посвященные общей теории имитационного моделирования. В частности, к таким можно отнести работы Окольнишникова В. В. и Н. Б. Кобелева.

Курс имитационного моделирования под разными названиями: "Компьютерное моделирование", "Моделирование систем", "Моделирование" и т. п. является обязательным в учебных планах технических ВУЗов, в том числе и военных. Соответствующие знания включены в квалификационные характеристики выпускников.

Настоящий курс представляет собой учебное пособие для изучения материала по этим дисциплинам. Содержание курса определено типовыми программами соответствующих специальностей и изложено в восьми лекциях.

Первая лекция носит вводный характер. Разъясняются понятия моделирования и основных терминов. Классификация моделей и моделирования дается в самом общем виде. Подробная классификация не актуальна для настоящего пособия, главной целью которого является обучение практическим приемам имитационного моделирования и проведению компьютерных экспериментов с моделью. Заметим, что и общепринятой универсальной классификации нет, да и вряд ли она целесообразна. Этапы моделирования также рассматриваются в виде общего представления. Углубленное раскрытие содержания этапов демонстрируется в ходе курсового проектирования, предусмотренного тематическими планами вышеназванных дисциплин.

Во второй лекции рассматриваются подходы к аналитическому моделированию дискретных процессов, обладающих свойством марковости. Как показывает практика, такие процессы присущи многим аспектам функционального и надежностного поведения систем - объектов профессионального предназначения выпускников учебных заведений соответствующих специальностей. Демонстрируемые в лекции аналитические модели противоборства, массового обслуживания и некоторые другие утилитарного значения не имеют; на этих примерах демонстрируются возможные подходы к построению аналитических моделей процессов в объектах разного назначения. Заметим, что для сравнительно несложных процессов, например, для ряда структур систем массового обслуживания, аналитические модели можно обнаружить в соответствующих справочниках.

В основной части курса (лекции 3…8) излагаются обоснования и приемы имитационного моделирования дискретных процессов - моделирования поведения вероятностных систем, т. е. таких, на которые воздействуют различного рода случайности. Такие модели называются статистическими, поскольку искомые результаты получают посредством статистической обработки данных.

В качестве основного инструментального средства в курсе рассматривается система моделирования GPSS World. Эта система распространена в нашей стране и не только; ей посвящены представительные научно-практические конференции и издания. Авторы имеют опыт применения и преподавания всех вариаций семейства GPSS, начиная с самой первой. И если версии GPSS-360, GPSS/PC, GPSS/H можно упрекнуть в некоторой ограниченности средств по сравнению, например, с Simpas, то последнюю на сегодняшний день версию GPSS World можно, по мнению инженерной общественности и авторов, считать вполне удовлетворяющей современным требованиям практиков. В учебном пособии нельзя, да и нецелесообразно отобразить все возможности GPSS World.