- •Тема 2. Моделирование систем
- •Вопросы темы.
- •Вопрос 1.
- •Методы и средства моделирования
- •Структурирование процессов моделирования
- •Иерархия моделей
- •Классификация методов моделирования
- •Проблемы моделирования экономических систем
- •Статические модели
- •Модель «черного ящика»
- •Модель состава системы
- •Структурная модель системы
- •7. Динамические модели
- •Динамическая модель «черного ящика»
- •Динамическая модель состава
- •Динамическая структурная модель
7. Динамические модели
Рассмотренные варианты модели «черного ящика», модели состава и структурной модели называют статическими моделями, что подчеркивает их неподвижность.
Следующий шаг в исследовании системы состоит в том, чтобы понять и описать, как система «работает», выполняя свое предназначение. Такие модели должны описывать поведение системы, фиксировать изменения, происходящие с течением времени, улавливать причинно-следственные связи, адекватно отражать последовательность протекаемых в системе процессов и этапность ее развития. Такого рода модели называют динамическими. При исследовании конкретной системы необходимо определить направление возможных изменений ситуации. Если такой перечень будет исчерпывающим, то он характеризует число степеней свободы, а значит, достаточен для описания состояния системы. Как оказалось, динамические модели делятся на такие же типы, как статические («черного ящика», состава и «белого ящика»), только элементы этих моделей имеют временной характер.
Динамическая модель «черного ящика»
При математическом моделировании динамической системы ее конкретная реализация описывается в виде соответствия между возможными значениями некоторой интегральной характеристики системы с и моментами времени /. Если обозначить через С — множество возможных значений с, а через Т — упорядоченное множество моментов времени t, то построение модели динамической системы равносильно построению отображения
T→C:c(t)€ Ct,
где С — значение интегральной характеристики в точке t € [0, 7].
В динамической модели «черного ящика» предполагается разбиение входного потока х на две составляющие: и — управляемые входы, v - неуправляемые входы.
Таким образом, она выражается совокупностью двух процессов:
{ X' ={u(t),v(t)}; u(t) €U; v(t) €V;
Y<={y(t)}, y(t)€Y.
Рис. 2.1.8. Динамическая модель “черного ящика”
Если даже считать y(t) результатом некоторого преобразования Ф процесса x(t), т.е. y(t) = Ф[x(t)], то в модели «черного ящика» предполагается, что это преобразование неизвестно.
Из данного типа моделей в наибольшей мере изучены так называемые безынерционные системы. Они не учитывают фактора времени и работают по схеме «если-то». Например: если воду нагреть до 100 С, то она закипит. Или: если вы правильно авторизовали свою кредитную карту, то банкомат вам сразу выдаст затребованную сумму денег. То есть следствие вступает в силу сразу за причиной.
Определение 1. Динамическая система называется безынерционной, если она мгновенно преобразует вход в выход, т.е. если y(t).
является функцией только x(t) в тот же момент времени.
Поиск неизвестной функции y(t) = Ф(x(t)) осуществляется посредством наблюдения входов и выходов исследуемой системы. По существу, эта задача о переходе от модели «черного ящика» к модели «белого ящика» по наблюдениям входов и выходов при наличии информации о безынерционности системы.
Однако класс безынерционных систем весьма узок. В экономике такие системы очень большая редкость. Разве только отдельные биржевые операции с некоторой натяжкой можно причислить к классу безинерционных.
При моделировании экономических систем необходимо помнить, что в них всегда присутствует задержка и, более того, следствие (результат) может проявиться совсем не в том месте, где его ожидали. Таким образом, имея дело с экономическими системами, нужно быть готовым к тому, что последствия могут отстоять от вызвавшей их причины во времени и пространстве.
Например, если в фирме отдел сбыта пустит на самотек предпродажное обслуживание и сконцентрирует все свои силы на продажах, пострадает отдел гарантийного обслуживания. Но это проявится не сразу, а спустя определенное время. На лицо проявление следствия «не там и не в то время». Или: для изменения покупательских пристрастий может потребоваться несколько недель рекламной кампании, и не обязательно ощутимые перемены начнутся сразу же после ее окончания.
Обратная связь действует по цепочке причинно-следственных связей, образующих замкнутый контур, и требуется время, чтобы его обойти. Чем большей динамической сложностью обладает система, тем больше нужно времени на то, чтобы сигнал обратной связи пробежал по ее структуре (сети взаимосвязей). Достаточно одной задержки, чтобы обеспечить сильное запаздывание сигнала.
Определение 2. Время, необходимое для того, чтобы сигнал обратной связи прошел по всем звеньям системы и вернулся в исходную точку, называется памятью системы.
Не только живые системы имеют память. В экономике, например, это ярко демонстрирует процесс вывода на рынок нового товара. Как только на рынке появляется новый товар, пользующийся спросом, сразу находится много желающих его производить. Многие фирмы запускают производство этого товара, и пока существует спрос, наращивают его объемы. Рынок постепенно насыщается, но производители пока этого не ощущают. Когда объем производства превысит некоторое критическое значение, спрос станет падать. Производство товара по определенной инерции еще некоторое время будет продолжаться. Начнется затоваривание складов готовой продукцией. Предложение сильно превысит спрос. Цена на товар упадет. Многие фирмы прекратят производство этого товара. И такая ситуация будет сохраняться до тех пор, пока предложение не упадет до таких значений, что не сможет покрыть существующий спрос. Рынок сразу уловит складывающийся дефицит и отреагирует повышением цены. После этого начнется оживление производства и новый цикл взлета-падения рынка. Так будет продолжаться до тех пор, пока на рынке не останутся несколько производителей, которые либо договорятся между собой, либо интуитивно нащупают квоты производства товара, суммарный объем которых будет соответствовать требуемому соотношению спроса и предложения.
Точно так же выглядят графики инфляции и дефляции денежного рынка, расцвета и крахов фондового рынка, пополнения и расходования семейного бюджета. Все дело в том, что причину и следствие разделяет задержка во времени. Все это время система «помнит» как она должна отреагировать на причину. На первых порах кажется, что и следствия-то никакого нет. Но со временем эффект проявляется. Введенные в заблуждение (в нашем примере предприниматели) слишком поздно и слишком сильно реагируют на пики спроса и предложения. А во всем виновата уравновешивающая обратная связь, работающая с задержкой во времени.
Рис. 2.1.9. Колебание рынков товаров
В такой ситуации есть два решения. Во-первых, можно сделать более надежным измерение, осуществляя постоянный или периодический мониторинг рынка. Во-вторых, следует учитывать разницу во времени и стремиться оказаться там где нужно к тому времени, когда сигнал обратной связи успеет пройти через все звенья системы. Когда понимаешь, как осуществляется процесс, появляется возможность изменить ситуацию в желательном направлении.
В очень сложных системах следствие может проявиться спустя очень длительное время. К тому времени, когда оно даст о себе знать, критический порог может миновать и будет уже поздно что-либо исправлять. Особенно наглядно такая опасность просматривается во влиянии промышленных отходов на окружающую среду. То, что мы делаем сейчас, скажется на нашей будущей жизни, когда появятся последствия наших дел. Нашими сегодняшними поступками мы формируем облик будущего.
В облике динамической модели «черного ящика», по существу, ничего не изменится, кроме того, что момент появления выхода у потребуется скорректировать на время задержки ∆, т.е. выход системы примет вид y(t + ∆). Однако основная трудность моделирования в том и заключается, чтобы определить величину ∆ и место, в котором появится у. Наилучшим образом это удается в рамках построения так называемых лаговых моделей, которые изучает математическая статистика.