Средства математического моделирования технических объектов и обеспечение

Особенностью использования математического моделирования на современном этапе стало применение ЭВМ, что явилось решающим условием широкого внедрения аналитических методов в исследование сложных производственных систем.

Обычно модель строится по иерархическому принципу, когда последовательно анализируются отдельные стороны функционирования объекта и при перемещении центра внимания исследователя рассмотренные ранее подсистемы переходят во внешнюю среду. Иерархическая структура моделей может раскрывать и ту последовательность, в которой изучается реальный объект, а именно: последовательность перехода от структурного (топологического) уровня к функциональному (алгоритмическому) и от функционального к параметрическому.

Результат моделирования в значительной степени зависит от адекватности исходной концептуальной (описательной) модели, от полученной степени подобия описания реального объекта, числа реализаций модели и многих других факторов. Применение ЭВМ позволяет исследовать имитационную модель , задаваемую в виде определенной совокупности отдельных блочных моделей и связей между ними, физико-статистических моделей, полученных на ранних стадиях математического моделирования, в их взаимодействии в пространстве и времени при реализации какого-либо процесса, что в совокупности составляет имитационную систему. Можно выделить три основные группы блоков: блоки, характеризующие моделируемый процесс функционирования системы ; блоки, отражающие внешнюю среду и ее воздействие на реализуемый процесс; блоки, играющие служебную вспомогательную роль, обеспечивая взаимодействие первых двух, а также выполняющие дополнительные функции по получению и обработке результатов моделирования. Кроме того, имитационная система характеризуется набором переменных, с помощью которых удается управлять изучаемым процессом, и набором начальных условий, когда можно изменять условия проведения машинного эксперимента.

Как вытекает из изложенного, математическое моделирование представляет собой довольно сложный многоплановый процесс, который должен иметь определённое обеспечение (аналогично процессу САПР). В общем случае имитационная система моделирования как одна из наиболее сложных характеризуется следующими видами обеспечения:

· Математическое обеспечение включает в себя совокупность математических соотношений, описывающих поведение реального объекта, совокупность алгоритмов, обеспечивающих как подготовку, так и работу с моделью. Сюда могут быть отнесены алгоритмы ввода исходных данных, имитации, вывода, обработки.

· Программное обеспечение по своему содержанию включает в себя совокупность программ: планирования эксперимента, построения имитационной модели, проведения машинного эксперимента над имитационной моделью, обработки и интерпретации его результатов. Кроме того, программное обеспечение имитационной системы должно обеспечивать синхронизацию процессов в модели, т.е. необходим блок, организующий псевдопараллельное выполнение процессов в модели. Машинные эксперименты с имитационными моделями не могут проходить без хорошо разработанного и реализованного информационного обеспечения.

· Информационное обеспечение включает в себя средства и технологию организации и реорганизации базы данных моделирования, методы логической и физической организации массивов, формы документов, описывающих процесс моделирования и его результаты. Информационное обеспечение имитационной системы является наименее разработанной частью, поскольку только в настоящее время наблюдается переход к созданию сложных имитационных моделей и разрабатывается методология их использования при анализе и синтезе сложных систем с использованием концепции базы данных и знаний.

· Техническое обеспечение имитационной системы включает в себя прежде всего средства вычислительной техники, связи и обмена между оператором и сетью ЭВМ, ввода и вывода информации, управления проведением эксперимента. К техническому обеспечению предъявляются весьма серьёзные требования по надежности функционирования, так как сбои и отказы технических средств, ошибки оператора ЭВМ могут резко увеличить время работы с имитационной моделью и даже привести к неверным конечным результатам.

· Организационно-методическое обеспечение имитационной системы представляет собой совокупность научных и прикладных методик и методов, а также нормативно-технических и организационно-методических документов и мероприятий, используемых на всех этапах взаимодействия человека-экспериментатора с инструментальными средствами (ЭВМ, гибридными комплексами и т.д.). Эти документы, используемые на всех стадиях разработки и эксплуатации имитационных систем и их элементов, предназначены для формирования и поддержания эргономического качества путём обоснования и выбора организационно-проектных решений, которые создают оптимальные условия для высокоэффективной деятельности человека во взаимодействии с моделирующим комплексом.

Необходимо помнить, что даже при всем совершенстве средств вычислительной техники, которые в настоящее время широко используются либо для вычислений при аналитическом моделировании, либо для реализации имитационной модели системы, могут лишь помочь с точки зрения эффективности реализации сложной модели, они не позволяют подтвердить правильность той или иной модели. Только на основе обработанных данных, опыта исследователя можно с достоверностью оценить адекватность модели по отношению к реальному процессу.

Вопросы для самопроверки.

1. Что такое модель системы?

2. Как определяется понятие «моделирование»?

3. Что называется гипотезой и аналогией в исследовании систем?

4. Чем отличается использование метода моделирования при внешнем и внутреннем проектировании систем?

5. Какие современные средства вычислительной техники используются для моделирования систем?

6. В чем сущность системного подхода к моделированию систем на ЭВМ?

7. Что такое процесс функционирования системы?

8. В каком соотношении находятся понятия «эксперимент» и «машинное моделирование»?

9. Каковы основные характерные черты машинной модели?

10. В чем заключается цель моделирования системы на ЭВМ?

11. Какие существуют классификационные признаки видов моделирования систем?

12. Что собой представляет математическое моделирование систем?

13. Какие особенности характеризуют имитационное моделирование систем?

14. В чем суть метода статистического моделирования на ЭВМ?

15. Чем определяется эффективность моделирования систем на ЭВМ?

Рекомендуемая литература.

1. Аверченков, В.И. Основы математического моделирования технических систем: учеб. пособие / В.И. Аверченков, В.П. Федоров., М.Л. Хейфец – Брянск: Изд-во БГТУ, 2004.

2. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука / Р. Шеннон. –М.: Мир, 1978.

3. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учеб. для втузов / Н.М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе и др.; под ред. Н.М. Капустина. – М.: Высш. шк., 2004.