Формализация процесса функционирования системы

Наибольшие затруднения и наиболее серьезные ошибки при моделировании возникают при переходе от содержательного к формальному описанию объектов исследования, что объясняется участием в этом творческом процессе коллективов разных специальностей: специалистов в области систем, (заказчиков), и специалистов в области машинного моделирования (исполнителей).

Эффективным средством для нахождения взаимопонимания между этими группами специалистов является язык математических схем, позволяющий во главу угла поставить вопрос об адекватности перехода от содержательного описания системы к ее математической схеме, а лишь затем решать вопрос о конкретном методе получения результатов с использованием ЭВМ.

В процессе разработки модели можно выделить три этапа:

• концептуальный,

• математический

• и программный (экспериментальный).

Разработка концептуальной модели

Концептуальная модель (КМ) (содержательная) - это абстрактная модель, определяющая состав и структуру системы, свойства элементов и причинно-следственные связи, присущие исследуемой системе и существенные для достижения цели моделирования.

На этапе создания концептуальной модели обосновывается не только то, что должно войти в модель, но и то, что может быть отброшено без существенных искажений результатов моделирования.

Основная проблема при этом заключается в нахождении компромисса между простотой модели и ее адекватностью с исследуемой системой. Процесс создания КМ, очевидно, никогда не может быть полностью формализован. Это не только наука, но и искусство.

Выделяют следующие этапы построения КМ.

1. Уточнение множества полезных и возмущающих внешних воздействий.

При создании КМ выявляются качественные и количественные параметры системы и внешних воздействий.

2. Выбор уровня детализации модели.

Любая система состоит из совокупности элементов, которые в свою очередь могут быть расчленены на элементы. С учетом этого проблема выбора уровня детализации может быть разрешена путем построения иерархической последовательности моделей. Система представляется семейством моделей, каждая из которых отображает ее поведение на различных уровнях детализации.

Уровни детализации называют стратами. Выбор страт определяется целями моделирования и степенью предварительного знания свойств элементов.

При построении стратифицированной КМ необходимо руководствоваться следующим.

В модель должны войти все параметры системы и, в первую очередь, параметры, допускающие варьирование в процессе моделирования, которые обеспечивают определение интересующих характеристик при конкретных внешних воздействиях на заданном временном интервале функционирования системы. Остальные параметры должны быть по возможности исключены из модели.

Детализация производится до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны или могли быть получены зависимости параметров выходных воздействий элемента и определены выходные характеристики системы от параметров воздействий, которые являются входными для этого элемента.

3. Локализация КМ, которая осуществляется путем представления внешней среды в виде генераторов внешних воздействий, включаемых в состав модели в качестве элементов. При необходимости они дифференцируются на генераторы рабочей нагрузки, поставляющих данные в систему; генераторы дополнительных обеспечивающих объектов, генераторы управляющих и возмущающих воздействий.

4. Завершение построения структуры модели указанием связей между элементами. Связи делятся на вещественные и информационные.

Вещественные отражают возможные пути перемещения продукта преобразования, информационные - обеспечивают передачу между элементами управляющих воздействий и информации о состоянии.

Если можно в модели обойтись без информационных связей (они дублируются) как, например, в однофункциональных элементах, то управление процессом в таких системах определяются структурой, т.е. реализован принцип структурного управления.

Многофункциональные элементы при управлении или реализуют принцип программного или алгоритмического управления, которые обеспечивают параллельное выполнение нескольких процессов.

5. Описание динамики системы. Для описания динамики системы нужно модель дополнить описанием работы системы, как выполнением технологического процесса. Он задается отображением алгоритма. Алгоритм однозначно определяет, какие ресурсы системы, в какой последовательности и какие операции должен выполнить для достижения некоторой цели. Также имеются еще алгоритмы управления совокупностью процессов, основное их назначение - разрешение конфликтных ситуаций, возникающих, когда два или более процесса претендуют на один и тот же ресурс.

Совокупность алгоритмов управления совместно с параметрами внешних воздействий и элементов отражает динамику функционирования.

Алгоритмы преобразовываются к виду, удобному для моделирования.

Созданная КМ должна быть проверена на адекватность исследуемому объекту.