Уровни моделирования

Моделирование с использованием компьютерной техники

Различают два вида моделирование с использованием средств вычислительной техники:

1) математическое, котором моделирование, осуществляется средствами математики, логики и вычислительной техники;

2) имитационное (программное), при котором модель представляет собой алгоритм функционирования объекта исследования, реализованный в виде программного комплекса для компьютера.

Эти виды моделирования могут применяться одновременно в виде некоторой комбинации.

Под компьютерной моделью чаще всего понимают:

- условный образ объекта или системы объектов, описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта;

- отдельную программу, программный комплекс, позволяющие с помощью вычислений и графического отображения их результатов имитировать процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект реальных, случайных факторов.

Компьютерное моделирование – это метод решения задачи анализа и синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.

При компьютерном моделировании главную роль играют компьютер и компьютерная технология.

Компьютер играет роль:

- вспомогательного средства для решения задач;

- средства постановки и решения новых задач;

- средства конструирования компьютерных обучающе-моделирующих сред;

- средства моделирования для получения новых знаний;

- обучения новых моделей.

Вычислительный эксперимент является разновидностью компьютерного моделирования.

Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели.

Качественные выводы позволяют обнаружить новые свойства сложной системы, а количественные выводы носят характер прогноза некоторых значений переменных, характеризующих систему.

Компьютерная модель должна быть достаточно универсальной, и в то же время достаточно простой, чтобы позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами.

Существуют разные уровни сложности в описании объектов исследования:

Метауровень моделирования — уровень, характеризующийся наименее детализированным рассмотрением протекающих в объекте процессов. Что позволяет в одном описании отразить взаимодействие многих элементов сложного объекта.

На метауровне моделируются, например, процесс развития Вселенной, работа локальных и глобальных вычислительных сетей, городских телефонных сетей, энергосистем, транспортных систем.

Исследователи из Великобритании с помощью компьютерной программы имитировали процесс саморазвития нашего мира, начиная с Большого взрыва. В качестве законов эволюции использовались современные научные представления теории относительности, гравитации и другие теории. В процессе моделирования первоначально однородная Вселенная начала развиваться и, в конце концов, пришла к тому виду, который мы наблюдаем сейчас.

Моделирование на метауровне позволило наглядно подтвердить справедливость физических законов, сформулированных Исааком Ньютоном и Альбертом Эйнштейном.

Макроуровень моделирования — уровень рассмотрения физических процессов, протекающих в непрерывном времени, но дискретном пространстве.

Например, макроуровень описания радиоэлектронной аппаратуры — схемотехнический уровень. На этом уровне рассматриваются радиоэлектронные схемы, состоящие из таких дискретных элементов, как транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, триггеры, логические элементы и т. п.

Микроуровень моделирования — уровень рассмотрения физических процессов, протекающих в сплошных средах и непрерывном времени.

Фазовыми переменными при моделировании на микроуровне являются поля напряжений и деформаций в деталях механических конструкций, электромагнитные поля в электропроводящих средах, поля температур нагретых деталей.

На этом уровне моделируется, например, работа излучающих телевизионных и радио антенн, устройств электромагнитного ориентирования (силового воздействия на промышленные детали с помощью электромагнитного поля), изучаются защитные свойства электромагнитных экранов; дифференциальные уравнения в частных производных с заданными краевыми условиями.

Имитационное моделирование

Объектами имитационного (программного) моделирования могут быть локальные и глобальные вычислительные сети, телефонные и телеграфные сети, системы энергоснабжения, транспортные системы, склады, автозаправочные станции, ремонтные мастерские и т. п.

Анализ работы подобных систем основан на изучении процесса прохождения потока заявок. По-другому заявки называются требованиями, запросами, транзакциями (транзактами).

Примеры транзакций:0 прохождение телефонных вызовов в городской телефонной сети, распечатка нескольких файлов, одновременно поступивших на сервер печати в локальной вычислительной сети, прохождение пакетов через маршрутизатор глобальной вычислительной сети, ожидание покупателя в кассе магазина, водителя на автозаправочной станции, судами очереди разгрузки в порту.

Заявки принимаются обслуживающим устройством (аппаратом), которое может содержать несколько каналов (например, в магазине устанавливают несколько касс, а между автоматическими телефонными станциями создают несколько каналов связи). Если число поступивших заявок велико, то не все они могут быть мгновенно обработаны (обслужены, удовлетворены). По этой причине некоторые требования получают отказ в обслуживании или их ставят в очередь на ожидание.

Системы, в которых, с одной стороны, возникают массовые запросы на выполнение каких-либо услуг, а с другой стороны, происходит удовлетворение этих запросов, называются системами массового обслуживания (СМО).

СМО – система обслуживания случайного потока заявок. Исследуются с помощью имитационных моделей.

Имитационная модель – стохастическая (вероятностная, статистическая) модель, содержащая кроме детерминированных элементов, элементы, параметры которых изменяются по случайному закону.

Термин «имитационное моделирование» может быть практически однозначно заменен термином «статистическое моделирование», то есть моделирование с использованием случайных величин, событий, функций.

При изучении СМО исследователя интересуют следующие фазовые переменные: время обслуживания заявок, длина очереди заявок, время ожидания обслуживания в очередях, вероятность обслуживания в заданные сроки, число отказов и т. п. Эти исследования носят статистический (вероятностный) характер. Это объясняется тем, что интервалы времени между поступлениями заявок на входы системы, а также большинство других характеристик заявок являются случайными величинами. Состояние обслуживающего устройства также является случайным событием (исправно или нет, занято или нет). Например, на телефонной городской сети заявки (телефонные звонки) возникают неравномерно. Ночью их число значительно снижается, а утром их интенсивность достигает максимума (существует так называемый час наибольшей нагрузки).

Имитационное моделирование сводится к проведению множества вычислительных экспериментов (расчетов) на ЭВМ путем многократного «прогона» (запуска на счет) составленной программы на множестве исходных данных, имитирующих события, которые могут произойти в системе массового обслуживания. Исходные данные при имитационном моделировании изменяются по различным случайным законам. Результаты моделирования получают путем статистической обработки результатов моделирования (производят расчет математического ожидания, дисперсии, вероятностей, проверку гипотез и т.п.).

Дата добавления: 2014-01-20