Концептуальные и формальные модели

Концептуальная модель - это абстрактная модель, определяющая структуру исследуемой системы, свойства элементов и причинно-следственные связи, присущие системе и существенные для достижения цели. В этой модели обычно в словесной форме приводятся сведения о природе и параметрах элементарных явлений исследуемой системы, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и роли в общем процессе функционирования системы. Разработка концептуальной модели требует глубоких знаний исследуемой системы, так как надо обосновать не только то, что должно войти в модель, но и то, что может быть отброшено без существенных искажений результатов моделирования. Основная проблема при создании модели заключается в нахождении компромисса между простотой модели и ее адекватностью с исследуемым объектом. Процесс создания концептуальной модели не может быть полностью формализован.

После определения общего состава модели необходимо определить уровень ее детализации. Модель системы может быть представлена в виде совокупности элементов или подсистем. В эту совокупность должны быть включены те составляющие, которые обеспечивают сохранение целостности исследуемой системы. Кроме того, каждая часть системы тоже состоит из совокупности элементов, которые, в свою очередь, могут подвергаться дальнейшему членению. Поэтому в общем случае модель исследуемой системы может быть представлена совокупностью иерархических моделей, а выбор уровня определяется требуемым результатом с степенью предварительного знания свойств элементов. Детализация системы должна проводиться до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны ил могли быть получены зависимости выходных параметров от входных.

Если в результате получается модель большой размерности, то ее следует упростить. Это можно сделать с помощью изоморфных преобразований без снижения адекватности.

Следующим шагом является представление среды в виде генераторов внешних воздействий. Они разделяются на генераторы рабочей нагрузки, генераторы дополнительных объектов (фоновые процессы), генераторы управляющих и возмущающих воздействий. Приемники выходных воздействий обычно не включают в модель. Считается, результаты функционирования системы среда потребляет (принимает) полностью и без задержек.

Завершается построение концептуальной модели указанием связей между элементами. Эти связи могут быть вещественными и информационными. В простых системах, составленных из однофункциональных элементов, информационные связи могут отсутствовать. Управление процессом их функционирования осуществляется самой структурой (принцип структурного управления). Например, логические элементы.

В более сложных системах управление требуется для указания, какой элемент должен выполнять ту или иную операцию. Такие системы функционируют в соответствии с алгоритмическим (программным) способом управления. В концептуальной модели должны быть указаны алгоритмы управления рабочей нагрузкой, элементами и процессами.

В концептуальной модели также должны быть описаны все протекающие в системе процессы. В этом случае от статической модели переходят к динамической, поскольку исследователя в основном интересуют результаты функционирования системы.

Созданная концептуальная модель должна быть проверена на адекватность исследуемому объекту. На данном этапе возможен только умозрительный анализ, желательно, чтобы такую проверку проводили эксперты.

Формальные модели. Концептуальная модель служит основой формализованного описания структуры и процесса функционирования системы для однозначности их понимания. При исследовании АСУ и их элементов может быть использовано множество методов формализации. Целесообразно рассмотреть некоторые из них.

Агрегативные системы. Этот метод позволяет представить функционирование непрерывных и дискретных, детерминированных и стохастических систем. Приспособлен в наибольшей мере для описания систем, у которых входные и выходные сообщения представляются в виде сообщений, состоящих из совокупностей сигналов.

В основе метода лежит понятие агрегата как элемента системы. Модель выражается в виде зависимостей с конкретизацией входных воздействий, состояний и операторов переходов и выходов. В частности, выделяют особые состояния агрегата, к которым относятся состояния в моменты входного или управляющего сигнала либо в момент выдачи выходного сигнала. Из особого состояния агрегат скачкообразно может переходить в новое состояние. Агрегативная система образуется при расчленении исследуемой системы на элементы, каждый из которых представляет собой агрегат.

Единообразное математическое описание объектов в виде агрегативных схем позволяет использовать универсальные средства имитационного моделирования.

Системы массового обслуживания. В основе СМО лежит понятие прибора, который может выполнять конечное множество операций. Прибор выполняет операцию, когда возникает заявка - требование на выполнение операции. Если прибор выполняет операцию, то считается, что он занят, в противном случае - свободен. Ограничение числа состояний прибора приводит к большей степени абстрактности, чем понятие агрегата.

Последовательность заявок называется потоком заявок. Общий поток заявок может состоять из нескольких потоков. По различным причинам в системе может возникать очередь - заявки, ожидающие обслуживания, когда прибор занят. Прибор может состоять из одного или нескольких элементов (каналов), каждый из которых в состоянии обслуживать любую заявку. Совокупность прибора, очереди к нему и потоков заявок называют системой массового обслуживания.

Теория массового обслуживания хорошо разработана и нашла широкое применение при исследовании элементов АСУ.

Стохастические сети. Для описания стохастических систем с дискретными множествами состояний, входных и выходных воздействий, функционирующих в непрерывном времени, широко используются стохастические сети. Такая сеть представляет собой совокупность СМО, в которой циркулируют заявки, переходящие из одной системы в другую. При определенных условиях стохастическая сеть может рассматриваться как совокупность независимых СМО. Это открывает возможность применения теории массового обслуживания для исследования подобных систем.

Помимо перечисленных подходов к формализации могут использоваться кусочно - линейные агрегаты, непрерывные детерминированные системы, автоматы и др.

Дата добавления: 2014-01-07