Контрольная работа №4

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ
РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Контрольная работа №4
по Теории и технологии моделирования систем
Тема: "Технологии моделирования сложных объектов"
Группа ИР-1-97
Студент: Киселев А.В.
Руководитель: Нечаев В.В.
Москва 2000г.
2
Технология это:
 совокупность производственных процессов в определенной отрасли
производства, а так же научное описание способов производства;
 совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния,
свойств, формы сырья, материала или полуфабриката в процессе
производства;
 наука о способах воздействия на сырье, материалы или полуфабрикаты
соответствующими орудиями производства;
 как
наука должна выявлять
физические, химические и
информационные закономерности с целью определения и
использования на практике наиболее эффективных и экономичных
производственных процессов;
 знания об оперировании материей, энергией и информацией,
опирающиеся на научные основы (Дитрих).
Технологию как научную основу определяют творчество, изготовление и
эксплуатация.
Технология моделирования – совокупность процессов создания,
сопровождения и использования модельного продукта на основе теоретических
и методологических знаний. Модельный продукт – результат реализации
процессов создания модели (модельный продукт – сама модель) и
использования модели (модельный продукт – результат решения задачи
моделирования). Модельный продукт может иметь физическую и
концептуальную форму.
Особенностью технологии моделирования является то, что она
ориентирована на единичное приложение, что делает ее дорогостоящей.
Само моделирование выступает как информационная технология –
приемы, способы и методы применения средств вычислительной техники и
техники связи при выполнении функций сбора, хранения, обработки, передачи и
использования информации.
Существуют 6 традиционных технологий моделирования:
– классическая;
– математическая;
– имитационная;
– бионическая;
– задачная;
– комбинированная.
Классическая технология моделирования.
Классическая технология моделирования подразделяется на:
– пооперационная технология (одна операция);
– процедурная технология (совокупность взаимосвязанных операций,
выполняющих целевую функцию);
– этап моделирования (совокупность процедур);
– фаза моделирования (совокупность этапов);
– целостная технология (совокупность фаз).
Сам процесс моделирования по классической технологии представляется
двумя фазами: создание модели и использование модели. Каждая фаза
подразделяется на некоторые шаги, которые необходимо последовательно
выполнить для достижения результата:
– создание модели:
3
1) определение потребности в решении задачи;
2) определяется необходимость и целесообразность модельного
подхода;
3) формулируются цели моделирования;
4) исходя из целей определяют задачи моделирования;
5) в соответствии с целями и задачами определяют объект
моделирования (оригинал), а так же окружающую его среду;
6) если объект определен, то уточняются и формулируются задачи
моделирования;
7) исходя из целей и задач проводится анализ объекта моделирования
и осуществляется содержательное описание;
8) по результатам анализа и описания определяется метод
моделирования;
9) в соответствии с предшествующими пунктами формируется модель;
10) осуществляется тестирование (проверка на адекватность) модели
(данные по показателям адекватности определяются на этапе
формулирования задачи моделирования);
11) если модель адекватна, то завершается данная фаза, в противном
случае проводится анализ причин несоответствия модели и в
зависимости от результатов анализа идет возврат на тот или иной
шаг создания модели;
– использование модели:
1) уточнение и корректировка задачи моделирования;
2) определение и уточнение исходных данных для решения задачи
моделирования;
3) планирование решения задачи моделирования;
4) проведение модельного эксперимента в задаче моделирования;
5) анализ и оценка результатов задачи моделирования по
соответствующему критерию результатов моделирования;
6) если результаты не удовлетворяют, то проводится анализ причин и
корректировка соответствующих исходных данных.
При различных сочетаниях результатов моделирования формируется
парадигма результатов моделирования, причем такая парадигма включает
только те результаты, которые удовлетворяют результатам моделирования, но
их качество различно. Далее происходит сопоставительный анализ результатов
и выбор наилучшего, либо оптимизация некоторого рационального результата
за счет включения в него наилучших свойств других результатов.
Математическая технология моделирования.
Математические технологии моделирования можно подразделить на:
– моделирование по схеме вход-выход;
– моделирование по внутренней структуре оригинала.
Сами технологии предполагают применение строгих математических
методов для получения конкретных результатов. При этом если структура
оригинала однородна, то осуществляется моделирование по этой структуре. В
этом случае строятся математические модели каждого компонента объекта оригинала, определяются уравнения связи между компонентами, формируется
целостная математическая модель оригинала.
Если внутренняя структура объекта - оригинала неоднородна или точно
определить структуру очень сложно, то осуществляется моделирование по
4
схеме вход-выход. В этом случае объект представляют в виде "черного ящика",
имеющего множество входов и выходов. Воздействуя определенным образом на
входы, эксперт получает данные с выходов. На основе полученных данных,
используя математические методы аппроксимации, создают приближенную
модель оригинала.
Имитационная технология моделирования.
Данная технология моделирования предполагает описание и соединение
математических схем в форме имитационных алгоритмов и программ. В этом
случае создается строгая модель (поскольку применяются математически
описанные схемы), позволяющая имитировать оригинал для последующих
исследований.
Бионическая технология моделирования.
Данная технология предполагает создание простейшей модели, а затем ее
развитие. При этом развитие модели может протекать эволюционным или
революционным путем. Эволюционное развитие – постепенное плавное
развитие посредством последовательной смены состояний, однако динамика
таких изменений может изменяться. Когда динамика развития изменяется
скачкообразно, то это революционное развитие. Обычно такое развитие
связанно с принципиально качественными изменениями в модели –
метаморфозами.
В природе выделяют два уровня эволюции: в онтогенезе и филогенезе.
Онтогенез предполагает индивидуальное изменение состояния организма от
зарождения и до гибели (отдельная особь). Онтогенез – создание модели как
инструмента решения задач и определяется от замысла или зарождения модели
и до снятия ее с эксплуатации или уничтожения. Филогенез определяется для
популяции – совокупности одинаковых особей организмов, имеющих единый
ареал обитания. Филогенез предполагает, что в процессе гибели и размножения
особей внутри популяции выживают наиболее приспособленные к окружающей
среде, то есть наследуются признаки, которые наилучшим образом
обеспечивают выживание особи в условиях изменяющейся окружающей среды.
С технической точки зрения это оптимизация моделей в условиях
изменяющейся окружающей среды. Процесс развития модели на
филогенетическом уровне предполагает формирование совокупности вариантов
реализации модели (аналог популяции) и формирование или выбор наилучшего
варианта модели.
Процесс развития в онтогенезе принято называть жизненным циклом.
Жизненный цикл модели:
1) исследование (И) – научный анализ;
2) проектирование (П);
3) конструирование (К);
4) реализация (Р) – овеществление, материализация;
5) эксплуатация (Э);
6) гибель (Г) – снятие с эксплуатации.
На каждой стадии может происходить старение (деградация – Д) и
улучшение свойств (модернизация – М). Таким образом бионическое развитие
можно представить в виде граф схемы – рис.1.
5
М
МИ
И
ДИ
МП
П
ДП
МК
К
ДК
МР
Р
ДР
МЭ
Э
ДЭ
Г
Д
Рис. 1. Граф схема бионического развития.
Задачная технология моделирования.
В основу разработки технологии моделирования на основе задачного
подхода положена концептуальная модель задачи. Концепт – слова,
предложения или некоторые тексты, определяющие содержательно смысл или
семантику некоторого предмета или объекта. Модели построенные на
концептуальном уровне могут быть использованы в широком перечне проблем.
Задачная технология определяется следующими шагами:
1) задача моделирования (РМ, В) – начинается с зарождения некоторой
потребности, при этом возникают следующие этапы:
 потребность;
 противоречие;
 проблемная ситуация;
 проблема;
 задача;
2) описание задачи моделирования (О)– для этой цели формируются:
 среда существования РМ как совокупность объектов моделирования
и окружающей среды объекта моделирования:
 Р  ОР ;  rР

цели, относящиеся к задаче моделирования (создание модели +
конечный результат решения):
Z P  Z M ; Z P*

условия задачи моделирования – совокупность метода решения
задачи моделирования, алгоритма реализации метода, программы
машинной реализации или ручной, показателя адекватности:
CP  M P ; AP ; PP ; Г Р

исходные данные – совокупность данных и знаний:
I P  DP ; KP
6
3) постановка задачи РМ (П), при этом выделяют:
– рутинная задача – все условия известны, необходимо выполнить
преобразование данных;
– задача моделирования в условиях максимальной неопределенности;
4) реализация (решение – Р).
Поскольку задачная технология предполагает получение конечного
результата только в случае рутинного представления, то возникает
необходимость расширения технологии и на случаи когда исходные данные для
решения задач по всем почти элементам кортежей либо отсутствуют, либо
недостаточны. В этом случае используют ту же технологию на основе
рекурсивных процедур. Глубина рекурсии определяется необходимостью
раскрытия компонент.
Взаимодействие данных четырех фаз показано на рис. 2.
В
О
П
Р
Рис. 2. Схема взаимодействия фаз при задачном подходе.
Комбинированная технология моделирования.
Данная технология предполагает одновременной использование
бионической технологии моделирования и задачной технологии моделирования.
Задачная технология определяет проблемы и задачи, которые необходимо
решить, а сформированные задачи решаются бионической технологией
моделирования. Каждой среде бионической технологии ставится по рекурсии
соответствующая задача. Такой подход дает возможность осуществлять и
автоматизировать моделирования, представляя бионическую и задачную
технологии в виде некоторой оболочки математических, программных и
информационных средств.
Саму организацию комбинированной технологии моделирования можно
представить в виде схемы – рис. 3.
7
И
Задача исследования
П
Задача проектирования
В
К
Задача конструирования
О
Р
Задача реализации
П
Э
Задача эксплуатации
Р
Д
М
Задача деградации
Задача модернизации
Документация
Рис. 3. Организация комбинированной технологии моделирования.
Сравнительный анализ технологий.
Как было описано выше каждая технология имеет свое применение. Если
необходимо четко смоделировать объект и при этом есть необходимы
математический аппарат, то можно применить математическую технологию
моделирования (при условии, что предсказуема реакция объекта-оригинала на
входное воздействие). Если необходимо строгое описание, но четко предсказать
реакцию объекта на воздействие сложно, то следует применять имитационную
технологию моделирования. В случае если при моделировании возможен
переход от простого к сложному, то следует применять классическую
технологию моделирования. Если предполагается, что окружающая объект
среда будет со временем изменяться, то следует при моделировании применять
бионическую технологию моделирования, как технологию позволяющую
постепенно модернизировать модель на основе опыта эксплуатации. Задачная
технология предполагает четкое последовательное описание задачи, при этом
описание и решение задачи оказывается громоздким и рутинным.