23408

Етапи розробки комп’ютерної імітаційної моделі системи

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Такие системы являются продуктом мышления человека. Примером абстрактных систем могут служить формальные математические модели системы математических уравнений системы счисления теории системы принципов и взглядов в той или иной области т. Закрытых систем в природе не существует и в этом плане они могут рассматриваться как абстрактные системы. Такие модели весьма удобны и эффективны но не все реальные системы строго могут описываться в рамках абстрактных математических моделей.

Украинкский

2013-08-03

106 KB

0 чел.

МІНІСТЕРСТВО   ІНФРАСТРУКТУРИ   УКРАЇНИ

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій

КАФЕДРА           інфокомунікацій____________

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідуючий кафедрою

_______________ Костік Б.Я.

       (підпис, прізвище)

“ ____ “  _________2011  року

Лекція №  5

з навчальної дисципліни __моделювання компютерних мереж 

напряму підготовки _______інформаційні технології________

освітньо-кваліфікаційного рівня ____cпеціаліст_____________

спеціальності _____ компютерні системи та мережі_________

    Тема   Етапи розробки комп’ютерної  імітаційної моделі системи

                                        (повна назва лекції)

Лекція розроблена стар. викладач каф. Інф. Срочинська Г.С.

(вчена ступінь та звання,  прізвище та ініціали автора)

Обговорено на засіданні кафедри (ПМК)

Протокол № __________

“ ____ “ _____________ 2011 року

Київ


Навчальні цілі: Вивчення основних понять моделювання компютерних мереж,  ознайомлення з поняттями системи та моделі, співвідношенням між моделлю та системою, класифікацією  моделей,  видами  моделей, технологію моделювання;

Виховні цілі: Формування у студентів інженерно-технічного кругозору, методами  імітаційного моделювання для побудови  комп’ютерних систем та мереж, вміння ставити та вирішувати складні інженерні задачі, проводити аналіз, аргументовано робити висновки.       

Час  90 хв.

ПЛАН ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ ТА РОЗРАХУНОК ЧАСУ

Вступ                                                                                                    10  хвилин

Навчальні питання

1. Застосування методології ІМ                                                             70  хвилин

(найменування питання лекції)

 

 

Заключення                                                                                            10  хвилин

ЛІТЕРАТУРА:

(рекомендована для студентів)

1. В.Г. Кривуца, В.В. Барковський, Л.Н. Беркман. Математичне моделювання телекомунікаційних систем: Навч. посібник. –К.: Звязок, 2007.

НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

(наочні посібники, схеми, таблиці, ТЗН та інше)

Діапроектор, дидактичні слайди


НАВЧАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ

  1.  Застосування методології  ІМ

        

Как уже стало ясно, для исследования систем возможно использование различных типов моделей: структурно-функциональных и объектных; статических и динамических; детерминированных и стохастических и т. п. Далее в этом разделе основные типы моделей мы будем выделять по типам реализуемых в них отношений подобия и попробуем в этом плане определить место компьютерных имитационных моделей сложных систем, о которых постоянно будет идти речь.

Термин «модель» используется в связи с отношением между двумя системами, при котором одна из них (реальная) заменяется другой (моделирующей) с целью получения определенных преимуществ и возможностей в процессе исследования. Подобные отношения должны обеспечивать, с одной стороны, подобие в рассматриваемом на данной стадии аспекте исследования, а с другой стороны, максимальную степень независимости по отношению к нерассматриваемым аспектам.

Любая реальная система, состоящая из материальных объектов (элементов), взаимодействующих путем передачи вещества, энергии или информации называется физической. Абстрактная система состоит из элементов, не имеющих прямых аналогов в реальном мире. Такие системы являются продуктом мышления человека. Примером абстрактных систем могут служить формальные математические модели (системы математических уравнений, системы счисления), теории, системы принципов и взглядов в той или иной области т. п. К понятиям физическая и абстрактная система близко примыкают понятия открытая и закрытая система. Открытой называется такая система, которая обменивается с внешней средой веществом энергией или информацией. Закрытая система - полностью изолированная; она не обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Закрытых систем в природе не существует, и в этом плане они могут рассматриваться как абстрактные системы. Любая формальная математическая модель является закрытой системой . Опираясь на введенные понятия, можно выделить 4 типа отношений моделирования или 4 типа моделей в зависимости от природы исходной и моделирующей систем.

Тип

Исходная система

Моделирующая система

I

Физическая (Ф)

—>

Абстрактная (А)

II

Абстрактная (А)

—>

Физическая (Ф)

III

Физическая (Ф)

—>

Физическая (Ф)

IV

Абстрактная (А)

Абстрактная (А)

К первому типу моделей относятся, прежде всего, математические модели реальных систем. Они основываются на использовании математических методов описания и исследования физических процессов и явлений. Такие модели весьма удобны и эффективны, но не все реальные системы строго могут описываться в рамках абстрактных математических моделей.

Примерами моделей второго типа являются всевозможные устройства (логарифмическая линейка, цифровые и аналоговые компьютеры, электролитические ванны для решения уравнений в частных производных), предназначенные для исследования различного рода математических систем (моделей) и решения задач. Процесс математического моделирования здесь фактически заменяется отображающим его физическим процессом, направленным на получение результатов в соответствии с исходными абстрактными моделями.

Третий тип моделей - это, как правило, масштабные модели, реализующие принцип геометрического подобия физических систем (подлинника и модели), например, специальные бассейны для исследования водных объектов. К ним относятся также модели, направленные на воспроизведение существенных условий функционирования реальных объектов, заменяемых при этом их упрощенными физическими эквивалентами. Примером такого рода моделей может служить модель для исследования характеристик новейших летательных аппаратов с использованием аэродинамических труб.

К четвертому типу моделей относятся очень важные для прикладной математики модели, опирающиеся на использование различного рода преобразований, обеспечивающих упрощенный характер исследования абстрактных систем. Вместо того, чтобы работать с исходной системой, можно работать с моделирующей системой, в рамках которой решение задачи упрощается, а затем применить полученные результаты к исходной системе. Так, для решения дифференциальных уравнений применяется преобразование Лапласа, переводящее задачу в пространство других переменных. Это позволяет получить решение на основе алгебраических уравнений, что намного проще.

При проведении исследований информационных систем могут быть использованы аналитические математические модели, особенностью которых является использование функциональных соотношений и явных зависимостей, описывающих работу элементов системы или связывающих искомые показатели качества ИС с ее внутренними параметрами и характеристиками внешней среды. Однако даже самый мощный аппарат современной математики позволяет адекватно описать поведение только относительно простых систем. При исследовании сложных систем приходится идти на существенное и зачастую неоправданное упрощение моделей, что не позволяет изучить все необходимые аспекты их поведения.

В связи с этим для моделирования процессов и систем, имеющих сложный и многоаспектный характер поведения, используются технологии компьютерного имитационного моделирования. Имитационное моделирование позволяет разрешить главную проблему современной науки - проблему сложности или, как еще говорят, «проклятие размерности». Дадим следующее определение.

Имитационная модель (ИМ) - это формальное (т. е. выполненное на некотором языке) описание логики функционирования исследуемой системы и взаимодействия ее отдельных элементов во времени, учитывающее наиболее существенные причинно- следственные связи, присущие системе, и отражающее поведение моделируемого объекта во времени и в пространстве.

ИМ используется  с целью либо оценить различные стратегии управления действующей системой и определить пути ее улучшения, либо понять поведение вновь создаваемой системы, относительно которого изначально имеется большая априорная неопределенность.

ИМ, обеспечивающая проведение статистических экспериментов называется статистической ИМ. Последнее условие отражает вероятностный, стохастический характер процессов, имеющих место во многих сложных ИС и во взаимодействующей с ними внешней среде.

Поведение системы в рамках ИМ обусловлено поведением функциональных элементов или объектов, которые отображают компоненты реальной системы. Для задания свойств (состояний) объектов используются атрибуты (параметры). Совокупность объектов с одним и тем же набором атрибутов образует класс объектов. Элементы модели обычно делят на активные, пассивные и активно-пассивные элементы. Активными элементами модели называются такие, смена состояний которых обусловлена только их внутренними свойствами. Пассивными элементами называются такие, которые изменяют свои свойства только под воздействием активных элементов, а в общем случае любых внешних факторов. К активно-пассивным элементам относятся такие, которые в одном из своих возможных состояний являются активными, а в других - пассивными.

При описании поведения системы с помощью ИМ используются также основополагающие понятия события и работы, или активности. Событием называется фиксируемое в модели мгновенное изменение состояния некоторого компонента системы или системы в целом. Работа (активность) - это отображение единичного действия системы по обработке или преобразованию входных данных, материальных объектов и т. п., характеризующееся временем выполнения и другими потребляемыми ресурсами. Выполнение работы или совокупности взаимосвязанных работ приводит к появлению событий.

Реальным современным инструментом имитационного моделирования является компьютер (цифровой или аналоговый). Это означает, что конечной формой ИМ является программа или программный комплекс, реализованные в используемой языковой среде. С этой точки зрения существо процесса имитационного моделирования в рамках классического алгоритмического подхода к программированию сводится к следующим основным фазам:

I. Построение математического описания процессов и подпроцессов, протекающих в системе, которое состоит из совокупности частных аналитических и вероятностных математических моделей различного характера и используемого формализма и называется общей математической моделью системы.

  1.  Разработка набора алгоритмов, обеспечивающих имитацию процессов, описываемых частными математическими моделями. Организованная в единое целое в соответствии с логикой причинно-следственных связей процессов и подпроцессов, происходящих в реальной системе, совокупность этих алгоритмов называется общим моделирующим алгоритмом.
  2.  Реализация на ЭВМ программы имитации и статистического анализа эффективности системы, ее отладка, тестирование и эксплуатация.

При реализации объектно-ориентированного подхода в роли общего моделирующего алгоритма для описания процесса функционирования системы используются логические и динамические представления в виде соответствующих диаграмм (классов, состояний, деятельности и др.), отражающих взаимодействие и поведение реализуемых в модели компонентов системы.

Если считать, что любая ИС может рассматриваться как специализированная вычислительная машина, то использование ее ИМ, реализованной на ЭВМ, означает, по существу, имитацию процесса функционирования специализированной машины с помощью универсальной. Поэтому компьютерная ИМ относится к третьему типу моделей (Ф —> Ф), а процесс ее получения в рассмотренных фазах может быть представлен в виде, показанном на рис. 3.1.

I II III

Рас. 3.1. Отношения подобия при получении имитационной модели

Необходимо отметить, что двойной термин «имитационное моделирование» означает, что мы имеем дело с такими моделями, в рамках которых нельзя заранее вычислить или предсказать результат.

Поэтому для изучения поведения реальной ИС необходим эксперимент - имитация функционирования системы на модели при заданных исходных данных. Другими словами, в отличие от аналитических моделей, в данном случае осуществляется «прогон» имитационных моделей, а не их «решение». Это означает, что ИМ не способны формировать свое собственное решение в том виде, в каком это имеет место при использовании аналитических моделей, а могут лишь служить в качестве средств и источников информации для анализа поведения реальных систем и принятия решений относительно их эффективности.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что имитационное моделирование не теория, а синтетическая методология решения проблем в области исследования систем, основанная на проведении компьютерного эксперимента с поведенческой моделью реальной системы.

Применение методологии ИМ целесообразно в таких ситуациях [3]:

  1.  не существует законченной постановки задачи на исследование, и идет процесс познания объекта моделирования;
    1.  характер протекающих в системе процессов достаточно сложен и не позволяет описать эти процессы в единой аналитической форме;
    2.  необходимо наблюдать за поведением системы (или отдельных ее компонентов) с изменением (замедлением или ускорением) скорости протекания процессов;
    3.  требуется провести исследование новых ситуаций в системе или выполнить анализ ее функционирования в условиях, о которых мало что известно;
    4.  требуется изучить модельное поведение системы в условиях, недоступных для исследователя (космические, геофизические условия и т. п.);
    5.  при подготовке специалистов и освоении новой техники (многочисленные тренажеры).

Следует отметить, что методология ИМ, наряду с несомненными достоинствами, имеет ряд недостатков, о которых следует знать. Эти недостатки можно определить так [3]:

  1.  разработка и эксплуатация ИМ сложной системы требует, как правило, больших затрат времени и сил и обходится дороже, чем аналитические исследования;
    1.  имитационная модель значительно менее «объективна», чем аналитическая модель, и часто не точна, причем исследователь во многих случаях не в состоянии до конца оценить степень этой неточности;
      1.  использование ИМ создает обманчивое впечатление достоверности, реальности происходящего, тогда как в разрабатываемом для моделирования продукте всегда присутствуют ошибки, поиск которых достаточно сложен и занимает много времени;
      2.  результаты, которые позволяет получить ИМ, всегда носят частный характер (в пределах задаваемых вариантов исходных данных) и требуют дополнительной обработки и интерпретации с целью получения общих выводов и заключений.

Тем не менее, ИМ является мощнейшим, а зачастую и единственным орудием исследований в руках системных аналитиков. Можно сказать, что имитационное моделирование это крайнее средство, силовой прием решения сложной проблемы.

Для лиц, занимающихся научной деятельностью и разработкой в области современных информационных, управляющих и телекоммуникационных систем, имитационное моделирование является наиболее результативной методологией содержательного анализа возникающих проблем. Эта методология оставляет позади такие методы, как линейное и нелинейное программирование, теория массового обслуживания, теория игр и др. В экономике имитационное моделирование занимает одно из первых мест по эффективности и частоте применения среди других методов прогнозирования и анализа работы организаций и предприятий.

Следует обратить внимание на то, что востребованность методологии ИМ привела к бурному развитию инструментальных средств компьютерного имитационного моделирования. Ежегодно появляются новые приложения, обеспечивающие реализацию технологий ИМ в различных областях. Эти разработки позволили уже сегодня существенно сократить трудозатраты и снизить требования к уровню специальной подготовки исследователей и, тем самым, устранить один из главных недостатков, изначально свойственный имитационному моделированию.

 

Заключення

Начальные этапы разработки ИМ (этапы 1-3) нами фактически уже затрагивались в гл. 2. Их реализация может проводиться с использованием рассмотренных информационно-аналитических технологий и графических языков визуального моделирования систем. Теперь после выделения всех этапов разработки ИМ можно продолжить их рассмотрение, начиная с этапов формализации описания системы. Поэтому дальнейшее рассмотрение будет направлено на анализ типовых математических схем, используемых на этапе определения общей математической модели системы.


II. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

           Дисципліна “ Моделювання комп’ютерних мереж”- це теоретичні основи принципів вивчення основних понять імітаційного моделювання, ознайомлення з поняттями системи та моделі, співвідношенням між моделлю та системою, класифікацією  моделей,  видами  моделей, технологію моделювання; побудовою  імітаційної моделі персонального комп’ютера; технологічних етапів випробування та експлуатації імітаційних моделей.

Основні форми поточного контролю – спостереження за діями студентів, проведення модульного контролю.

Самостійна робота студента по підготовці до поточних занять, модульного контролю в межах відведеного часу планується особисто кожним студентом.

III. ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. В.Г. Кривуца, В.В. Барковський, Л.Н. Беркман. Математичне моделювання телекомунікаційних систем: Навч. посібник. –К.: Звязок, 2007.

Розробник лекції  старший викладач кафедри інфокомунікацій

___                          Срочинська Г.С.

(підпис, прізвище)

“ ____ “  _____________  2011  року


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11054. Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов 136 KB
  Построение структуры системы управления программная реализация регуляторов Большинство систем процессорного компьютерного управления содержат в своем составе различные регуляторы выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время н...
11055. Исполнительные устройства систем мехатроники 206.5 KB
  Исполнительные устройства систем мехатроники Общие сведения и классификация Исполнительными механизмами называются механизмы выполняющие непосредственно требуемую технологическую операцию путем воздействия на обрабатываемую среду или объект с целью изменения
11056. Основы проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем 734 KB
  Основы проектирования интегрированных мехатронных модулей и систем Основой метода мехатроники является интеграция составляющих частей которая закладывается на этапе проектирования и затем реализуется в технологических процессах производства и эксплуатации мехат...
11057. Методы интеграции при проектировании мехатронных агрегатов 182.5 KB
  Методы интеграции при проектировании мехатронных агрегатов Для проектирования интегрированных мехатронных агрегатов разработаны три метода интеграции. Каждый из методов может применяться как самостоятельно так и в комбинации с другими методами поскольку они реа
11058. Создание базы данных каналов промышленного контроллера в SCADA системе TRACE MODE 561.5 KB
  Создание базы данных каналов промышленного контроллера в SCADA системе TRACE MODE: методические указания по выполнению практической работы и варианты заданий / Воронеж. гос. технол. акад.; сост. И.А. Хаустов А.А Хвостов Р.А. Романов. Воронеж: ВГТА 2011. 32 с. Указания разработаны
11059. Создание базы каналов автоматизированного рабочего места диспетчерского контроля и управления с настройкой сетевого обмена 447 KB
  Создание базы каналов автоматизированного рабочего места диспетчерского контроля и управления с настройкой сетевого обмена: методические указания по выполнению практической работы / Воронеж. гос. технол. акад.; сост. И.А. Хаустов А.А Хвостов Р.А. Романов. Воронеж: ВГТА 20...
11060. Создание пользовательских функциональных блоков программированием на СИ++ 900 KB
  Создание пользовательских функциональных блоков программированием на СИ: Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов А.А. Хвостов. Воронеж...
11061. Создание и отладка программ на языке инструкций 270 KB
  Создание и отладка программ на языке инструкций: Методические указания для выполнения практической работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов. Воронеж 2011. 13 с. Указания разработаны в соотве...
11062. Создание графического интерфейса оператора технолога 1.25 MB
  Создание графического интерфейса оператора технолога: Методические указания для выполнения лабораторной работы по дисциплине Интегрированные системы проектирования и управления / Воронеж. гос. технол. акад.; Сост. И.А. Хаустов. Воронеж 2011. 54 с. Указания разработаны в ...