41281

ФОРМАЛИЗАЦИЯ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Методика разработки и машинной реализации моделей систем Сущность машинного моделирования системы состоит в проведении на вычислительной машине эксперимента с моделью которая представляет собой некоторый программный комплекс описывающий формально и или алгоритмически поведение элементов системы в процессе ее функционирования т. Требования пользователя к модели Основные требования предъявляемые к модели процесса функционирования системы: 1. Полнота модели должна предоставлять пользователю возможность получения необходимого набора оценок...

Русский

2013-10-23

163 KB

42 чел.

Лекция 11. ФОРМАЛИЗАЦИЯ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ. Методика разработки и машинной реализации моделей систем. Требования пользователя к модели. Этапы моделирования систем. Построение и формализация концептуальных моделей систем. Переход от описания к блочной модели. Математические модели процессов

3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ

3.1. Методика разработки и машинной реализации моделей систем

Сущность машинного моделирования системы состоит в проведении на вычислительной машине эксперимента с моделью, которая представляет собой некоторый программный комплекс, описывающий формально и (или) алгоритмически поведение элементов системы в процессе ее функционирования, т.е. в их взаимодействии друг с другом и внешней средой. 

Требования пользователя к модели

Основные требования, предъявляемые к модели процесса функционирования системы:

1. Полнота модели должна предоставлять пользователю возможность получения необходимого набора оценок характеристик системы с требуемой точностью и достоверностью.

2. Гибкость модели должна давать возможность воспроизведения различных ситуаций при варьировании структуры, алгоритмов и параметров системы.

3. Длительность разработки и реализации модели большой системы должна быть по возможности минимальной при учете ограничений на имеющиеся ресурсы.

4. Структура модели должна быть блочной, т.е. допускать возможность замены, добавления и исключения некоторых частей без переделки всей модели.

5. Информационное обеспечение должно предоставлять возможность эффективной работы модели с базой данных систем.

6. Программные и технические средства должны обеспечивать эффективную (по быстродействию и памяти) машинную реализацию модели и удобное общение с ней пользователя.

7. Должно быть реализовано проведение целенаправленных (планируемых) машинных экспериментов с моделью системы с использованием аналитико-имитационного подхода при наличии ограниченных вычислительных ресурсов.

При машинном моделировании системы S характеристики процесса ее функционирования определяются на основе модели М, построенной исходя из имеющейся исходной информации об объекте моделирования. При получении новой информации об объекте его модель пересматривается и уточняется с учетом новой информации, т.е. процесс моделирования, включая разработку и машинную реализацию модели, является итерационным. Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет получена модель М, которую можно считать адекватной в рамках решения поставленной задачи исследования и проектирования системы S.

Моделирование систем с помощью ЭВМ можно использовать в следующих случаях:

а) для исследования системы S до того, как она спроектирована, с целью определения чувствительности характеристики к изменениям структуры, алгоритмов и параметров объекта моделирования и внешней среды;

б) на этапе проектирования системы S для анализа и синтеза различных вариантов системы и выбора среди конкурирующих такого варианта, который удовлетворял бы заданному критерию оценки эффективности системы при принятых ограничениях;

в) после завершения проектирования и внедрения системы, т.е. при ее эксплуатации, для получения информации, дополняющей результаты натурных испытаний (эксплуатации) реальной системы, и для получения прогнозов эволюции (развития) системы во времени.

Этапы моделирования систем

Основные этапы моделирования системы:

  •  построение концептуальной модели системы и ее формализация;
  •  алгоритмизация модели системы и ее машинная реализация;
  •  получение и интерпретация результатов моделирования системы.

Взаимосвязь этапов моделирования систем и их составляющих (подэтапов) представлена на рис. 3.1.

Основные подэтапы:

1.1 – формулировка цели и постановка задачи машинного моделирования системы;

1.2 – анализ задачи моделирования системы;

1.3 – определение требований к исходной информации об объекте моделирования и организация ее сбора;

1.4 – выдвижение гипотез и принятие предположений;

1.5 – определение параметров и переменных модели;

1.6 –установление основного содержания модели;

Первый этап  Второй этап       Третий этап

Рис. 3.1. Взаимосвязь этапов моделирования систем

1.7 – обоснование критериев оценки эффективности системы;

1.8 – определение процедур аппроксимации;

1.9 – описание концептуальной модели системы;

1.10 – проверка достоверности концептуальной модели;

1.11 – составление технической документации по первому этапу;

2.1 – построение логической схемы модели;

2.2 – получение математических соотношений;

2.3 – проверка достоверности модели системы;

2.4 – выбор инструментальных средств для моделирования;

2.5 – составление плана выполнения работ по программированию;

2.6 – спецификация и построение схемы программы;

2.7 – верификация и проверка достоверности схемы программы;

2.8 – проведение программирования модели;

2.9 – проверка достоверности программы;

2.10 – составление технической документации по второму этапу;

3.1 – планирование машинного эксперимента с моделью системы;

3.2 – определение требований к вычислительным средствам;

3.3 – проведение рабочих расчетов;

3.4 – анализ результатов моделирования системы;

3.5 – представление результатов моделирования;

3.6 – интерпретация результатов моделирования;

3.7 – подведение итогов моделирования и выдача рекомендаций;

3.8 – составление технической документации по третьему этапу.

Таким образом, на этапе построения концептуальной модели МК и ее формализации проводится исследование моделируемого объекта с точки зрения выделения основных составляющих процесса его функционирования, определяются необходимые аппроксимации и получается обобщенная схема модели системы S, которая преобразуется в машинную модель ММ на втором этапе моделирования путем последовательной алгоритмизации и программирования модели. Последний, третий, этап моделирования системы сводится к проведению согласно полученному плану рабочих расчетов на ЭВМ с использованием выбранных программно-технических средств, получению и интерпретации результатов моделирования системы S с учетом воздействия внешней среды Е. 

3.2. Построение и формализация концептуальных моделей систем 

На первом этапе машинного моделирования – построения концептуальной модели М системы S и ее формализации – формулируется модель и строится ее формальная схема, т.е. основным назначением этого этапа является переход от содержательного описания объекта к его математической модели, другими словами, процесс формализации. Необходимо, во-первых, провести границы между системой S и внешней средой Е, далее упростить описание системы и построить сначала концептуальную, а затем формальную модели системы. Модель должна быть адекватной, т.е. с определенной степенью приближения на уровне понимания моделируемой системы S разработчиком. Модель должна отражать процесс ее функционирования во внешней среде Е.

Переход от описания к блочной модели

Наиболее рационально строить модель функционирования системы по блочному принципу. При этом могут быть выделены три автономные группы блоков такой модели. Блоки первой группы представляют собой имитатор воздействий внешней среды Е на систему S; блоки второй группы являются собственно моделью процесса функционирования исследуемой системы S; блоки третьей группы –вспомогательными и служат для машинной реализации блоков двух первых групп, а также для фиксации и обработки результатов моделирования.

Рассмотрим механизм перехода от описания процесса функционирования некоторой гипотетической системы к модели этого процесса. Описание свойств процесса функционирования системы S представим в виде концептуальной модели МК как совокупности некоторых элементов, условно изображенных квадратами на рис. 3.2, а, и некоторой целевой функции.

а

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

I

13

14

15

16

II

17

18

19

20

III

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

б

Рис. 3.2. Концептуальная модель системы:

а – описательная; б – блочная (структурная)

Эти квадраты представляют собой описание некоторых подпроцессов исследуемого процесса функционирования системы S, воздействия внешней среды Е и т.д. Переход от описания системы к ее модели согласно целевой функции сводится к исключению из рассмотрения некоторых второстепенных элементов описания (элементы 5-8, 39-41, 43-47). Предполагается, что они не оказывают существенного влияния на ход процессов, исследуемых с помощью модели. Часть элементов (14, 15, 28, 29, 42) заменяется пассивными связями h1, отражающими внутренние свойства системы (рис. 3.2, б). Некоторая часть элементов (1-4, 10, 11, 24, 25) заменяется входными  факторами х и воздействиями внешней среды v1. Возможны и комбинированные замены: элементы 9, 18, 19, 32, 33 заменены  пассивной связью h2 и воздействием внешней среды Е v2. Элементы 22, 23, 36, 37 отражают воздействие системы на внешнюю среду у.

Оставшиеся элементы системы S группируются в блоки SI, SII, SIII, отражающие процесс функционирования исследуемой системы. Поведение этих блоков должно быть хорошо изучено и для каждого из них построена математическая модель, которая в свою очередь может содержать ряд подблоков. Построенная блочная (структурная) модель процесса функционирования исследуемой системы S предназначена для анализа характеристик этого процесса, который может быть проведен при машинной реализации полученной модели согласно заданной целевой функции.

Математические модели процессов

После перехода от описания моделируемой системы S к ее модели Мк, построенной по блочному принципу, необходимо построить математические модели процессов, происходящих в различных блоках. Математическая модель представляет собой совокупность соотношений (например, уравнений, логических условий, операторов), определяющих характеристики процесса функционирования системы S в зависимости от структуры системы, алгоритмов поведения, параметров системы, воздействий внешней среды Е, начальных условий и времени. Математическая модель является результатом формализации процесса функционирования исследуемой системы.

Формально процесс функционирования некоторой гипотетической системы S можно представить в виде m подсистем с характеристиками  с параметрами  при наличии входных воздействий  и воздействий внешней среды .

Тогда математической моделью процесса может служить система соотношений вида

 (3.1)

Если бы функции  были известны, то соотношения (3.1) оказались бы идеальной математической моделью процесса функционирования системы S. Обычно процесс функционирования системы S разбивают на ряд элементарных подпроцессов. Сущность формализации подпроцессов состоит в подборе типовых математических схем. Например, для стохастических процессов это могут быть схемы вероятностных автоматов (Р-схемы), схемы массового обслуживания (Q-схемы) и т.д.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Советов Б.Я. Моделирование систем : учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. М. : Высш. шк., 2001. 343 с.

2. Советов Б.Я. Моделирование систем : учеб. для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1998. 319 с.

3. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем: учеб. для вузов / В.П. Тарасик. М.: Наука, 1997. 600 с.

4. Введение в математическое моделирование: учеб. пособие для вузов/ под ред. П.В.Тарасова. М.: Интермет Инжиниринг, 2000. 200 с.

5. Ивченко Г.И. Математическая статистика: учебное пособие для втузов / Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев. М.: Высш. шк., 1984. 248 с.

6. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем / И.Н. Альянах. Л.: Машиностроение, 1988. 233 с.

7. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука / Р. Шеннон. М.: Мир, 1978. 308 с.

6

 y

x

ν1   ν2

Внешняя среда Е

3.5

3.6

3.7

3.8

3.2

1.2

1.5

1.7

1.1

1.6

1.8

1.9

1.10

2.3

2.2

2.6

2.7

2.8

2.9

3.3

3.4

1.11

2.1

2.10

3.1

2.5

2.4

1.3

1.4

h1

h2

Система S

SIII

SI

SII


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52094. Населення і народи Африки 55.5 KB
  Мета уроку: формування первинних знань учнів про етнічний склад населення Африки особливості його формування динаміку і розміщення; сприяти розумінню демографічних проблем Африки та шляхи їх вирішення.Формувати первинні практичні вміння характеризувати загальні риси населення материка; вдосконалювати практичні вміння працювати з тематичними картами атласу. Зміст курсу Географія материків і океанів передбачає не тільки вивчення природи материків але й ознайомлення з характеристиками населення материків та його господарською діяльністю.
52095. Тропічні пустелі та напівпустелі. Твердолисті вічнозелені ліси та чагарники 68.5 KB
  Навчальна мета: повторити вивчений матеріал; зясувати рівень оволодіння учнями навчальним матеріалом з попередніх тем; сформувати знання про особливості розміщення природних зон Африки; поглибити систему знань учнів про взаємозв'язки природних компонентів у складі природних зон; сформувати в учнів уміння складати характеристику природних зон у певній послідовності за типовим планом; удосконалювати практичні вміння учнів працювати з картами атласами. Обладнання: фізична карта Африки кліматична карта Африки карта природних зон Африки...
52096. Африка 63.5 KB
  Посовещавшись команды должны выбрать капитана и название команды можно предложить выбрать из названий стран Африки. Название команды пишут маркером на чистых табличках. За каждый правильный ответы команды получают красные жетоны 2 ВОСХОЖДЕНИЕ на Джомолунгму На доске магнитной нарисована гора с маршрутамиступеньками по количеству команд. Команды выбирают одного игрока – альпиниста который будет защищать честь команды при восхождении.
52097. Загальні особливості клімату Африки. Кліматичні пояси i типи клімату 43 KB
  Мета: повторите поняття клімат вірні чинники типи клімату кліматичний пояс; сформувати знання про загальні особливості клімату Африки про типи клімату в кожному кліматичному поясі Африки; продовжити формування навичок аналізу карти кліматичної карти Африки кліматичних діаграм; розвивати увагу спостережливість вміння робити висновки визначати головне. Найвища точка Африки: а г. Вам уже відомо що більша частина Африки розташована в тропічних широтах екватор перетинає материк майже посередині саме тому Африка протягом року...
52098. Фізико-географічне положення та берегова лінія Африки 49 KB
  Розмістити порядкові номери географічних об’єктів по океанам до яких вони належать Острів Камчатка Острів Шпіцберген Півострів Аравійський Острів Шрі-Ланка Півострів Скандинавський Острови Японські Острів НоваЗемля Острів Ісландія Хребет Ломоносова Острови Бермудські Острів Мадагаскар Море Червоне Острови Гавайські Море Карське Море Чорне Море Берингове Хребет Менделеєва Півострів Індостан Півострів Сомалі Острові Філіппінські Море Азовське Море Саргасове Острови Маріанські ...
52100. Общая характеристика климата Африки 5.32 MB
  Общая характеристика климата Африки Цель: формировать у учащихся систему знаний об общих особенностях климата Африки и основных климатообразующих факторах; совершенствовать практические умения объяснять особенности климата Африки характеризовать влияние климатообразующих факторов на его формирование развивать коммуникативные навыки воспитывать интерес к предмету. Оборудование: физическая карта Африки климатическая карта Африки учебники атласы шаблоны в рабочей тетради приготовлена картосхема Африки. В рабочей тетради вы должны были...
52101. Природні зони Африки 7.36 MB
  Мета: повторити вивчений матеріал; з’ясувати рівень оволодіння учнями навчальним матеріалом з попередніх тем; формувати знання про особливості розміщення природних зон Африки; поглибити систему знань учнів про взаємозв’язки природних компонентів у складі природних зон; сформувати в учнів вміння складати характеристику природних зон в певній послідовності за типовим планом...
52102. Особливості географічного положення Африки. Елементи берегової лінії. Дослідження та освоєння 1.58 MB
  Мета: формувати загальні уявлення про зміст та структуру розділу Материки; ознайомити з планом вивчення материків; розкрити поняття географічне положення;познайомити учнів з історією відкриття Африки. Обладнання: фізична карта світу фізична карта Африки плани характеристики географічного положення материка контурні карти портрети дослідників підручники атласи. До Африки взимку відлітають птахи України: лелеки ластівки журавлі тощо.