Имитационное моднлирование

Натурным моделированием называют проведение исследования на реальном объекте с последующей  обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия.

С развитием техники и проникновением вглубь процессов, протекающих в реальных системах, возрастает техническая оснащенность современного научного эксперимента. Он характеризуется широким использованием средств автоматизации проведения, применением весьма разнообразных средств обработки информации, возможностью вмешательства человека в процесс проведения эксперимента. И в соответствии с этим появилось новое научное направление — автоматизация научных экспериментов.

Отличие эксперимента от реального протекания процесса заключается  в том, что в нем могут появиться  отдельные критические  ситуации и определяться границы устойчивости процесса.

Другим видом реального  моделирования является физическое, отличающееся от натурного тем, что исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явлений и обладают физическим подобием. В процессе физического моделирования задаются некоторые характеристики внешней среды, и исследуется поведение либо реального объекта, либо его модели при заданных или создаваемых искусственно воздействиях внешней среды. Физическое моделирование может протекать в реальном и нереальном (псевдореальном) масштабах времени, а также может рассматриваться без учета времени. В последнем случае изучению подлежат так называемые «замороженные» процессы, которые фиксируются в некоторый момент времени. Наибольшие сложность и интерес с точки зрения верности получаемых результатов представляет физическое моделирование в реальном масштабе времени.

С точки зрения математического  описания объекта и в зависимости  от его характера модели можно  разделить на:

• аналоговые (непрерывные);
• цифровые (дискретные);
• аналого-цифровые (комбинированные).

Под аналоговой моделью  понимается модель, которая описывается уравнениями, связывающими непрерывные величины.

Под цифровой понимают модель, которая описывается уравнениями, связывающими дискретные величины, представленные в цифровом виде.

Под аналого-цифровой понимается модель, которая может быть описана  уравнениями, связывающими непрерывные и дискретные величины.

Особое место в моделировании  занимает кибернетическое моделирование, в котором отсутствует непосредственное подобие физических процессов, происходящих в моделях, реальным процессам. В  этом случае стремятся отобразить лишь некоторую функцию и рассматривают реальный объект как «черный ящик», имеющий ряд входов и выходов, и моделируют некоторые связи между выходами и входами. Чаще всего при использовании кибернетических моделей проводят анализ поведенческой стороны объекта при различных воздействиях внешней среды. Таким образом, в основе кибернетических моделей лежит отражение некоторых информационных процессов управления, что позволяет оценить поведение реального объекта. Для построения имитационной модели в этом случае необходимо выделить исследуемую функцию реального объекта, попытаться формализовать эту функцию в виде некоторых операторов связи между входом и выходом и воспроизвести на имитационной модели данную функцию, причем на базе совершенно иных математических соотношений и, естественно, иной физической реализации процесса.

 

 

3. классификации языков моделирования

 

Для машинного моделирования системы S пригодны три способа проведения вычислений, в основе которых лежит применение цифровой, аналоговой и гибридной вычислительной техники рис. 1.

 

Рис. 1. Классификация языков моделирования

 

Для моделирования систем используются как универсальные  и процедурно-ориентированные ЯОН, так и специализированные ЯИМ. При  этом ЯОН предоставляют программисту-разработчику модели больше возможностей в смысле гибкости разработки, отладки и использования модели. Но гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на программирование модели, так как организация выполнения операций, отсчет системного времени и контроль хода вычислений существенно усложняются.

Имеющиеся ЯИМ можно  разбить на три основные группы, соответствующие трем типам математических схем:

• непрерывные;
• дискретные;
• комбинированные.

Языки каждой группы предназначены  для соответствующего представления системы S при создании ее машинной модели .

В основе рассматриваемой  классификации в некоторых ЯИМ  лежит принцип формирования системного времени. Так как «системные часы»  предназначены не только для продвижения  системного времени в модели , но также для синхронизации различных событий и операций в модели системы S, то при отнесении того или иного конкретного языка моделирования к определенному типу нельзя не считаться с типом механизма «системных часов».

Непрерывное представление системы S сводится к составлению уравнений, с помощью которых устанавливается связь между зависимыми и независимыми переменными модели. Примером такого непрерывного подхода является использование дифференциальных уравнений. Причем в дальнейшем дифференциальные уравнения могут быть применены для непосредственного получения характеристик системы.

Представление системы S в виде типовой схемы, в которой  участвуют как непрерывные, так  и дискретные величины, называется комбинированным. Состояние модели системы М(S) описывается набором переменных, некоторые из которых меняются во времени непрерывно. Законы изменения непрерывных компонент заложены в структуру, объединяющую дифференциальные уравнения и условия относительно переменных. Предполагается, что в системе могут наступать события двух типов:

• события, зависящие от состояния системы;
• события, зависящие от времени.

События первого типа наступают в результате выполнения условий, относящихся к законам  изменения непрерывных переменных.

Для событий второго типа процесс моделирования состоит в продвижении системного времени от момента наступления события до следующего аналогичного момента.

В рамках дискретного  подхода можно выделить несколько  принципиально различных групп  ЯИМ.

Первая группа ЯИМ  подразумевает наличие списка событий, отличающих моменты начала выполнения операций. Продвижение времени осуществляется по событиям, в моменты наступления которых производятся необходимые операции, включая операции пополнения списка событий.

При использовании ЯИМ второй группы после пересчета системного времени, в отличие от схемы языка событий, просмотр действий с целью проверки выполнения условий начала или окончания какого-либо действия производится непрерывно. Просмотр действий определяет очередность появления событий.

Третья группа ЯИМ  описывает системы, поведение которых  определяется процессами. В данном случае под процессом понимается последовательность событий, связь  между которыми устанавливается  с помощью набора специальных  отношений. Динамика заложена в независимо управляемых программах, которые в совокупности составляют программу процесса.

 

4. Достоинства и недостатки языков имитационного моделирования

 

Преимущества языков имитационного моделирования (ЯИМ) по сравнению с универсальными языками  общего назначения (ЯОН) следующие:

1. язык моделирования содержит абстрактные конструкции, непосредственно отражающие понятия, в которых представлена формализованная модель, и близкие концептуальному уровню описания моделируемой системы. Это упрощает программирование имитатора, позволяет автоматизировать выявление многих ошибок в программах;
2. языки моделирования имеют эффективный встроенный механизм продвижения модельного времени (календарь событий, методы интегрирования и др.), средства разрешения временных узлов;
3. языки моделирования, как правило, содержат встроенные датчики случайных чисел, генераторы других типовых воздействий;
4. в языках моделирования автоматизирован сбор стандартной статистики и других результатов моделирования, имеются средства автоматизации выдачи этих результатов в табличной или графической форме;
5. языки моделирования имеют средства, упрощающие программирование имитационных экспериментов, в частности, автоматизирующие установку начального состояния и перезапуск модели.

Недостатки языков имитационного моделирования:

1. используются только стандартные формы вывода результатов моделирования;
2. недостаточная распространенность языков моделирования, которые, как правило, не входят в штатное программное обеспечение операционных систем;
3. необходимость дополнительного обучения языкам моделирования и, как следствие, недостаток программистов, хорошо владеющих языками моделирования;
4. отсутствие гибкости и широких возможностей, присущих универсальным языкам программирования.

 

 

 

5. Языки имитационного моделирования

 

Разработан ряд моделирующих языков высокого уровня для моделирования дискретных систем, систем массового обслуживания. Таких, как SIMULA, SIMSCRIPT, GPSS, CSL и др.

SIMULA представляет собой расширение языка АЛГОЛ, SIMSCRIPT — расширение Фортрана. Наибольшее распространение из этих языков получил язык GPSS. В GPSS важное место занимает обработка таких объектов, как транзакты (сообщения, заявки, запросы).

Языки моделирования  цифровых систем в основном обеспечивают задачи разработки цифровой аппаратуры. Их называют HDL или на русском языке  — языки описания аппаратуры (ЯОА). Наиболее известным и эффективным  ЯОА сегодня является язык VHDL. 
VHDL является единым, общим языком описания моделей и проектирования электронных устройств, начиная с вентильного, регистрового уровней и кончая уровнем описания вычислительных систем. Но основное назначением языка VHDL — описание заданий на моделирование.

Для моделирования непрерывных динамических систем получил распространение язык CSMP, который реализует пакетный режим взаимодействия с пользователем. Появились и другие языки и системы моделирования непрерывных процессов, такие как MIDAS, PACTOLUS, CSSL. К отечественным языкам и системам моделирования непрерывных динамических систем относятся МАСЛИН и МАСС (разработанные сотрудниками МЭИ). Примерами языков, реализующих комбинированное моделирование являются GASP, НЕДИС и МИКС.

GASP является расширением языка ФОРТРАН. Здесь непрерывные алгоритмы моделируются дифференциальными уравнениями, а дискретные процессы представляются в виде событий, наступление которых зависит от процесса функционирования системы. Событие — переход системы из одного состояния в другое в соответствии с принятыми правилами.

НЕДИС — язык моделирования непрерывно-дискретных систем разработан сотрудниками Института кибернетики Академии наук Украины. НЕДИС создан на основе алгоритмических языков высокого уровня и относится к системам программирования универсального типа, т.е. языки GASP и НЕДИС относятся к процедурным языкам программирования.

МИКС (моделирование имитационное комбинированных систем) представляет собой удобное средство моделирования. Как и язык МАСЛИН, МАСС система МИКС имеет в своей основе блочно-ориентированный язык с непроцедурной технологией программирования, позволяющей легко и быстро моделировать исследуемую систему, осуществлять быстрое преобразование модели, воспроизводить реально действующие сигналы и организовать вычислительный эксперимент. Блочные языки и соответствующие программные модули позволяют легко реализовать динамическое распределение памяти посредством размещения во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) больших библиотек модулей, извлекать их по мере необходимости, пересылать их в оперативную память.

 

5.1 Язык моделирования Симула

 

Cимула (от SIMUIation LAnguage, т.е. язык моделирования, специальный язык программирования, облегчающий доведение модели реальной системы до готовой компьютерной программы)  семейство языков программирования, разработанных в Норвегии. Широкую известность и распространение получили языки Симула-1 и Симула-67. Они базируются на Алголе-60 и содержат его в качестве своего подмножества.

Язык Симула-1, появившийся  в 1964 году, создан У. Далом и К. Нюгордом. Предназначен для моделирования систем с так называемыми дискретными событиями (например, систем массового обслуживания).

Цели, которые ставили  перед собой разработчики, сводились к следующим:

• предоставить в распоряжение исследователя, строящего модель системы, концептуальную основу для ясного и четкого мышления;
• предоставить средства для описания динамических моделей;
• облегчить процесс программирования.

Фундаментальным понятием языка Симула-1 является процесс, а  главную роль играют параллельно  функционирующие процессы, которые выступают в качестве компонентов моделируемой системы. Они имеют свои атрибуты (структуру данных) и программу действий (алгоритм). В каждый момент времени активен только один процесс. Исполняя свою программу, он может использовать свои и чужие атрибуты, порождать новые процессы, планировать для себя и других процессов события новые фазы активности (употребляя "встроенное" в язык понятие дискретного времени), приостановить себя. Для всего этого в языке имеются планирующие и управляющие операторы.

В 1967-1968 годах авторы Симулы-1 и присоединившийся к ним Б. Мюрхауг создали Симулу-67. Как утверждает Е. Киндлер, данный язык по своей "универсальности" ближе к таким языкам, как Алгол-68 и Ада, чем к языкам моделирования. Однако следует отметить, что все средства Симулы-1 являются частью языка Симула-67 и их можно использовать при помощи так называемого стандартного класса SIMULATION (моделирование).