Подэтапы первого этапа моделирования (этапа построения концептуальной модели системы и ее формализации).

Подэтапы первого этапа моделирования. Рассмотрим более подробно основные подэтапы построения кон­цептуальной модели системы и ее формализации (см. рис. 1).

1.1. Постановка задачи машинного моделирования системы.Да­ется четкая формулировка задачи исследования конкретной систе­мы S и основное внимание уделяется таким вопросам, как:

а) приз­нание существования задачи и необходимости машинного модели­рования;

б) выбор методики решения задачи с учетом имеющихся ресурсов;

в) определение масштаба задачи и возможности разбие­ния ее на подзадачи.

Необходимо также ответить на вопрос о приоритетности реше­ния различных подзадач, оценить эффективность возможных мате­матических методов и программно-технических средств их решения. Тщательная проработка этих вопросов позволяет сформулировать задачу исследования и приступить к ее реализации. При этом воз­можен пересмотр начальной постановки задачи в процессе модели­рования.

1.2. Анализ задачи моделирования системы.Проведение анализа задачи способствует преодолению возникающих в дальнейшем труд­ностей при ее решении методом моделирования. На рассматривае­мом втором этапе основная работа сводится именно к проведению анализа, включая:

а) выбор критериев оценки эффективности про­цесса функционирования системы S;

б) определение эндогенных и экзогенных переменных модели М;

в) выбор возможных методов идентификации;

г)выполнение предварительного анализа содер­жания второго этапа алгоритмизации модели системы и ее машинной реализации;

д) выполнение предварительного анализа содер­жания третьего этапа получения и интерпретации результатов моделирования системы.

1.3. Определение требований к исходной информации об объекте моделирования и организация ее сбора.После постановки задачи моделирования системы S определяются требования к информации, из которой получают качественные и количественные исходные дан­ные, необходимые для решения этой задачи. Эти данные помогают глубоко разобраться в сущности задачи, методах ее решения. Таким образом, на этом подэтапе проводится: а) выбор необходимой ин­формации о системе S и внешней среде Е; б) подготовка априор­ных данных; в) анализ имеющихся экспериментальных данных; г) выбор методов и средств предварительной обработки информа­ции о системе.

При этом необходимо помнить, что именно от качества исходной информации об объекте моделирования существенно зависят как адекватность модели, так и достоверность результатов моделиро­вания.

1.4. Выдвижение гипотез и принятие предположений.Гипотезы при построении модели системы S служат для заполнения «пробе­лов» в понимании задачи исследователем. Выдвигаются также гипо­тезы относительно возможных результатов моделирования системы S, справедливость которых проверяется при проведении машинного эксперимента. Предположения предусматривают, что некоторые данные неизвестны или их нельзя получить. Предположения могут выдвигаться относительно известных данных, которые не отвечают требованиям решения поставленной задачи. Предположения дают возможность провести упрощения модели в соответствии с выбран­ным уровнем моделирования. При выдвижении гипотез и принятии предположений учитываются следующие факторы:

а) объем имею­щейся информации для решения задач;

б) подзадачи, для которых информация недостаточна;

в) ограничения на ресурсы времени для решения задачи;

г) ожидаемые результаты моделирования.

Таким образом, в процессе работы с моделью системы S воз­можно многократное возвращение к этому подэтапу в зависимости от полученных результатов моделирования и новой информации об объекте.

1.5. Определение параметров и переменных модели.Прежде чем перейти к описанию математической модели, необходимо опреде­лить параметры системы , входные и выходные переменные , , воздействия внешней среды . Конечной целью этого подэтапа является подготовка к построению математической модели системы S, функционирующей во внешней среде Е, для чего необходимо рассмотрение всех параметров и пере­менных модели и оценка степени их влияния на процесс функцио­нирования системы в целом. Описание каждого параметра и пере­менной должно даваться в следующей форме:

а) определение и краткая характеристика; б

) символ обозначения и единица изме­рения;

в) диапазон изменения;

г) место применения в модели.

1.6. Установление основного содержания модели.На этом подэтапе определяется основное содержание модели и выбирается метод построения модели системы, которые разрабатываются на основе принятых гипотез и предположений. При этом учитываются следующие особенности:

а) формулировка задачи моделирования системы;

б) структура системы S и алгоритмы ее поведения, воз­действия внешней среды Е;

в) возможные методы и средства реше­ния задачи моделирования.

1.7. Обоснование критериев оценки эффективности системы.Для оценки качества процесса функционирования моделируемой систе­мы S необходимо выбрать некоторую совокупность критериев оцен­ки эффективности, т. е. в математической постановке задача сводится к получению соотношения для оценки эффективности как функции параметров и переменных системы. Эта функция пред­ставляет собой поверхность отклика в исследуемой области измене­ния параметров и переменных и позволяет определить реакцию системы. Эффективность системы S можно оценить с помощью ин­тегральных или частных критериев, выбор которых зависит от рас­сматриваемой задачи.

1.8. Определение процедур аппроксимации. Для аппроксимации реальных процессов, протекающих в системе S, обычно использу­ются три вида процедур:

а) детерминированную;

б) вероятностную;

в) определения средних значений.

При детерминированной процедуре результаты моделирования однозначно определяются по данной совокупности входных воздей­ствий, параметров и переменных системы S. В этом случае отсутст­вуют случайные элементы, влияющие на результаты моделирова­ния.

Вероятностная (рандомизированная) процедура применяется в том случае, когда случайные элементы, включая воздействия внешней среды Е, влияют на характеристики процесса функцио­нирования системы S и когда необходимо получить информацию о законах распределения выходных переменных.

Процедура опреде­ления средних значений используется тогда, когда при моделиро­вании системы интерес представляют средние значения выходных переменных при наличии случайных элементов.

1.9. Описание концептуальной модели системы. На этом подэтапе построения модели системы:

а) описывается концептуальная модель в абстрактных терминах и понятиях;

б) дается описание модели с использованием типовых математических схем;

в) прини­маются окончательно гипотезы и предположения;

г) обосновывает­ся выбор процедуры аппроксимации реальных процессов при по­строении модели.

Таким образом, на этом подэтапе проводится подробный анализ задачи, рассматриваются возможные методы ее решения и дается детальное описание концептуальной модели , которая затем используется на втором этапе моделирования.

1.10. Проверка достоверности концептуальной модели. После того как концептуальная модель описана, необходимо проверить достоверность некоторых концепций модели перед тем, как перейти к следующему этапу моделирования системы S. Проверять досто­верность концептуальной модели достаточно сложно, так как про­цесс ее построения является эвристическим и такая модель описы­вается в абстрактных терминах и понятиях. Один из методов проверки модели -применение операций обратного перехода, позволяющий проанализировать модель, вернуться к принятым ап­проксимациям и, наконец, рассмотреть снова реальные процессы, протекающие в моделируемой системе S. Проверка достоверности концептуальной модели должна включать:

а) проверку замыс­ла модели;

б) оценку достоверности исходной информации;

в) рас­смотрение постановки задачи моделирования;

г) анализ принятых аппроксимаций;

д) исследование гипотез и предположений.

Только после тщательной проверки концептуальной модели следует переходить к этапу машинной реализации модели, так как ошибки в модели не позволяют получить достоверные резуль­таты моделирования.

1.11. Составление технической документации по первому этапу.Вконце этапа построения концептуальной модели и ее форма­лизации составляется технический отчет по этапу, который включа­ет в себя:

а) подробную постановку задачи моделирования системы S;

б) анализ задачи моделирования системы;

в) критерии оценки эффективности системы;

г) параметры и переменные модели сис­темы;

д) гипотезы и предположения, принятые при построении мо­дели;

е) описание модели в абстрактных терминах и понятиях;

ж) описание ожидаемых результатов моделирования.

Составление технической документации - обязательное условие успешного проведения моделирования системы S, так как в процес­се разработки модели большой системы и ее машинной реализации принимают участие на различных этапах коллективы специалистов разных профилей (начиная от постановщиков задач и кончая про­граммистами) и документация является средством обеспечения их эффективного взаимодействия при решении поставленной задачи методом моделирования.