Компьютерное моделирование. 
Имитационное моделирование систем

В данном пособии будем рассматривать только один из видов компьютерного моделирования, а именно имитационное моделирование.

(ИМ) СМО, и частично вопросы планирования экспериментов и статистической обработки результатов ИМ.

Тем не менее приведем краткое описание математического моделирования (ММ), которое позволяет благодаря абстрактным математическим формулам точно, однозначно и количественно оценить исследуемый объект. Все возрастающая сложность исследуемых систем приводила к резкому усложнению их математического описания, что, в свою очередь, вызывало необходимость делать всевозможные упрощающие ограничения и допущения. При этом возникла опасность ухода от реального представления о системе.

Выходом из этого положения являлся либо прогресс самих математических методов, либо отыскание других методов описания. Появление мощных современных компьютеров и информационных технологий привело ко второму рождению ММ. Оно стало проникать практически во все сферы человеческой деятельности. В ряде областей ММ стало вытеснять физическое моделирование, так произошло, в частности, в авиационной промышленности, где начался демонтаж аэродинамических труб. Дальнейшее развитие ММ происходит за счет:

• • разработки новых численных методов решения задач моделирования, возможных только при условии использования информационных технологий (ИТ);
• • значительного увеличения объемов памяти и производительности компьютеров, что позволяет на много порядков увеличить размерности решаемых задач и перейти благодаря этому к качественно новым задачам моделирования.

Так, прогресс ММ позволил: исследовать эффекты синергизма (комбинированное действие, когда выходной эффект системы превышает действие, оказываемое компонентами по отдельности); оценивать бифуркационные состояния (вероятностное разветвление процесса функционирования системы); прогнозировать развитие диссипативных структур (переход в качественно новое состояние, характеризующееся более высоким уровнем самоорганизации); создавать более совершенные модели Вселенной (Большой взрыв, горячая Вселенная, теория струн), теории искусственного интеллекта, проводить исследования в разных областях социологии, экономики и т. д.

В то же время возникла достаточно мощная оппозиция применению ММ в плохо структурируемых, неформализуемых областях, т. е. в таких областях, где человек (оператор, лицо, принимающее решение) является основным элементом. По определению академика А. А. Самарского, процесс ММ базируется на триаде «модель — алгоритм — программа». До появления ЭВМ основную роль играла модель в виде математических уравнений, алгоритм представлял собой схему ручных расчетов для приближенного решения уравнений, а программа отсутствовала вообще. В начале использования ЭВМ первого поколения программе отводилась второстепенная роль — представление алгоритма в машинных кодах.

Развитие ИТ привело к тому, что ЭВМ стали использовать для моделирования процессов функционирования системы, причем в этом случае имелись алгоритм и программа, а математическая модель в ее классическом виде практически отсутствовала или предполагалось, что математической моделью является одно из аналитических представлений. Это направление получило название имитационного моделирования и представлено в работах Н. П. Бусленко, Н. Н. Моисеева, Р. Шеннона и многих других. Таким образом, в ММ началось опережающее развитие третьей компоненты триады — программы, или программного обеспечения процесса моделирования.

Необходимо четко понимать разницу между программированием и моделированием. Программирование в настоящее время располагает большим арсеналом языков программирования, средств автоматизации управления вычислительными ресурсами, создания специализированных программ, автоматизации работ с большими массивами данных — систем управления базами данных (СУБД).

Весь этот арсенал направлен на создание программ, но модель не должна превращаться только в программу, описывающую абстрактные алгоритмы или логические отношения. Компьютерная модель должна оставаться прежде всего моделью реального объекта независимо от того, чем описывается его поведение: набором формул или правил, графиком или прогнозными оценками экспертов. Поэтому модель должна предоставлять исследователю все интересующие его возможности: изменение выходных показателей, анализ чувствительности, определение областей устойчивости и степени робастности, оптимизацию параметров, оценку вариантов построения и т. д.

По мере развития описанного процесса все чаще в литературе появляется термин компьютерное моделирование (КМ). КМ объединяет достижения математического моделирования, системного программирования и информационных технологий.

Компьютерное моделирование обладает:

• • способностью понимать, интерпретировать и использовать формализованную и неформализованную информацию (математические формулы, логические правила, вербальные описания и т. п.);
• • различными формами представления данных и знаний, заполняя пространство между ММ с его аналитическими формами описания и искусственным интеллектом с его формами и правилами представления знаний;
• • способностью участвовать в процессе не только автоматизации научных исследований за счет использования самой ЭВМ для модификации различных режимов применения КМ, но и интеграции всех этапов жизненного цикла системы путем использования быстро развивающихся методов ИТ (широко распространенные во всем мире CALS- технологии, CASE-технологии, технологии ICAM и IDEF);
• • возможностью расширения круга пользователей, от узкого круга специалистов — математиков и профессиональных программистов до большого класса исследователей, не обладающих профессиональными знаниями в областях математики и программирования, но хорошо знающих предметную область и умеющих обращаться с пакетами прикладных программ.