Общий порядок разработки моделей

В теории системного анализа определен общий порядок разработки и исследования моделей любой природы. Этот порядок включает типовые этапы и стадии моделирования, показанные на рис. 1.15.

Для одного и того же объекта (рассматриваемой системы) можно построить множество моделей. Они будут различаться степенью детализации и учета тех или иных особенностей и режимов функционирования, отражать определенную грань сущности объекта, ориентироваться на исследование определенных его свойств. Поэтому все этапы моделирования пронизаны заранее сформулированной целью исследования.

Рис. 1.15. Этаны и стадии моделирования

После определения цели (целей) моделирования строится концептуальная модель исследуемой системы.

Концептуальная модель (содержательная модель) — это абстрактная модель, описывающая состав и структуру системы, свойства элементов и причинно-следственные связи, присущие анализируемой системе и существенные для достижения целей моделирования. В концептуальной модели обычно в словесной форме приводятся сведения о природе и параметрах (характеристиках) элементарных явлений исследуемой системы, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и значении каждого элементарного явления в общем процессе функционирования системы.

Следующим шагом на пути создания концептуальной модели служит выбор уровня детализации модели (стратификация). Модель системы представляется в виде совокупности частей (подсистем, элементов). В эту совокупность включаются, с одной стороны, все части, которые обеспечивают сохранение целостности системы, а с другой — достижение поставленных целей моделирования.

В дальнейшем производятся окончательная детализация, локализация (выделение системы из окружающей среды), структуризация (указание и общее описание связей между выделенными элементами системы), укрупненное описание динамики функционирования системы и ее возможных состояний.

При создании концептуальной модели практически параллельно формируется область исходных данных (информационное пространство системы). На данном этапе выявляются номенклатура характеристик (параметров) функционирования системы и ее элементов, числовые значения которых составят в дальнейшем исходные данные для моделирования.

Очевидно, что значительная часть параметров системы — это случайные величины. Поэтому особое значение при формировании самих исходных данных имеют выбор законов распределения случайных величин, аппроксимация функций и т. д.

Более конкретно разработка концептуальной модели включает:

• • формулирование целей моделирования;
• • описание физической сущности системы и протекающих в ней процессов;
• • обоснование показателей и критериев эффективности;
• • описание ограничений и допущений, принятых при моделировании;
• • выбор степени детализации;
• • представление функциональных зависимостей, описывающих возможные взаимосвязи переменных и параметров;
• • разработку общей схемы модели.

Программные и технические средства моделирования выбираются с учетом ряда критериев. Непременное условие при этом — достаточность и полнота средств для реализации концептуальной модели. Среди других критериев можно назвать доступность, простоту и легкость освоения, скорость и корректность создания программной модели.

Если выбор технических средств сейчас не вызывает особых затруднений, то выбор программных средств зачастую довольно сложен.

В настоящее время известно более 500 языков моделирования. Такое множество языков частично обусловлено разнообразием классов моделируемых систем, целей и методов моделирования. Однако желание упростить и ускорить процесс создания моделей привело к реализации идеи автоматизации программирования моделей. Создан ряд систем, которые избавляют исследователя от программирования. Программа создается автоматически по одной из формализованных схем на основании задаваемых исследователем параметров системы, внешних воздействий и особенностей функционирования. Это наиболее перспективное направление развития средств моделирования.

Заканчивается концептуальный этап разработкой документа «Постановка задачи». Структура и общая характеристика документа «Постановка задачи» приведены в табл. 1.11.

Следует отметить, что документ «Постановка задачи» разрабатывается на концептуальном этапе, но ведется и редактируется на всех последующих этапах и стадиях моделирования, т. е. данный документ «живет» вместе с моделью.

Стадии построения модели, проверки модели на адекватность, модификации и доработки модели полностью зависят от типа моделирования.

В результате моделирования определяется большое число выходных данных, которые должны быть структурированы и интерпретированы так, чтобы их можно было использовать для принятия решения. Для адекватной интерпретации полученных от модели данных необходимо правильно организовать эксперименты с моделью.

Таблица 1.11

Структура и общая характеристика документа «Постановка задачи».

Организация эксперимента — это, прежде всего, разработка плана проведения эксперимента, который даст возможность за минимальное число прогонов модели сделать статистически значимые выводы или найти наилучшее решение. В самом общем случае при организации эксперимента обычно определяются:

• • входные данные эксперимента;
• • способ сбора выходных данных эксперимента;
• • методы оценки точности выходных данных;
• • условия эксперимента и сценарии;
• • способы (методы) учета случайности внутри системы и для вероятностных входных данных.

В конечном счете должно быть получено достаточное количество статистической информации для принятия решений по результатам моделирования.

Как правило, моделирование проводится с целью нахождения некоторых экстремальных значений показателей моделируемой системы (оптимизирующий эксперимент) или для выявления важных факторов, влияющих на моделируемую систему (отсеивающий эксперимент). Оба эти эксперимента используют факторные планы и аппроксимируют поверхность отклика полиномами различного порядка. В случае поиска экстремальных значений применяются численные методы оптимизации. Для этих экспериментов необходима некоторая функциональная зависимость значений выходной переменной (отклика) от входных значений или факторов, которая, как правило, отражает показатель эффективности системы. Таким образом, поиск наилучшего решения выражается числовым значением этого показателя, а для нахождения экстремальных значений необходимо исследовать всю поверхность отклика в различных точках.