Виды компютерных моделях

Представление о компьютерных моделях

ФИО: Атабекян Милена Багратовна

Группа: 23/1 Юд

• Компьютерное моделирование — научный метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе изучения её компьютерной модели.

• Смысл такого моделирования состоит в получении количественных и качественных результатов по созданной модели, что позволяет изучить неизвестные ранее свойства системы. Компьютерная модель должна отображать максимальное количество взаимосвязей и характеристик реального объекта, а также существующие ограничения (принцип адекватности). Модель следует строить универсальной, чтобы использовать её для описания подобных объектов; простой, чтобы обойтись разумными тратами на исследование.

Теоретические основы компьютерного моделирования

Компьютерное моделирование применяют в таких областях, как автоматизация проектирования, организация работы компьютерных сетей и систем, организация работы транспорта, охрана окружающей среды и управление ресурсами, автоматизированное управление технологическими и другими процессами . Оно используется при проектировании, создании и внедрении систем, а также на различных уровнях их изучения — начиная от анализа работы элементов и кончая исследованием систем в целом.

В процессе компьютерного моделирования исследователь имеет дело с тремя объектами:

• системой (реальной, проектируемой);
• математической моделью системы;
• компьютерной (алгоритмической) моделью.

В соответствии с этим, возникают задачи построения математической модели, преобразования её в компьютерную модель и программной реализации компьютерной модели. В процессе решения этих задач исследователь получает более точное и структурированное представление об изучаемой системе, разрабатывает различные варианты модели, получает её количественные и качественные характеристики.

Процесс построения компьютерной модели состоит из двух этапов:

• Построение формальной (аналитической или алгоритмической) модели на основе классификации и применения этой классификации для регламентации работы пользователя по выбору той или иной схемы.
• Преобразование формальной модели в машинную форму, которое является предметом для специалистов по моделированию (проблемами здесь являются задачи упрощения и модификации формальной модели и оценки погрешностей от этих операций).

• Процесс построения компьютерных моделей должен быть тесно увязан с организацией вычислительных экспериментов. Роль вычислительных экспериментов в процессе компьютерного моделирования чрезвычайно велика и с развитием программных средств становится центральной.

• Вычислительный эксперимент   в целом объединяет в себе две составляющие: аналитическую и имитационную. Первая связана с математическим моделированием и математическими методами через традиционный математический анализ системы. Для его проведения имитационное моделирование необязательно.

• Основными задачами в организации таких экспериментов являются анализ структурных и динамических (процессных) свойств компьютерных моделей как формальных объектов и разработка алгоритмических процедур работы с ними на основе выявленных свойств.

Этапы компьютерного моделирования

Процесс компьютерного моделирования делится на пять основных этапов:

• Начальным этапом является создание  компьютерной модели  исследуемого объекта. На этом этапе с помощью какого-либо графического или схемотехнического языка моделирования осуществляется разработка модели исследуемого объекта.
• Вторым этапом является параметризация модели исследуемого объекта. Необходимо осуществлять параметризацию таким образом, чтобы компьютерные модели имели необходимое решение, совпадающее с результатами измерения соответствующих характеристик реального объекта. При этом, полученная модель будет адекватно отражать протекающие в нём процессы. На этом этапе могут применяться средства для работы с базами данных, позволяющие выбрать наилучший вариант структуры и параметров исследуемого объекта.

• Третьим этапом моделирования является выполнение автоматизированного ( вычислительного ) эксперимента. На данном этапе либо формируется и решается система алгебро-дифференциальных уравнений (математическая модель), либо выполняется определённый алгоритм (имитационная модель). Результатом эксперимента могут выступать как отдельные числовые или строковые значения, так и массивы данных различных типов.

• Четвёртым этапом моделирования является обработка результатов эксперимента. Например, поиск минимума или максимума, определение среднего арифметического значения и т. д.

• Заключительным этапом моделирования является визуализация результатов эксперимента и их сохранение в виде отчётов (то есть «документирование»). На этом этапе результаты моделирования отображаются в виде графиков, диаграмм, таблиц экспериментальных данных, отдельных числовых показаний и т. д.

Значимость компьютерных моделей и моделирования

Важность применения метода проектирования объясняется тем, что большинство объектов непосредственно изучить или невозможно, или такое исследование будет занимать слишком много времени и сил.

Процесс создания проекта состоит из трех участников:

Субъект. Ранее это был просто инженер, ученый, разработчик. Теперь – сотрудничество человека и программы для вычисления.  

Цель изучения. Формула, закономерность, фигура на плоскости, объемный предмет в статичном положении или в движении.  

Модель, которая получается в результате вычислений и проектирования, визуализации.  

Программная поддержка компьютерного моделирования

• Желание переложить на  ЭВМ  как можно большую часть рутинных операций привело к появлению универсальных и различных проблемно-ориентированных языков моделирования (СИМУЛА-67, СИМСКРИПТ-2). Модель сложной системы не всегда удаётся выдержать в рамках одного языка моделирования. Отдельные элементы и подсистемы могут быть описаны, например, дифференциальными уравнениями, другие — конечными автоматами, третьи — в терминах теории массового обслуживания. В этом случае использование какого-либо одного языка моделирования приводит к потере точности моделей сложных систем или к усложнению программ.

Требования быстрого и правильного составления  компьютерной модели  обусловливают необходимость:

• замены программирования конструированием из готовых элементов;
• разработки проблемно-ориентированных библиотек элементов;
• автономной отладки моделей элементов;
• автоматической компоновки элементов в моделирующий алгоритм.

Нетривиальными для моделей сложных систем становятся процедуры подготовки  вычислительных экспериментов , сбора, хранения и обработки результатов этих экспериментов. Появляется необходимость в разработке или подключении прикладных программ планирования и обработки данных [3] .

В настоящее время всё  программное обеспечение , так или иначе используемое для создания и анализа  компьютерных моделей , оформилось в отдельный класс систем, именуемый  системами компьютерного моделирования .

Методологическая поддержка компьютерного моделирования

• Методологическая составляющая технологии компьютерного моделирования связана с разработкой совокупности приёмов построения алгоритмических описаний систем, целенаправленного преобразования полученных описаний в системную совокупность компьютерных моделей, составлением для этой совокупности планов и сценариев вычислительных экспериментов, направленных на достижение прикладных целей моделирования.
• Прикладные задачи технологии компьютерного моделирования связаны с построением и использованием эффективных программных и инструментальных средств (систем или комплексов программ) моделирования.

Преимущества компьютерного моделирования

Компьютерное моделирование дает возможность:

• совершать многоразовые испытания модели, каждый раз возвращая её в первичное состояние;
• расширить круг исследовательских объектов — становится возможным изучать не повторяющиеся явления, явления прошлого и будущего, объекты, которые не воспроизводятся в реальных условиях;
• визуализировать объекты любой природы, в том числе и абстрактные;
• получать разные характеристики объекта в числовом или графическом виде;
• исследовать явления и процессы в динамике их развертывания;
• управлять временем (ускорять, замедлять и т. д.);
• проводить эксперименты без риска негативных последствий для здоровья человека или окружающей среды;
• находить оптимальную конструкцию объекта, не изготовляя его пробных экземпляров.

Основные проблемы в процессе компьютерного моделирования

Проблемы, связанные с компьютерным моделированием сложных систем:

• Выходные данные имитационного эксперимента представляют большие массивы информации, поэтому исследователи стремятся так преобразовать наборы данных, чтобы можно было воспользоваться хорошо обоснованными методами статистического анализа.
• Решение вопроса адекватности, то есть сравнение выходных данных модели с наблюдениями, полученными на реальном объекте. Сведение процесса моделирования лишь к имитации часто неприемлемо для принятия решений при анализе крупномасштабных (сложных) систем, когда необходимо комплексное исследование возникающих проблем, требующее применения как количественных, так и дескриптивных (описательных) методов.

Процесс проведения вычислительных экспериментов над компьютерной моделью сопряжён с целым рядом существенных трудностей. Основными из них являются:

• трудности при создании детального плана эксперимента;
• в связи с тем, что компьютерная модель должна содержать большое множество различных параметров, имеющих актуальные значения, её параметризация может быть сильно затруднена;
• проведение вычислительных экспериментов в реальном масштабе времени требует значительных вычислительных ресурсов;
• необходимость математической обработки результатов экспериментов;
• необходимость оперативной визуализации результатов экспериментов;
• необходимость документирования (протоколирования) результатов экспериментов.

Спасибо за внимание!