При моделировании, прежде всего, систем необходимо четко определить цель моделирования. Цель возникает из требуемых задач моделирования, это позволяет подойти к выбору критерия и оценить, какие элементы войдут в создаваемую модель. Следовательно, необходимо иметь критерий отбора отдельных элементов в создаваемую модель.
Также является важным определение структуры системы – т.е. совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие. Структура системы может изучаться извне с точки зрения состава отдельных подсистем и отношений между ними, а также изнутри, когда анализируются отдельные свойства, т. е. когда изучаются функции системы. В соответствии с этим существуют структурный и функциональный подходы к исследованию структуры системы с ее свойствами.
При структурном подходе выявляют состав выделенных элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей между ними позволяет судить о структуре системы. Последняя в зависимости от цели исследования может быть описана на разных уровнях рассмотрения. Наиболее общее описание структуры – это топологическое описание, позволяющее определить в самых общих понятиях составные части системы и хорошо формализуемое на базе теории графов.
При функциональном подходе рассматриваются отдельные функции, т. е. алгоритмы поведения системы, и реализуется функциональный подход, оценивающий функции, которые выполняет система, причем под функцией понимается свойство, приводящее к достижению цели. Поскольку функция отображает свойство, а свойство отображает взаимодействие системы с внешней средой, то свойства могут быть выражены в виде либо некоторых характеристик элементов Si(j) и подсистем Si системы, либо системы в целом.
При наличии некоторого эталона можно ввести количественные и качественные характеристики систем.
Для количественной характеристики вводятся числа, выражающие отношения между данной характеристикой и эталоном.
Качественные характеристики системы находятся, например, с помощью метода экспертных оценок.
Качество функционирования системы определяется показателем эффективности и является значением критерия оценки эффективности. При этом система может оцениваться либо совокупностью частных критериев, либо некоторым общим интегральным критерием.
В широком смысле создаваемая модель взаимодействия системы и среды также может рассматриваться как система со своей внешней средой.
Выделяют два подхода при построении моделей: классический и системный.
Классический подход к изучению взаимосвязей между отдельными частями модели предусматривает рассмотрение их как отражение связей между отдельными подсистемами объекта. Такой подход может быть использован при создании достаточно простых моделей.
Процесс синтеза модели на основе классического (индуктивного) подхода представлен на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Процесс синтеза модели па основе классического подхода
Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на отдельные подсистемы, т.е. выбираются исходные данные Д для подходов моделирования и ставятся цели Ц, отображающие отдельные стороны процесса моделирования.
По отдельной совокупности исходных данных Д ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента К будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель М.
Таким образом, разработка модели М на базе классического подхода означает суммирование отдельных компонент в единую модель, причем каждая из компонент решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Поэтому классический подход может быть использован для реализации сравнительно простых моделей, в которых возможно разделение и взаимно независимое рассмотрение отдельных сторон функционирования реального объекта. Для модели сложного объекта такая разобщенность решаемых задач недопустима, так как приводит к значительным затратам ресурсов при реализации модели на базе конкретных программно-технических средств. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода:
1. Имеет место движение от частного к общему;
2. Создаваемая модель образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывается возникновение нового системного эффекта.
С усложнением объектов моделирования возникает необходимость наблюдения их с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему другой системы более высокого ранга, и вынужден переходить к системному подхода, который позволяет построить не только исследуемую систему, решающую совокупность задач, но и создавать систему, являющуюся составной частью метасистемы (системы более высокого ранга).
Системный подход получил применение в системотехнике в связи с необходимостью исследования больших реальных систем. На возникновение системного подхода повлияли увеличивающееся количество исходных данных при разработке, необходимость учета сложных стохастических связей в системе и воздействий внешней среды. Все это заставило исследователей изучать сложный объект не изолированно, а во взаимодействии с внешней средой, а также в совокупности с другими системами некоторой метасистемы.
Системный подход позволяет решить проблему построения сложной системы с учетом всех факторов и возможностей, пропорциональных их значимости, на всех этапах исследования системы и построения модели.
Системный подход означает, что каждая система является интегрированным целым даже тогда, когда она состоит из отдельных разобщенных подсистем. Таким образом, в основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого. Причем это рассмотрение начинается с формулировки цели функционирования. Процесс синтеза модели на базе системного подхода условно представлен на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Процесс синтеза модели па основе системного подхода
На основе исходных данных Д, которые известны из анализа внешней системы, накладываемых на систему ограничений, и на основе цели функционирования формулируются исходные требования Т к модели системы S. На базе этих требований ориентировочно формируются некоторые подсистемы П, элементы Э и осуществляется наиболее сложный этап – выбор В составляющих системы, для чего используются специальные критерии выбора (КВ).
При разработке моделей выделяются две основные стадии проектирования:
– макропроектирование;
– микропроектирование.
На стадии макропроектирования на основе данных о реальной системе и внешней среде строится модель внешней среды, выявляются ресурсы и ограничения для построения модели системы, выбирается модель системы и критерии, позволяющие оценить адекватность модели. После построения модели системы и модели внешней среды на основе критерия эффективности функционирования системы выбирают оптимальную стратегию управления, что позволяет реализовать возможности модели по воспроизведению отдельных сторон функционирования реальной системы.
Стадия микропроектирования в значительной степени зависит от конкретного типа выбранной модели. В случае имитационной модели необходимо обеспечить создание информационного, математического, технического и программного обеспечений системы моделирования. На этой стадии можно установить основные характеристики созданной модели, оценить время работы с ней и затраты ресурсов для получения заданного качества соответствия модели процессу функционирования системы.
Независимо от типа используемой модели при ее построении необходимо руководствоваться рядом принципов системного подхода:
1) пропорционально-последовательное продвижение по этапам и направлениям создания модели;
2) согласование информационных, ресурсных, надежностных и других характеристик;
3) правильное соотношение отдельных уровней иерархии в системе моделирования;
4) целостность отдельных обособленных стадий построения модели.
Модель должна отвечать заданной цели ее создания, поэтому отдельные части должны компоноваться взаимно, исходя из единой системной задачи. Цель может быть сформулирована качественно, тогда она будет обладать большей содержательностью и длительное время может отображать объективные возможности данной системы моделирования. При количественной формулировке цели возникает целевая функция, которая точно отображает наиболее существенные факторы, влияющие на достижение цели.
Построение модели возможно, если имеется информация или выдвинуты гипотезы относительно структуры, алгоритмов и параметров исследуемого объекта.
Для оценки параметров применяются различные способы: по методу наименьших квадратов, по методу максимального правдоподобия, байесовские, марковские оценки.
Для упрощения модели цели моделирования делят на подцели, что позволяет создать более эффективные виды моделей.
Использование системного подхода позволяет не только построить модель реального объекта, но и на базе этой модели выбрать необходимое количество управляющей информации в реальной системе, оценить показатели ее функционирования и тем самым на базе моделирования найти наиболее эффективный вариант построения и выгодный режим функционирования реальной системы.
В целом, от момента постановки задачи моделирования до интерпретации полученных результатов решаются следующие задачи:
– идентификация реальных объектов;
– выбор вида моделей;
– построение моделей и их машинную реализацию;
– взаимодействие исследователя с моделью в ходе машинного эксперимента;
– проверка правильности полученных в ходе моделирования результатов;
– выявление основных закономерностей, исследованных в процессе моделирования.
