Имитационные модели и методы

Методы имитационного моделирования основаны на представлении порядка функционирования системы в виде алгоритма, который называется имитационной (алгоритмической) моделью. Программа, реализующая модель, содержит процедуры, регистрирующие состояния имитационной модели и обрабатывающие зарегистрированные данные для оценки требуемых характеристик процессов и моделируемой системы.

При построении имитационных моделей широко используется агрегатный подход. Для моделирования заданного класса систем создается набор агрегатов  – модулей модели. Агрегаты могут соответствовать элементам систем, например, процессорам, ОЗУ, каналам ввода–вывода, каналам передачи данных и другим элементам, воспроизводя определенные аспекты их функционирования. В качестве агрегатов могут выступать математические объекты, с помощью которых генерируются и преобразуются необходимые процессы. Так, для моделирования систем на основе сетей массового обслуживания в качестве агрегатов представляются источники потоков заявок, систем массового обслуживания, узлы, управляющие распределением заявок по нескольким направлениям, и т.д. По существу агрегат является описанием функции некоторого объекта в аспектах, соответствующих цели моделирования – оценке производительности, надежности и т.д.

Функции агрегатов  представляются в параметрической форме, то есть в записи функций используются параметры, характеризующие конкретный объект. Так, параметром процессора является производительность (быстродействие), оперативной памяти – емкость, системы массового обслуживания – дисциплина обслуживания, число каналов и распределение длительности обслуживания. Функция агрегата ,  представляется в алгоритмической форме – в виде процедуры , где параметры  – определяют состояние входов агрегата, а  – режим его функционирования,  – состояние выходов агрегата. В модели агрегат выглядит как модуль (рис. 3.3 (а)), настраиваемый на заданный режим функционирования множеством параметров  и преобразующий входные воздействия  в выходные состояния  в соответствии с функцией агрегата  и значениями параметров  . Множество агрегатов разного типа  составляет базис имитационных моделей заданного класса систем.

Рис. 3.3 Структура агрегатной модели

Имитационная модель собирается путем соединения выходов агрегатов с входами других агрегатов (рис. 3.3 (б)). На рисунке агрегаты обозначены , где  – тип и  – порядковый номер агрегата в модели. Агрегаты  и  – генераторы, формирующие воздействия в соответствии с параметрами и . Состав агрегатов, структура связей между ними и наборы параметров агрегатов  определяют модель. Процесс моделирования состоит в реализации процедур в необходимом порядке. При этом значения, формируемые на выходах агрегатов, переносятся на входы, связанных с ними агрегатов, в результате чего вычисляются значения и . Путем обработки данных, наблюдаемых в характерных точках модели (на выходах модулей), получают оценки качества функционирования любого из агрегатов и системы в целом.

Имитационные модели воспроизводят процесс функционирования и свойства исследуемых систем, исходя из априорно известных свойств элементов системы за счет объединения соответствующих модулей в структуру, отображающую исследуемую систему, и имитации функционирования элементов в их взаимодействии.

Исследование ВС имитационными методами включает несколько этапов.
1. Определение принципов построения модели.
Цель этого этапа – сформировать общий замысел модели (состав характеристик и параметров, подлежащих отображению, область определения модели, требования к точности результатов моделирования, тип математической модели, программные и технические средства для описания и реализации модели). На этом этапе выдвигаются гипотезы о свойствах моделируемой системы, принимаются допущения для использования соответствующих математических методов и конкретизируются эксперименты, проводимые на модели.
2. Разработка модели.
Цель этого этапа – создание программы моделирования для ЭВМ. При этом общий замысел модели преобразуется в конкретное алгоритмическое описание. Этап завершается проверкой работоспособности и адекватности модели.
3. Моделирование на ЭВМ.
Цель этого этапа – получение с помощью модели данных о поведении исследуемой системы, обработка полученных данных, а при синтезе системы – выбор параметров, оптимизирующих заданные характеристики системы и удовлетворяющих заданным ограничениям.

Важнейшее свойство метода имитационного моделирования – универсальность, проявляющаяся в следующем:
1. Метод имитации позволяет исследовать системы любой степени сложности. Усложнение объекта исследования приводит к увеличению объема данных, вводимых в модель, и времени моделирования на ЭВМ, но при этом принципы построения моделей остаются неизменными.
2. Метод имитации не ограничивает уровень детализации в моделях. С помощью алгоритмов можно воспроизводить любые, сколь угодно своеобразные взаимосвязи между элементами системы и процессы функционирования. Более детальное представление организации и функционирования системы сказывается только на объеме алгоритмического описания модели (программы) и затратах времени на моделирование. Особенности организации и функционирования, препятствующие использованию аналитических методов, легко воспроизводятся в имитационных моделях.
3. Имитационная модель является неограниченным источником данных о поведении исследуемой системы – новые эксперименты на модели позволяют получать дополнительные данные о системе. За счет этого гарантируется детальная оценка характеристик функционирования как системы в целом, так и ее составляющих. Как правило, увеличивая длительность экспериментов на моделях или число экспериментов, то есть время моделирования, можно добиться высокой точности результатов моделирования.

Недостатки имитационных методов – большие затраты времени на моделирование и частный характер получаемых результатов. В имитационной модели процесс функционирования системы воспроизводится во всех, существенных для исследования, деталях за счет последовательного выполнения на ЭВМ операций над величинами. Поэтому для одного прогона модели требуются минуты и часы процессорного времени. При этом оцениваются характеристики системы только в одной точке, соответствующей значениям параметров, введенных в модель перед началом моделирования. Чтобы определить зависимость между характеристиками и параметрами, необходимы многократные прогоны модели, в результате которых значения характеристик определяются для многих наборов параметров. Возможности методов оптимизации параметров на имитационных моделях ограничиваются большими затратами времени на моделирование системы в одной точке.

Несмотря на указанные недостатки, методы имитационного моделирования в силу их универсальности широко используются при теоретических исследованиях и проектировании ВС. Имитационные модели позволяют исследователю и разработчику формировать представления о свойствах системы и, познавая систему через ее модель, принимать обоснованные проектные решения.