Виды моделирования систем
Моделирование является одним из основных средств исследования закономерностей объекта, явления, процесса. Известны три основные формы моделей — аналитические, имитационные и экспериментальные.
Аналитическая модель базируется на математическом описании объекта /1,2 /. Анализ характеристик объекта по аналитическим зависимостям может быть проведен лишь при значительной степени абстракции модели по отношению к отображаемому объекту. Как правило, при создании аналитической модели приходится идти на существенные упрощения и допущения, что может привести к получению лишь общих приближенных и даже недостоверных результатов. Если выбранные критерии, характеризующие поведение объекта, удается выразить в виде аналитических зависимостей, то такая модель имеет решение. Однако при исследовании многих объектов аналитическое решение в явном виде не получается. Например, часты ситуации, когда решение представляется в виде преобразования Лапласа, или в виде системы сложных интегро-дифференциальных уравнений. Следует отметить, что в последние годы возможности исследования аналитических моделей значительно возросли благодаря бурному развитию и внедрению методов вычислительной математики с численным решением на ЭВМ.
Важным преимуществом аналитических моделей в целом является возможность быстрого с минимальными затратами получения значений параметров исследуемого объекта. При построении и применении аналитических моделей важно выбрать лишь существенные параметры и отбросить параметры, мало влияющие на качество функционирования объекта (системы). Для этого необходимо хорошо представлять физическую сущность процессов, поведения объекта, чтобы понять, какие упрощающие предположения и допущения мало скажутся на конечных результатах.
Во многих случаях требуется более детальная информация о поведении объекта, системы. В этом случае используют имитационное моделирование, с помощью которого описывается функционирование системы в виде последовательности операций на ЭВМ. Поведение системы представляется в виде алгоритма, на основе которого разрабатывается программа для ЭВМ.
Сущность имитационного моделирования состоит в том, что процесс имитируется с помощью арифметических и логических операций в последовательности, соответствующей моделируемому процессу.
Важное преимущество имитационной модели по отношению к аналитической заключается в том, что за счет детализации ее можно сделать весьма близкой к моделируемому объекту. Однако такое приближение неизбежно связано с усложнением и большим временем разработки имитационной модели. В результате могут возникать ситуации, когда время разработки имитационной модели бывает сравнимо со временем разработки непосредственно системы и, как следствие этого, отпадает необходимость или значительно снижается актуальность получаемых в результате проведения моделирования результатов. Имитационное моделирование целесообразно поэтому применять в тех случаях, когда задачи оценки исследуемой системы сложны и не поддаются аналитическому решению, а также при исследовании долгосрочных проблем.
С учетом сложности разработки имитационных моделей важно создание базовых программных модулей, описывающих типовые ситуации, возникающие при имитационном моделировании. Процесс составления агрегатных моделей на основе имеющихся модулей значительно ускоряет процесс имитационного моделирования исследуемой системы. Наличие готовых баз модулей, имитирующих процессы поступления заявок в систему из внешней среды (заказов на обслуживание), процессы обработки этих заказов, выдачи результатов и т. п., позволит значительно расширить области применения имитационных моделей в задачах исследования сложных систем.
Экспериментальные модели исторически использовались одними из первых при проведении испытаний, исследовании сложных систем. Они дают наиболее полную и достоверную информацию об исследуемом объекте. В ряде отраслей экспериментальное моделирование является доминирующим при разработке объекта. Например, обязательным этапом разработки новой конструкции самолета является проведение испытаний его модели в аэродинамической трубе.
По существу, целые этапы разработки многих видов аппаратуры, комплексов, систем имеют своей конечной целью проведение экспериментов, испытаний разработок при соответствующих условиях эксплуатации. Лишь на основе практики, проведения испытаний можно окончательно судить о качестве разработанного объекта.
В целом, все перечисленные модели, как правило, используются на разных этапах разработки изделий.
Аналитические модели в основном используются на первом этапе для получения общих ориентировочных оценок, помогающих обоснованно выбрать основные принципы и структуру построения проектируемого изделия. С целью более детальной проработки структуры построения отдельных узлов, связей между ними, взаимодействия с внешней средой используется имитационное моделирование. Прогнозируемые на основе аналитического и имитационного моделирования параметры и качество функционирования изделия проверяются на экспериментальной уменьшенной (упрощенной), модели или натурном лабораторном макете. Комплексные результаты исследований учитываются на дальнейшем этапе разработки опытных образцов и промышленного освоения выпуска изделий.
