Системы моделирования

2578
0
15 мая 2009
До того момента, как была создана концепция системной динамики, имитационное моделирование осуществлялось на аппаратных комплексах. АВМ стали первыми системами моделирования. Как правило, их использовали для моделирования в реальном измерении времени динамических систем (линейных и нелинейных), описать которые можно посредством простых дифференциальных уравнений.

Для АВМ характерно:

  1. высокий уровень быстродействия при небольшой стоимости;

  2. простая совместимость с реальной аппаратурой;

  3. несложный переход от одной задачи к другой;

  4. комфортная для пользователя работа с машиной.

Такие специфические особенности АВМ позволяли применять устройства в математическом и полунатурном моделировании ракет и ракетных систем, космических аппаратов, самолетов, судов, энергетических установок и других объектов на протяжении всего процесса их разработки.

Более того, вычислительные машины применялись для нахождения решения задач, формулируемых в таких областях, как медицина, биология, химия и пр. Стоит упомянуть о том, что эквивалентная производительность АВМ составляла 25-50 млн. опер./с. Для того времени такие показатели представлялись грандиозным достижением.

Разберем АВМ нашего производства. Первые устройства были созданы в 1949-1950 гг. Тогда они имели название интеграторов постоянного тока (ИПТ-1, ИПТ-5). Разработка такого оборудования осуществлялась для решения линейных дифференциальных уравнений с постоянными и переменными коэффициентами.

В 1952-1953 гг. научной общественности были представлены новые «моделирующие установки постоянного тока» или МПТ. Техническая разработка МПТ-9 использовалась при решении линейных дифференциальных уравнений, МПТ-11 предназначалась для решения нелинейных дифференциальных уравнений.

Уже в 1954 г. подобные устройства начинают называть «моделирующими нелинейными установками» или МН. В период с 1954 по 1959 гг. создаются такие вычислительные машины:

  1. МН-2 (секционная АВМ, предназначенная для решения дифференциальных уравнений шестого порядка);

  2. МН-7 (настольная вычислительная машина шестого порядка).

В 1955 г. в Советском Союзе создали МН-8, которая представляла собой АВМ большой мощности и точности, 32-го порядка с множеством переменных коэффициентов и нелинейных решающих элементов.

В 1960 г. производятся образцы ВМ, предназначенные для комплексных авиационных тренажеров, которые имели обозначение «Счет-16» и «Счет 19», завершен процесс разработки МН-12 для моделирования прокатных станов. В 1961 г. была создана мощная АВМ 40-го порядка под названием «Байкал». Она предназначалась для реализации моделирования в области атомной энергетики. АВМ 40-го порядка «Катализ» был представлен в 1962 г. Эта машина могла быть использована для моделирования химических процессов.

В 1963 г. мир увидела МН-16, разработанная для моделирования ракет и ракетных корпусов. Вычислительная машины «Этилен» была создана для управления производством этилена. Год 1965 ознаменован появлением АВМ для авиационных тренажеров «Счет-22», а также устройств «Доза» для вычисления дозных полей при лучевой терапии. В 1966 г. выпущена машина «Полимер-2», которая применялась для решения нелинейных смесевых задач. В 1968 г. были продемонстрированы «Сеграф-1» для изучения сетевых графиков, а также «Трансграф-1», предназначенный для моделирования транспортных задач.

По мере того как осуществлялась эволюция цифровых вычислительных средств, все большее внимание стало уделяться цифровому моделированию. Одним из научных открытий данной отрасли стал язык и компилятор DYNAMO. Их разработка принадлежит группе ученных Массачусетского технологического института. Этот язык моделирования позволяет более эффективно решать системы линейных и нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, включающих тысячи переменных. Причем пользователю не обязательно обладать знаниями программирования. По мере того как стали появляться графические средства доступа DYNAMO перестал быть просто языком программирования высокого уровня, он начал выполнять функции графического моделирования комплексных динамических систем. Более полно его способности представлены в системе визуального моделирования «Ithink».

В подобного рода системах формальная модель сначала имеет вид логических диаграмм, обозначающие причинно-следственные связи. Далее они представляются сетевой моделью, которая демонстрируется с помощью графических средств системы «Ithink». Потом рассматриваемая модель автоматически превращается в ее математический аналог, а именно, систему уравнений, решение для которой находится посредством использования численных методов, интегрированных в систему «Ithink». Конечное решение отображается в виде графиков и таблиц, для которых в дальнейшем характерно проведение критического анализа. В итоге, модель подвергается очередному рассмотрению (меняются показатели отдельных узлов сети, появляются новые узлы, возникают новые или меняются существующие прежде связи и т.п.), далее для модели опять проводится анализ и так до того момента, пока она не будет представлена в соответствии с действительным случаем. После завершения организации модели, в ней определяются управляемые параметры и выявляются такие показатели этих параметров, которые позволяют или снять проблему, или перестать характеризовать ее как критически важную.

Эволюцию программных средств моделирования можно отразить в качестве последовательного наступления поколений, сменяющих друг друга:

  1. 50-гг — программирование моделей осуществляется с помощью языков высокого уровня, не предполагающих никакой специальной поддержки (FORTRAIN, ALGOL);

  2. 60-гг — появляется специальная поддержка моделирования, которая представлена в виде соответствующих выражений языка, генераторов вероятностных чисел, средств отображения результатов (GSPP, SIMULA, SIMSCRIPT);

  3. 70-гг — осуществляется комбинированное непрерывно-дискретное моделирование (ACSL);

  4. 80-гг — специализация моделирования в соответствии с определенными областями приложения. Появляется возможность создавать анимации (SIMFACTORY, XCELL);

  5. 90-гг — характерно наличие графического интерфейса, интегрируемой среды для организации и изменения моделей, прогнозирования экспериментов, управления моделированием и анализа результатов.

Интегрированные системы моделирования (ИСМ) можно представить как программное средство моделирования 6-го поколения, оптимизирующего главные особенности средств 5-го поколения и предназначенные для применения, помимо массовых компьютеров, массивно-параллельных высокоэффективных вычислительных систем.

Среди базовых принципов организации ИСМ можно выделить:

  1. модульную структуру;

  2. масштабируемость;

  3. открытую архитектуру;

  4. иерархию моделей;

  5. оптимизированный графический интерфейс.

Модульная структура. Деление системы на относительно независимые модули с четко специализированным интерфейсов обеспечивает достижение некоторых преимуществ:

  1. уменьшение уровня сложности системы и предельное распараллеливание работ в соответствии с ее разработкой, оптимизацией и сопровождением;

  2. реализация медленной оптимизации системы посредством развития и замены некоторых модулей;

  3. альтернативность функциональных способностей, которая достигается за счет разработки разных наборов модулей;

  4. возможность подстраивания системы, что обеспечивается посредством комплектации наборов модулей, наиболее соответствующих требованиям, определенным в конкретный момент;

  5. оптимизированный показатель совместимости системы с другим программным обеспечением за счет работы с разными интерфейсными модулями для обеспечения соединения с внешними системами и посредством автономного использования некоторых модулей в других системах.

Масштабируемость. Для подобного принципа характерна реализация на базе модульности разнообразных ИСМ, которые выделяются за счет своей сложности, объема, а также требований к аппаратным средствам. При этом достигается:

  1. возможность осуществления наиболее простых вариантов системы для целей ознакомления и базового обучения с несущественными требованиями к аппаратным средствам, популярных для учебного процесса;

  2. медленное увеличение функциональных возможностей системы в процессе роста готовности пользователя и применения более эффективных и оптимизированных аппаратных средств;

  3. возможность рационального применения массового параллелизма разнообразных высокоэффективных вычислительных систем при решении задач, для которых характерна повышенная сложность и большой объем ресурсов.

Открытая архитектура. Четкая спецификация межмодульных интерфейсов реализует их взаимозаменяемость и:

  1. возможность «досоставления» системы, если требуется, наборами специализированных модулей, расширяющими ее функциональные возможности в необходимом направлении;

  2. возможность создания другими организациями некоторых комплектующих модулей, предназначенных для определенных приложений, что делает потенциальные области применения более широкими;

  3. оптимизация системы пользователем посредством создания и совершенствования соответствующих моделей;

  4. увеличение способностей системы благодаря использованию внешних программных средств, скажем, разнообразных редакторов, средств символьной манипуляции, визуализации и пр.

  5. возможность применения некоторых программных модулей системы в другом программном обеспечении разного назначения.

Иерархия моделей. Поддержка генерации и изменения иерархически специфицированных моделей реализует:

  1. организацию на основе простейших модельных блоков и структур, соответствующих определенным моделируемым объектам (например, электродвигатель, регулятор и т.д.), которые могут быть применены как компоненты для создания более масштабных моделей. Это решет проблему модельной сложности реальных динамических объектов;

  2. составление библиотек разного уровня модельной иерархии, предназначенных для множества приложений и различный уровень подготовки пользователей;

  3. возможность организации модельных библиотек высокого уровня готовности и спецификации для определенных сфер использования.

Графический интерфейс. Оптимизированный графический интерфейс должен обеспечивать:

  1. визуализацию генерируемых моделей, процессов и результатов моделирования;

  2. возможность реализации большого количества операций на всех этапах (от начального синтеза модели до анализа имеющихся результатов) без применения алфавитно-цифровой клавиатуры, а посредством только указательного устройства, что делает процесс использования системы боле простым;

  3. возможность «наглядного проектирования» моделей за счет манипуляции с пиктограммами без использования специальных языков описания моделей, которые предполагают особое изучение. Это обеспечивает минимальное время, необходимое для рассмотрения специфики системы. При этом сокращаются затраты времени на подготовку, настройку и документирование моделей.

 

 



(38.4.) Сформулируем понятие конечного автомата, обозначим входной алфавит, выходной алфавит, алфавит состояний, функцию переходов, функцию выходов, на рисунке изобразим граф переходов.
3480 0
(38.3.) Большинство графов, которые используются в приложениях (например, графы сортировок, классификаций) предполагают наличие диаграмм, именуемых деревьями. Связный неориентированный граф без циклов, в частности, предполагающий отсутствие петель и кратных ребер, именуют деревом. Несвязный неориентированный граф без цикла — лес, его связные компоненты являются деревьями.
9509 0
(38.2.) В рамках обозначенной темы рассмотрим случай определения связного неориентированного мультиграфа в качестве эйлерова и гамильтонова графа.
12705 0

    Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

    При использовании материалов данного сайта прямая и явная ссылка на сайт radiomaster.ru обязательна. 0.1925 s