Читайте также:
|
(Вопрос 1). Понятие имитационной модели.
Область применения имитационных моделей.
При проектировании сложных технических объектов очень часто аналитические методы оказываются малопригодны из-за очень большой размерности и сложности получаемых моделей.
При этом, как правило, отказываются от традиционных строго аналитических постановок и описаний задачи. Критерии при этом не записываются в аналитической форме в виде функционалов или экспериментальных соотношений, а очень часто заменяют понятием «цель» и формулируются на содержательном уровне в виде перечня требований к системе – как правило, в виде выражений на естественном языке, которые могут содержать необходимые числовые данные и соотношения для их расчетов.
Имитационные модели находят широкое применение при решении задач анализа, оптимизации, проектирования сложных систем, управления производством, технологическими процессами производства, эксплуатации и т.д. Имитационное моделирование широко используется на всех этапах жизненного цикла сложных технических систем.
Имитационное моделирование ‑ это процесс конструирования модели реальной системы и постановка экспериментов с помощью полученной модели с целью выявить закономерность функционирования этой модели, при различных стратегиях управления в рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или совокупностью критериев.
Имитация ‑ это представление реально существующего или проектируемого объекта, либо взаимодействия нескольких таких объектов в виде компьютерной интерактивной модели на определенном уровне абстракции с минимально необходимым объемом расчетов.
Имитационное моделирование появилось в 60-х годах XX века, как инструмент исследования сложных систем и процессов, не поддающихся формальному описанию в обычном понимании этого термина. Возникновение и развитие имитационного моделирования тесно связано с развитием и ростом мощности вычислительной техники. Достигнув высокого уровня производительности, компьютер оказался пригодным не только для вычислительных экспериментов, но и для активного исследования сложных процессов и систем.
За время своего существования имитационное моделирование проникло во многие отрасли науки. В последние десятилетия имитация проникает в области разработки и применения сложных технических систем – в первую очередь, аэрокосмических – что связано с усложнением самих этих систем, стоящих перед ними задач, а также с высокой ценой риска при неверных действиях экипажа, специалистов-эксплуатационников, операторов и т.п.
Среди характерных примеров можно привести имитационное моделирование процессов стыковки и сборки крупногабаритных разветвленных элементов и модулей космических орбитальных станций, дистанционного управления планетными автоматами в условиях большой длительности распространения теле- и радиосигналов (например, по программе исследования Марса и других планет) и многие другие, когда принятие решений требует предварительного анализа нескольких вариантов развития событий и их последствий при различных стратегиях управления.
Классическими стали многие примеры применения имитационных моделей при исследовании нештатных и аварийных ситуаций в космонавтике, которые в свое время были сенсацией: например, принятие решений о действиях экипажа корабля «Апполон-13» после взрыва кислородного бака и т.п.
В 80-х годах XX века произошло событие, которое сегодня играет важную роль в направлении дальнейшего развития имитационного моделирования – это появление интерфейсов «виртуальной реальности». Предпосылками его были работы в области тренажерной техники для обучения пилотов, водителей и т.п., где соответствующие технические устройства использовались для создания образов динамической внешней среды оператора. С появлением виртуальной реальности в тренажерных системах произошла частичная замена материальных элементов внешней среды на их виртуальные образы, и достигнут практически полный контакт оператора с моделируемой средой благодаря обратной связи, которая может охватывать многие аспекты взаимодействия человека с окружающим миром.
(Вопрос 2). Основной эффект от применения имитационных моделей.
Преимущества имитационных моделей.
Основной эффект от применения имитационных моделей заключается в том, что они применимы в случаях, когда:
· не существует законченной математической постановки задачи, либо не разработаны аналитические методы получения решения по сформулированной математической модели;
· аналитические методы решения существуют, но сложны и трудоемки, а также недостаточна квалификация персонала;
· имитационное моделирование может заменить натурное макетирование и даже оказаться единственным способом решения задачи, вследствие трудностей в постановке экспериментов и наблюдении явлений в реальных условиях (например, космические полеты и т.п.);
· при исследовании систем или процессов может понадобиться сжатие (для длительных процессов) либо растяжение (для быстроменяющихся процессов) временной шкалы – в таких ситуациях имитационное моделирование дает возможность полностью контролировать время изучаемого процесса, поскольку явление может быть замедлено либо ускорено по желанию исследователя.
Основными преимуществами имитационных моделей являются:
· высокая степень адаптируемости имитационных моделей к новым внешним условиям;
· возможность интерактивного диалога, благодаря которому могут быть созданы мощные человеко-машинные средства моделирования;
· эффективность при имитационном моделировании больших систем, не уступающая аналитическим моделям, а зачастую даже превосходящая их;
· высокая адекватность имитационных моделей реальным исследуемым объектам, достигаемая путем коррекции режимов на основе многократных повторов моделирования.
(Вопрос 3). Недостатки имитационных моделей. Проблемы
практической реализации имитационного моделирования.
К основным недостаткам имитационных моделей можно отнести следующее:
· необходимость высокой степени структуризации объектов для создания адекватных моделей сложных технических систем;
· необходимость в достаточно мощных вычислительных средствах для создания имитационных моделей сложных технических систем;
· сложность построения универсальных моделей для изучения объектов, относящихся к недостаточно формализованным областям деятельности специалистов (например, процессам конструирования и технологического проектирования сложных аэрокосмических систем);
· оператору необходимо воспринимать большие объемы информации и реагировать на ход имитационного моделирования в реальном режиме времени.
Среди главных проблем практической реализации имитационного моделирования можно выделить необходимость:
· формирования модели на основе изучения моделируемого объекта или явления с учетом знания законов, управляющих этим объектом или явлением, а также исходя из целей моделирования;
· структуризации моделей до требуемого уровня, с целью проведения компьютерных имитационных экспериментов;
· создания внутреннего математического обеспечения универсального назначения, предназначенного для имитационного моделирования различных объектов;
· создания универсальных методов качественного и количественного анализа имитационных моделей различных сложных систем;
· разработки и постоянного совершенствования методов обработки и анализа результатов имитационного моделирования;
· устранения «языкового барьера» между исследователем и имитационной моделью, для чего ведутся интенсивные поиски универсального «некомандного интерфейса» (использование шлема и очков «виртуальной реальности», применение средств голосового управления процессом имитационного моделирования и т.п.).
(Вопрос 4). Стадии построения имитационных моделей.
Состав инструментальных средств, необходимых
для имитационного моделирования.
Построение имитационной модели сложной системы состоит из следующих взаимосвязанных стадий:
На первой стадии составляется модель на содержательном уровне. При этом на естественном языке дается описание задачи. Для составления содержательной модели выполняется процесс системного анализа задачи.
На второй стадии по содержательной модели разрабатывается формализованная имитационная модель. При этом не используются сложные аналитические построения (такие как дифференциальные уравнения 
-го порядка, нелинейное или динамическое программирование и т.п.). Модель остается имитационной, только содержательное описание заменяется (там, где это необходимо) соответствующими формулами и элементами алгоритмов.
На третьей стадии выполняется программно-алгоритмическая и информационная реализация имитационной модели инструментальными средствами компьютерной техники с использованием языков программирования, операций и процедур моделирования, диалоговых средств общения, экспертных систем и т.п.
В составе инструментальных средств имитационного моделирования можно выделить:
· методологию построения системных (универсальных) имитационных моделей;
· методы алгоритмизации различных исследуемых объектов;
· методы и средства программной реализации имитаторов;
· средства организации имитационных экспериментов;
· методы обработки данных и анализа результатов имитационного моделирования.
Дата добавления: 2015-04-11; просмотров: 60 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |