Имитационное моделирование систем: что это такое и где используется. Имитационные модели Что такое имитационная модель

Проектирование любого объекта – это многоступенчатый процесс, который требует анализа данных, их систематизации, конструирования и проверки результатов. В зависимости от объема предстоящих работ, трудности его воплощения в жизнь, используется либо реальные испытания, либо имитация. Это упрощает процесс, делает его менее дорогостоящим, а также позволяет вносить коррективы, доработки уже на моменте эксперимента.

В статье мы расскажем про имитационное математическое моделирование систем – что это такое, какие модели получаются, где они находят свое применение.

Особенности технологии

Любая работа с моделями состоит из двух основных этапов:

  • разработка и создание образца;
  • его аналитический анализ.

Затем уже вносятся коррективы, или утверждается данный план. При необходимости можно повторить процедуру несколько раз, чтобы добиться безупречного построения.

Таким образом, этот способ можно назвать наглядным познанием реальности в миниатюре. Есть объекты, которые дорого и трудоемко воплотить в реальность в натуральном размере без точной уверенности в эффективности всех конструктивных элементов, например, космические корабли или все использование имитационного моделирования в области аэродинамики методом фотоупругости.

Создание идентичной модели с повторением особенностей всей системы помогает добиться не только отражения внутренних закономерностей, но и внешних действующих сил, например, воздушных потоков или сопротивления воды.

Конструирование копий объектов началось с появлением первых компьютеров и сначала имело схематический характер, с развитием технологий прем получил все большее развитие и начал применяться даже на небольших производствах из-за своей наглядности.

Где, в каких случаях используется и для чего применяется метод имитационного моделирования

  • стоимость объекта намного выше, чем затраты на разработку модели;
  • деятельность продукции проходит с большой переменчивостью, есть необходимость просчитать все возможные сбои;
  • в конструкции находится большое количество мелких деталей;
  • важно увидеть наглядный образец с акцентом на внешний вид;
  • эксплуатация происходит в трудных для изучения средах – в воздухе или воде.

Применение обусловлено тем, что появляется возможность:

  • просчитать реальные значения и коэффициенты деятельности инженеров;
  • увидеть недостатки, исключить их, внести коррективы;
  • посмотреть работу объекта в реальном времени;
  • сделать наглядную демонстрацию.

Метод имитационного моделирования используется для:

  • Проектирования реальных бизнес-процессов.

  • Имитации боевых действий – действуют макеты реальных боеприпасов, снарядов, военной техники и мишеней. Так анализируют дальность выстрела, его разрушительные способности и радиус затронутой территории, проверяют оружие перед запуском в производство.
  • Анализа динамики населения.
  • Создания проекта инфраструктуры города, района.
  • Аутентичного изображения исторической реальности.
  • Логистики.
  • Проектирования перемещений пешеходов и автомобилей на проезжей части.
  • Производственного процесса – в виде экспериментального метода.
  • Аналитики рынка и конкурирующих фирм.
  • Ремонта автомобилей.
  • Управления предприятием.
  • Воссоздания экосистемы с животным и растительным миром.
  • Медицинских и научных опытов.

Мы будем рассматривать особенности имитационного моделирования на примере производственных работ и проектирования. Но разновидность систем показывает необходимость применять способ в разных сферах деятельности. Так исследуются характеристики конкретных областей – какие изменения могут произойти, как их контролировать и что предпринять, чтобы предотвратить возможные негативные последствия.

Все возможности создания модели реализуются с помощью компьютера, но различают две основных разновидности процесса:

  • Математический – он помогает разработать схему физических явлений с заданными параметрами.
  • Имитации – их основная задача – показать изменчивость поведения, поэтому исходные данные можно варьировать.

И математическое, и компьютерное имитационное моделирование основано на программах для автоматизированного проектирования, поэтому нужно ответственно подходить к выбору программного обеспечения. Компания ZWSOFT предлагает свои продукты по невысокой цене. – является аналогом ACAD, но при этом становится со временем популярнее старого софта. Это обусловлено:

  • облегченной системой лицензирования;
  • приемлемой ценовой политикой;
  • переводом на русский язык и адаптацией под пользователей многих стран;
  • широким выбором надстроек и модулей, которые созданы для узких специальностей и расширяют базовый функционал ZWCAD.

Виды имитационного моделирования

  • Агентное. Оно чаще используется для анализа сложных систем, где изменения не обуславливаются действием определенных законов, поэтому не подвергаются прогнозированию. Переменчивость зависит от агентов – нефиксированных элементов. Часто такая разновидность находит применение в таких науках, как социология, биология, экология.
  • Дискретно-событийное. Такой способ используется для вычленения из общей последовательности событий конкретных интересующих действий. Часто применяется для управления производственным циклом, когда важно отметить только результат определенных участков деятельности.
  • Системная динамика. Это основной способ для вычисления причинно-следственных связей и взаимовлияния. Именно он используется при производственных процессах и конструировании моделей будущего товара, чтобы проанализировать его характеристики в реальной жизни.

Основы аэродинамического и гидродинамического имитационного моделирования

Самыми трудоемкими для разработки являются объекты, которые изготовлены для эксплуатации в условиях повышенного давления, сопротивления или труднодосягаемы. К ним обязательно подходят с точки зрения ИМ, создают математические схемы, меняют исходные данные и проверяют влияние различных факторов, совершенствуют модель. При необходимости создается трехмерный макет, который погружается в имитацию реальной среды. К таким объектам относят:

  • Конструкции, которые погружаются под воду или находятся частично в жидкости, там самым испытывая на себе давление потоков. К примеру, для макетирования подводной лодки необходимо просчитать все силы, которые будут влиять на корпус, а затем анализировать, как ни изменятся при увеличении скорости движения и глубины погружения.
  • Предметы, созданные для полета в воздухе или даже для выхода из атмосферы Земли. Искусственные спутники, космические корабли до запуска проходят множественные проверки, причем инженеры не довольствуются только компьютерной визуализацией, а делают макет вживую по заданным на компьютере данным.

В основе ИМ аэродинамики часто лежит метод фотоупругости – определение воздействий на вещество определенных сил за счет двойного преломления лучей в материалах оптической природы. Так можно определить степень напряжения и деформации стенок. Этим же методом можно определить не только статичное воздействие, но и динамичное, то есть последствия взрывов, ударной волны.

Гидродинамическая модель задается несколькими параметрами вручную, учитываются все геологические, биологические, химические и физические свойства среды и объекта. На основе этих данных создается объемная модель. Задаются начальные и максимальные границы воздействия на конструкцию. Далее происходит адаптация к условиям нахождения предмета и последующий вывод конечных данных.

Активно применяют этот метод в горнодобывающей промышленности и при бурении скважин. Здесь учитываются сведения о земле,воздушных и водных ключах, возможных неблагоприятных для работ слоях.


Разработка модели

Воссоздаваемая проекция – это упрощенный вариант реального объекта с сохранением характеристик, особенностей, свойств, а также с причинно-следственными связями. Именно реакция на воздействия обычно становится самым важным элементом изучения. Понятие «имитационное моделирование» предполагает три этапа работа с моделью:

  1. Ее конструирование после тщательного анализа натуральной системы, перенос всех характеристик в математические формулы, построение графического образа, его объемный вариант.
  2. Эксперимент и фиксирование изменений качеств макета, выведение закономерностей.
  3. Проецирование полученных сведений на реальный объект, внесение коррективов.

Программное обеспечение для имитационного моделирования систем

При выборе программы для реализации проекта необходимо выбирать софт с поддержкой трехмерного пространства. Также важна возможность 3D-визуализации с последующей объемной печатью.

Компания «ЗВСОФТ» предлагает свою продукцию.

Базовый САПР, является аналогом популярного ПО – AutoCAD. Но многие инженеры переходят на «ЗВКАД» из-за облегченной системы лицензирования, более низкой цены и удобного, русскоязычного интерфейса. При этом новая разработка совсем не уступает по функционалу:

  • поддерживается работа как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве;
  • интеграция с практически любыми текстовыми и графическими файлами;
  • удобство и большая функциональная панель инструментов.

При этом на ZWCAD можно установить множество надстроек, направленных на решение тех или иных задач.

– программа для создания и работы со сложными 3D объектами. Ее преимущества:

  • Удобный, доступный для пользователя с любым уровнем навыков интерфейс и автоматизированный процесс выбора элементов.
  • Легкое структурирование объектов на базе сетки, которую можно менять (их можно сжимать, растягивать, увеличивать или уменьшать высоту, клонировать, проецировать, делать впадины и выпуклости и многое другое).
  • Элементы из кривых и поверхностей NURBZ, их модификация профессиональными инструментами редактирования.
  • Создание объемных фигур на основе производных базовых и сложных объектов.
  • Моделирование поведения предметов, описанное в виде математических функций.
  • Трансформация одних форм в другие с выделением отдельных переходных элементов.
  • С плагинами RenderZone и V-Ray становится возможной детальная прорисовка всех деталей и фактур.
  • Анимация позволяет задать движение объектов как независимое, так и в зависимости одних от других.
  • 3D печать моделей.
  • Экспорт в системы инженерного анализа.

Еще одна разработка – это программа . Универсальная CAD-система в трех версиях – облегченная, стандартная и профессиональная. Возможности:

  • Создание трехмерного объекта любой сложности.
  • Гибридное моделирование.
  • Использование математических формул и функций при построении фигур.
  • Реверсивный инжиниринг, или обратная разработка продукции для внесения коррективов.
  • Моделирование движения с помощью анимации.
  • Работа с моделью, как с твердотельным, полым или каркасным образом.
  • Получение образцов на 3D принтере.
  • Использование переменных и математической среды для имитации поведения.

В статье мы рассказали, что относится к методам имитационного моделирования и что является его целью. За новыми технологиями будущее науки и производства.

В статье поговорим об имитационных моделях. Это довольно сложная тема, которая требует отдельного рассмотрения. Именно поэтому мы попробуем доступным языком объяснить этот вопрос.

Имитационные модели

О чем же идет речь? Начнем с того, что имитационные модели необходимы для воспроизведения каких-либо характеристик сложной системы, в которой происходит взаимодействие элементов. При этом такое моделирование имеет ряд особенностей.

Во-первых, это объект моделирования, который чаще всего представляет собой сложную комплексную систему. Во-вторых, это факторы случайности, которые присутствуют всегда и оказывают определенное влияние на систему. В-третьих, это необходимость описания сложного и длительного процесса, который наблюдается в результате моделирования. Четвертый фактор заключается в том, что без использования компьютерных технологий получить желаемые результаты невозможно.

Разработка имитационной модели

Она заключается в том, что каждый объект имеет определенный набор своих характеристик. Все они хранятся в компьютере при помощи специальных таблиц. Взаимодействие значений и показателей всегда описывается при помощи алгоритма.

Особенность и прелесть моделирования в том, что каждый его этап постепенный и плавный, что дает возможность пошагово менять характеристики и параметры и получать разные результаты. Программа, в которой задействованы имитационные модели, выводит информацию о полученных результатах, опираясь на те или иные изменения. Часто используется графическое или анимированное их представление, сильно упрощающее восприятие и понимание многих сложных процессов, которые осознать в алгоритмичном виде довольно сложно.

Детерминированность

Имитационные математические модели строятся на том, что они копируют качества и характеристики неких реальных систем. Рассмотрим пример, когда необходимо исследовать количество и динамику численности определённых организмов. Для этого при помощи моделирования можно отдельно рассматривать каждый организм, чтобы анализировать конкретно его показатели. При этом условия чаще всего задаются вербально. К примеру, по истечении какого-то отрезка времени можно задать размножение организма, а по прошествии более длительного срока - его гибель. Выполнение всех этих условий возможно в имитационной модели.

Очень часто приводят примеры моделирования движения молекул газа, ведь известно, что они двигаются хаотично. Можно изучать взаимодействие молекул со стенками сосуда или друг с другом и описывать результаты в виде алгоритма. Это позволит получать усредненные характеристики всей системы и выполнять анализ. При этом надо понимать, что подобный компьютерный эксперимент, по сути, можно назвать реальным, так как все характеристики моделируются очень точно. Но в чём смысл этого процесса?

Дело в том, что имитационная модель позволяет выделить конкретные и чистые характеристики и показатели. Она как бы избавляется от случайных, лишних и ещё ряда других факторов, о которых исследователи могут даже не догадываться. Заметим, что очень часто детерминирование и математическое моделирование схожи, если в качестве результата не должна быть создана автономная стратегия действий. Примеры, которые мы выше рассмотрели, касаются детерминированных систем. Они отличаются тем, что у них нет элементов вероятности.

Случайные процессы

Наименование очень просто понять, если провести параллель из обычной жизни. Например, когда вы стоите в очереди в магазине, который закрывается через 5 минут, и гадаете, успеете ли вы приобрести товар. Также проявление случайности можно заметить, когда вы звоните кому-то и считаете гудки, думая, с какой вероятностью дозвонитесь. Возможно, кому-то это покажется удивительным, но именно благодаря таким простым примерам в начале прошлого века зародилась новейшая отрасль математики, а именно теория массового обслуживания. Она использует статистику и теорию вероятности для того, чтобы сделать некоторые выводы. Позже исследователи доказали, что эта теория очень тесно связана с военным делом, экономикой, производством, экологией, биологией и т. д.

Метод Монте-Карло

Важный метод решения задачи на самообслуживание - это метод статистических испытаний или метод Монте-Карло. Заметим, что возможности исследования случайных процессов аналитическим путем довольно сложны, а метод Монте-Карло очень прост и универсален, в чем его главная особенность. Мы можем рассмотреть пример магазина, в который заходит один покупатель или несколько, приход больных в травмпункт по одному или целой толпой и т. д. При этом мы понимаем, что всё это случайные процессы, и промежутки времени между какими-то действиями - это независимые события, которые распределяются по законам, которые можно вывести, только проведя огромное количество наблюдений. Иногда это невозможно, поэтому берется усредненный вариант. Но какова цель моделирования случайных процессов?

Дело в том, что это позволяет получить ответы на множество вопросов. Банально необходимо рассчитать, сколько человеку придется стоять в очереди при учете всех обстоятельств. Казалось бы, это довольно простой пример, но это лишь первый уровень, а подобных ситуаций может быть очень много. Иногда рассчитать время очень важно.

Также можно задать вопрос о том, как можно распределить время, ожидая обслуживание. Еще более сложный вопрос касается того, как должны соотнестись параметры, чтобы до только что вошедшего покупателя очередь не дошла никогда. Кажется, что это довольно лёгкий вопрос, но если задуматься о нем и начать хотя бы немножко усложнять, становится понятно, что ответить не так легко.

Процесс

Как же происходит случайное моделирование? Используются математические формулы, а именно законы распределения случайных величин. Также используются числовые константы. Заметьте, что в данном случае не надо прибегать ни к каким уравнениям, которые используют при аналитических методах. В данном случае просто происходит имитация той же очереди, о которой мы говорили выше. Только сначала используются программы, которые могут генерировать случайные числа и соотносить их с заданным законом распределения. После этого проводится объемная, статистическая обработка полученных величин, которая анализирует данные на предмет, отвечают ли они изначальной цели моделирования. Продолжая дальше, скажем, что можно найти оптимальное количество людей, которые будут работать в магазине для того, чтобы очередь не возникала никогда. При этом используемый математический аппарат в данном случае - это методы математической статистики.

Образование

Анализу имитационных моделей в школах уделяется мало внимания. К сожалению, это может отразиться на будущем довольно серьезно. Дети должны со школы знать некоторые базовые принципы моделирования, так как развитие современного мира без этого процесса невозможно. В базовом курсе информатики дети могут с легкостью использовать имитационную модель "Жизнь".

Более основательное изучение может преподаваться в старших классах или в профильных школах. Прежде всего надо заняться изучением имитационного моделирования случайных процессов. Помните, что в российских школах такое понятие и методы только начинают вводиться, поэтому очень важно держать уровень образования учителей, которые со стопроцентной гарантией столкнутся с рядом вопросов от детей. При этом не будем усложнять задачу, акцентируя внимание на том, что речь идет об элементарном введении в эту тему, которое можно подробно рассмотреть за 2 часа.

После того как дети усвоили теоретическую базу, стоит осветить технические вопросы, которые касаются генерации последовательности случайных чисел на компьютере. При этом не надо загружать детей информацией о том, как работает вычислительная машина и на каких принципах строится аналитика. Из практических навыков их нужно учить создавать генераторы равномерных случайных чисел на отрезке или случайных чисел по закону распределения.

Актуальность

Поговорим немного о том, зачем нужны имитационные модели управления. Дело в том, что в современном мире обойтись без моделирования практически невозможно в любой сфере. Почему же оно так востребовано и популярно? Моделирование может заменить реальные события, необходимые для получения конкретных результатов, создание и анализ которых стоят слишком дорого. Или же может быть случай, когда проводить реальные эксперименты запрещено. Также люди пользуются им, когда просто невозможно построить аналитическую модель из-за ряда случайных факторов, последствий и причинных связей. Последний случай, когда используется этот метод, - это тогда, когда необходимо имитировать поведение какой-либо системы на протяжении данного отрезка времени. Для всего этого создаются симуляторы, которые пытаются максимально воспроизвести качества первоначальной системы.

Виды

Имитационные модели исследования могут быть нескольких видов. Так, рассмотрим подходы имитационного моделирования. Первое - это системная динамика, которая выражается в том, что есть связанные между собой переменные, определенные накопители и обратная связь. Таким образом чаще всего рассматриваются две системы, в которых есть некоторые общие характеристики и точки пересечения. Следующий вид моделирования - дискретно-событийное. Оно касается тех случаев, когда есть определенные процессы и ресурсы, а также последовательность действий. Чаще всего таким способом исследуют возможность того или иного события через призму ряда возможных или случайных факторов. Третий вид моделирования - агентный. Он заключается в том, что изучаются индивидуальные свойства организма в их системе. При этом необходимо косвенное или прямое взаимодействие наблюдаемого объекта и других.

Дискретно-событийное моделирование предлагает абстрагироваться от непрерывности событий и рассматривать только основные моменты. Таким образом случайные и лишние факторы исключаются. Этот метод максимально развит, и он используется во множестве сфер: от логистики до производственных систем. Именно он лучше всего подходит для моделирования производственных процессов. Кстати, его создал в 1960-х годах Джеффри Гордон. Системная динамика - это парадигма моделирования, где для исследования необходимо графическое изображение связей и взаимных влияний одних параметров на другие. При этом учитывается фактор времени. Только на основе всех данных создается глобальная модель на компьютере. Именно этот вид позволяет очень глубоко понять суть исследуемого события и выявить какие-то причины и связи. Благодаря этому моделированию строят бизнес-стратегии, модели производства, развитие болезней, планирование города и так далее. Этот метод был изобретён в 1950-х годах Форрестером.

Агентное моделирование появилось в 1990-х годах, оно является сравнительно новым. Это направление используется для анализа децентрализованных систем, динамика которых при этом определяется не общепринятыми законами и правилами, а индивидуальной активностью определенных элементов. Суть этого моделирования заключается в том, чтобы получить представление о новых правилах, в целом охарактеризовать систему и найти связь между индивидуальными составляющими. При этом изучается элемент, который активен и автономен, может принимать решения самостоятельно и взаимодействовать со своим окружением, а также самостоятельно меняться, что очень важно.

Этапы

Сейчас рассмотрим основные этапы разработки имитационной модели. Они включают её формулировку в самом начале процесса, построение концептуальной модели, выбор способа моделирования, выбор аппарата моделирования, планирование, выполнение задачи. На последнем этапе происходит анализ и обработка всех полученных данных. Построение имитационной модели - это сложный и длительный процесс, который требует большого внимания и понимания сути дела. Заметьте, что сами этапы занимают максимум времени, а процесс моделирования на компьютере - не больше нескольких минут. Очень важно использовать правильные модели имитационного моделирования, так как без этого не получится добиться нужных результатов. Какие-то данные получены будут, но они будут не реалистичны и не продуктивны.

Подводя итоги статьи, хочется сказать, что это очень важная и современная отрасль. Мы рассмотрели примеры имитационных моделей, чтобы понять важность всех этих моментов. В современном мире моделирование играет огромную роль, так как на его основании развиваются экономика, градостроение, производство и так далее. Важно понимать, что модели имитационных систем очень востребованы, так как они невероятно выгодны и удобны. Даже при создании реальных условий не всегда можно получить достоверные результаты, так как всегда влияет множество схоластических факторов, которые учесть просто невозможно.

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) - метод, позволяющий строить модели , описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику .

Имитационное моделирование - это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация - это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

Имитационное моделирование - это частный случай математического моделирования . Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.

Имитационным моделированием иногда называют получение частных численных решений сформулированной задачи на основе аналитических решений или с помощью численных методов .

Имитационная модель - логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Применение имитационного моделирования

К имитационному моделированию прибегают, когда:

  • дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;
  • невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;
  • необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между её элементами или другими словами - разработке симулятора (англ. simulation modeling ) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны. С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего изделия до начала производства. Компьютерное 3D моделирование теперь не редкость даже для небольших компаний.

Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950-х - 1960-х годах.

Можно выделить две разновидности имитации:

  • Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний);
  • Метод имитационного моделирования (статистическое моделирование).

Виды имитационного моделирования

Три подхода имитационного моделирования

Подходы имитационного моделирования на шкале абстракции

  • Агентное моделирование - относительно новое (1990-е-2000-е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот, когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей - получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении её отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент - некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться.
  • Дискретно-событийное моделирование - подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений - от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Основан Джеффри Гордоном в 1960-х годах.
  • Системная динамика - парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Метод основан Джеем Форрестером в 1950 годах.

Области применения

  • Динамика населения
  • ИТ-инфраструктура
  • Математическое моделирование исторических процессов
  • Пешеходная динамика
  • Рынок и конкуренция
  • Сервисные центры
  • Цепочки поставок
  • Уличное движение
  • Экономика здравоохранения

Свободные системы имитационного моделирования

См. также

  • Сетевое моделирование

Примечания

Литература

  • Хемди А. Таха Глава 18. Имитационное моделирование // Введение в исследование операций = Operations Research: An Introduction. - 7-е изд. - М .: «Вильямс», 2007. - С. 697-737. - ISBN 0-13-032374-8
  • Строгалев В. П., Толкачева И. О. Имитационное моделирование. - МГТУ им. Баумана, 2008. - С. 697-737. -

Имитационная модель - логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

Имитационные модели представляют собой довольно сложные программы для компьютера, описывающие поведение компонентов системы и взаимодействие между ними. Расчеты по этим программам при различных исходных данных позволяют имитировать динамические процессы, происходящие в реальной системе.

В результате исследования модели, являющейся аналогом реального объекта, получают количественные характеристики, отображающие его поведение при заданных условиях (исходных данных).

Изменяя исходные данные моделирования, можно получить достоверную информацию о поведении объекта в той или иной ситуации. Эти данные впоследствии могут быть использованы для разработки теории поведения объекта.

Имитационные модели в некоторой степени напоминают физические модели, т.е. модели реальных объектов в миниатюре. Например, существует физическая модель Братской ГЭС, в которой воспроизведены все реальные условия ее работы в уменьшенном масштабе. Задавая различные скорости течения воды, меняя условия прохождения водного потока через колеса гидроагрегатов, донные и сливные отверстия, ученые измеряют различные параметры водных потоков, оценивают устойчивость сооружений станций, степень размыва речного дна, берегов и дают заключения о наилучших режимах работы ГЭС. Примерно так же происходит процесс имитационного моделирования. Разница заключается только в том, что вместо потоков воды используются потоки информации о движении воды, вместо показаний физических приборов - данные, полученные с помощью ЭВМ. Конечно, имитационный эксперимент менее нагляден, чем физический опыт, но его возможности гораздо шире, так как в имитационной модели фактически допустимы любые изменения, каждый фактор можно варьировать по усмотрению исследователя, ошибки, возникающие в модели или исходных данных, легче заметить.

Математический аппарат, используемый для построения имитационных моделей, может быть самым разнообразным, например: теория массового обслуживания, теория агрегативных систем, теория автоматов, теория дифференциальных уравнений и пр. Имитационные исследования обычно требуют статистической обработки результатов моделирования, поэтому в основу всякой имитации входят методы теории вероятностей и математической статистики.

Имитационное моделирование является многоэтапным процессом и связано с оценкой полученных результатов, изменением структуры модели, целей и критериев моделирования. Для изучения полученных экспериментальных данных необходима группа людей (экспертов), обладающих знаниями в областях, непосредственно относящихся к объекту исследования.

Экспертные процедуры используют коллективный опыт людей и предназначены для усреднения мнений и получения объективной оценки какого-либо события или явления. Проведение экспертиз в большинстве случаев позволяет выработать определенные решения оценить относительную важность ряда событий или найти пропорции между показателями. Например, экспертам, занятым планированием в сфере обслуживания населения, может быть задан вопрос: «В каком отношении (пропорции) должны развиваться отрасли сферы обслуживания населения с точки зрения объемов реализации услуг?» При ответе на вопрос каждому эксперту предлагается проставить коэффициенты относительной важности, или баллы, каждой отраслевой группы обслуживания, например, в такой форме:

Для определения пропорций развития отраслевых групп обслуживания экспертам раздают анкеты определенного образца и предлагают ознакомиться со «сценарием» развития сферы обслуживания населения. «Сценарий» представляет собой своего рода прогноз состояния развития общественных потребностей на длительную перспективу, включая численность населения, его доходы и расходы по статьям затрат, жилищные условия, внедрение в практику новой техники и технологий, совершенствование видов и форм обслуживания населения, методов организации и управления обслуживанием и т.п.

После ознакомления со «сценарием» эксперты выражают свое мнение в виде баллов. Затем анкеты собирают и результаты экспертного анализа (допустим, баллы, приведенные в примере) усредняют по каждой отраслевой группе и нормируют, т.е. баллы по каждой отраслевой группе делят на их общую сумму. Полученные нормированные баллы отражают желаемые пропорции развития отраслевых групп обслуживания.

Существует большое количество форм и методов проведения экспертных анализов. Например, можно собирать группы экспертов для обсуждения рассматриваемых вопросов. Анкеты могут быть посланы эксперту домой (на работу), и тогда оценки отразят его мнение без посторонних влияний и дискуссий. Можно осуществить учет компетентности эксперта, проставив ему соответствующий «вес», аналогичный баллам.

При оценке качества функционирования какой-либо имитационной модели эксперты определяют, какие параметры модели главные, а какие - второстепенные; устанавливают желаемые пределы изменения параметров; осуществляют выбор лучшего варианта модели. В задачи эксперта также входит изменение условий моделирования, если это необходимо, выбор и корректировка целей моделирования в тех случаях, когда после проведения модельных экспериментов выявляются новые неучтенные факторы.

Как правило, работа экспертов или экспертных групп связана с обработкой данных на ЭВМ, оценкой результатов, полученных после моделирования какой-либо задачи, т.е. основана на общении членов экспертной группы с ЭВМ при помощи специальных языков.

Общение человека-эксперта с компьютером при имитации «больших систем» требуется в двух случаях. В первом случае, когда имитационная модель не использует формальный математический аппарат и представляет собой в основном процесс экспертной оценки совокупности содержательных событий или целей, для общения применяют типовые пакеты Excel, Word и т.п. Процесс общения эксперта с ЭВМ при подсчете средних баллов или коэффициентов, оценивающих те или иные события, цели, осуществляется согласно методике экспертного анализа. Здесь применение ЭВМ минимально. Во втором случае, когда имитационную модель используют для изучения функционирования какого-либо сложного объекта, например производственного предприятия, банка или рынка, путем машинной имитации информационных процессов при заданных условиях, модель записывается на одном из специальных имитационных языков, например JPSS, Симскрипт, Симула, Динамо, MathCad plus и пр.

Важным преимуществом таких языков является наличие в них методов нахождения ошибок, значительно превосходящих соответствующие возможности универсальных языков. Однако применение специальных имитационных языков налагает ограничения на форму вывода информации о поведении моделируемой системы. Использование универсального языка типа Фортран меньше всего ограничивает форму вывода данных. Наоборот, использование языка типа Симскрипт вынуждает приспосабливаться к требованиям, налагаемым этим языком. Поэтому в сложных имитационных системах для общения экспертов с имитационной моделью используют различные языки. При описании процессов в имитируемой системе могут быть применены такие языки, как JPSS, Симскрипт, Симула, Динамо, а для описания различных «сервисных» и выводных процедур - универсальные языки Фортран, PL, Алгол, а также пакеты Excel, Word и т.п.

построении математических моделей для описания изучаемых процессов;
  • использовании новейших вычислительных машин, обладающих высоким быстродействием (миллионы операций в секунду) и способных вести диалог с человеком.

    • Суть компьютерного моделирования состоит в следующем: на основе математической модели с помощью ЭВМ проводится серия вычислительных экспериментов, т.е. исследуются свойства объектов или процессов, находятся их оптимальные параметры и режимы работы, уточняется модель. Например, располагая уравнением, описывающим протекание того или иного процесса, можно изменяя его коэффициенты , начальные и граничные условия, исследовать, как при этом будет вести себя объект . Имитационные модели - это проводимые на ЭВМ вычислительные эксперименты с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов или систем.

    Реальные процессы и системы можно исследовать с помощью двух типов математических моделей: аналитических и имитационных.

    В аналитических моделях поведение реальных процессов и систем (РПС) задается в виде явных функциональных зависимостей (уравнений линейных или нелинейных, дифференциальных или интегральных, систем этих уравнений). Однако получить эти зависимости удается только для сравнительно простых РПС. Когда явления сложны и многообразны исследователю приходится идти на упрощенные представления сложных РПС. В результате аналитическая модель становится слишком грубым приближением к действительности. Если все же для сложных РПС удается получить аналитические модели, то зачастую они превращаются в трудно разрешимую проблему. Поэтому исследователь вынужден часто использовать имитационное моделирование .

    Имитационное моделирование представляет собой численный метод проведения на ЭВМ вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими поведение реальных объектов, процессов и систем во времени в течение заданного периода. При этом функционирование РПС разбивается на элементарные явления, подсистемы и модули. Функционирование этих элементарных явлений, подсистем и модулей описывается набором алгоритмов, которые имитируют элементарные явления с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени.

    Имитационное моделирование - это совокупность методов алгоритмизации функционирования объектов исследований, программной реализации алгоритмических описаний, организации, планирования и выполнения на ЭВМ вычислительных экспериментов с математическими моделями, имитирующими функционирование РПС в течение заданного периода.

    Под алгоритмизацией функционирования РПС понимается пооперационное описание работы всех ее функциональных подсистем отдельных модулей с уровнем детализации, соответствующем комплексу требований к модели.

    "Имитационное моделирование" (ИМ)- это двойной термин. "Имитация" и " моделирование " - это синонимы. Фактически все области науки и техники являются моделями реальных процессов. Чтобы отличить математические модели друг от друга, исследователи стали давать им дополнительные названия. Термин "имитационное моделирование" означает, что мы имеем дело с такими математическими моделями, с помощью которых нельзя заранее вычислить или предсказать поведение системы, а для предсказания поведения системы необходим вычислительный эксперимент (имитация) на математической модели при заданных исходных данных.

    Основное достоинство ИМ:

    1. возможность описания поведения компонент (элементов) процессов или систем на высоком уровне детализации;
    2. отсутствие ограничений между параметрами ИМ и состоянием внешней среды РПС;
    3. возможность исследования динамики взаимодействия компонент во времени и пространстве параметров системы;

    Эти достоинства обеспечивают имитационному методу широкое распространение.

    1. Если не существует законченной постановки задачи исследования и идет процесс познания объекта моделирования. Имитационная модель служит средством изучения явления.
    2. Если аналитические методы имеются, но математические процессы сложны и трудоемки, и имитационное моделирование дает более простой способ решения задачи.
    3. Когда кроме оценки влияния параметров (переменных) процесса или системы желательно осуществить наблюдение за поведением компонент (элементов) процесса или системы (ПС) в течение определенного периода.
    4. Когда имитационное моделирование оказывается единственным способом исследования сложной системы из-за невозможности наблюдения явлений в реальных условиях (реакции термоядерного синтеза, исследования космического пространства).
    5. Когда необходимо контролировать протекание процессов или поведение систем путем замедления или ускорения явлений в ходе имитации.
    6. При подготовке специалистов для новой техники, когда на имитационных моделях обеспечивается возможность приобретения навыков в эксплуатации новой техники.
    7. Когда изучаются новые ситуации в РПС. В этом случае имитация служит для проверки новых стратегий и правил проведения натурных экспериментов.
    8. Когда особое значение имеет последовательность событий в проектируемых ПС и модель используется для предсказания узких мест в функционировании РПС.

    Однако ИМ наряду с достоинствами имеет и недостатки:

    1. Разработка хорошей ИМ часто обходится дороже создания аналитической модели и требует больших временных затрат.
    2. Может оказаться, что ИМ неточна (что бывает часто), и мы не в состоянии измерить степень этой неточности.
    3. Зачастую исследователи обращаются к ИМ, не представляя тех трудностей, с которыми они встретятся и совершают при этом ряд ошибок методологического характера.

    И тем не менее ИМ является одним из наиболее широко используемых методов при решении задач синтеза и анализа сложных процессов и систем.

    Одним из видов имитационного моделирования является статистическое имитационное моделирование , позволяющее воспроизводить на ЭВМ функционирование сложных случайных процессов.

    При исследовании сложных систем, подверженных случайным возмущениям используются вероятностные аналитические модели и вероятностные имитационные модели .

    В вероятностных аналитических моделях влияние случайных факторов учитывается с помощью задания вероятностных характеристик случайных процессов (законы распределения вероятностей, спектральные плотности или корреляционные функции). При этом построение вероятностных аналитических моделей представляет собой сложную вычислительную задачу . Поэтому вероятностное аналитическое моделирование используют для изучения сравнительно простых систем.

    Подмечено, что введение случайных возмущений в имитационные модели не вносит принципиальных усложнений, поэтому исследование сложных случайных процессов проводится в настоящее время, как правило, на имитационных моделях .

    В вероятностном имитационном моделировании оперируют не с характеристиками случайных процессов, а с конкретными случайными числовыми значениями параметров ПС. При этом результаты, полученные при воспроизведении на имитационной модели рассматриваемого процесса, являются случайными реализациями. Поэтому для нахождения объективных и устойчивых характеристик процесса требуется его многократное воспроизведение, с последующей статистической обработкой полученных данных. Именно поэтому исследование сложных процессов и систем, подверженных случайным возмущениям, с помощью имитационного моделирования принято называть статистическим моделированием.