Компьютерное моделирование

Содержание

1.    Программное моделирование информационных систем

2.    Особенности использования алгоритмических языков.

3.    Подходы к разработке языков моделирования.

4.    классификации языков моделирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Успех или неудача проведения имитационных экспериментов с моделями сложных систем существенным образом  зависит от инструментальных средств, используемых для моделирования, т. е. набора аппаратно-программных средств, представляемых пользователю-разработчику или пользователю-исследователю  машинной модели. В настоящее время  существует большое количество языков имитационного моделирования —  специальных языков программирования имитационных моделей на ЭВМ — и перед разработчиком машинной модели возникает проблема выбора языка, наиболее эффективного для целей моделирования конкретной системы.

1.     Программное моделирование информационных систем

Использование современных  ЭВМ, вычислительных комплексов и сетей  является мощным средством реализации имитационных моделей и исследования с их помощью характеристик процесса функционирования систем S. эффективность исследования системы S на программно-реализуемой модели М_м прежде всего зависит от правильности схемы моделирующего алгоритма, совершенства программы и только косвенным образом зависит от технических характеристик ЭВМ, применяемой для моделирования. Большое значение при реализации модели на ЭВМ имеет вопрос правильного выбора языка моделирования.

Алгоритмические языки при моделировании систем служат вспомогательным аппаратом разработки, машинной реализации и анализа характеристик моделей. Каждый язык моделирования должен отражать определенную структуру понятий для описания широкого класса явлений.

Основными моментами, характеризующими качество языков моделирования, являются: удобство описания процесса функционирования системы S, удобство ввода исходных данных моделирования и варьирования структуры, алгоритмов и параметров модели, реализуемость статистического моделирования, эффективность анализа и вывода результатов моделирования, простота отладки и контроля работы моделирующей программы, доступность восприятия и использования языка.

Язык программирования представляет собой набор символов, распознаваемых ЭВМ и обозначающих операции, которые можно реализовать на ЭВМ. На низшем уровне находится основной язык машины, программа на котором пишется в кодах, непосредственно соответствующих элементарным машинным действиям (сложение, запоминание, пересылка по заданному адресу и т. д.). Следующий уровень занимает автокод (язык АССЕМБЛЕРА)вычислительной машины. Программа на автокоде составляется из мнемонических символов, преобразуемых в машинные коды специальной программой — ассемблером.

Компилятором называется программа, принимающая инструкции, написанные на алгоритмическом языке высокого уровня, и преобразующая их в программы на основном языке машины или на автокоде, которые в последнем случае транслируются еще раз с помощью ассемблера.

Интерпретатором называется программа, которая, принимая инструкции входного языка, сразу выполняет соответствующие операции в отличие от компилятора, преобразующего эти инструкции в запоминающиеся цепочки команд. Трансляция происходит в течение всего времени работы программы, написанной на языке интерпретатора. В отличие от этого компиляция и ассемблирование представляют собой однократные акты перевода текста с входного языка на объектный язык машины, после чего полученные программы выполняются без повторных обращений к транслятору.

Программа, составленная в  машинных кодах или на языке АССЕМБЛЕРА, всегда отражает специфику конкретной ЭВМ. Инструкции такой программы соответствуют определенным машинным операциям и, следовательно, имеют смысл только в той ЭВМ, для которой они предназначены, поэтому такие языки называются машинно-ориентированными языками.

Большинство языков интерпретаторов  и компиляторов можно классифицировать какпроцедурно-ориентированные языки. Эти языки качественно отличаются от машинно-ориентированных языков, описывающих элементарные действия ЭВМ и не обладающих проблемной ориентацией.

Все процедурно-ориентированные языки предназначены для определенного класса задач, включают в себя инструкции, удобные для формулировки способов решения типичных задач этого класса. Соответствующие алгоритмы программируются в обозначениях, не связанных ни с какой ЭВМ.

Язык моделирования представляет собой процедурно-ориентированный  язык, обладающий специфическими чертами. Основные языки моделирования разрабатывались  в качестве программного обеспечения  имитационного подхода к изучению процесса функционирования определенного  класса систем.

2.     Особенности использования алгоритмических языков.

Рассмотрим преимущества и недостатки использования для  моделирования процесса функционирования систем языков имитационного моделирования (ЯИМ) и языков общего назначения (ЯОН), т. е. универсальных и процедурно-ориентированных алгоритмических языков.

Целесообразность использования языков имитационного моделирования (ЯИМ) вытекает из двух основных причин: 1) удобство программирования модели системы, играющее существенную роль при машинной реализации моделирующих алгоритмов; 2) концептуальная направленность языка на класс систем, необходимая на этапе построения модели системы и выборе общего направления исследований в планируемом машинном эксперименте. Практика моделирования систем показывает, что именно использование ЯИМ во многом определило успех имитации как метода экспериментального исследования сложных реальных объектов.

Языки моделирования позволяют  описывать моделируемые системы  в терминах, разработанных на базе основных понятий имитации. До того как эти понятия были четко  определены и формализованы в  ЯИМ, не существовало единых способов описания имитационных задач, а без  них не было связи между различными разработками в области постановки имитационных экспериментов. Высокоуровневые  языки моделирования являются удобным  средством общения заказчика  и разработчика машинной модели М_м.

Несмотря на перечисленные  преимущества ЯИМ, в настоящее время  выдвигаются основательные аргументы  как технического, так и эксплуатационного  характера против полного отказа при моделировании от универсальных  и процедурно-ориентированных языков.

Серьезные недостатки ЯИМ  проявляются в том, что в отличие  от широко применяемых ЯОН, трансляторы  с которых включены в поставляемое изготовителем математическое обеспечение  всех современных ЭВМ, языки моделирования, за небольшим исключением, разрабатывались  отдельными организациями для своих  достаточно узко специализированных потребностей. Соответствующие трансляторы плохо  описаны и приспособлены для  эксплуатации при решении задач  моделирования систем, поэтому, несмотря на достоинства ЯИМ, приходится отказываться от их практического применения в  ряде конкретных случаев.

При создании системы моделирования  на базе любого языка необходимо решить вопрос о синхронизации процессов  в модели, так как в каждый момент времени, протекающего в системе (системного времени), может потребоваться обработка  нескольких событий, т. е. требуется  псевдопараллельная организация имитируемых  процессов в машинной модели М_м. Это является основной задачей монитора моделирования, который выполняет следующие функции: управление процессами (согласование системного и машинного времени) и управление ресурсами (выбор и распределение в модели ограниченных средств моделирующей системы).

3.     Подходы к разработке языков моделирования.

К настоящему времени сложились  два различных подхода к разработке языков моделирования: непрерывный  и дискретный — отражающие основные особенности исследуемых методом  моделирования систем. Поэтому ЯИМ  делятся на две самостоятельные  группы, которые соответствуют двум видам имитации, развивавшимся независимо друг от друга: для имитации непрерывных  и дискретных процессов.

Для моделирования непрерывных  процессов могут быть использованы не только АВМ, но и ЭВМ, последние  при соответствующем программировании имитируют различные непрерывные  процессы. При этом ЭВМ обладают большей надежностью в эксплуатации и позволяют получить высокую  точность результатов, что привело  к разработке языков моделирования, отображающих модель в виде блоков таких типов, которые играют роль стандартных блоков АВМ (усилителей, интеграторов, генераторов функций  и т. п.).

Заданная схема моделирующего  алгоритма преобразуется в систему  совместно рассматриваемых дифференциальных уравнений. Моделирование в этом случае сводится, по сути дела, к отысканию  численных решений этих уравнений  при использовании некоторого стандартного пошагового метода.

Универсальная ЭВМ — устройство дискретного типа, а поэтому должна обеспечивать дискретную аппроксимацию  процесса функционирования исследуемой  системы S.Непрерывные изменения в процессе функционирования реальной системы отображаются в дискретной модели М_и, реализуемой на ЭВМ, некоторой последовательностью дискретных событий, и такие модели называются моделями дискретных событий. Отдельные события, отражаемые в дискретной модели, могут определяться с большой степенью приближения к действительности, что обеспечивает адекватность таких дискретных моделей реальным процессам, протекающим в системах S.

Архитектуру ЯИМ, т. е. концепцию взаимосвязей элементов языка как сложной системы, и технологию перехода от системы S к ее машинной модели М_ы можно представить следующим образом:

1) объекты моделирования  (системы S) описываются (отображаются в языке) с помощью некоторых атрибутов языка;

2) атрибуты взаимодействуют  с процессами, адекватными реально  протекающим явлениям в моделируемой  системе S;

3) процессы требуют конкретных  условий, определяющих логическую основу и последовательность взаимодействия этих процессов во времени;

4) условия влияют на  события, имеющие место внутри  объекта моделирования (системы S) и при взаимодействии с внешней средой Е;

5) события изменяют состояния  модели системы М в пространстве и во времени.

В большинстве случаев  с помощью машинных моделей исследуются  характеристики и поведение системы S на определенном отрезке времени, поэтому одной из наиболее важных задач при создании модели системы и выборе языка программирования модели является реализация двух функций:

1) корректировка временной  координаты состояния системы  («продвижение» времени, организация  «часов»);

2) обеспечение согласованности  различных блоков и событий  в системе (синхронизация во  времени, координация с другими  блоками).

4.     классификации языков моделирования

для машинного моделирования  системы S пригодны три способа проведения вычислений, в основе которых лежит применение цифровой, аналоговой и гибридной вычислительной техники рис. 1.

Рис. 1.

Для моделирования систем используются как универсальные  и процедурно-ориентированные ЯОН, так и специализированные ЯИМ. При  этом ЯОН предоставляют программисту-разработчику модели М_м больше возможностей в смысле гибкости разработки, отладки и использования модели. Но гибкость приобретается ценой больших усилий, затрачиваемых на программирование модели, так как организация выполнения операций, отсчет системного времени и контроль хода вычислений существенно усложняются.

Имеющиеся ЯИМ можно разбить  на три основные группы, соответствующие  трем типам математических схем: непрерывные, дискретные и комбинированные. Языки  каждой группы предназначены для  соответствующего представления системы S при создании ее машинной модели М_м.

В основе рассматриваемой  классификации в некоторых ЯИМ  лежит принцип формированиясистемного времени. Так как «системные часы» предназначены не только для продвижения системного времени в модели М_м, но также для синхронизации различных событий и операций в модели системы S, то при отнесении того или иного конкретного языка моделирования к определенному типу нельзя не считаться с типом механизма «системных часов».

Непрерывное представление системы S сводится к составлению уравнений, с помощью которых устанавливается связь между зависимыми и независимыми переменными модели. Примером такого непрерывного подхода является использование дифференциальных уравнений. Причем в дальнейшем дифференциальные уравнения могут быть применены для непосредственного получения характеристик системы.

Представление системы S в виде типовой схемы, в которой участвуют как непрерывные, так и дискретные величины, называется комбинированным. Состояние модели системы М(S)описывается набором переменных, некоторые из которых меняются во времени непрерывно. Законы изменения непрерывных компонент заложены в структуру, объединяющую дифференциальные уравнения и условия относительно переменных. Предполагается, что в системе могут наступать события двух типов:

1) события, зависящие от  состояния системы;

2) события, зависящие от  времени.

События первого типа наступают  в результате выполнения условий, относящихся  к законам изменения непрерывных  переменных.

Для событий второго типа процесс моделирования состоит  в продвижении системного времени  от момента наступления события  до следующего аналогичного момента.

В рамках дискретного подхода можно выделить несколько принципиально различных групп ЯИМ.

Первая группа ЯИМ подразумевает  наличие списка событий, отличающих моменты начала выполнения операций. Продвижение времени осуществляется по событиям, в моменты наступления  которых производятся необходимые  операции, включая операции пополнения списка событий.

При использовании ЯИМ  второй группы после пересчета системного времени, в отличие от схемы языка  событий, просмотр действий с целью  проверки выполнения условий начала или окончания какого-либо действия производится непрерывно. Просмотр действий определяет очередность появления  событий.

Третья группа ЯИМ описывает  системы, поведение которых определяется процессами. В данном случае под  процессом понимается последовательность событий, связь между которыми устанавливается  с помощью набора специальных  отношений. Динамика заложена в независимо управляемых программах, которые  в совокупности составляют программу  процесса.