Разработка концептуальной модели объекта моделирования

Концептуальная модель -есть логико-математическое описание моделируемой системы в соответствии с формулировкой проблемы. Основное содержание этого этапа -формулировка общего замысла модели, переход от реальной системы к логической схеме ее функционирования (схематично общее содержание этого технологического перехода демонстрируется на рисунке 3.3). Здесь приводится описание объекта в терминах математических понятий и алгоритмизация функционирования ее компонент. Концептуальное описание представляет собой упрощенное алгоритмическое отображение реальной системы.

Альтернативные Критерии

эффективности

Рисунок 3.3 — Переход от реальной системы к логической схеме её функционирования.

При разработке концептуальной модели осуществляется установление основной структуры модели, которое включает статическое и динамическое описание системы. Определяются границы системы, приводится описание внешней среды, выделяются существенные элементы и дается их описание, формируются переменные, параметры, функциональные зависимости как для отдельных элементов и процессов, так и для всей системы, ограничения, целевые функции (критерии).

Результат работы на этом этапе -документированное концептуальное описание плюс выбранный способ формализации моделируемой системы. При создании небольших моделей этап совмещается с этапом составления содержательного описания моделируемой системы. На этом этапе уточняется также методика всего имитационного эксперимента.

Построение концептуальной модели начинается с того, что на основе цели моделирования устанавливаются границы моделируемой системы, определяются воздействия внешней среды. Выдвигаются гипотезы и фиксируются все допущения (предположения), необходимые для построения имитационной модели. Обсуждается уровень детализации моделируемых процессов.

Система есть совокупность взаимосвязанных элементов. Определение системы всегда субъективно, зависит от цели моделирования, и от того, кто именно определяет систему. На этом этапе осуществляется декомпозиция системы. Определяются наиболее существенные в смысле сформулированной проблемы элементы системы (выполняется структурный анализ моделируемой системы) и взаимодействия между ними, выявляются основные аспекты функционирования моделируемой систем (составляется функциональная модель), приводится описание внешней среды. Декомпозиция системы (объекта моделирования) или выделение подсистем -есть операция анализа. Элементы модели должны соответствовать реально- существующим фрагментам в системе. Сложная система разбивается на части, сохраняя при этом связи, обеспечивающие взаимодействие. Можно составить функциональную схему, которая прояснит специфику динамических процессов, происходящих в рассматриваемой системе. Важно определить, какие компоненты будут включены в модель, какие будут вынесены во внешнюю среду, и какие взаимосвязи будут установлены между ними.

Описание внешней среды выполняется по тем соображениям, что элементы внешней среды оказывают определенное влияние на элементы системы, однако влияние самой системы на них, как правило, незначительно.

При обсуждении уровня детализации модели важно понимать, что в основании всякой декомпозиции лежат два противоречивых принципа: полнота и простота. Обычно на начальных этапах составления модели наблюдается тенденция к учету чрезмерно большого числа компонентов и переменных. Однако хорошая модель —простая, ведь известно, что степень понимания явления обратно пропорциональна числу переменных, фигурирующих в его описании. Модель, перегруженная деталями, может стать сложной и трудно реализуемой.

Компромисс между этими двумя полюсами, состоит в том, что в модель включаются только существенные (или релевантные) компоненты, — существенные по отношению к цели анализа. Выбор в этом тонком деле опять за экспертом.

Итак, сначала должна присутствовать "элементарность" -составляется самое простое дерево целей, упрощенная структура модели. Далее осуществляется постепенная детализация моделей. Надо стремиться делать простые модели, затем их усложнять. Необходимо следовать принципу итеративного построения модели, когда по мере изучения системы по модели, в ходе разработки, модель изменяется путем добавления новых или исключения некоторых ее элементов и/или взаимосвязей между ними.

Как же все-таки перейти от реальной системы к ее упрощенному описанию? Упрощение, абстракция — основные приемы любого моделирования. Выбранный уровень детализации должен позволять абстрагироваться от неточно определенных из-за недостатка информации аспектов функционирования реальной системы.

Под упрощением понимается пренебрежение несущественными деталями или принятие предположений о более простых соотношениях (например, предположение о линейной зависимости между переменными). При моделировании выдвигаются гипотезы, предположения, относящиеся к взаимосвязи между компонентами и переменными системы.

Другим аспектом анализа реальной системы является абстракция. Абстракция содержит или сосредоточивает в себе существенные качества поведения объекта, но не обязательно в той же форме и столь детально, как это имеет место в реальной системе.

После того как проанализированы и промоделированы части или элементы системы, мы приступаем к их объединению в единое целое. В концептуальной модели должно быть корректно отражено их взаимодействие. Композиция есть операция синтеза, агрегирование (при системном моделировании это не просто сборка компонентов). В ходе этой операции выполняется установление отношений между элементами (например, уточняется структура, приводится описание отношений, упорядочение и др.)

Системное исследование построено на сочетание операций анализа и синтеза. На практике реализуются итеративные процедуры анализа и синтеза. Лишь после этого мы можем пытаться объяснить целое — систему, через его составляющие- подсистемы, в виде общей структуры целого.

Критерии эффективности. Параметры, переменные модели. В описание системы должны быть включены критерии эффективности функционирования системы и оцениваемые альтернативные решения, последние могут рассматриваться как входы модели или сценарные параметры. При алгоритмизации моделируемых процессов уточняются также основные переменные модели, участвующие в ее описании.

Каждая модель представляет собой некоторую комбинацию таких составляющих, как компоненты, переменные, параметры, функциональные зависимости, ограничения, целевые функции (критерии). Приведем некоторые полезные в дальнейшем определения согласно [54].

Под компонентами понимают составные части, которые при соответствующем объединении образуют систему. Иногда компонентами считают также элементы системы или ее подсистемы. Система определяется как группа или совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции. Изучаемая система состоит из компонент.

Параметрами являются величины, которые исследователь может выбирать произвольно, в отличие от переменных модели, которые могут принимать только значения, определяемые видом данной функции. В модели будем различать переменные двух видов: экзогенные и эндогенные. Экзогенные переменные называются также входными. Это означает, что они порождаются вне системы или являются результатом взаимодействия внешних причин. Эндогенными переменными называются переменные, возникающие в системе в результате воздействия внутренних причин. В тех случаях, когда эндогенные переменные характеризуют состояние или условия, имеющие место в системе, назовем их переменными состояния. Когда же необходимо описать входы и выходы системы, мы имеем дело с входными и выходными переменными.

Функциональные зависимости описывают поведение переменных и параметров в пределах компоненты или же выражают соотношения между компонентами системы. Эти соотношения по природе являются либо детерминистскими, либо стохастическими.

Ограничения представляют собой устанавливаемые пределы изменения значений переменных или ограничивающие условия их изменений. Они могут вводится либо разработчиком, либо устанавливаться самой системой вследствие присущих ей свойств.

Целевая функция (функция критерия) представляет собой точное отображение целей или задач системы и необходимых правил оценки их выполнения. Выражение для целевой функции должно быть однозначным определением целей и задач, с которыми должны соизмеряться принимаемые решения.