Відмінності між імітаційним, інформаційним і структурним моделюванням

Зв'язок визначає проходження процесів, тобто що вихід якогось процесу є входом певного процесу. Усякий вхід системи, є виходом цієї чи іншої системи, а всякий вихід - входом.

Штучні системи - це системи, елементи яких зроблені людьми тобто є виходом свідомо виконуваних процесів людини.

У будь-якій штучній системі існують три різних по своїй суті підпроцеси:

• основний процес - перетворює вхід на вихід;
• зворотний зв'язок - виконує ряд операцій: порівнює вибірку виходу з моделлю виходу і виділяє розходження, оцінює зміст і смисл розходження, виробляє рішення, зчленоване з розходженням, формує процес введення рішення (втручання в процес системи) і впливає на процес з метою зближення виходу і моделі виходу;
• обмеження.

Процес обмеження збуджується споживачем виходу системи, котрий аналізує її вихід. Цей процес впливає на вихід і управління системи, забезпечуючи відповідність виходу системи цілям споживача. Обмеження системи, прийняте у результаті процесу обмеження, відтворюється моделлю виходу. Обмеження системи складається з цілі  системи і примусових зв'язків. Примусові зв'язки повинні бути сумісні з ціллю.

Системний аналіз - логічно зв'язана сукупність теоретичних і емпіричних знань з області математики, природних наук і досвіду розробки складних систем які забезпечують підвищення обґрунтованості вирішення конкретної проблеми.

Системотехніка – науково-технічна дисципліна, котра охоплює питання проектування, створення, іспитів і експлуатації складних систем.

При розробці складних систем, виникають проблеми, котрі відносяться не тільки до властивостей їх складових (елементів, підсистем), але також і до закономірностей функціонування об’єктів у цілому (загальносистемні проблеми); з’являється широке коло специфічних задач, таких як визначення загальної структури системи, організація взаємодії між підсистемами і елементами, урахування впливу середовища, вибір оптимальних режимів функціонування, оптимальне управління системою та ін. По мірі зростання систем, все більш значне місце відводиться загальносистемним питанням, вони і складають основний зміст системотехніки.

Науковою, головним чином математичною базою системотехніки є порівняно нова наукова дисципліна – теорія складних систем.

Для складних систем характерна своєрідна організація проектування в дві стадії: макропроектування, в процесі якого вирішуються функціонально-структурні питання системи в цілому, і мікропроектування (внутрішнє проектування), пов’язане з розробкою елементів системи як фізичних одиниць обладнання.

Системотехніка поєднує точки зору, підходи і методи по питанням зовнішнього проектування складних систем. Макропроектування починається з формулювання проблеми, яка включає в себе по меншій мірі 3 основних розділи:

• визначення цілей створення системи і кола вирішуваних нею задач;
• оцінка діючих на систему факторів і визначення їх характеристик;
• вибір показників ефективності системи.

Цілі і задачі системи визначають, виходячи з потреб їх практичного використання, з урахуванням тенденцій і особливостей технічного прогресу, а також суспільної та ринкової доцільності. Істотне значення при цьому має досвід застосування наявних аналогічних систем, а також чітке розуміння ролі спроектованої системи. Для оцінки зовнішніх і внутрішніх факторів діючих на систему, крім досвіду експлуатації аналогічних систем, використовують статистичні дані, отримані в результаті спеціальних експериментальних досліджень. В якості показників ефективності обирають числові характеристики, котрі дозволяють оцінити ступінь відповідності системи задачам, поставленням перед нею, наприклад для системи „сліпої” посадки літаків показником ефективності може служити імовірність успішної посадки, для міжміського телефонного зв’язку - середній час очікування з’єднання з абонентом, для виробничого процесу - середнє число виробів, що випускаються за зміну, і т. ін.

Матеріали по вивченню цілей і задач і результати проведених експериментів використовують для обґрунтування технічного завдання на розробку системи.

У відповідності з технічним завданням, обирають один або декілька варіантів системи, які на думку проектувальників, заслуговують подальшого розгляду і детального дослідження. Аналіз варіантів системи (системний аналіз) проводиться по результатам математичного моделювання. На практиці, зазвичай віддається перевага імітаційному моделюванню системи на комп’ютері.

Системний аналіз є багатоаспектною дисципліною і може по-різному використовуватись сучасними фахівцями в області проектування, експлуатації і виробництва складних обчислювальних, управляючих або вимірювальних систем різного призначення.

Суттєвим в системному аналізі є наступне:

• аналіз систем є способом розгляду проблеми;
• математичне апарат та комп’ютерна техніка є необхідними але не достатніми умовами вирішення проблеми, інколи достатніми виявляться просто серйозні міркування над проблемою. 

В загальному випадку виділяють теоретичний системний аналіз і прикладний системний аналіз.

На сучасному етапі системні дослідження отримали широке поширення в біології, психології, соціології, лінгвістиці і ряді інших наук. Важливу роль вони відіграють у техніці, де сформувався особливий науковий напрямок – системотехніка.

При цьому на перший план серед інших висуваються наступні проблеми:

• виявлення і опис найбільш загальних системних характеристик і закономірностей, котрі не залежать від конкретного типу технічних комплексів;
• розробка експериментальних методів, які дозволяють з достатньою вірогідністю при прийнятному обсязі витрачуваних ресурсів оцінювати теоретичні концепції;
• вивчення круговороту речовини і послідовності операцій по використанню енергії і формування на цій основі узагальнених критеріїв часткових типів системи;
• розробка методів реалізації принципів системотехніки при створенні і використанні конкретних зразків систем.

В рамках системотехніки розвивається загальна теорія систем, яка служить базою формалізації усіх етапів проектування і в тому числі завданням на проектування складних систем, які формує користувач – замовник. Основними математичними методами загальної теорії систем є методи теорії множин, теорії алгебраїчних систем і теорії категорій.

Особливість сучасного розвитку системних ідей крім глибокого інтересу до теоретико-методологічних проблем полягає також в інтенсивній роботі по створенню математичної теорії систем і системного аналізу і в усе більш розширюваній сфері практичного їх застосування у техніці, економіці та соціальних областях.

Об'єктом системотехніки є системотехнічні комплекси (СТК). Варіанти СТК – це складні системи, великі системи, системи „людина-машина”, інтегральні системи.

Предметом вивчення системотехніки виділяють проектування систем, включаючи методологію пошуку системних характеристик СТК, методи формування ефективної системи процедур проектування, процеси іспитів, виробництва, пристосування, експлуатації і демонтажу, тобто процесу використання і ліквідації СТК.

Системотехніка носить міждисциплінарний характер. Досліджувані нею закони і закономірності не залежать від конкретного типу системи.

Теоретичною базою системотехніки є загальна теорія системи (ЗТС).

Основним методом системотехніки є системний підхід з його конкретними видами реалізації: системним аналізом, дослідженням операцій і кібернетикою.

 

3. ВІДМІННОСТІ МІЖ ІМІТАЦІЙНИМ, ІНФОРМАЦІЙНИМ І СТРУКТУРНИМ МОДЕЛЮВАННЯМ

За мірою повноти опису моделі поділяють на повні, неповні та наближені. Повні моделі адекватні об’єкту у просторі та часі. Для неповного моделювання ця адекватність не зберігається. При наближеному моделюванні беруться до уваги тільки найважливіші аспекти системи.

Залежно від характеру досліджуваних процесів у системі моделі поділяють на детерміновані та стохастичні, статичні та динамічні, неперервні та дискретно-неперервні. Детерміновані моделі відображають процеси, для яких передбачається відсутність випадкових впливів, а у стохастичних враховують випадкові процеси та події. Статичне моделювання застосовується для описування стану системи у фіксований момент, а динамічне — для дослідження поведінки системи у часі. Дискретне, неперервне та дискретно-неперервне моделювання застосовуються для опису процесів, які змінюються у часі.

Рис. 12. Методи моделювання систем

Залежно від форми подання об’єкта моделювання поділяють на реальне та абстрактне.

При реальному моделюванні використовують можливість дослідження характеристик на реальному об’єкті чи на його частині. При натурному моделюванні проводять дослідження на реальному об’єкті із подальшим обробленням результатів експерименту на основі теорії подібності. Фізичне моделювання здійснюється через відтворення досліджуваного процесу на моделі, яка в загальному випадку має відмінну від оригіналу природу, але однаковий математичний опис процесу функціонування.

Абстрактне моделювання має різноманітні види: наочне, символьне, математичне. При наочному моделюванні на базі уявлень людини про реальні об’єкти створюють наочні моделі, що відображають явища та процеси, які відбуваються в об’єкті.

Символьне моделювання являє собою штучний процес створення об’єкта, який замінює реальний та виражає основні його властивості через певну систему знаків та символів.

Символьне моделювання поділяється, в свою чергу, на мовне та знакове. В основі мовного моделювання лежить деякий тезаурус, який утворюється із набору вхідних понять, причому цей набір має бути фіксованим. Під тезаурусом розуміють словник, одиниці якого містять набори ознак, що характеризують родово-видові зв’язки та згруповані за змістовною близькістю. Між тезаурусом та звичайним словником існують принципові розбіжності. Тезаурус — це словник, який не містять неоднозначних слів. Кожному його слову відповідає лише одне поняття.

Дослідження математичної моделі дає змогу одержати характеристики реального об’єкта чи системи. Вигляд математичної моделі залежить як від природи системи, так і від завдань дослідження. Математична модель системи містить, як правило, опис множини можливих станів системи та закон переходу із одного стану в інший.

Математичне моделювання, в свою чергу, включає імітаційне, інформаційне, структурне, ситуаційне моделювання тощо.

При імітаційному моделюванні намагаються відтворити процес функціонування системи у часі за допомогою деяких алгоритмів. При цьому імітуються основні явища, що утворюють процес, який розглядається, із збереженням їх логічної структури та послідовності перебігу в часі. Це уможливлює одержання інформації про стан процесу в певний момент та оцінку характеристик системи. Імітаційні моделі дають змогу враховувати такі ознаки, як дискретність та неперервність елементів системи, нелінійність їхніх характеристик, випадкові збурення тощо.

Інформаційне (кібернетичне) моделювання пов’язане з побудовою моделей, для яких відсутні безпосередні аналоги фізичних процесів. У такому разі намагаються відобразити лише деяку функцію і розглядають об’єкт як «чорний ящик», який має певну кількість входів та виходів. У такий спосіб моделюють тільки окремі зв’язки між входами та виходами. Отже, в основі кібернетичних моделей лежить відображення окремих інформаційних процесів регулювання, що дають змогу оцінити поведінку реальної системи. Для побудови моделі необхідно виділити досліджувану функцію реального об’єкта та спробувати формалізувати її через окремі оператори зв’язку між входом і виходом. Імітаційна модель уможливлює відтворення цієї функції.

Структурне моделювання базується на специфічних особливостях структур певного вигляду, які використовують як засіб дослідження систем або для розроблення на їх основі із застосуванням інших методів формалізованого опису систем (теоретико-множинних, лінгвістичних) специфічних підходів до моделювання.

Структурне моделювання включає:

• методи сітьового моделювання;
• структурний підхід до формалізації структур різних типів (ієрархічних, матричних) на основі теоретико-множинного їх подання та поняття номінальної шкали теорії вимірювання;
• поєднання методів структуризації з лінгвістичними.

При дослідженні економічних систем найчастіше застосовують методи математичного, структурного, інформаційного та імітаційного моделювання.

Принципи та основні етапи побудови математичних моделей систем.

Як було зазначено вище, при побудові моделі системи взагалі та її математичної моделі зокрема необхідне досягнення компромісу між намаганням одержати достатньо повне описання системи та досягненням необхідних результатів у якомога простіший спосіб. Такий компроміс досягається, як правило, за допомогою побудови системи моделей, починаючи з найпростіших та поступово ускладнюючи їх. Прості моделі дають змогу глибше з’ясувати досліджувану систему (чи проблемну ситуацію). Ускладнення моделі введенням додаткових факторів та зв’язків уможливлює виявлення точнішої функціональної залежності між елементами системи та її взаємодії із зовнішнім середовищем.