Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, Практика создания автоматизированных и автоматических систем управления выдвинула проблему разработки научных принципов их проектирования. Наиболее сложными и трудно формализуемыми при этом являются задачи оценки эффективности различных вариантов построения систем, проверки работоспособности разрабатываемого решения.
Наиболее перспективным инструментом решения задачи анализа проектируемой системы представляется имитационное моделирование. Аналитическое моделирование малопригодно для таких целей, так как в большинстве случаев в силу сложности исследуемых систем не удается получить законченного аналитического решения задачи.
В нашей стране проблемами автоматизации имитационных экспериментов занимались Бусленко В.Н., Ермаков СМ., Мелас В.Б., Полляк Ю.Г., Пугачев В.Н. и др. Над разработкой средств имитационного моделирования работают такие ведущие зарубежные фирмы как ШМ, Pritsker and Associates, Rapid Data, Siemens, Renault и др.
В настоящее время разработан целый ряд программных систем имитационного моделирования, которые позволяют проводить эксперименты на различных моделях. Вместе с тем, использование существующих средств имитационного моделирования при выполнении конструкторских и проектных работ сопряжено с большими затратами средств и времени .
Вызвано это главным образом следующими причинами:
большая длительность основных этапов проведения имитационного моделирования (формализация задачи, отладка модели, эксперимент, обработка результатов и др.), которая часто не позволяет укладываться в приемлемые сроки выполнения проектных работ;
большие затраты машинного времени на проведение статистико-имитационных экспериментов. Даже при использовании современных вычислительных систем требуются десятки, а в некоторых случаях и сотни часов для получения результатов с требуемой точностью;
потребность в высококвалифицированном пользователе, который должен обладать разносторонними знаниями в различных областях науки и техники (математического моделирования, статистической оценки результатов моделирования, обладать навыками работы с ПЭВМ и хорошо знать ту область, для которой создается модель).
Имея в виду важные для техники сегодняшнего дня приложения, в диссертационной работе рассматриваются вопросы исследования логико-динамических систем. К ним относятся гибкие производственные системы, вы-
числительные сети, автоматизированные, распределенные системы управления и другие сложные системы.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель настоящей диссертационной работы - разработка новых методов и принципов организации систем ускоренного имитационного моделирования логико-динамических систем, которые смогли бы существенно облегчить работу пользователя и сократить сроки выполнения проектных работ.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретической и методологической основой работы послужили: математические методы сетевого моделирования дискретно-непрерывных процессов; аппарат предикатно-продукционного представления знаний; теория понижения дисперсии статистических оценок и повышения точности статистических экспериментов, а также различные походы к организации и автоматизации имитационных систем.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА полученных результатов состоит в следующем:
-
Разработана оригинальная методика символьной формализации логико-динамических систем, основанная на использовании специального декларативного языка описания систем в терминах любой исследуемой области. Методика реализует такие современные концепции, как квазипараллельное, наглядное представление задачи; использование логических описаний с применением терминологии той области, к которой относится моделируемая система.
-
Разработана методика организации ускоренного статистического моделирования в рамках имитационного эксперимента, которая гарантирует сокращение времени проведения статистического моделирования без потери точности результатов и эффективна для одновременной оценки нескольких критериев в условиях большой размерности вектора случайных величин.
-
Предложен адаптивный механизм планировшшя ускоренного статистического моделирования на основе использования явно задаваемых математических конструкций, обеспечивающий эффективность и точность статистических экспериментов.
-
Предложена процедура комплексного использования результатов имитационных экспериментов. Она позволяет дополнительно повысить точность оценок за счет использования предварительных результатов, получаемых на этапе планирования статистического моделирования.
-
Предложена универсальная система ускоренного статистико-имитационного моделирования логико-динамических систем, на основе символьного представления модели. Система позволяет проводить ускоренный статистической анализ результатов имитационных прогонов моделей, реализует современные идеи и концепции создания автоматизированных интеллектуальных средств проектирования.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЩННОСТЪ. Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем:
Разработан аппарат символьной формализации логико-динамических систем, который упрощает формализацию задачи и работу с получаемой моделью, за счет предоставления пользователю возможности применения специфической терминологии, привычной для экспериментатора, из области моделируемой системы. Наряду с наглядностью и простотой, аппарат обладает способностью к верификации модели и интеграции с другими системами.
Разработана эффективная методика организации статистического моделирования на основе модифицированного метода коррелированных процессов, которая гарантирует сокращение затрат машинного времени на проведение статистического моделирования, без снижения точности получаемых результатов. Отличительной способностью предлагаемой методики является автоматизация процесса построения планирующих функций, работоспособность при большой размерности векторов случайных величин и оцениваемых критериев моделируемой системы.
Предложен адаптивный подход к планированию моделирования, отличающийся возможностью его реализации пользователем, без определенных навыков работы, и при этом не снижая точность и эффективность ускоренного статистического эксперимента, а также существенно упрощающий его работу.
Предложена программная система ускоренного статистико-имитационного моделирования логико-динамических систем, которая облегчает процесс человеко-машинного общения, может интегрироваться с другими системами, а также наращивать мощность моделирования без изменения кода программы.
Полученные научные результаты используются и внедрены в конструкторские и проектные работы Северного ПКБ, ЦКБ "Меридиан" (разработка и анализ эффективности корабельных систем), производственного объединения "Красный треугольник" (настройка гибких производственных линий), о чем свидетельствуют соответствующие акты.
Достоверность научных и практических положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами экспериментов, а также результатами использования и внедрения.
Направление диссертационной работы определялось государственной научно-технической программой "Программные системы. Трансферные технологии, комплексы и оборудование", тематикой работ СПбТЭТУ и Северного ПКБ.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Апробация результатов проведена на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы математического моделирования и автоматизированного проектирования в машиностроении. Модель-проект 95" /Казань, 1995/, на Украинской конфе-
ренции по автоматическому управлению (с привлечением иностранных специалистов) "Автоматика-96" /Севастополь, 1996/, атак же на Межвузовской научно-технической конференции "ДНДС-95" /Чебоксары, 1995/ и на конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ /1995-1997/.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано пять научных работ. Три работы находятся в печати.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 82 наименования, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 36 рисунков и 4 таблицы.
