Вернуться на страницу <Model Vision Studium>
В начало

Введение

Одной из проблем современной науки является разработка и внедрение в практику методов исследования функционирования сложных систем. К классу сложных систем относят технологические, производственные, энергетические комплексы, системы автоматизации управления и другие объекты. Моделирование является одним из наиболее мощных средств исследования подобных систем на сегодняшний день.

Моделирование - один из наиболее распространенных способов изучения различных процессов и явлений. Моделью исходного объекта называется представление объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования [1]. В инженерной практике модель обычно создается для:

1. проведения на модели экспериментов, которые невозможно или сложно провести на реальном объекте (что предоставляет возможность получения новых знаний об объекте);
2. ускорения, удешевления, упрощения и любого другого усовершенствования процесса проектирования, достигаемого за счет работы с более простым объектом, чем исходный, то есть с моделью.

В настоящее время известны и широко используются в научных исследованиях и инженерной практике различные типы моделей и многочисленные методы моделирования. Если взять за основу степень абстрактности (степень отличия от реального объекта), то можно определить следующие типы моделей:

1. физические (натурные) модели (воспроизводят изучаемый процесс с сохранением его физической природы и являются инструментом физического моделирования);
2. аналоговые модели (заменяют один объект на другой с похожими свойствами);
3. математические модели (абстрактные модели, существуют в форме специальных математических конструкций и имеют смысл только для интерпретирующего их человека или машины).

Под математическим моделированием понимают способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями [2].

В данной работе в качестве объекта моделирования рассматривается подкласс класса сложных динамических систем - структурно-сложные гибридные системы.

Главная черта таких систем - возможность параллельного функционирования нескольких гибридных систем, которые, в свою очередь, характеризуются непрерывным временем, непрерывно-дискретным (гибридным) поведением, иерархической структурой, разнородными физическими принципами действия отдельных элементов, наличием нескольких "режимов функционирования" (качественно различных, последовательно сменяющих друг друга поведений) [3].

2. Современные подходы к визуальному моделированию сложных динамических систем

В настоящее время компьютерная промышленность предлагает современному инженеру целый ряд разнообразных средств моделирования, позволяющих не только моделировать сложные динамические системы, но и проводить с ними эксперименты. Наиболее полное исследование общесистемных проблем получается в результате моделирования объектов с помощью современных технологий, реализованных в специализированных вычислительных пакетах или пакетах визуального моделирования.

На сегодня существует огромное число пакетов визуального моделирования.В них пользователю предоставляется возможность описывать моделируемую систему преимущественно в визуальной форме, например, графически представляя как структуру системы, так и ее поведение (например, при помощи карты состояний). Такой подход позволяет пользователю не заботится о реальной программной реализации модели, что значительно упрощает процесс моделирования. Результаты эксперимента в пакетах визуального моделирования предоставляются в более наглядной для человека форме: в виде графиков, гистограмм, схем, с применением анимации и т.д. Также в той или иной мере поддерживается технология объектно-ориентированного моделирования, что позволяет повторно использовать экземпляры моделей с возможностью внесения в них тех или иных корректив.

Из множества существующих на сегодняшний день пакетов визуального моделирования особый интерес вызывают универсальные пакеты, не ориентированные на определенную узко-специальную область (физика, химия, электроника и т.д.) или определенные типы моделей (чисто дискретные или чисто непрерывные), а позволяющие моделировать принадлежащие различным прикладным областям структурно-сложные гибридные системы.

Несмотря на то, что современные универсальные пакеты визуального моделирования обладают рядом общих свойств (позволяют строить из блоков иерархические функциональные схемы, предоставляют пользователю схожие библиотеки численных методов, средства визуализации поведения и наборы анимационных возможностей, поддерживают технологию объектно-ориентированного моделирования), все же можно их разделить на три основные группы (рис.1.1):

1. пакеты, использующие язык блочного моделирования;
2. пакеты, использующие язык физического моделирования;
3. пакеты, ориентированные на использование схемы гибридного автомата.

Пакеты, принадлежащие к первой группе, используют графический язык иерархических блок-схем. Блок высшего уровня иерархии собирается из некоторого набора стандартных блоков (созданных ранее разработчиками пакета, либо написанных самим пользователем), соединяемых однонаправленными функциональными связями. Собранную функциональную схему можно использовать как блок на следующем уровне иерархии и можно запомнить в библиотеке блоков. В число стандартных блоков входят блоки с чисто непрерывным, чисто дискретным и гибридным поведением.

К достоинствам этого подхода следует отнести, прежде всего, чрезвычайную простоту создания не очень сложных моделей даже не слишком подготовленным пользователем. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы, что осложняет процесс моделирования.

• Наиболее известными представителями первой группы являются:
• подсистема Simulink пакета MATLAB [4];
• пакет EASY5 [5];
• подсистема SystemBuild пакета MATRIX_x [6];
• VisSim [7].

Пакеты, принадлежащие ко второй группе, позволяют при создании модели использовать неориентированные и потоковые связи. Пользователь может сам определять новые классы блоков. Непрерывная составляющая поведения элементарного блока задается системой алгебро-дифференциальных уравнений и формул. Дискретная составляющая задается описанием дискретных событий (события задаются логическим условием или являются периодическими), при возникновении которых могут выполняться мгновенные присваивания переменным новых значений. Дискретные события могут распространяться по специальным связям. Изменение структуры уравнений возможно только косвенно через коэффициенты в правых частях (это обусловлено необходимостью символьных преобразований при переходе к эквивалентной системе).Подход очень удобен и естественен для описания типовых блоков физических систем. Недостатками являются необходимость символьных преобразований, что резко сужает возможности описания гибридного поведения, а также необходимость численного решения большого числа алгебраических уравнений, что значительно усложняет задачу автоматического получения достоверного решения.

Среди пакетов, принадлежащих ко второй группе, можно отметить:

• Dymola [8];
• Omola и OmSim [9];
• Smile [10];
• Modelica [11].

Третья группа включает в себя пакеты, основанные на использовании схемы гибридного автомата. Использование карты состояний при описании переключений состояний, а также непосредственное описание непрерывных поведений системы системами алгебро-дифференциальных уравнений предоставляет большие возможности в описании гибридного поведения со сложной логикой переключений.

К недостаткам следует также отнести избыточность описания при моделировании чисто непрерывных систем.

К этой группе относятся:

• пакет Shift [12];
• пакет Model Vision Studium [13].

3. Компьютерный лабораторный практикум в рамках курса "Моделирование"

Как было сказано ранее, наиболее полное исследование сложных динамических систем получается в результате моделирования объектов с помощью современных технологий, реализованных в специализированных вычислительных пакетах или пакетах визуального моделирования. Так как вычислительные пакеты на сегодняшний день являются одним из основных инструментов построения и исследования модели в инженерной практике, то естественным будет сделать вывод о том, что будущий инженер должен иметь представления о современных подходах к визуальному моделированию и должен обладать базовыми навыками работы с наиболее известными и распрастраненными вычислительными пакетами.

Так как необходимость обучения студентов практическим аспектам моделирования стала реальной, а на рынке учебной литературы на сегодняшний день не было представлено это направление, то возникла идея создания методического пособия для студентов, изучающих практический курс "Моделирование" (уже не один год преподаваемый на кафедре РВиКС). Данное методическое пособие включает в себя описание уже ставшей стандартом технологии моделирования UML [14] (основные понятия, проиллюстрированные примерами), краткие описания двух пакетов моделирования - подсистемы Simulink пакета Matlab [4] и пакета Model Vision Studium [13] (созданного на кафедре РВиКС), макет задания (на основе которого предполагается проиллюстрировать путь от словестного описания системы к описанию ее модели в терминах UML (а затем, основываясь на созданной визуальной модели, к модели в пакетах MVS и Simulink)) и 12 практических заданий для студентов.

В качестве задачи, на основе которой предполагается проиллюстрировать выполнение задания была выбрана задача, описанная в [15] - задача о двух баках.

Выбор UML в качестве языка моделирования обусловлен тем, что процесс создания модели объекта часто является делом творческим, особенно, когда в качестве описания объекта присутствует описание на естественном языке самого объекта и математическое описание его функций. В подобном случае при создании модели объекта удобно использовать некий язык, позволяющий создать визуально модель объекта, описать его структуру, взаимосвязь его составляющих и которую было бы удобно использовать при реализации модели данного объекта на каком-либо языке программирования. Так как в последнее время наиболее широко используются языки, реализующие объектно-ориентированный подход, то хотелось бы для предварительного описания модели использовать некий язык, также поддерживающий данный подход и позволяющий создать визуальную модель объекта, которую впоследствии удобно было бы реализовать на том или ином языке программирования или в том или ином пакете визуального моделирования. Таким языком является созданный в течение последних нескольких лет при поддержке консорциума Object Managing Group (OMG) [16] специалистами фирм Rational Software Corporation [14] и др. Унифицированный Язык Моделирования (UML - Unified Modeling Language).

Выбор именно этих пакетов визуального моделирования обусловлен тем, что подсистема Simulink пакета Matlab является одним из самых известных и распрастраненных пакетов визуального моделирования и широко используется в инженерной практике уже не один год. Пакет Model Vision Studium, созданный на кафедре РВиКС, уже не один год изучается студентами кафедры в рамках курса "Вычислительные пакеты".

Задачи, выбранные в качестве заданий, отбирались по следующим критериям:

• каждая задача принадлежит определенной предметной области (физика, экология, биокинетика);
• гибридное поведение системы;
• достаточная простота системы (так как гораздо полезнее для студента выполнить до конца несложное задание, чем не доделать до конца сложное).

Предполагается, что студент в качестве задания в рамках практикума по курсу "Моделирование" получает описание некой реальной системы на естественном языке. В процессе выполнения задания студент должен реализовать исходное описание объекта на естественном языке сначала в понятиях UML, а затем, основываясь на созданной визуальной модели, в пакете MVS (Model Vision Studium) и подсистеме Simulink пакета Matlab. Далее студент должен провести вычислительный эксперимент с моделью в обоих пакетах и полученные результататы интерпретировать в рамках предметной области изучаемой системы.

4. Постановка задачи

В данной работе поставлена задача разработать методическое пособие, включающее в себя все выше перечисленных разделы:

• описание языка моделирования UML;
• краткие описание подсистемы Simulink пакета Matlab;
• краткие описание пакета MVS;
• макет пошагового выполнения типичного задания, предлагаемого студенту в рамках данного курса (на примере задачи о двух баках);
• список 12 заданий для студентов.

В начало
Вернуться на страницу <Model Vision Studium>