Классификация моделей и методов моделирования технологических задач

РЕСПУБЛИКА УЗБЕКИСТАН

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕ-СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАВОИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА «АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ»

«ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

ТЕКСТ ЛЕКЦИЙ

Навои – 2013

Лекция №1

Введение. Принципы и методы системных исследований в задачах моделирования

Бурное развитие науки и техники, выход практически всех отраслей знаний на новый, более всеобъемлющий уровень, все возрастающее взаимопроникновение фундаментальных и технических дисциплин потребовали объединения усилий специалистов разных направлений. Создание очень сложных и разветвленных народнохозяйственных механизмов, разработка сложных технических объектов и систем, проблемы управления, экономики и экологии обусловили необходимость использования нетрадиционных для конкретной области методов и методик. Настоятельно проявилась необходимость проведения исследований междисциплинарного характера. В этих условиях в пятидесятые годы и возникли так называемые системные методы исследований, особенно сильным толчком для развития которых и, по существу, определяющим их возможности явилось появление взрывной по характеру развития и всепроницающей вычислительной техники. Развитие любой отрасти науки и техники в современных условиях невозможно без ЭВМ и это особенно характерно для системных исследований. В литературе, посвященной кибернетике и системным исследованиям, можно найти достаточно много определений понятия "система". И практически все они, так или иначе, сводятся к определению, которое приведено в энциклопедии: "система - это множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность и единство". В рамках этого определения под сложной системой будем понимать систему, обладающую большим количеством элементов и связей, которую можно описать каким-либо образом.

В литературе, посвященной системным исследованиям, используются в основном четыре понятия: "системный подход", "общая теория систем", "системотехника" и "системный анализ".

Наиболее неопределенным из них является термин "системный подход". Все, кто сталкивается с этим понятием, в принципе представляют, что это такое. Исследователь всегда стремился изучать явление, факт или объект в совокупности с другими явлениями, фактами или объектами. Иными словами, стремление к комплексному, системному изучению является очевидным для ученого или практика. Вместе с тем, практические рекомендации по реализации системного подхода в настоящее время трудно отыскать в литературе. Многие авторы, под предлогом рассмотрения и описания применения системного подхода в той или иной конкретной области по существу излагают методы и методики, составляющие аппарат системных исследований, а не принципы реализации системного подхода. Отсутствие таких практических рекомендаций, по-видимому, обусловлено объективной невозможностью их создания. Таким образом, системный подход - это некий общеметодологический принцип.

К сожалению, неясным является и толкование термина "общая теория систем". Основоположники этой теории (Л. Берталанфи, А.А. Богданов и другие) пытались отыскать некое общее, объединяющее начало, характерное для достаточно сложных биологических и социальных образований. Предпринимались попытки переноса принципов общей теории систем на объекты иной, нежели биологическая или социальная, природы. Но для развития общей теории систем необходимо достаточно большая степень абстрагирования. Это и привело к тому, что общая теория систем в настоящее время является отраслью знаний, относящейся к методологии всей науки в целом.

Под системотехникой понимается научное направление, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем. Из этого определения следует, что системотехника - это конкретная дисциплина, объединяющая различные методы, разработанные в разных отраслях знаний, связанные единой целью - синтезом сложных технических систем. Аппарат системотехники составляют методы исследования операций, теории автоматического управления и других дисциплин. Таким образом, системотехника связана с практической реализацией системных методов при создании конкретных технических систем.

Прежде чем перейти к синтезу сложных систем необходимо, очевидно, провести тщательное исследование существующих систем, областей их применения, тенденций развития, то есть проделать все действия, которые принято называть анализом. Но системный анализ дает не только методологию проведения анализа сложной системы. Помимо этой методологии, системный анализ представляет собой еще и методологию формирования и обоснования решений по комплексным проблемам сложных систем. В силу того, что анализу подвергается сложная система, системный анализ, очевидно, должен включать в качестве отдельных своих составных частей дисциплины, носящие несамостоятельный характер, и при этом всегда нужно помнить о междисциплинарных связях. В противном случае попытка более или менее полного описания аппарата системного анализа бесплодна. Таким образом, под системным анализом мы будем понимать совокупность методов исследования сложных систем.

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что системные исследования основываются на общей теории систем и системном подходе, как общенаучных методологических принципах, и проходят последовательно этапы системного анализа и системотехники. При этом отметим итеративность цепочки "системный анализ - системотехника".

Процесс анализа можно разбить на три стадии:

- формулировка целей исследования, определение исходных предпосылок и границ исследования, предварительный выбор инструментов анализа;

- накопление информации, анализ системы и разработка вариантов решений;

- оценка решений и выбор наиболее эффективного решения.

Реализация системного анализа существенно затруднена противоречивостью, неясностью и многозначностью целей, несовершенством показателей и критериев оценки эффективности. Поэтому редко удается достичь хороших результатов системного анализа с первой попытки. Здесь важна итеративность в прохождении всех стадий системного анализа. При этом, итерации повторяются до тех пор, пока не будет получен удовлетворительный результат, либо до тех пор, пока не иссякнут ресурсы (материальные, временные или какие-либо иные).

В принципе, системный анализ не включает в себя ничего действительно нового, за исключением именно системного рассмотрения объекта анализа, применения количественных методов и, главное, исследования последствий принимаемых решений. К сожалению, все это не гарантирует высокого качества рекомендаций, вырабатываемых при системном анализе. Но неудовлетворительные результаты связаны не с качеством методов системного анализа, а чаще всего - с неверными формулировками целей и плохими критериями. Вместе с тем есть ряд принципов, способствующих повышению качества анализа.

1. Наибольшие усилия в системном анализе должны быть направлены на правильную постановку задачи. Для этого необходимо осмыслить проблему, очертить ее границы, определить цели и найти приемлемые критерии оценки результатов.

2. Все проводимые исследования должны иметь четко выраженную системную направленность. Необходимо исследовать систему как единое целое, устанавливать и изучать связи между элементами системы, исследуя отдельные элементы, уделять особое внимание взаимосвязям между элементами и окружающей средой. При этом существенно возрастает роль специалистов, имеющих знания и квалификацию в различных отраслях.

3. Необходимо всегда помнить, что решение наиболее важных проблем объективно сопряжено с наличием самых разнообразных неопределенностей. Об этих неопределенностях не следует забывать и их необходимо всегда принимать в расчет. Важна оценка влияния неопределенности на конечный результат, которую можно реализовать, анализируя чувствительность исследуемой системы, то есть, анализируя как изменяются решения в зависимости от изменений исходных данных.

4. В системном анализе синтез новых решений и улучшение имеющихся всегда более ценны, нежели всеобъемлющее сравнение известных альтернатив.

5. В процессе анализа всегда необходимо придерживаться определенных научных стандартов: проверка получаемых решений посредством экспериментов или вообще возможность проверки и воспроизведения результатов другими исследователями, ясность и объективность результатов.

Системный анализ является точной наукой, поэтому для него характерны методы точных наук. Исключительно важную роль в системном анализе играют самые разнообразные математические методы. Это математический аппарат теории автоматического управления, теории графов, теории вероятностей и математической статистики и многих других научных дисциплин.

Наряду с этим, в системном анализе широко используется эксперимент. Опыт встречается в различных формах и как наблюдение, и как моделирование. Результаты экспериментов подвергаются статистическому и логическому анализу. Логический анализ предназначен для вскрытия логических закономерностей в исследуемых системах. Статистический анализ предназначен для отыскания формализованных закономерностей в системах.

Крайне велика в системном анализе роль моделирования. Принципиально моделирование состоит в замене исследуемой системы некоторой подобной системой, называемой моделью, и в наблюдении и экспериментировании с этой моделью. При этом, подобие модели исследуемой системе состоит в подобии интересующих пользователя свойств, а не в полном повторении всей системы.

При проведении системного анализа моделирование является мощным связующим фактором между теорией и опытом, служит инструментом проверки создаваемых теорий и открывает новые возможности синтеза научных знаний и их интеграции.

Лекция №2

КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ