Технология разработки динамических имитационных моделей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Мокрый, Игорь Владимирович

• Мокрый, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 1995

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мокрый, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ БОЛЬШИХ СИСТЕМ.

1.1. Задачи и методы системной динамики.

1.2. Специфика создания больших моделей.

1.3. Принцип модульности в моделировании (математический аспект).

ГЛАВА 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Язык транслятора.

2.2. Язык монитора.

2.3. Программная реализация.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ПРИМЕНЕНИЕ.

ЗЛ. Методика составления и исследования моделей.

3.2. Межотраслевая модель ГЕРМЕС.

3.3. Модель финансовых потоков в электроэнергетике.

3.4. Модель инфляционных процессов КАССАНДРА.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология разработки динамических имитационных моделей»

Актуальность.

Во многих областях естествознания есть потребность в составлении моделей, описываемых на языке дифференциальных уравнений. Однако аналитические решения систем дифференциальных уравнений известны для достаточно узкого их класса, поэтому большое значение получили методы численного решения с использованием вычислительной техники.

Моделирование на компьютере включает два основных этапа -составление программы, реализующей модель исследуемой системы, и проведение вычислительных экспериментов.

Здесь наиболее трудоемким этапом является составление программы, представляющей модель исследуемой системы. Это обстоятельство привело к созданию специализированных языков, предназначенных для записи систем дифференциальных уравнений и имеющих трансляторы, позволяющие быстро получать рабочие программы. Несмотря на общую направленность, каждый из этих языков имеет свою специфику и ориентирован на определенней класс задач. В настоящее время насчитывается несколько сотен языков моделирования[20], реализованных на разных ЭВМ, и их число будет, вероятно, расти по мере появления новых требований науки и техники. Среди этих языков значительную долю занимают те, которые предназначены для записи и решения систем дифференциальных уравнений.

Одним из известных и достаточно распространенных языков моделирования является предложенный Дж. Форрестером язык DYNAMO[l ,2,3,26], который был разработан, как составная часть технологии моделирования с общим названием - системная динамика.

Этот язык ориентирован на моделирование поведения в непрерывном иди дискретном времени экономических, энергетических, экологических, технологических, геохимических и др. систем с неизменяемой структурой.

Существует целый класс задач, имеющих в качестве объектов исследования сложные, иерархически организованные системы, для моделирования которых предпочтительно применять средства и методы системной динамики, однако, объем и сложность получаемых моделей делают это невозможным. К таким объектам могут быть отнесены : энергетика и экономика страны представленные отдельными регионами, или в разрезе отдельных отраслей; энергетические и экономические системы регионов с разбивкой по предприятиям; экологические системы, состоящие из нескольких трофических уровней и т.д. Это приводит к необходимости строить несколько моделей, отражающих различные аспекты моделируемой системы (МС) и ее частей; В общем случае решение таких задач стандартными средствами системной динамики затруднительно, а в ряде случаев невозможно. Обращение к более мощным языкам моделирования нецелесообразно, т.к. потребует неадекватных решаемой задаче усилий при их освоении и использовании.

Предлагаемые в работе расширение языка DYNAMO и его реализация, полностью сохраняя преемственность имеющейся системы, позволяют расширить класс решаемых задач, не увеличивая, а в некоторых случаях существенно сокращая, трудозатраты на составление моделей. Это достигается в том числе видоизменением методики построения моделей, которая предлагает: на первом этапе разбивать МС на более простые подсистемы и создавать модели этих подсистем; на втором этапе строить модель в виде иерархии взаимодействующих подмоделей этих подсистем.

Цель.

Разработка технологии моделирования поведения сложных систем с неизменяемой структурой в непрерывном или дискретном времени. Технология включает : язык моделирования для описания исследуемых систем и объектов; программу, обеспечивающую трансляцию моделей с этого языка; программу, обеспечивающую интерфейс с оттранслированными моделями; библиотеку алгоритмов решения систем конечно-разностных уравнений; инструкции и методические рекомендации по составлению моделей.

Таким образом основной целью предлагаемой работы являются методика и инструментальная среда для моделирования широкого класса динамических систем.

Методы исследования.

В работе использованы следующие материалы: теория контекстно-свободных языков; средства описания языков синтаксическими диаграммами; методы объектно-ориентированного программирования; теория и методы исследования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Научная новизна.

1. Определен класс задач моделирования, не вписывающийся в стандартные методы и средства системной динамики, и найден методический подход для решения таких задач.

2. Предложено расширение языка DYNAMO, позволяющее записывать модель в виде иерархии взаимосвязанных подмоделей.

3. Разработаны алгоритмы, реализующие расширенный язык.

4. Предложена новая методика моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту,

1. Программная реализация языка DYNAMO.

2. Методический подход при построении больших имитационных динамических моделей.

3. Расширение языка DYNAMO и его программная реализация.

Апробация.

Результаты диссертации опубликованы в 5-ти печатных работах, докладывались и обсуждались на IX байкальской школе-семинаре "Методы оптимизации и их приложения" (Иркутск 1992), на IX всероссийской конференции "Математическое программирование и приложения" (Екатеринбург 1995), на ученых советах и семинарах Сибирского энергетического института, на семинаре Иркутского вычислительного центра.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 115 страницах основного текста, включающего 37 рисунков, списка литературы, содержащего 27 наименований и 2 приложений.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Мокрый, Игорь Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты

1. Определен класс задач имитационного моделирования, важных с точки зрения приложений в экономике и энергетике для решения которых предпочтительно применять средства и методы системной динамики. Однако решение многих из этих задач требует построения больших моделей (до 1000 переменных и более), что делает невозможным применение системной динамики в чистом виде, а использование более мощных систем моделирования неэффективно.

2. Предложен методический подход, который, сохраняя высокую преемственность методов системной динамики, позволяет решать задачи из выше определенного класса. Моделирование распадается на два этапа. На первом этапе МС разбивается на ряд подсистем, для каждой из которых строится и отлаживается автономная подмодель. На втором этапе осуществляется объединение подмоделей в модели верхнего уровня.

3. Найдены расширения языка DYNAMO, поддерживающие новую методику разработки моделей. В расширенном варианте язык распадается на две части - язык транслятора (описывает структурную и функциональную части системы моделей) и язык заданий (описывает данные модели и ее подмоделей, требуемые во время счета). Расширенный язык сохраняет все качества и свойства стандартного DYNAMO.

4. Для машин класса IBM РС-360 и выше разработана инструментальная система моделирования, включающая язык DYNAMO и его расширения. Средствами данной системы построены: межотраслевая модель ГЕРМЕС; модель финансовых потоков в электроэнергетике; модель инфляционных процессов и изменения макроэкономических показателей КАССАНДРА и др.

Развитие предлагаемой технологии может получить дальнейшее развитие по следующим направлениям:

1. Накопление библиотеки алгоритмов численного анализа и решения систем дифференциальных уравнений.

2. В рамках описанного языка транслятора совершенствование языка и сервисных функций монитора. В том числе : разработка аппарата интерпретации процессов, в качестве самостоятельных моделей; приспособление монитора к новым алгоритмам библиотеки.

3. Включение в язык транслятора аппарата виртуальных процессов (аналогов виртуальных объектов в объектно ориентированном программировании). Это резко усилило бы возможности инструментария в плане структурной модифицируемости модели на этапе счета.

4. Включение в язык транслятора объектов векторного и матричного типа и операций над ними.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мокрый, Игорь Владимирович, 1995 год

1. Форрестер Дж. Основы кибернетики предприятия. - М.: Прогресс, 1971. - 340 с.

2. Форрестер Дж. Динамика развития города. М.:- Прогресс, 1974. - 286 с.

3. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.: Наука, 1978. - 167 с.

4. Форрестер Дж. Антиинтуитивное поведение сложных систем. -в кн.: Современные проблемы кибернетики (Новое в жизни, науке и технике). Сер. Математика, кибернетика. N 7. «М: Знание, 1977, ^2-25.

5. Гершензон М.А. Имитационный подход к исследованию взаимосвязей в развитии энергетики и экономики.-Иркутск: СЭИ, 1987.- 145 с.

6. Гершензон М.А., Конева О.В., Мокрый И.В. Имитационная макроэкономическая модель взаимосвязей в развитии энергетики и экономики: Препринт/ РАН.Сиб.отд-ние. Сиб. энерг. ин-т. -Иркутск, 1991.- 33 с.

7. Петров Н.Н. Динамическая имитационная модель развития электроэнергетики с элементами хозяйственного механизма:Препринт/ РАН.Сиб.отд-ние. Сиб.энерг.ин-т. Иркутск, 1990.- 39 с.

8. Зоркальцев В.И., Конева О.В. Влияние инфляции на развитие экономики:Препринт/РАН.Сиб.отд-ние. Сиб.энерг.ин-т. Иркутск, 1991.- 18 с.

9. Зоркальцев В.И., Конева О.В., Мокрый И.В., Модель инфляционного процесса, Зс.// Методы оптимизации и их приложения: Тезисы докладов. Иркутск:ИНЦ СО РАН, 1992 г.

10. Федотов А.В., Лебедев В.О. Прогнозирование с использованием имитационных динамических моделей: Препринт/Jl ГТ И .-J1., 1980.-51 с.

11. Федотов А.В., Лебедев В.О., Кадыков М.Ю. Имитационное динамическое моделирование: Препринт/ЛПИ.-Л., 1984.- 43 с.

12. Фишер И. Покупательная сила денег, пер. с англ.- М., 1926.

13. Руденко Ю.Н., Ушаков И.А. Надежность систем энергегики. -М.:Наука, 1986. 253 с.

14. Криворуцкий Л.Д. Имитационная система для исследований развития ТЭК. Новосибирск: Наука, 1983. - 125 с.

15. Надежность систем энергетики. Терминология. -М.: Наука, 1980.-44 с.

16. Мокрый И.В., Технология построения системы динамических моделей: Препринт/РАН.Сиб.отд-ние. Сиб.энерг.ин-т. Иркутск, 1994.-39 с.

17. Беркович Р.Н., Корявов П.П., Павловский Ю.Н., Сушков Р.Г. DYNAMO язык математического моделирования (формальное описание) - М.:ВЦ АН СССР, 1972.

18. Бычков С.П., Перевицкий О.В., Фисун В.А. Входной язык компилятора с языка ДИНАМО для БЭСМ-6. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Математическое обеспечение моделирования сложных систем".-Киев:ИК АН УССР, 1977.

19. Киндлер Е. Языки моделирования: Пер. с чеш. М.:Энерго-атомиздат, 1985.-е. 288.

20. Дудорин В.И., Алексеев Ю.Н. Системный анализ экономики на ЭВМ.-М.: Финансы и статистика, 1986.-191 с.

21. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: Пер. с англ. М.: Конкорд, 1992.- 519 с.

22. Математическая экономика на персональном компьютере: М34 Пер. с яп./М. Кубонива, М. Табата, С. Табата, Ю. Хасебэ; Под ред. М.Кубонива; М.: Финансы и статистика, 1991. - 304 с.

23. Pugh, Alexander L. DYNAMO II. Users Manual the M.I.T. Press, Cambridge, Mass and London, England, 1970

24. Theory and application of System Dynamics. New Time Press, 1987