автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Имитационная модель как средство объединения разнородных моделей

; i J V '1

О 1 J

На правах рукописи

Балынец Светлана Владимировна

УДК 629.73.051.38

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ КАК СРЕДСТВО ОБЪЕДИНЕНИЯ РАЗНОРОДНЫХ МОДЕЛЕЙ СНА ПРИЗЕРЕ ГОРОДА)

. Специальность 05.13.11 -"Математическое и программное обеспечение рычнслительнык машин, комплексов, систем и сетей"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственно« академии аэрокосмического приборостроения

Научный руководитель -

Доктор технических наук, пройессор Е. И. Перовская

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, академик Л, М. Пустыльников

. , _3даита ..диссертации состоится "-Т-* " _3.996 г.

в 1 часов на заседании диссгртационного совета К 063.21.03 Санкт-Петербургской государственной академии аэрокосмического приборостроения по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская 67.

С диссертацией можно ознакоштъся в библиотеке академии.

Кандидат технических наук, профессор Л. А. Новиков

Ведущая организация -

Северо-западная академия государственной службы

Ученый секретарь диссертационного совета

В. В. Фильчаков

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время все более сложным становится процесс управления городами С регионами) в следствие необходимости решения сложный социальных, организационных. Финансовых и др. проблем. На данный момент разработаны отдельные подсистемы управления городским и региональным хозяйством, но они как правило не позволяют оценить последствия принимаемых решений, так как представляет- собой автоматизированные справочные системы, не объединены динамическими связями и не отражают взаимодействия подсистем, блоков и компонент города, региона во времени. В городе существуют кратковременные и длительные процессы развития различны« его подсистем и объектов. Многие из них человек не в состоянии проследить. Сложны сеть связей, взаимодействия и взаимовлияния подсистем и объектов, причем, обычно слабые связи не принимают во внимание, а ведь именно они могут привести в дальнейшем к неожиданным последствиям. Многие связи не наблюдаемы непосредственно, и при решении одной проблемы зачастую порождаются другие. Это делает невозможным для ЛПР С лицо, принимающее решение), проследить все последствия от принимаемых им решений. Объекты, на которые направлены решения, очень специфичны - это люди, природа. Неверные решения могут привести к слишком существенным и даже страшным последствиям. Поэтому возникает Необходимость апробации различных теорий, гипотез, решений на модели, не проводя экспериментов на людях и природе. К настоящему времени уже создано большое количество моделей подсистем, разработанных в рамках различных научных направления. Но в силу различного представления данных и применяемого математического аппарата они не могут быть объединены. Встает проблема состыковки разнородных моделей путем создания единой С объединяющей) имитационной модели.

Цель диссертационной работы. Целью проводимых исследований является разработка математического и программного инструментария объединения разнородных моделей в единую имитационную модель для поддержки управленческих решений, оценки их результатов и последствий в системах типа город, регион без экспериментирования на людях и природе.

Поставленная цель достигается решением следуших задач:

1. Определение структурно-Функционального состава модели региона, города.

2. Построение формализованного описания статической и динамической моделей разнородных компонент системы.

3. Построение Фреймовой структуры для объединения "разнородный моделей подсистем, блоков и компонент системы.

4. Формализация механизмов описания функционирования модели.

5. Формализация проверки структурной корректности построения модели.

■6. Разработка структурного и функционального состава оболочки имитационной модели.

7. Разработка программного обеспечения, реализующего полученные модели и алгоритмы. Проведение машинных имитационных экспериментов, позволяадих оценить эффективность теоретических разработок.

Методика исследования. Решение поставленных в работе задач достигается путем применения общей теории систем, теории множеств, реляционной и реляционно-иерархической алгебр, исчислений кортежей и доменов, принципов представления знаний на основе фреймовых структур, принципов моделирования.

Научная новизна работы. 1., Предложен способ описания структурно-Функциональной модели системы на основе единого фрейма, слотами которого являются входные, выходные потоки, законы функционирования и функции связей подсистем, блоков и компонент системы, что дает возможность объединять разнородные модели компонент системы.

2. Предложены принципы описания региона, города, структурный состав которого определяется семью основными блоками верхнего уровня, наличие которых позволяет описать систему как целостный объект управления.

3. Разработано формализованное единое описание статической и динамической моделей разнородных компонент системы.

4. Предложено Формализованное описание механизмов функционирования оболочки имитационной модели. "

5. Разработаны принципы проверки структурной корректности построения модели, основанные на наличии замкнутости по входам и выходам и согласованности функций связей.

Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенные способы описания региона, города, структурный, состав которого определяется семью основными блоками верхнего уровня, позволяют описать систему как целостный объект управления.

2. Разработанные способы описания иерархической структуры системы. входных (.выходных) потоков, законов функционирования и Функций связей в виде единого фрейма позволяют объединять различные. разнородные модели подсистем, блоков и компонент системы в единую модель, что дает возможность увидеть всю систему в целом, проследить влияние различных подсистем друг на друга, а также увидеть последствия решений, принимаемых ЛПР.

3. Выделение инвариантного ядра и настраиваемой части модели позволяет использовать общий алгоритм функционирования без изменения для широкого класса реальных систем при настройке на конкретную исследуемую систему и решаемую задачу.

4. Построение модели производится путем постепенного накопления данных и знаний о системе при решении каждой новой задачи, что позволяет расширять область применения модели.

5. Предложенный способ реализации позволяет легко создать программный продукт, с помощью которого можно проводить исследования системы без экспериментирования на людях и природе.

6. Использование разработанного Формализованного описания позволяет ЛПР увидеть систему и без программного продукта.

Реализация и внедрение результатов. Основные теоретические и практические результаты использовались при разработке интегрированного научно-производственного комплекса "Имитационные модели для оценки качества принимаемых решений в городском хозяйстве за счет анализа их последствий", "Имитационная модель города Сосновый Бор". "Разработка вычислительной системы поддержки принятия решений в городском хозяйстве с использованием метода имитационного моделирования", "Системный анализ и разработка структурного состава модели города", "Вычислительная система поддержки принятия решений в городском хозяйстве и социально-экономической политике города", что подтверждено соответствующими актами внедрения, а также в Республиканской научно-исследовательской программе "Народы России: Возрождение и развитие (1991-1995)", в программе межвузовского совещания "Устойчивое развитие регионов России и мира", в

основу которой были положены результаты проводимых разработок, в обсуждении принимали участие представители более 45 ВУЗов России, были получены положительные отзывы и согласие на участие в предложенной программе. Результаты разработок применялись для проведения учебного процесса по курсам "Имитационное моделирование", "Системное программирование", "Введение в специальность".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научной конференции "Системный анализ и экономические стратегии управления" С СПб, 1994), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы устойчивого развития" С СПб, 1995), межвузовском совещании по программе "Устойчивое развитие регионов России и мира" ССПб, 1994), научно-технических конференциях "Диагностика, информатика и метрология - 94" ССПб, 1994), "Диагностика, информатика и метрология - 95" ССПб, 1995).

Публикации. Основное содержание работы отражено в восьми печатных работах, в том числе в двух регистрациях в ГосФАП, научно-исследовательских отчетах, тезисах конференция, одной статье.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Основной материал изложен на 115 страницах машинописного текста, содержит 7 рисунков. Список литературы состоит из 100 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во тр. пении содержится обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об апробации работы, публикациях, раскрыто основное содержание работы.

R первой гпяйр приведены основные результаты использования моделей при решении проблем, связанных с исследованием систем, компонентами которых является люди, природа, технологии, культура, а также принятии решений в таких системах. Дан обэор существующих моделей рассматриваемого класса, определены их основные достоинства, отмечены некоторые недостатки.

Проекты Дж.Фсг-рестера, Д.Мецоуэа, М.Массаровича, Э.Пестеля, А. Эрреры, Я. Каия. X. Липпенмана, Я. Тинбергена, В.Леонтьева и др. посвящены исследованиям систем данного класса. Среди всех моделей наибольшее внимание уделено исследованию моделей Дж. Фсррестера и Д. Медоуза, так. как их подход во многом совпадает с подкопом, разрабатываемом в диссертационной работе. В качество основного недостатка можно отметить, что в эти« моделях описание Функционирования объектов и взаимодействия между ними вводится на основе статистических рядов с использованием алгебраических уравнений с коэффициентами, что не позволяет учесть колебательные процессы и описать большое разнообразие сущаствуших законов и правил. Однако, важен и неоспорим вывод. к которому приходят многие авторы: нет Формального описания для проблемы создания модели системы типа регион, город. Необходимо объединять Формальные и неформальные методы различных наук и научных направлений.

Разные научные направления при системных исследованиях используют свои специфические модели для описания законов Функционирования системы. Однако, в большинстве случаев при описании сложных систем частные модели уже не удовлетворяют исследователей. Возникает необходимость в объединении частых моделей. К таким же выводам пришли участники Глобального Форума' 92 в Рио-ле-Жанеиро, где обсуждались результаты реализации различным экологических программ руководителями 162 государств, было отмечено, что никакие частные экономические, экономика-экологические. эколого-демограФические программы не дали ожидаемых результатов и необходимо рассматривать более общие, целостные модели.

Аналогичные проблемы возникают при исследовании процессов жизнедеятельности города, что подтверждается результатами Глобального Форума "Города и устойчивое развитие", состоявшегося в июне 199-1 г. в Манчестере. Анализ научных разработок, проводимых в данном направлении показал, что при разработке модели сложной системы необходимо устранить барьер между различными дисциплинами, областями знаний. Внутри одной и той же модели необходимо учитывать психологические, экологические, технические, культурныэ, политические и др. взаимодействия.

Далее в работе приведена подборка разработок, созданных в рамках проведения программы "Народы России: Возрождение и развитие С1991- 1995)", а также проводимых ВУЗами России в облас-

та исследования городских систем, что дает возможность увидеть состояние исследуемой проблемы на данный момент времени. Из проведенного обзора видно,, что накоплен богатый опыт в данной области, создано большое количество частный моделей различным городских подсистем. Однако, в этих моделях не учитывается взаимовлияние между различными компонентами города. Анализ общих и частных моделей приводит к выводу о необходимости объединения разнородных моделей.

Следующим логичным этапом развития данного направления является создание единой модели города (региона). Состояние информационной науки позволяет поставить вопрос об объединении разнородных моделей. Таким средством объединения может служить имитационная модель.

йп второй главе приведены основные принципы Фреймового описания модели системы. Для описания иерархической структуры выбрана структура региона, города в виде семи основных блоков. Даны основные результаты разработок описания входных, выходных данных, функций связей между различными подсистемами. Приведено описание единого фрейма модели на основе Ф-Фоомализма описания Фреймовых структур.

■ В диссертационной работе используются результаты системного анализа большого числа различных подсистем города, региона, целью которого было выявление структуры системы, причем, она рассматривалась как объект управления, как единая, целостная система, были выделены с!едушие подсистемы: население, производственная сфера, сфера обслуживания, финансы, экология, пространство. Основным требованием к описанию системы является замкнутость модели, для обеспечения этого требования введена седьмая подсистема - внешняя среда. Такая структуризация является наиболее соответствующей целям исследований.

Все подсистемы вне зависимости от принципов структуризации взаимодействуют между собой. Для согласования подсистем определена инвариантная структура, общая для всех подсистем и вариативная структура, которая учитывает особенности каждой подсистемы, блока или компоненты. Разработаны структуры описания иерархии, явук Функций связей: горизонтальных функций, в соответствии с которыми происходит перераспределение входных и выходных потоков между подсистемами и блоками различных подсистем разных уровней, и вертикальных Функций, определяющих перераспределение потоки между блоками одной иерархической структуры и законов функционирования подсистем.

- g -

Системы исследуемого класса относятся к динамическим системам с большим числом компонент и сложными принципами взаимодействия между компонентами, их не удается Формально описать с помощью уже имеющихся математических моделей Сдифферен-. циальных. алгебраических, теоретико-множественных и др.). Дальнейшее развитие математических методов привело к разработке логико-лингвистических моделей. Для описания системы в работе была использована теория фреймов. Основная идея фрейма заключается в минимальном описании явления или объекта. Фреймовое описание приводит к единообразию представления декларативных и процедурных знаний.

Все определенные структуры имеют форму вложенных таблиц, поэтому их можно записать на языке реляционно-иерархической алгебры, поставив в соответствие введенные понятия фреймов. Введем следующие обозначения: скобки < > задают кортеж. О -множество кортежей или элементов кортежа.

Иерархическая структура определяется про то Фреймом". FIS = < < IBL LEV FCHB IFO QUAN > Í ICH > >, где IBL - имя подсистемы, LEV - уровень подсистемы в иерархической структуре, FCHB - ссылка на структуру данных. IFO - имя подсистемы-предшественника, QUAN - количество подчиненных подсистем, ICH - имена подчиненных подсистем. '

Каждая подсистема характеризуется протофреймом: FCHB = < FOO FULA FH FV >. " где FOO - ссылка на фреймы входных С выходных) данных, FULA -ссылка на Фрейм, определяющий подключение законов функционирования, FH - ссылка на Фрейм, определяющая правила подключения горизонтальных Функций, FV - ссылка на фрейм, определяющий правила подключения вертикальных функций.'

Фрейм данных описывается протоФреймоМ вида: FOO = < Id QUAN PRISE CST NORMA MIN Foo >. где Id - имя объекта обработки С00). QUAN - его количество у данного блока, PRISE - цена единицы объекта обработки, CST -стоимость объекта обработки, NORMA - нормативное количество, MIN - минимально необходимое количество, Foo - ссылка на дополнительную информацию.

Фрейм, учитывающий особенности входных С выходных) данных имеет протофрейм вида:

Foo = < Id { < IA ZA EI > > >, где IА - имя атрибута, ZA - значение, El - единицы измерения.

ПротоФрейм горизонтальным функций связей: FH =< Id С < IBL IH > > >. где IBL - имя подсистемы, которая потребляет или вырабатывает данный 00, IH - имя горизонтальной Функции.

ПротоФрейм вертикальных Функций связей: FV » < Idm -С < IBL IV > > >, где Idin - имя входного объекта обработки, IBL - имя подсистеМы нижнего уровня иерархии. IV - имя вертикальной функции. ч ПротоФрейм законов Функционирования: FULA - < < Idout IULA > { Idin > >. где Idout - имя выходного объекта обработки. Idin - имя входного объекта обработки. IULA - закон функционирования, определяющий правила переработки входных объектов в выходные.

Введенная единая структура данных приведена на рис. 1.

Описание, Приведенное в терминах реляционно-иерархической алгебры является наглядным и хорошо состыковывается с табличным представлением С повторяет шапку таблиц). Оно может быть Использобано для описания данных, но для описания знаний требует существенной доработки. Для описания фреймов и соответ-ствушик механизмов обработки фреймов в работе используется ф-формалмэм В.М. Брябрина в виде Ф-аппарата, который обладает Прагматичностью Ф-представления. алгоритмической разрешимостью ^-преобразований И программной реализуемостью Ф-языка. Структура Фрейма имеет вид: (<имя фреима>: IS <Имя_суперарейма>:

ВРС<индйкатоР-*>СспециФикатор-1); ... <инд.-к>(специф.-к)) <даПолнительное_свойство-1>i... <дополнительное_свойство-т>)

Видовая ссылка IS служит указателем на суперфрейм, относящийся К тому же классу, что и данный фрейм или определяет. Что данное понятие является базовым CBN). Спецификаторы 1-к является описателями характерных черт понятия СВР). Дополнительные свойства Фреймов позволяют присоединять к Фрейму спе-

«

иифическую информацию, оказывающую влияние на Формирование экземпляров фрейма.

Определим основные обозначения, вводимые для описания Фреймов Ф-Формализмом. Сегмент с маркером * имеет в качестве спецификации имя опорного Фрейма. Символы NUM. B00L и STR являются стандартными фреймами. Спецификатор вида (.SET0F а) определяет. что значением свойств может быть множество величин, вырабатываемых в результате интерпретации ^-выражения а. спе-

HepapxMeciai cipyiiypaíFl S)

Пшене-те «а ( п/с) Уровень п/с в иерарх*« Ccmia н а ' cipyi HP« |анвщ П / с -вред ■ е с т -вевяк Ко i-iû D0I4I- веввяя п/с IU J4»- веявяе в/с

I BL LH F С H В 1F0 ОШ I СИ

-

В ■ Q i н к a. миом se langue (FOO)

id да reiï CT им HI» fio

- - - - — - —

Mod IIA 1dm ■

— — —

( Foo)

Id IA ZA El

— — — —

Правма

i y в i g « о я я р о в а я > я (FULA)

J m и » » г о рiз о я i a iьв к i саазе! (FU)

Id IBL IK

— — —

(mint ttpTiiaiiiii

cenen ( Fï)

Idin ia Ii

— — —

P к с. 1 Общ tu е я н н о ( структуру i а н н н е

- r¿ -

ШФикатор вила С ANYOF al, aZ,... ак) указывает, что значением свойства может быть любая Содна) из величин aí.aZ----ak. Спецификатор под индикатором OVAL указывает, какие величины могут претендовать на заполнение значения данного свойства при Формировании экземпляров. Под индикаторами @GETF COADDF) задается список имей закономерностей, которые необходимо актави-зироватъ при попытке извлечения «.занесения) значения данного свойства из некоторого экземпляра. Под индикатором @ASK задается спецификатор "по запросу" у пользователя. Согласно Ф-описанию. фрейм данных описывается следуклшм Ф-объектом:

(Fis; is en;

ЕР ( LEV С*№М>: FCHB C*FCHB @ASK1): IFO C*STR):

QliAN C*NIM); ICH ( SETOFC *STR)) ) 1 SASKll: SADDFC A400) : 0ADDFC A500) ; ANYOFC (SGETFC A600) : @GETFC A70CD ) CFCHB: IS BN:

BP С FOO UFOO-IBL @ASK2K FULA C*FULA_IBL ÊASK3) : FH C-FH-IBL @ASK4): FV C*FV_IBL @ASK5)))

cfoo_ibl: is bn;

BP С IdOSTW: QUAN (.-(. SVALC *NUM) ANYOFC @ADDFC A100D (3ADDFC A200) ) @GETFCАЗОО))): PRISE C*№JM): CST C=C@VALC *NUM) @GETFCRUN СCSD)) ): NORMA C*NUM): MIN CkNUM): Foo C«Foo_IBLD) @ASK6) CFoo_IBL: IS B№

BP С Id (*STR): IA С SETOFC STR)); ZA CSETOFC=C@VALChNUM)

SADDFC A100) @GETFC A20Û) ) ) 2> : EI С SETOFC *STR) ) D @ASK7) CFULA.IBL: IS BN: BP С Id_oui C*STR): IULA C*STR): IcLln С SETOFC *STR) ) ) 6ASK8) CFH_IBLiIS BN: BP С Id C*STR): IBL С SETOFC *STR) ) : IH С SETOFC *STR))) @ASK9) CFV-IBL: IS BN: BP С IcLln C«STR): IBL С SETOFC *STR) ) : IV С SETOFC *STTm)

saskio)

Законы Функционирования и функции связей являются демонами и присоединяются к экземплярам фрейма с помощью ADD- или GET-фильтров. Закономерности А100-700 определяют порядок действий, который выполняется в соответствии с данной закономер-

ностью. В работе приведено описание введенный закономерностей на языке Ф-Формалмзма. Выделенные закономерности соответствуют операциям, которые необходимо производить над структурами данных. Включение блока в иерархическую структуру определено закономерностью А500. исключение блока из иерархической структуры - закономерностями А600. А700, объединение при превышении семи блоков на уровне - ©ASK11. А400, генерация блока - А300, @ASK1-10, функционирование блока - А100, А200.

Любая модель подсистемы может быть включена в единую модель путем задания для нее описанного фрейма. Для тех подсистем. модели которых еше не Формализованы, может быть использован метод Формального описания в основе которого лежит построение статической и динамической моделей системы.

Трртъя глава посвящена математическим принципам описания компонент системы. В ней даны статическая и динамическая модели. в основу которых положены реляционно-иерархическая алгебра, принципы общей теории систем, Ф-Формапизм описания фреймовых структур и которые являются инвариантными для описания любой компонента. Представлены результаты формализации структурной корректности построения модели на основе теории графов. Приведено описание Функционирования модели на основе таблиц переходов состояний и сообщений о состоянии компонент системы.

Исследуемые системы являются многоцелевыми. В связи с этим цели можно разделить на два типа: цель существования и цели поведения системы. Цель существования закладывается при возникновении или создании любой системы и ее компоненты. Это цель жизни, она существует пока существуем1 система. Цели поведения или функционирования Формируются в зависимости от внутреннего состояния системы и от ее окружения. Они существуют в течение конечного интервала времени, пока не будут достигнуты или не изменятся из-за сложившихся обстоятельств.

Обозначим через С цели поведения системы. С течением времени цели системы могут меняться или цель может быть задана на некотором временном интервале, таким образом, логично разделить общую цель на подцели и соотнести ин со временем.. Тогда:

С = { Ст / Т=1,ТГ >, где Т1 - количество интервалов времени.

Каждая из С подразделяется на цели поведения: СТ = -С Ст1 / 1=171 >, где L - число целей поведения.

Цель поведения определяет ч^о подлежит изменению, в каком количестве, каким способом и за какой период времени, т.е. характеристика цели задается следуюиим реляционным отношением:

ХС = < С {< Id Q t >} >, где С - наименование цели поведения. Id- наименование объектов обработки (00), Q - правила функционирования подсистемы, t-ne-риод, в течение которого должна быть достигнута заданная цель.

Объекты обработки задаются следующей характеристикой: Xd = < Id U IA ZA El >} >. где IA - имя атрибута, ZA - значение атрибута. EI - единицы измерения.

Завершение процесса преобразования объектов обработки отражается путем изменения значений атрибутов или добавления новых атрибутов, характеризуют« новые свойства полученного 00.

Все объекты обработки составляют множество D: D = < Ido / о=Г7о >, где О - количество объектов обработки.

- Правила С законы) функционирования Q представляют собой изменение состояния подсистем и компонент. Множество Q содержит все возможные законы функционирования:

Q - -С Qf/ f=l.t=y >. где F^-количество правил функционирования.

Правило функционирования - это определенная последовательность действий. Под действием понимается получение целевого результата на совокупности необходимых исполнительных средств, с Использованием необходимых исполнителей, в соответствии с правдами, обеспечивающими выполнение де.иствия в

заданной ситуации. _

Qf = í Jfv / v=l, V >. где V - количество действий, обеспечивающих выполнение правила Q в соответствии с целью Функционирования С.

Все характеристики действий можно описать следушим множеством SXJ реляционных отношений XJ:

SX.J = -С XJu / U=1,IM > . где 1М - количество видов действий.

XJ = < J G1 PR t t-CG2}] tSLXJ] >, где J - имя действия, G - исполнительные средства, производящие данное действие J , PR - управляющая программа, определяющая правила в соответствии с которыми происходит данное действие J на исполнительных средствах G. L - время время вы-

полнения действия, SLXJ - ссылка на дополнительную структуру вида <IA ZA Е1>. Скобки [J обозначают необязательное наличие данного атрибута в характеристике.

Для выполнения определенного действия необходимо наличие исполнителей и/или исполнительных средств. Все множество исполнительных средств R разбивается на множество групп исполнительных средств Gm¡

R = -С Gm / го=ТГм }: '

Группа G имеет иерархическую структуру: Gm1-1 = í Gran1 /П-ТЛГ >, где i - номер уровня иерархии, п - номер исполнительного средства на 1-ом иерархическом уровне в m-ой группе.

Полное теоретико-множественное описание статики системы имеет вид:

Sst = С С. D. Q, R, Ф, У. Т X где С - множество целей, D - множество объектов обработки, Q -множество правил функционирования С жизнедеятельности!), R - исполнительные средства (множество подсистем, блоков и компонент). Ф - множество ограничений, У - множество критериев, Т -периоды функционирования системы.

Декартово произведение S дает полный набор всех состояний в которых может находиться система:

S с С X D X Q X R X Ф X У X Т. __

Состояние дискретной системы s , такое что S»-Csi /1=1,1} характеризуется выборкой из декартова произведения множеств: si = < с, d, q, г, Ф. у, t >.

Не все множество выборок из данного1 декартова произведения реализуемо в конкретной модели системы, а только некоторое

множество допустимый комбинаций 5d CSd с S)í _

5d = í< Cx, dx, qx, гх, Фх. Ух, tx> / X=l. X > , где X - количество допустимых комбинаций.

Полное теоретико-множественное описание может быть применено как для описания города, так и для любой егб компоненты.

Выявление конкретных целей функционирования, входных, выходных данных, законов функционирования, ограничений!' и критериев. набора исполнительных средств должно производиться экспертами различных направлений, являющимися Про4ессионалами в своей области.

Далее в диссертационной работе на основе использования теории графов определены основные принципы проверки структур-

ной !<орре1стности построения модели, которые заключаются в проверке замкнутости структурной модели по входам и выходам и согласованности Функций связей.

Система функционирует, существует определенная динамика смены ее состояний во времени. Процесс функционирования определяется как переход системы из одного возможного состояния в другое. Состояние системы задается состоянием объектов обработки, исполнительных средств, определенным законом функционирования. Для отражения состояния системы в модель вводится набор портретов, которые представляют собой реляционно-иерархические структуры и полностью характеризуют состояние системы в данный момент времени. Все множество наборов портретов определяет состояние системы в любой момент времени. Переход системы из состояния в состояние отражается в портрете путем изменения его параметров.

Множество портретов исполнительных средств БРК разбивается на множество портретов одного видаР\Л/: БР* =<РУу / у«0>

Множество портретов одного вида включает в себя портреты групп исполнительных средств: РУу - { Р&/т / ш=1,М >.

Портрет каждой группы состоит из N портретов исполнительных средств данной группы и имеет следующий вид: Рй < Й1 -С< Л Ш РИ I* !• Зр I ! [Бита [{ё2>] >}>, 61 - наименование исполнительного средства, Л - наименование действия, 1с1 - наименование объекта обработки, ё2 - наименование исполнительного средства, которое в данном случае выступает в роли вспомогательного, Рй - наименование программы, по которой выполняется данное действие, I* - фактическое время начала действия,^ - фактическое время окончания действия, I, И - плановые времена начала и окончания действия. БЬРв - ссылка на дополнительную структуру. Бр - логические параметры, которые определяют состояние исполнительных средств.

Портреты объектов обработки можно ввести через следушие

множества кортежей: _

5РС = -СРОс / с=1.Ь >,

ро = < ш {< з а & I" =р« бр т х с Бита >>>.

Свои состояния изменяют исполнительные средства и объекты обработки. Чтобы иметь возможность организовать процессы

функционирования модули и сделать алгоритмы гибкими и независимыми от конкретный объектов. необходим Формальный способ. Таким способом мотет служить описание на основе таблиц переходов состоянии (ТПС). в который заданы возможные переходы состояний. ТПС задается реляционным отношением, связъгаатаним сообщение к по которому происходит переход из старого состояния Sold в новое Sneu по соответствующему алгоритму У и с выработкой управляшего сообщения и:

TPS = < Sold k Snew Y и >.

Изменение состояния системы отображается в модели путем изменения соответствуших портретов. Весь процесс изменения портретов описывается алгоритмом Y, в котором можно выделить инвариантное ядро относительно сообщения, алгоритм, зависящий от типа сообщения и уникальный алгоритм, определяемый конкретным сообщением к. выделение инвариантного ядра алгоритма относительно сообщения обеспечивает оптимальность описания механизмов Функционирования модели. Далее в работе приведен алгоритм инвариантного ядра в терминах Ф-языка.

Разработанные единый Фрейм, статическая и динамическая модели позволяют создать программный инструментарий для построения имитационной модели.

Уатвешаялизва отражает результаты разработок, связанных с созданием программного инструментария для построения имитационной модели системы. Здесь приведены основные понятия по данному вопросу, определены основные требования к построению имитационной модели. Дано описание программного инструментария для создания имитационной модели, йписан структурный и функциональный состав оболочки модели.

Разработка единой концепции имитационной модели систем позволяет строить реализацию конкретной модели последовательным накоплением знаний и данных как по горизонтали С подключая верхние уровни подсистем), так и по вертикали - более подробные модели отдельных подсистем. Построение общей имитационной модели можно реализовать поэтапно, создавая модели Функционирования отдельных компонент системы с разной ' глубиной детализации, при этом будут оцениваться не все результаты и последствия, а только некоторые," уже отраженные в модели. Но решение каждой новой проблемы приведет к расширению имеющейся модели, увеличит возможности ЛПР оценивать последствия принимаемых решений. Таким образом, создание имитационной модели

- IS -

ведется последовательно, поэтапно, обеспечивая ее применимость на каждом этапе и постепенно увеличивая возможности и полноту оценки последствий принимаемый решений. В рамках проведенных научных исследований разработан инструментарии, поз-воляилий создать имитационную модель без системы управления.

Имитация функционирования системы во времени достигается путем реализации механизмов подключения закономерностей в вило демонов или слуг и параллельности во времени различных процессов, происходящих в подсистемах, блоках и компонентах системы.

Использование единого фрейма для представления данных позволяет осуществить состыковку различных моделей, каким бы математическим способом они не были описаны. Использование единого фрейма для описания Функций связи между блоками позволяет использовать библиотечные функции, подключать новые Функции, производить их коррекцию. Все законы, правила, методы хранятся и накапливаются в модели в виде библиотек Функции.

Разработка инструментария производилась на языке TURBO RASCAL с применением механизмов имитационного моделирования, используемых в стандарте языка SIMULA. Предложен специализированный язык описания компонент имитационной модели, который ь совокупности с определенными средствами имитационного моделирования является инструментарием для создания имитационной модели системы типа регион, город. При реализации инструментария для создания модели был выбран событийный механизм системного времени, реализованный в виде управляющего списка. Данный метод отражения времени позволяет учесть любое событие, происшедшее в модели.

Адекватность модели, точность моделирования и достоверность результатов моделирования зависит от данных и моделей Функционирования блоков, введенных в модель экспертами и пользователями. Чем более точными и достоверными будут данные, законы функционирования и Функции связи, тем более модель будет адекватна решаемой проблеме и трм более точны и достоверны будут результаты моделирования.

Разработанное математическое и программное обеспечение было успешно применено на практике для создания описания прос-. транственно-временной модели города, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы и разработаны способы Формализованного описания подсистем и компонент системы типа город, регион как объектов управления, что дает возможность разработать программное обеспечение для поддержки управленческих решений на единых принципах. Основное внимание уделялось созданию единой модели системы, позволяющей объединять разнородные модели подсистем; делать описание в терминах, привычных для пользователей; единообразно описывать процедурные и декларативные знания.

В ходе научных исследований и разработок получены следующие результаты:

1. Предложена инвариантная структура, позволяющая описывать атрибуты входных и выходных данных, что дает возможность организовать состыковку разнородных ■ моделей и использовать единый механизм обработки денных.

2. Выделены функции связей и законы Функционирования, которые позволяют отразить процессы взаимодействие между компонентами системы и их принципы функционирования, заданы соответствующие им инвариантные структуры. Это позволяет описать и организовать процессы Функционирования подсистем и взаимодействия между ниш, создать и использовать библиотеку' функций связей и законов Функционирования.

3. Разработано фреймовое описание инвариантных структур, важными особенностями которого являются возможность объединять декларативные и процедурные знания, встраивать уже созданные модели отдельных подсистем и компонент, строить алгоритмы функционирования модели системы на единых отношениях и операциях над ними.

4. Построены статическая модель, отражашая структуру и взаимодействие объектов системы. ■ и динамическая модель, определяющая принципы описания процесса Функционирования системы во времени. Предложен способ проверки структурной корректности построения модели, который заключается в проверке замкнутости системы по входам и выходам и согласованности функций связей. Разработан алгоритм, позволяющий'отражать процессы функционирования модели путем изменения состояний объектов системы через изменение их портретов в соответствии с заданными таблицами переходов ееетаяний. Это позволяет использовать построенную модель для описания широкого класса Систем типа регион, город.

5. Разработана единая концепция создания имитационная модели системы, которая позволяет строить реализацию конкретной модели последовательным накоплением знании и данных как по горизонтали (подключая верхние уровни подсистем), так и по вер. тикали - более подробные модели отдельных подсистем, что дает

возможность применять модель на каждом этапе исследований и постепенно увеличивать возможности и полноту оценки последствий принимаемых решении.

6. Определен структурный состав имитационной модели. Разработан инструментарий для создания имитационной модели системы типа .регион, город. Это дает возможность проводить имитационные эксперименты на компьютерной модели без экспериментирования на людях и природе.

По теме диссертационной работы Балынец С. В. опубликовано 8 печатных работ, в том числе зарегистрировано 2 программный средства в ОФАП МГУ (ВНИТцентр).

1. Балынец C.B. Имитационная модель города.//Системный анализ и экономические стратегии управления: Тез. докл. Международн. научн. конф. 29-31 марта 1994. - СПб., 1994. - С. 103.

2. Балынец C.B. Имитационная модель города.//Диагностика и метрология - 94: Тез. докл. научн. конФ. 29-31 июля 1994. .-СПб., 1994. - С. 35. .

3. Балынец C.B. Системный анализ города. //Отчет по НИР "Имитационная модель города Сосновый Бор."- 1993. - НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов. - 105 с.

4. Балынец С. В. Пространственно-временное функционирование модели. //Отчет по НИР N 143 "Имитационные модели для оценки качества принимаемых решений в городском хозяйстве за счет анализа их последствий". —П., СПГААП, т. 2. 1992, - С. 58-105.

5. Балынец C.B., Белякова Е.А. и др. Система настройки имитационной модели города.//Алгоритмы и программы. Изд. ВНИТцентр, N 50940000085, 1994 г.

6. Балынец C.B., Перовская Е.И. и др. Имитационная модель функционирования подсистем города.//Алгоритмы и программы. Изд. ВНИТцентр, N 50940000086, 1994 г.

7. Вычислительная система поддержки принятия решений в городском хозяйстве и социально-экономической политике города. //Отчет по НИР N 150 '-С-П6., СПГААП., 1995.

8. Системный анализ и разработка структурного состава модели города. //Отчет по НИР N 147 -С-Пб., СПГААП, 1993.

Подписано к печати «¿5.04.96 г. Формат 60x84 1/16

Печ. л. 1.5: Тираж 100 экз. Зак. N

ОФсетная печать

Ротапринт СПГААП 190000» Санкт-Петербург, ул. Б.Могская» 67.