Виды компьютерных экспериментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Национальная металлургическая академия Украины

Кафедра информационных технологий и систем

Доклад

по предмету: «Основы теории взаимодействующих систем»

тема: «Компьютерный эксперимент, виды компьютерных экспериментов»

Выполнили:

ст. гр. КН-01-13с

Артеменко Кира Анатольевна

Калашник Иван Викторович

Лысенко Алексей Юрьевич <_____> ______________________

Приняла:

к.т.н., доц. каф. ИТС Евтушенко Г. Л.

<_____> ______________________

Днепр-2017

Содержание

Введение

1. Обзор основных понятий

1.1 Компьютерный эксперимент

1.1.1 Основные определения

1.1.2 Стадии компьютерного эксперимента

1.1.3 Преимущества и недостатки компьютерных экспериментов

1.2 Виды компьютерных экспериментов

2 Примеры компьютерных экспериментов в прикладных программных средах

Введение

Со стремительным развитием вычислительной техники появился новый уникальный метод исследования - компьютерный эксперимент.

В помощь, а иногда и на смену экспериментальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Идея заключается в том, что создаётся цифровая модель интересующего нас явления, используется компьютер, чтобы обсчитать ее, и получить возможность изучить это явление с детализацией, недоступной реальному эксперименту.

Такое исследование отличается как от натурального эксперимента с реальным объектом, так и от умозрительного эксперимента. Компьютерный эксперимент с построенной имитационной моделью лежит между этими двумя крайностями. В зависимости от полноты и точности модели он может приближаться к любой из них. Более того, он имеет преимущества перед обоими этими подходами.

Действительно, умозрительный эксперимент - это решение проблемы на основе здравого смысла и общих интуитивных предположений о поведении системы. Но для сложных систем очевидные на первый взгляд решения зачастую оказываются неверными. Поэтому основанные на интуиции методы прогноза и традиционные методы "волевого" принятия решения во многих случаях оказываются неадекватными.

С другой стороны, правильно организованный натуральный эксперимент обычно дает точный ответ на поставленный вопрос, но он часто дорог или экономически неэффективен. Иногда такой эксперимент попросту невозможен, например, в случае, если системы еще не существует.

Моделирование и проведение компьютерного эксперимента позволяет избежать недостатков обеих крайностей, в связи с чем этот подход завоевывает все большую популярность.

Первоначально компьютерное моделирование появляется в метеорологии и ядерной физике, но сегодня спектр его применения в науке и технике чрезвычайно широк.

1. Обзор основных понятий

1.1 Компьютерный эксперимент

1.1.1. Основные определения.

Эксперимент - это форма связи между двумя сторонами - явлением и теоретической моделью.

Компьютерный эксперимент - это эксперимент над математической моделью объекта исследования на ЭВМ (изменение ее параметров инструментами прикладной программной среды), который состоит в том что, по одним параметрам модели вычисляются другие её параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью.

Компьютерные эксперименты - это инструмент исследования моделей, а не природных или социальных явлений.

Основная цель компьютерных экспериментов с моделью - получение необходимой информации об исследуемой системе, о характеристиках процесса функционирования рассматриваемого объекта. К числу частных задач, решаемых при планировании компьютерных экспериментов, относятся задачи уменьшения затрат машинного времени на моделирование, увеличения точности и достоверности результатов моделирования, проверки адекватности модели и т. д.

С компьютерной моделью можно проигрывать ситуации, которые трудно или нежелательно получить в натурном эксперименте. Модель можно выполнять многократно, постепенно усложнять, обращая внимание на все более тонкие детали, которые при наблюдении реального процесса могут и ускользнуть от наблюдения или быть незарегистрированными. Прогоняя компьютерную модель в различных масштабах времени, можно часто получить значительно больше информации из наблюдения анимационной картины процесса, чем наблюдая реальный эксперимент.

Однако, данный вид эксперимента можно лишь условно отнести к эксперименту, потому как он не отражает природные явления, а лишь является численной реализацией созданной человеком математической модели. Действительно, при некорректности в математической модели - её численное решение может быть строго расходящимся с физическим экспериментом.

1.1.2 Компьютерная модель

Под компьютерной моделью часто понимают программу (или программу плюс специальное устройство), которая обеспечивает имитацию характеристик и поведения определенного объекта. Результат выполнения этой программы также называют компьютерной моделью.

Компьютерные модели могут быть простыми и сложными. Простые модели часто встречаются в программировании, в построении базы данных. В системах трехмерной графики, экспертных системах, автоматизированных системах управления строятся и используются очень сложные компьютерные модели.

В специальной литературе термин «компьютерная модель» более строго определяется так:

· Структурно-функциональная компьютерная модель - условный образ объекта или некоторой системы объектов (процессов, явлений), описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и отображающий структуру (элементы и взаимосвязи между ними) объекта.

· Имитационная компьютерная модель - отдельная программа или совокупность программ, позволяющих с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта при условии воздействия на него различных, как правило, случайных, факторов.

При компьютерном эксперименте среди множества параметров модели должны быть выделены те из них, которые будут считаться "факторами", влияние которых на выходные переменные модели должно быть проанализировано.

Компьютерный эксперимент с моделью состоит в том, что модель запускается на компьютере при различных значениях факторов и/или различных структурных характеристиках, которые, конечно, тоже можно считать факторами

Обозначим через Х все множество возможных наборов факторов. Все факторы, которые могут изменяться при поиске "хорошего" варианта, составляют набор <X1, X2, ..., Xn>, который можно считать вектором X длины n.

Каждый прогон модели приведет к получению вектора исходов Y.

Рис.1.

И если имитационная модель используется для понимания функционирования сложной системы во времени, то компьютерный эксперимент сводится к выполнению модели и наблюдению ее поведения при заданных значениях входных факторов, т. е. проведению экспериментов вида "что-если". Это так называемая прямая задача компьютерного эксперимента (задача типа "что-если").

1.1.3 Стадии компьютерного эксперимента

Компьютерный эксперимент, как таковой, является этапом компьютерного моделирования.

В свою очередь компьютерный эксперимент подразделяется на несколько стадий:

І. Составление плана эксперимента.

§ Определение основной задачи эксперимента: получение информации об объекте, заданном в виде моделирующего алгоритма (программы), при минимальных или ограниченных затратах машинных ресурсов на реализацию процесса.

§ Планирование (план эксперимента должен четко отражать последовательность работы с моделью. План определяет объём и порядок проведения вычислений на ЭВМ, приёмы накопления и статистической обработки результатов моделирования системы)

§ Описание экспериментов, удовлетворяющих целям (определение эффективности компьютерных экспериментов).

ІІ. Проведение исследования.

§ Тестирование (проверка правильности выполнения операций, а также анализ адекватности полученной модели реальному объекту или явлению). Тест - подбор исходных данных, позволяющий определить правильность построения модели. После составления формул для расчётных полей и фильтров необходимо убедиться в правильности их работы. Для этого можно ввести тестовые записи, для которых заранее известен результат операции.

§ Проведение эксперимента с реальными данными (компьютерная модель, существующая в виде проекта на одном из языков программирования, запускается на выполнение, вводятся исходные данные и наблюдаются изменения объекта и характеризующих его величин).

ІІІ. Выдача результатов.

Результаты компьютерного эксперимента выдаются в удобном для анализа и принятия решения виде (электронные таблицы, диаграммы, графики, анимация и т.п.).

Одно из преимуществ компьютерных экспериментов - возможность создания различных форм представления выходной информации, называемых отчётами. Каждый отчёт содержит информацию, отвечающую цели конкретного эксперимента.

Конечная цель компьютерного эксперимента - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа результатов эксперимента. Полученные выводы часто способствуют проведению дополнительной серии экспериментов, а подчас и изменению задачи.

Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, это значит, что допущены ошибки на предыдущих этапах. Если такие ошибки выявлены, то требуется корректировка модели, то есть возврат к одному из предыдущих этапов.

1.1.3 Преимущества и недостатки компьютерных экспериментов

Существенным преимуществом компьютерных экспериментов являются:

- возможность полного воспроизведения условий эксперимента с моделью исследуемой системы;

- возможность рассчитать параметры эффектов, изучение которых в реальных условиях невозможно либо очень затруднительно по технологическим причинам;

- возможность не только пронаблюдать, но и предсказать результат эксперимента при каких-то особых условиях;

- простота прерывания и возобновления компьютерных экспериментов, что позволяет применять последовательные и эвристические приёмы планирования, которые могут оказаться нереализуемыми в экспериментах с реальными объектами;

- позволяет моделировать и изучать явления, предсказываемые любыми теориями;

- приостановка эксперимента на время, необходимое для анализа результатов и принятия решений об его дальнейшем ходе (например, о необходимости изменения значений характеристик модели).

- является экологически чистым и не представляет опасности для природы и человека;

- обеспечивает наглядность;

Недостатком компьютерных экспериментов является то, что результаты одних наблюдений зависят от результатов одного или нескольких предыдущих, и поэтому в них содержится меньше информации, чем в независимых наблюдениях. К тому же, не стоит забывать, что все эксперименты носят весьма условный характер и познавательная ценность их тоже весьма условна. Поэтому одновременно с компьютерным экспериментом всегда должен идти натурный, чтобы исследователь, сравнивая их результаты, мог оценить качество соответствующей модели, глубину наших представлений о сути явлений природы. 

1.2 Виды компьютерных экспериментов

Различают такие виды компьютерных экспериментов:

· Простой эксперимент.

Простой эксперимент, как правило, решает задачи вида "что-если". Такой эксперимент позволяет визуально отображать результаты работы модели с помощью анимации, графиков (диаграмм) и т. п.

Инструмент имитационного моделирования при выполнении компьютерного эксперимента в этом случае должен обеспечить удобный интерфейс для задания значений исходных параметров (факторов) и регистрации соответствующих значений выходных показателей и их изменения во времени.

Простой эксперимент используется в большинстве случаев при разработке и анализе моделей, созданных в AnyLogic. В частности, он поддерживает средства для отладки модели. Существует возможность организовать несколько простых экспериментов с различными значениями исходных факторов и, сделав один из этих экспериментов текущим, запустить модель на выполнение.

· Анализ чувствительности, т. е. процедура оценки влияния исходных гипотез и значений ключевых факторов на выходные показатели модели.

При анализе чувствительности обычно рекомендуется выполнять изменение значений факторов по отдельности, что позволяет ранжировать их влияние на результирующие показатели. Этот вид эксперимента не поддерживает визуализацию работы модели с помощью анимации.

Частным случаем этого вида компьютерного эксперимента являются:

- Эксперимент для варьирования параметров и анализом реакции модели помогает оценить, насколько чувствительным является выдаваемый моделью прогноз к изменению гипотез, лежащих в основе модели. Механизм автоматического запуска модели заданное количество раз с варьированием значений выбранных параметров доступен в AnyLogic.

Для того чтобы оценить влияние изменения отдельных факторов на поведение модели на AnyLogic пользователь не должен многократно запускать модель раз за разом, вручную меняя значения параметров между запусками и пытаясь отследить закономерности поведения модели, анализируя результаты каждого запуска по отдельности. При запуске данного эксперимента пользователь может изучить и сравнить поведение модели при разных значениях параметров с помощью графиков. В этом эксперименте также можно организовать фиксированное число прогонов модели, в каждом из которых значения параметров будут определяться выражениями, заданным пользователем.

- Оптимизационный эксперимент является одним из самых важных с точки зрения практического применения.

Многие модели в бизнесе, науке и технике включают существенные нелинейности, комбинаторные зависимости и неопределенности, которые легко представимы в имитационных моделях, но являются слишком сложными для представления формальным математическим аппаратом, наборами математических формул. Это препятствует непосредственному применению классических методов оптимизации в таких системах.

Встроенный в AnyLogic пакет ОрtQuest, позволяет оптимизировать системы, которые не могут быть представлены как математические модели и оптимизация в которых не может быть выполнена с помощью классических алгоритмов.

2. Примеры компьютерных экспериментов в прикладных программных средах

эксперимент компьютерный среда программный

В настоящее время компьютерные эксперименты получили широкое распространение.

Компьютерный эксперимент нашел применение в биологии, химии, социологии, экологии, физике, экономике и многих других сферах знания.

С помощью специальных программ можно посмотреть модели явлений микромира и Космоса.

Компьютерное моделирование широко используется в обучении. Подготовка специалистов многих профессий, особенно таких, как авиадиспетчеры, пилоты, диспетчеры атомных и электростанций, осуществляется с помощью тренажеров, управляемых компьютером, моделирующим реальные ситуации, в том числе аварийные.

На компьютере можно провести лабораторные работы, если нет необходимых реальных устройств и приборов или если решение задачи требует применения сложных математических методов и трудоемких расчетов.

Практические потребности в компьютерном моделировании ставят задачи перед разработчиками аппаратных средств компьютера, т.е. метод активно влияет не только на появление все новых и новых программ, но и на развитие технических средств в различных прикладных программных средах.

Пример 1.

Одним из самых известных примеров использования компьютерного эксперимента в гидрометрологии является моделирование «бури в стакане воды». Чтобы детально исследовать такой сложный гидродинамический процесс, как буря, необходимо привлекать сложные методы численного моделирования. Поэтому в крупных гидрометеоцентрах находятся мощные компьютеры: «буря разыгрывается» в кристалле процессора компьютера.

Рис. 2.

Пример 2.

Применительно к базе данных компьютерный эксперимент означает манипулирование данными в соответствии с поставленной целью с помощью инструментов СУБД. Цель эксперимента может быть сформирована на основании общей цели моделирования и с учётом требований конкретного пользователя.

Например, имеется база данных «Деканат». Общая цель создания этой модели - управление учебным процессом. При необходимости получения сведений об успеваемости студентов можно сделать запрос, т. е. осуществить эксперимент для выборки нужной информации.

Рис. 3.

Пример 3. Компьютерный эксперимент и средства AnyLogic

Компьютерный эксперимент, представляющий работу светофора в автоматическом режиме. Светофор регулирует движение автомобилей на пешеходном переходе.

Рис. 4.

Использованная литература

1. Карпов Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование систем с AnyLogic 5. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006. - 400с.

2. Каталевский Д.Ю. Основы имитационного моделирования и системного анализа в управлении: учебное пособие; 2-е изд., перераб. и доп. / Д.Ю. Каталевский. - М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. - 496 с.

3. Философская энциклопедия http://dic.academic.ru/contents.nsf/enc_philosophy

4. https://ru.wikipedia.org/

Размещено на Allbest.ru