Использование имитационного моделирования. Разработка имитационной модели. Виды математических моделей

Имитационные технологии опираются на построение различных примеров реальных систем, отвечающих профессиональному контексту определённой ситуации. Составляются имитационные модели, соответствующие требованиям данного момента, в работу с которыми погружается обучаемый субъект. Существующему в методиках имитационному и имитационно-игровому моделированию сопутствует воспроизведение достаточно адекватных процессов, происходящих в реальности. Таким образом, обучение даёт возможность формировать реальный профессиональный опыт, несмотря на квази-профессиональную деятельность.

Роли

В процессе обучения предполагаются игровые процедуры, которые предлагают выстроенные имитационные модели, значит, предусматривается и распределение ролей: обучающиеся общаются друг с другом и с преподавателем, имитируя профессиональную деятельность. Поэтому имитационные технологии подразделяются на две части - игровые и неигровые, а помогает определению вида анализ предложенной ситуации. Для этого необходимо уточнить систему внешних условий, которые побуждают начать активные действия. То есть все проблемы, явления, взаимосвязанные факты, которые характеризуют ситуацию, имитационные модели должны вместить.

Определённое событие или конкретный период деятельности организации требует от руководителя адекватных распоряжений, решений и поступков. Методика анализа изучения конкретных ситуаций - детальное и глубокое исследование реальной обстановки либо созданной искусственно, выявление характерных свойств. Это способствует развитию обучаемых в поиске системного подхода к решению проблемы, выявлению вариантов ошибочных решений, разбору критериев для оптимальных решений. Так устанавливаются профессиональные деловые контакты, решения принимаются коллективно, устраняются конфликты.

Ситуации

Различаются ситуации по четырём видам: сначала рассматривается ситуация проблемы, где обучаемым предстоит найти причины возникновения, поставить и разрешить проблему, затем ситуация подлежит оценке по принятым решениям. После этого строится ситуация, иллюстрирующая примерами все поставленные темы данного курса, причём за основу берутся только что решённые проблемы, а завершает тему ситуация-упражнение, где имитационные модели решают нетрудные задачи по методу аналогии, - это так называемые учебные ситуации.

Конкретные виды ситуаций бывают различными: это и классические, и живые, ситуация-инцидент, ситуация с разбором деловой корреспонденции, а также действия по инструкции. Выбор определяют многие факторы: цели изучения, уровень подготовки, наличие технических средств и иллюстрационного материала, - всё зависит от индивидуального стиля преподавателя, творчество которого не ограничивается жёсткой регламентацией ни по выбору разновидностей, ни по способам анализа. Вот первые этапы разработки имитационных моделей.

Практические задания

На практике лучше всего воплощаются идеи контекстного подхода, потому что состоят из конкретных и реальных жизненных ситуаций: случай, история, которые содержит имитационная модель, пример описания событий, имевших место или вполне возможных, закончившихся ошибками в решениях производственных проблем. Задача состоит в выявлении и анализе этих ошибок при применении идеи и концепции данного курса.

Такого плана профессиональное обучение вполне реалистично и действенно по сравнению с постановкой отдельных вопросов, которые рассматриваются чисто теоретически. Ориентация ситуационного обучения такова, что умения и знания преподаются не как предмет, а как средство для решения всевозможных задач, которые возникают в деятельности специалиста. Учебные ситуации строятся на реальных профессиональных производственных фрагментах с учетом всех межличностных отношений, что крайне важно для успешной работы предприятия. Обучаемые получают контур и контекст будущей профессиональной деятельности.

Выбор ситуаций

Это одна из самых трудных преподавательских задач. Примерная учебная ситуация обычно отвечает следующим требованиям:

1. Сценарий основан на реалиях либо взят из жизни. Это не означает, что необходимо подавать производственный фрагмент с многочисленными деталями и технологическими тонкостями, которые будут отвлекать студента от решения основной задачи. Производственный жаргон в данном случае тоже неуместен.
2. Учебная ситуация не должна содержать больше пяти-семи моментов, которые комментируются студентами с использованием терминов в русле изучаемой концепции. Имитационная модель, пример которой трудноразрешим, вряд ли быстро научит студентов.
3. Но учебная ситуация должна быть лишена и примитива: кроме пяти-семи моментов изучаемой проблемы обязательно должны присутствовать две-три связки в тексте. Обычно проблемы не раскладываются в жизни по отдельным полочкам для последовательного разрешения. Проблемы на производстве, обычно, взаимосвязаны с социальными или психологическими неувязками. Особенно важно в обучении применение идей курса.

Текст учебной ситуации

Например, - менеджер по продажам в фирме "Цветок лотоса", специализирующейся на средствах гигиены, косметике и парфюмерии. Она пришла на это место в связи с повышением полгода назад. Беседа с главным менеджером по итогам её работы состоится через десять дней.

До этого Ирина два года преуспевала в отдельной секции фирмы, допустим, продавала средства гигиены, и ей это чрезвычайно нравилось. Её уважали, она была популярна среди продавцов и приобрела много постоянных клиентов.

Развитие ситуации

Повышению она, естественно, обрадовалась и начала с энтузиазмом работать в новой должности. Однако дела почему-то хорошо не пошли. Она не успевала работать в офисе, потому что почти всё время находилась в зале и следила за действиями продавцов. Приходилось даже брать работу на дом. И всё равно она ничего не успевала: просьба начальства подготовить идеи к выставке-продаже была выполнена в последний день, потому что предварительно ничего интересного не придумалось, творчество - не такое простое дело. Заболевшая машинистка не смогла перепечатать бумаги с идеями Ирины. В итоге к намеченному начальством сроку Ирина задание не выполнила. Вот в этот момент более всего ей помогли бы имитационные модели обучения.

После этого всё пошло не так. Потратив время на беседу с постоянной клиенткой, Ирина не обдумала речь, когда её коллега торжественно получал сертификат, даже опоздала на церемонию. Затем несколько раз её подчинённые покидали рабочие места, её не предупредив. Отдел кадров неоднократно напоминал ей о необходимости составления программы обучения по пользованию лечебной косметикой, но связаться с преподавателем из мединститута у Ирины никак не получалось. Она даже младших продавцов всегда опаздывала представлять на должность старших. И ещё Ирина не приготовила квартальный отчёт с прогнозом ассортимента. И даже не ответила на несколько писем клиентов, желающих получить товар почтой. И как вишенка на торте - недавняя ссора с одним из ранее очень уважаемых ею продавцов по поводу ценников. Оказывается не так просто быть хорошим менеджером.

Анализ ситуации

Имитационная модель - это прежде всего прочтение ситуации. Здесь складывается следующая картина из шести пунктов с подпунктами.

1. На новой работе произошли изменения. Каковы их сдерживающие и побуждающие силы?
2. До изменений - наличие чувства собственного достоинства и знание механизма продаж.
3. Мотивация в желании преуспеть, но и сохранить способности к продажам - ролевой конфликт.
4. Стиль менеджмента - полная неспособность отдать часть полномочий подчинённым. Столкновения с подчинёнными не избежать.
5. В новой роли: не определила специфику должности, размер нагрузки, не решила простую проблему с перепечаткой, манкирует планированием и контролем, допускает неявку на работу подчинённых, срывает план обучения персонала, не умеет организовать своё время и расставить приоритеты, теряет креативность - новые идеи отсутствуют.
6. Стиль управления вверенным штатом: допускает вертикальный конфликт, вмешивается в дела подчинённых, не уверена в себе, руководит без помощи менеджмента.

Выявление проблем

Структура имитационных моделей предполагает вторым шагом выявить наметившиеся проблемы для их последовательного решения. Здесь нужно следовать по этим же пунктам, учитывая произведённый анализ, но рассматривая ситуацию с другой целью.

1. Изменения: существуют ли способы управления изменениями и какие, каким образом уменьшить сопротивление произошедшим изменениям.
2. Стили руководства: почему выбранный Ириной стиль безуспешен, и в пользу какого лучше от него отказаться.
3. Мотивация: что говорит теория менеджмента относительно стимулирования Ирины и продавцов.
4. Специфика рабочих целей: известны ли Ирине все подробности относительно новой работы, каковы были цели и как надо было бы их достичь.
5. Планирование и контроль: планировала ли Ирина свои действия как менеджер, контролировались ли они.
6. Конфликт: в чём повод и проблема произошедшего конфликта и как можно было с этим справиться.

Тематические связки

Использование имитационных моделей помогает выстраивать ситуацию от зарождения (побуждений), обнаруживая мотивы её начала, до перехода в новое качество. Каким оно будет, зависит от того, как произведён анализ и какие сделаны выводы. Ни одна ситуация не обходится без связующих тем. Чаще всего имитационные модели воспроизводят реальность не во всех аспектах, но несколько таких связок должны присутствовать в игре обязательно. Здесь они следующие.

1. Ирина не увидела различий в работе менеджера и продавца.
2. Ирина была плохо подготовлена к исполнению новой должности.
3. Ирина не имеет фундаментальных знаний о менеджменте.

Разработка связующих мотивов

Что возможно и что обязательно сделать относительно связующих тем?

1. Прежде всего необходима передача информации. Начальство Ирины обязано предъявить ей конкретные требования к работе сразу после назначения. Ирина должна поставить подчинённых в известность относительно стиля своего управления на работе.
2. Во-вторых, необходимо обучение Ирины основам менеджмента, её подчинённых - методам продаж, и, конечно, Ирина и подчинённые должны пройти обучение относительно межличностного взаимодействия.
3. В-третьих, необходимо чёткое планирование функциональных обязанностей Ирины как менеджера и деятельности всего отдела в целом.
4. В-четвёртых, должно быть правильное управление персоналом: Ирине необходима помощь в определении цели и приоритета как ежемоментно, так и долгосрочно, то есть отделу кадров есть смысл запланировать повышение квалификации сотрудников, в которых фирма заинтересована.

Вся эта тема напрямую связана только с передачей информации.

Когда игра подходит к этапу подведения итогов и выводов, становится понятно, что такое имитационные модели и чем они полезны. Выводы получаются очень точные и конкретные практически у всех, потому что ситуацию удалось разобрать до малейших деталей.

• Во-первых, менеджер должен согласовать специфику работы с начальством и донести результаты подчинённым.
• Во-вторых, все приоритеты и цели должны быть понятны менеджеру и тоже объяснены остальному персоналу.

Ирине необходимо освоить технику менеджмента в управлении собственным временем, в контроле и планировании, в управлении людьми и любым конфликтом, в циркуляции новой информации среди коллектива и в его развитии.

Ирине нужно подробно узнать в отделе кадров о процедурах обучения, а также о повышении квалификации сотрудников, чтобы как можно более правильно их применить. Ей предстоит повышать свой профессиональный уровень самостоятельно, а в перспективе пройти учёбу. Этими рекомендациями можно человека неподготовленного испугать, поэтому нужно сразу разбить их на три раздела: немедленного выполнения, рекомендации средней срочности, и последний пункт - явно долгосрочный. Ирине и её начальству есть смысл обсудить причины неудач и сделать всё, чтобы они не повторялись.

Разобрав, таким образом, искусственно выстроенную ситуацию, каждый студент поймёт, что такое имитационные модели.

Модели экономического развития

Социально-экономическое развитие имеет отличающиеся от других имитационные модели. Это потребовало отдельного названия, чтобы конкретно знать сферу применения того или другого ситуационного искусственного построения. Динамические имитационные модели предназначены именно для прогнозирования работы экономических систем. В названии подчёркивается, что динамика является самой главной характеристикой таких построений, и в их основе лежат принципы системной динамики.

Этапы построения имеют следующую последовательность действий: сначала выстраивается схема когнитивной структуризации, затем подбираются статистические данные, и уточняется схема. Следующий шаг - формируются где описываются когнитивные связи, затем ИДМ компонуется в целом. Происходит отладка и верификация модели, и, наконец, выполняются многовариантные расчёты, в том числе и прогнозные.

Метод сценариев

Сценарный анализ, что означает имитационная модель определённого проекта, нужен для того, чтобы просчитать опасности на пути становления проекта и пути их преодоления. Риск, грозящий инвестициям, может выражаться в отклонении денежного потока, предназначенного данному проекту, вопреки ожиданиям, и чем отклонение больше, тем больше увеличивается риск. Каждый проект демонстрирует возможный диапазон проектных результатов, поэтому, давая им вероятностную оценку, можно оценивать потоки денег, принимая во внимание экспертные оценки вероятностных генераций всех этих потоков или величину отклонений всех компонентов потока от значений ожидания.

Хорош тем, что на основе таких экспертных оценок можно построить как минимум три возможные ситуации развития: пессимистическую, наиболее реальную (вероятную) и оптимистическую. Имитационные модели - это Отличие от реальности здесь только одно - производит действие не сама система, а её модель. Имитационные модели систем выручают в случаях, когда проведение реальных экспериментов как минимум неразумно, а по максимуму - затратно и опасно. Имитация - способ исследования систем без малейшей степени риска. Практически невыполнимо, например, без имитаций оценить риск инвестиционных проектов, где использованы только прогнозные данные о затратах, объёмах продаж, ценах и других составляющих, определяющих риски.

Финансовый анализ

Модели, используемые для решения многих задач, стоящих перед финансовым анализом, содержат случайные величины, не поддающиеся управлению лицам, которые принимают решения. Это стохастические имитационные модели. Имитация позволяет вывести возможные результаты, которым служат основанием вероятностные распределения случайных величин. Также стохастическая имитация часто называется методом Монте-Карло.

Как моделируются риски инвестиционных проектов? Проводится серия многочисленных экспериментов, которые чисто эмпирически оценивают степень влияния разнообразных факторов (то есть исходных величин) на результаты, целиком и полностью зависящие от них. Проведение имитационного эксперимента обычно разбивают на определённые этапы.

Установкой взаимосвязей между показателями исходными и конечными в виде математического неравенства или уравнения делается первый шаг по пути эксперимента. Затем нужно задать машине законы, распределяющие вероятности для ключевых параметров. Далее проводится компьютерная имитация всех значений главных параметров модели, рассчитываются характеристики распределений показателей исходных и конечных. Наконец, проводится сам анализ тех результатов, что выдал компьютер, и принимается решение.

Введение

Одна из важных особенностей АСУ – принципиальная невозможность проведения реальных экспериментов до завершения проекта. Возможным выходом является использование имитационных моделей. Однако их разработка и использование чрезвычайно сложны, возникают затруднения в достаточно точном определении степени адекватности моделируемому процессу. Поэтому важно принять решение – какую создать модель.

Другой важный аспект – использование имитационных моделей в процессе эксплуатации АСУ для принятия решений. Такие модели создаются в процессе проектирования, чтобы их можно было непрерывно модернизировать и корректировать в соответствии с изменяющимися условиями работы пользователя.

Эти же модели могут быть использованы для обучения персонала перед вводом АСУ в эксплуатацию и для проведения деловых игр.

1. Понятие имитационного моделирования

Имитационное моделирование – это метод исследования, заключающийся в имитации на ЭВМ с помощью комплекса программ процесса функционирования системы или отдельных ее частей и элементов. Сущность метода имитационного моделирования заключается в разработке таких алгоритмов и программ, которые имитируют поведение системы, ее свойства и характеристики в необходимом для исследования системы составе, объеме и области изменения ее параметров.

Принципиальные возможности метода весьма велики, он позволяет при необходимости исследовать системы любой сложности и назначения с любой степенью детализации. Ограничениями являются лишь мощность используемой ЭВМ и трудоемкость подготовки сложного комплекса программ.

В отличие от математических моделей, представляющих собой аналитические зависимости, которые можно исследовать с помощью достаточно мощного математического аппарата, имитационные модели, как правило, позволяют проводить на них лишь одиночные испытания, аналогично однократному эксперименту на реальном объекте. Поэтому для более полного исследования и получения необходимых зависимостей между параметрами требуются многократные испытания модели, число и продолжительность которых во многом определяются возможностями используемой ЭВМ, а также свойствами самой модели.

Использование имитационных моделей оправдано в тех случаях, когда возможности методов исследования системы с помощью аналитических моделей ограничены, а натурные эксперименты по тем или иным причинам нежелательны или невозможны.

Даже в тех случаях, когда создание аналитической модели для исследования конкретной системы в принципе возможно, имитационное моделирование может оказаться предпочтительным по затратам времени ЭВМ и исследователя на проведение исследования. Для многих задач, возникающих при создании и функционировании АСУ, имитационное моделирование иногда оказывается единственным практически реализуемым методом исследования. Этим в значительной степени объясняется непрерывно возрастающий интерес к имитационному моделированию и расширение класса задач, для решения которых оно применяется.

Методы имитационного моделирования развиваются и используются в основном в трех направлениях: разработка типовых методов и приемов создания имитационных моделей; исследование степени подобия имитационных моделей реальным системам; создание средств автоматизации программирования, ориентированных на создание комплексов программ для имитационных моделей.

Различают два подкласса систем, ориентированных на системное и логическое моделирование. К подклассу системного моделирования относят системы с хорошо развитыми общеалгоритмическими средствами; с широким набором средств описания параллельно выполняемых действий, временных последовательностей выполнения процессов; с возможностями сбора и обработки статистического материала. В таких системах используют специальные языки программирования и моделирования – СИМУЛА, СИМСКРИПТ, GPSS и др. Первые два из этих языков являются подмножествами процедурно-ориентированных языков программирования типа ФОРТРАН, ПЛ/1, расширенными средствами динамических структур данных, операторами управления квазипараллельными процессами, специальными средствами сбора статистики и обработки списков. Эти дополнительные возможности позволяют вести статистические исследования моделей, поэтому такие системы иногда называют системами статистического моделирования.

К подклассу логического моделирования относят системы, позволяющие в удобной и сжатой форме отражать логические и топологические особенности моделируемых объектов, обладающие средствами работы с частями слов, преобразования форматов, записи микропрограмм. К этому подклассу систем относят языки программирования АВТОКОД, ЛОТИС и др.

В большинстве случаев при имитационном моделировании экономических, производственных и других организационных систем управления исследование модели заключается в проведении стохастических экспериментов. Отражая свойства моделируемых объектов, эти модели содержат случайные переменные, описывающие как функционирование самих систем, так и воздействия внешней среды. Поэтому наибольшее распространение получило статистическое моделирование.

Имитационная модель характеризуется наборами входных переменных

наблюдаемых или управляемых переменных

управляющих воздействий

возмущающих воздействий

Состояние системы в любой момент времени

Существуют два основных способа построения моделирующего алгоритма – принцип ∆t и принцип особых состояний.

Принцип ∆t. Промежуток времени (t0, t), в котором исследуется поведение системы, разбивают на интервалы длиной ∆t. В соответствии с заданным распределением вероятностей для начальных условий по априорным соображениям или случайным образом выбирают для начального момента t0 одно из возможных состояний z0(t0). Для момента t0 + ∆t вычисляется условное распределение вероятностей состояний (при условии состояния z0(t0)). Затем аналогично предыдущему выбирают одно из возможных состояний z0(t0 + ∆t), выполняют процедуры вычисления условного распределения вероятностей состояний для момента t0 + 2∆t и т.д.

В результате повторения этой процедуры до момента t0 + n∆t = T получают одну из возможных реализаций исследуемого случайного процесса. Таким же образом получают ряд других реализаций процесса. Описанный способ построения моделирующего алгоритма занимает много машинного времени.

Принцип особых состояний. Все возможные состояния системы Z(t) = {zi(t)} разбивают на два класса – обычные и особые. В обычных состояниях характеристики zi(t) меняются плавно и непрерывно. Особые состояния определяются наличием входных сигналов или выходом, по крайней мере, одной из характеристик zi(t) на границу области существования. При этом состояние системы меняется скачкообразно.

Моделирующий алгоритм должен предусматривать процедуры определения моментов времени, соответствующих особым состояниям, и величин характеристик системы в эти моменты. При известном распределении вероятностей для начальных условий выбирают одно из возможных состояний и по заданным закономерностям изменений характеристик zi(t) находят их величины перед первым особым состоянием. Таким же образом переходят ко всем последующим особым состояниям. Получив одну из возможных реализаций случайного многомерного процесса, с использованием аналогичных процедур строят другие реализации. Затраты машинного времени при использовании моделирующего алгоритма по принципу особых состояний обычно меньше, чем по принципу ∆t.

Имитационное моделирование используют в основном для следующих применений:

1) при исследовании сложных внутренних и внешних взаимодействий динамических систем с целью их оптимизации. Для этого изучают на модели закономерности взаимосвязи переменных, вносят в модель изменения и наблюдают их влияние на поведение системы;

2) для прогнозирования поведения системы в будущем на основе моделирования развития самой системы и ее внешней среды;

3) в целях обучения персонала, которое может быть двух типов: индивидуальное обучение оператора, управляющего некоторым технологическим процессом или устройством, и обучение группы людей, осуществляющих коллективное управление сложным производственным или экономическим объектом.

В системах обоих типов комплекс программ задает некоторую обстановку на объекте, однако между ними имеется существенное различие. В первом случае программное обеспечение имитирует функционирование объектов, описываемых технологическими алгоритмами или передаточными функциями; модель ориентирована на тренировку психофизиологических характеристик человека, поэтому такие модели называются тренажерами. Модели второго типа гораздо сложнее. Они описывают некоторые аспекты функционирования предприятия или фирмы и ориентированы на выдачу некоторых технико-экономических характеристик при воздействии на входы чаще всего не отдельного человека, а группы людей, выполняющих различные функции управления;

4) для макетирования проектируемой системы и соответствующей части управляемого объекта с целью прикидочной проверки предполагаемых проектных решений. Это позволяет в наиболее наглядной и понятной заказчику форме продемонстрировать ему работу будущей системы, что способствует взаимопониманию и согласованию проектных решений. Кроме того, такая модель позволяет выявить и устранить возможные неувязки и ошибки на более ранней стадии проектирования, что на 2–3 порядка снижает стоимость их исправления.

Введение

Имитационное моделирование (simulation) является одним из мощнейших методов анализа экономических систем.

В общем случае, под имитацией понимают процесс проведения на ЭВМ экспериментов с математическими моделями сложных систем реального мира.

Цели проведения подобных экспериментов могут быть самыми различными - от выявления свойств и закономерностей исследуемой системы, до решения конкретных практических задач. С развитием средств вычислительной техники и программного обеспечения, спектр применения имитации в сфере экономики существенно расширился. В настоящее время ее используют как для решения задач внутрифирменного управления, так и для моделирования управления на макроэкономическом уровне. Рассмотрим основные преимущества применения имитационного моделирования в процессе решения задач финансового анализа.

Как следует из определения, имитация - это компьютерный эксперимент. Единственное отличие подобного эксперимента от реального состоит в том, что он проводится с моделью системы, а не с самой системой. Однако проведение реальных экспериментов с экономическими системами, по крайней мере, неразумно, требует значительных затрат и вряд ли осуществимо на практике. Таким образом, имитация является единственным способом исследования систем без осуществления реальных экспериментов.

Часто практически невыполним или требует значительных затрат сбор необходимой информации для принятия решений. Например, при оценке риска инвестиционных проектов, как правило, используют прогнозные данные об объемах продаж, затратах, ценах и т.д.

Однако чтобы адекватно оценить риск необходимо иметь достаточное количество информации для формулировки правдоподобных гипотез о вероятностных распределениях ключевых параметров проекта. В подобных случаях отсутствующие фактические данные заменяются величинами, полученными в процессе имитационного эксперимента (т.е. сгенерированными компьютером).

При решении многих задач финансового анализа используются модели, содержащие случайные величины, поведение которых не поддается управлению со стороны лиц, принимающих решения. Такие модели называют стохастическими. Применение имитации позволяет сделать выводы о возможных результатах, основанные на вероятностных распределениях случайных факторов (величин). Стохастическую имитацию часто называют методом Монте-Карло. Существуют и другие преимущества имитации.

Мы же рассмотрим технологию применения имитационного моделирования для анализа рисков инвестиционных проектов в среде MS Excel.

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование (ситуационное моделирование) -- метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно "проиграть" во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.

Имитационное моделирование -- это метод исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью, с достаточной точностью описывающей реальную систему, с которой проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация -- это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

Имитационное моделирование -- это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае аналитическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.

Имитационным моделированием иногда называют получение частных численных решений сформулированной задачи на основе аналитических решений или с помощью численных методов.

Имитационная модель -- логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

К имитационному моделированию прибегают, когда:

· дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;

· невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;

· необходимо сымитировать поведение системы во времени.

Цель имитационного моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или другими словами -- разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Имитационное моделирование позволяет имитировать поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в модели можно управлять: замедлять в случае с быстропротекающими процессами и ускорять для моделирования систем с медленной изменчивостью. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дороги, невозможны или опасны. С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего изделия до начала производства. Компьютерное 3D моделирование теперь не редкость даже для небольших компаний.

Имитация, как метод решения нетривиальных задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ в 1950-х--1960-х годах.

Можно выделить две разновидности имитации:

· Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний);

· Метод имитационного моделирования (статистическое моделирование).

Виды имитационного моделирования:

· Агентное моделирование -- относительно новое (1990-е-2000-е гг.) направление в имитационном моделировании, которое используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами (как в других парадигмах моделирования), а наоборот, когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей -- получить представление об этих глобальных правилах, общем поведении системы, исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении её отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе. Агент -- некая сущность, обладающая активностью, автономным поведением, может принимать решения в соответствии с некоторым набором правил, взаимодействовать с окружением, а также самостоятельно изменяться.

· Дискретно-событийное моделирование -- подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: "ожидание", "обработка заказа", "движение с грузом", "разгрузка" и другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений -- от логистики и систем массового обслуживания до транспортных и производственных систем. Этот вид моделирования наиболее подходит для моделирования производственных процессов. Основан Джеффри Гордоном в 1960-х годах.

· Системная динамика -- парадигма моделирования, где для исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних параметров на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять суть происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями. С помощью системной динамики строят модели бизнес-процессов, развития города, модели производства, динамики популяции, экологии и развития эпидемии. Метод основан Джеем Форрестером в 1950 годах.

Имитационные модели

Имитационная модель воспроизводит поведе ние сложной системы взаимодействующих элемен тов. Для имитационного моделирования характерно наличие следующих обстоятельств (одновременно всех или некоторых из них):

• объект моделирования - сложная неоднородная система;
• в моделируемой системе присутствуют факторы случайного поведения;
• требуется получить описание процесса, развивающегося во времени;
• принципиально невозможно получить результаты моделирования без использования компьютера.

Состояние каждого элемента моделируемой системы описывается набором параметров, которые хранятся в памяти компьютера в виде таблиц. Взаимодействия элементов системы описываются алгоритмически. Моделирование осуществляется в пошаговом режиме. На каждом шаге моделирования изменяются значения параметров системы. Программа, реализующая имитационную модель, отражает изменение состояния системы, выдавая значения ее искомых параметров в виде таблиц по шагам времени или в последовательности происходящих в системе событий. Для визуализации результатов моделирования часто используется графическое представление, в т.ч. анимированное.

Детерминированное моделирование

Имитационная модель основана на подражании реальному процессу (имитации). Например, моделируя изменение (динамику) численности микроорганизмов в колонии, можно рассматривать много отдельных объектов и следить за судьбой каждого из них, ставя определенные условия для его выживания, размножения и т.д. Эти условия обычно задаются в вербальной форме. Например: по истечении некоторого промежутка времени микроорганизм делится на две части, а по прошествии другого (большего) временного отрезка - погибает. Выполнение описанных условий алгоритмически реализуется в модели.

Другой пример: моделирование движения молекул в газе, когда каждая молекула представляется в виде шарика с определенным направлением и скоростью движения. Взаимодействие двух молекул или молекулы со стенкой сосуда происходит согласно законам абсолютно-упругого столкновения и легко описывается алгоритмически. Получение интегральных (общих, усредненных) характеристик системы производится на уровне статистической обработки результатов моделирования.

Такой компьютерный эксперимент фактически претендует на воспроизведение натурного эксперимента. На вопрос: "Зачем это нужно делать?" можно дать следующий ответ: имитационное моделирование позволяет выделить "в чистом виде" следствия гипотез, заложенных в представления о микрособытиях (т.е. на уровне элементов системы), избавив их от неизбежного в натурном эксперименте влияния других факторов, о которых мы можем даже не подозревать. Если такое моделирование включает и элементы математического описания процессов на микроуровне, и если исследователь при этом не ставит задачу поиска стратегии регулирования результатов (например, управления численностью колонии микроорганизмов), то отличие имитационной модели от математической (дескриптивной) оказывается достаточно условным.

Приведенные выше примеры имитационных моделей (эволюция колонии микроорганизмов, движение молекул в газе) приводят к детерминиро ванному описанию систем. В них отсутствуют элементы вероятности, случайности событий в моделируемых системах. Рассмотрим пример моделирования системы, обладающей этими качествами.

Модели случайных процессов

Кому не случалось стоять в очереди и с нетерпением прикидывать, успеет ли он сделать покупку (или заплатить за квартиру, покататься на карусели и т.д.) за некоторое имеющееся в его распоряжении время? Или, пытаясь позвонить по телефону в справочную и натыкаясь несколько раз на короткие гудки, нервничать и оценивать - дозвонюсь или нет? Из таких "простых" проблем в начале XX века родилась новая отрасль математики - теория массового обслуживания, использующая аппарат теории вероятностей и математической статистики, дифференциальных уравнений и численных методов. Впоследствии выяснилось, что эта теория имеет многочисленные выходы в экономику, военное дело, организацию производства, биологию и экологию и т.д.

Компьютерное моделирование при решении задач массового обслуживания, реализуемое в виде метода статистических испытаний (метода Монте-Карло), играет важную роль. Возможности аналитических методов решения реально возникающих задач массового обслуживания весьма ограничены, в то время как метод статистических испытаний универсален и относительно прост.

Рассмотрим простейшую задачу этого класса. Имеется магазин с одним продавцом, в который случайным образом входят покупатели. Если продавец свободен, то он начинает обслуживать покупателя сразу, если зашло одновременно несколько покупателей - выстраивается очередь. Есть немало других аналогичных ситуаций:

• ремонтная зона я автохозяйстве и автобусы, сошедшие с линии из-за поломки;
• травмпункт и больные, пришедшие на прием по случаю травмы (т.е. без системы предварительной записи);
• телефонная станция с одним входом (или одной телефонисткой) и абоненты, которых при занятом входе ставят в очередь (такая система иногда
  практикуется);
• сервер локальной сети и персональные машины на рабочем месте, которые шлют сообщение серверу, способному воспринять разом и обработать не более одного сообщения.

Процесс прихода покупателей в магазин - случайный процесс. Промежутки времени между приходами любой последовательной пары покупателей - независимые случайные события, распределенные по некоторому закону, который может быть установлен лишь путем многочисленных наблюдений (либо для моделирования взят некоторый его правдоподобный вариант). Второй случайный процесс в этой задаче, никак не связанный с первым, - длительность обслуживания каждого из покупателей.

Целью моделирования систем такого вида является получение ответа на ряд вопросов. Относительно простой вопрос - какое в среднем время придется стоять и очереди при заданных законах распределения указанных выше случайных величин? Более сложный вопрос; каково распределение времен ожидания обслуживания в очереди? Не менее сложный вопрос: при каких соотношениях параметров входных распределений наступит кризис, при котором очередь до вновь вошедшего покупателя не дойдет никогда? Если задуматься над этой относительно простой задачей, возможные вопросы будут множиться.

Способ моделирования выглядит в общих чертах так. Используемые математические формулы - законы распределения исходных случайных величин; используемые числовые константы - эмпирические параметры, входящие в эти формулы. Не решается никаких уравнений, которые использовались бы при аналитическом исследовании данной задачи. Вместо этого происходит имитация очереди, разыгрываемая с помощью компьютерных программ, генерирующих случайные числа с заданными законами распределения. Затем производится статистическая обработка совокупности полученных значений величин, определяемых заданными целями моделирования. Например, находится оптимальное количество продавцов для разных периодов времени работы магазина, которое обеспечит отсутствие очередей. Математический аппарат, который здесь используется, называется методами математической статистики .

В статье "Моделирование экологических систем и процессов" описан другой пример имитацион ного моделирования: одна из многих моделей системы "хищник-жертва". Особи видов, находящихся в указанных отношениях, по определенным правилам, содержащим элементы случайности, перемещаются, хищники съедают жертв, и те и другие размножаются и т.д. Такая модель не содержит никаких математических формул, но требует стати стической обработки результатов.

Пример алгоритма детерминированной имитационной модели

Рассмотрим имитационную модель эволюции популяции живых организмов, известную под названием "Жизнь", которую легко реализовать на любом языке программирования.

Для построения алгоритма игры рассмотрим квадратное поле из п -\- 1 столбцов и строк с обычной нумерацией от 0 до п. Крайние граничные столбцы и строки для удобства определим как "мертвую зону", они играют лишь вспомогательную роль.

Для любой внутренней клетки поля с координатами (i,j) можно определить 8 соседей. Если клетка "живая", ее закрашиваем, если клетка "мертвая", она пустая.

Зададим правила игры. Если клетка (i,j) "живая" и ее окружает более трех "живых" клеток, она погибает (от перенаселения). "Живая" клетка также погибает, если в ее окружении находится менее двух "живых" клеток (от одиночества). "Мертвая" клетка оживает, если вокруг нее появляются три "живые" клетки.

Для удобства введем двумерный массив А , элементы которого принимают значение 0, если соответствующая клетка пустая, и 1, если клетка "живая". Тогда алгоритм определения состояния клетки с координатой (i , j ) можно определить следующим образом:

S:=A+A+A+A+A+A+A+A;
If (A = 1) And (S > 3) Or (S < 2)) Then B: =0;
If (A = 0) And (S = 3)
Then B: = 1;

Здесь массив Вопределяет координаты поля на "следующем этапе. Для всех внутренних клеток от i = 1 до n - 1 и j = 1 до n - 1 справедливо сказанное выше. Отметим, что последующие поколения определяются аналогично, стоит лишь осуществить процедуру переприсваивания:

For I: = 1 То N - 1 Do
For J: = 1 То N - 1 Do
A : = В ;

На экране дисплея удобнее выводить состояние поля не в матричном, а в графическом виде.
Осталось лишь определить процедуру задания начальнойконфигурации игрового поля. При случайном определении начального состояния клеток подходит алгоритм

For I: = 1 To K Do
Begin K1: = Random (N-1);
K2:= Random (N-1)+1;
End;

Интереснее для пользователя самому задавать начальную конфигурацию, что легко осуществить. В результате экспериментов с этой моделью можно найти,например, устойчивые расселения живых организмов, которые никогда не погибают, оставаясь неизменными или изменяя свою конфигурацию с определенным периодом. Абсолютно неустойчивым (гибнущим во втором поколении) является расселение "крестом".

В базовом курсе информатики ученики могут реализовать имитационную модель "Жизнь" в рамках раздела "Введение в программирование". Более основательное освоение имитационного моделирования может происходить в старших классах в профильном или элективном курсе информатики. Далее будет говориться о таком варианте.

Начало изучения - лекция об имитационном моделировании случайных процессов. В российской школе понятия теории вероятностей и математической статистики лишь начинают внедряться в курс математики, и учителю следует быть готовым к тому, чтобы самому сделать введение в этот важнейший для формирования мировоззрения и математической культуры материал. Подчеркнем, что речь идет об элементарном введении в круг обсуждаемых понятий; это можно сделать за 1-2 часа.

Потом обсуждаем технические вопросы, связанные с генерацией на ЭВМ последовательностей случайных чисел с заданным законом распределения. Опираться при этом можно на то, что в каждом универсальном языке программирования есть датчик равномерно распределенных на отрезке от 0 до 1 случайных чисел. На данном этапе нецелесообразно вдаваться в сложный вопрос о принципах его реализации. Опираясь на имеющиеся датчики случайных чисел, показываем, как можно устроить

а) генератор равномерно распределенных случайных чисел на любом отрезке [а, b];

б) генератор случайных чисел под практически любой закон распределения (например, используя интуитивно ясный метод "отбора-отказа").

Начать рассмотрение описанной выше задачи массового обслуживания целесообразно с обсуждения истории решения проблем массового обслуживания (задача Эрланга об обслуживании запросов на телефонной станции). Затем следует рассмотрение простейшей задачи, которую можно сформулировать на примере формирования и обследования очереди в магазине с одним продавцом. Отметим, что на первом этапе моделирования распределения случайных величин на входе можно принять равновероятными, что хоть и не реалистично, но снимает ряд трудностей (для генерации случайных чисел можно просто использовать встроенный в язык программирования датчик).

Обращаем внимание учащихся на то, какие вопросы ставятся в первую очередь при моделировании систем такого вида. Во-первых, это вычисление средних значений (математических ожиданий) некоторых случайных величин. Например, какое среднее время приходится стоять в очереди к прилавку? Или: найти среднее время, проведенное продавцом в ожидании покупателя.

Задача учителя, в частности, состоит в том, чтобы разъяснить, что выборочные средние сами по себе - случайные величины; в другой выборке того же объема они будут иметь другие значения (при больших объемах выборки - не слишком отличающиеся друг от друга). Далее.возможны варианты: в более подготовленной аудитории можно показать способ оценивания доверительных интервалов, в которых находятся математические ожидания соответствующих случайных величин при заданных доверительных вероятностях (известными из математической статистики методами без попытки обоснования). В менее подготовленной аудитории можно ограничиться чисто эмпирическим утверждением: если в нескольких выборках равного объема средние значения совпали в некотором десятичном знаке, то этот знак скорее всего верен. Если при моделировании не удается достичь желаемой точности, следует увеличить объем выборки.

В еще более подготовленной в математическом отношении аудитории можно ставить вопрос: каково распределение случайных величин, являющихся результатами статистического моделирования, при заданных распределениях случайных величин, являющихся его входными параметрами? Поскольку изложение соответствующей математической теории в данном случае невозможно, следует ограничиться эмпирическими приемами: построение гистограмм итоговых распределений и сравнение их с несколькими типичными функциями распределения.

После отработки первичных навыков указанного моделирования переходим к более реалистической модели, в которой входные потоки случайных событий распределены, например, по Пуассону. Это потребует от учащихся дополнительно освоить метод генерирования последовательностей случайных чисел с указанным законом распределения.

В рассмотренной задаче, как и в любой более сложной задаче об очередях, может возникнуть критическая ситуация, когда очередь неограниченно растет со временем. Моделирование приближения к критической ситуации по мере возрастания одного из параметров - интересная исследовательская задача для наиболее подготовленных учащихся.

На примере задачи об очереди отрабатываются сразу несколько новых понятий и навыков:

• понятия о случайных процессах;
• понятия и простейшие навыки имитационного моделирования;
• построение оптимизационных имитационных моделей;
• построение многокритериальных моделей (путем решения задач о наиболее рациональном обслуживании покупателей в сочетании с интересами
  владельца магазина).

Задание :

• Составить схему ключевых понятий;
• Подобрать практические задания с решениями для базового и профильного курсов информатики.

Еще одним примером существенно машинных моделей являются имитационные модели. Несмотря на то что имитационное моделирование становится все более популярным методом исследования сложных систем и процессов, на сегодняшний день нет единого, признаваемого всеми исследователями определения имитационной модели.

В большинстве используемых определений подразумевается, что имитационная модель создается и реализуется с помощью набора математических и инструментальных средств, позволяющих с использованием компьютера провести целенаправленные расчеты характеристик моделируемого процесса и оптимизацию некоторых его параметров.

Существуют и крайние точки зрения. Одна из них связана с утверждением, что имитационной моделью можно признать любое логико-математическое описание системы, которое может быть использовано в ходе проведения вычислительных экспериментов. С этих позиций расчеты, связанные с варьированием параметров в чисто детерминированных задачах, признаются имитационным моделированием.

Сторонники другой крайней точки зрения считают, что имитационная модель - это обязательно специальный программный комплекс, который позволяет имитировать деятельность какого-либо сложного объекта. «Метод имитационного моделирования является экспериментальным методом исследования реальной системы по ее компьютерной модели, который сочетает особенности экспериментального подхода и специфические условия использования вычислительной техники. Имитационное моделирование является машинным методом моделирования, собственно без ЭВМ никогда не существовало, и только развитие информационных технологий привело к становлению этого вида компьютерного моделирования» . Такой подход отрицает возможность создания простейших имитационных моделей без применения компьютера.

Определение 1.9. Имитационная модель - особая разновидность информационных моделей, сочетающая элементы аналитических, компьютерных и аналоговых моделей, которая позволяет с помощью последовательности вычислений и графического отображения результатов ее работы воспроизводить (имитировать) процессы функционирования изучаемого объекта при воздействии на него различных (как правило, случайных) факторов.

Имитационное моделирование применяется сегодня для моделирования бизнес-процессов, цепочек поставок, боевых действий, динамики населения, исторических процессов, конкуренции и других процессов, для прогнозирования последствий управленческих решений в самых разных областях. Имитационное моделирование позволяет исследовать системы любой природы, сложности и назначения и практически с любой степенью детализации, ограниченной лишь трудоемкостью разработки имитационной модели и техническими возможностями используемых для проведения экспериментов вычислительных средств.

Имитационные модели, которые разрабатываются для решения современных практических задач, обычно содержат большое число сложно взаимодействующих стохастических элементов, каждый из которых описывается большим числом параметров и подвергается стохастическим воздействиям. В этих случаях, как правило, натурное моделирование нежелательно или невозможно, а аналитическое решение затруднено или также невозможно. Часто реализация имитационной модели требует организации распределенных вычислений . По этим причинам имитационные модели относятся к существенно машинным моделям.

Имитационная модель предполагает представление модели в виде некоторого алгоритма, реализуемого компьютерной программой, выполнение которого имитирует последовательность смены состояний в системе и таким образом отображает поведение моделируемой системы или процесса.

Обратите внимание!

При наличии случайных факторов необходимые характеристики моделируемых процессов получаются в результате многократных прогонов имитационной модели и последующей статистической обработки накопленной информации.

Заметим, что с точки зрения сиециалиста-нрикладника правомерно трактовать имитационное моделирование как информационную технологию: «Имитационное моделирование контролируемого процесса или управляемого объекта - это высокоуровневая информационная технология, которая обеспечивает два вида действий, выполняемых с помощью компьютера:

• 1) работы по созданию или модификации имитационной модели;
• 2) эксплуатацию имитационной модели и интерпретацию результатов» .

Модульный принцип построения имитационной модели. Итак, имитационное моделирование предполагает наличие построенных логикоматематических моделей, описывающих изучаемую систему во взаимосвязи с внешней средой, воспроизведение протекающих в ней процессов с сохранением их логической структуры и последовательности во времени при помощи средств вычислительной техники. Наиболее рационально строить имитационную модель функционирования системы по модульному принципу. При этом могут быть выделены три взаимосвязанных блока модулей такой модели (рис. 1.7).

Рис. 1.7.

Основная часть алгоритмической модели реализуется в блоке имитации процессов функционирования объекта (блок 2). Здесь организуется отсчет модельного времени, воспроизводится логика и динамика взаимодействия элементов модели, обеспечивается проведение экспериментов для накопления данных, необходимых для расчета оценок характеристик функционирования объекта. Блок имитации случайных воздействий (блок 1) служит для генерирования значений случайных величин и процессов. В его состав входят генераторы стандартных распределений и средства реализации алгоритмов моделирования случайных воздействий с требуемыми свойствами. В блоке обработки результатов имитации (блок 3) рассчитываются текущие и итоговые значения характеристик, составляющие результаты экспериментов с моделью. Такие эксперименты могут состоять в решении сопутствующих задач, в том числе оптимизационных или обратных.

• Лычкина II. II. Указ. соч.
• Распределенные вычисления - способ решения трудоемких вычислительных задачс использованием нескольких компьютеров, чаще всего объединенных в параллельнуювычислительную систему.
• Емельянов А. А, Власова Е. А., Дума Р. В. Имитационное моделирование экономическихпроцессов. М. : Финансы и статистика, 2006. С. 6.