Программные продукты и системы

Интегрированная среда моделирования (ИСМ) предназначена для разработки моделей технических объектов и социально-экономических процессов различной сложности, для проведения исследований над этими моделями.

Говоря о модели, мы различаем математическую модель и вычислительную модель (ВМ). Математическая модель есть модель изучаемого объекта или процесса, представленная в символической математической форме. Под ВМ понимается математическая модель, представленная в исполняемой компьютерной форме. По отношении друг к другу математическая модель выступает в роли спецификации, ВМ является ее реализацией.

Жизненный цикл модели можно представить в следующем виде:

·         анализ изучаемого объекта, процесса;

·         разработка математической модели;

·         разработка и отладка ВМ;

·         исследования (по результатам исследования может быть принято решение о доработке математической модели и/или ВМ);

·         документирование и анализ результатов исследования.

Разработку математической модели выполняет ученый-специалист по соответствующему профилю. Результатом разработки является текст математической модели. Здесь ИСМ предоставляет функции ввода, редактирования текста математической модели, структурированного хранения множества математических моделей.

Разработку ВМ выполняет программист-разработчик. В системе реализована следующая концепция: ВМ есть отображение множества входных переменных на множество выходных переменных. Здесь важно подчеркнуть, что входные и выходные данные ВМ выступают как переменные. Именно такое понимание имеет место в математическом моделировании.

Входные и выходные переменные ВМ должны быть глобальными. Под этим понимается следующее качество: эти переменные должны быть известны как ВМ, так и системе. При этом системе они должны быть известны для того, чтобы можно было управлять заданием значений входных переменных и анализом полученных выходных значений. В системе реализовано удобное интерактивное средство для описания глобальных переменных. При этом предоставляются разнообразные типы переменных: скаляры, векторы, матрицы, структуры и таблицы.

При разработке ВМ в системе реализован модульный подход. Единицей разработки является проблемный модуль, который можно представить как отображение множества входных глобальных переменных и формальных параметров на множество выходных глобальных переменных и формальных параметров. Проблемный модуль разрабатывается на одном из языков программирования (Си, Паскаль, Фортран-90) или на языке продукционных правил (для разработки экспертной компоненты ВМ). Причем в одной ВМ могут использоваться любые модули, независимо от того, на каком языке разработан модуль. В отношении проблемных модулей система поддерживает варианты и версии. Такая возможность при моделировании важна, поскольку позволяет представлять изучаемый объект или процесс с различной степенью детализации, с использованием различных методов вычислительной математики. Проблемному модулю можно сопоставить математическую модель, являющуюся частью математической модели на всю ВМ. Это будет его спецификация. Для облегчения процесса программирования ИСМ снабжена обширной математической библиотекой.

Этап разработки ВМ завершается построением ВМ. Для этого система предоставляет интерактивное средство – построитель ВМ. Следует отметить, что для исследования одного изучаемого объекта, процесса может потребоваться несколько ВМ, которые могут моделировать изучаемый объект (процесс) с различной степенью детализации: скажем, одна – менее точно (про такую модель говорят, что она "легкая"), другая – более точно ("тяжелая" модель). Разработанные модели следует сохранять для того, чтобы в дальнейшем можно было бы их развивать, уточнять. Для хранения ВМ в ИСМ разработано специальное средство – фонд моделей.

Рассмотрим, как в данной системе осуществляется исследование с помощью разработанной ВМ.

Исследование можно представить как последовательность вычислительных экспериментов над ВМ. Система предоставляет возможность проведения вычислительных экспериментов различных видов, а именно:

·         простой эксперимент,

·         эксперимент с варьированием,

·         эксперимент с оптимизацией.

Простой эксперимент представляет собой однократное выполнение ВМ.

Эксперимент с варьированием представляет собой многократное исполнение ВМ с различными значениями входных переменных. Входные переменные могут варьироваться либо равномерно (в соответствии с заданными интервалами и порядком варьирования), либо по плану, сгенерированному с помощью методов планирования эксперимента.

Эксперимент с оптимизацией представляет собой решение оптимизационной задачи над ВМ. Предоставляется возможность решения как однокритериальной, так и многокритериальной задачи.

При определении оптимизационной задачи независимые переменные выбираются из входных переменных, а функциональные ограничения и крите- рии – из выходных переменных модели. В ИСМ предлагаются следующие методы решения оптимизационных задач:

-                    для однокритериальной задачи:

·         Монте-Карло;

·         случайного ЛП-поиска;

·         покоординатного спуска с барьерной функцией штрафа;

·         покоординатного спуска с квадратичной функцией штрафа;

·         покоординатного спуска с выбором шага по методу золотого сечения с квадратичной функцией штрафа;

-                    для многокритериальной задачи:

·         Монте-Карло;

·         быстрого ЛП-поиска;

·         ЛП-поиска;

·         паритета с возможностью получения единственного решения по аддитивной, мультипликативной или дробно-линейной свертке.

Процесс проведения вычислительного эксперимента в соответствии с реализованной в системе концепцией состоит из стадий подготовки, счета (выполнения вычислительного эксперимента), анализа и документирования результатов.

На стадии подготовки осуществляется подготовка значений входных переменных, определение правила варьирования переменными, ставится оптимизационная задача.

На стадии анализа и документирования результатов система предоставляет следующие основные возможности:

-                    просмотра, фильтрации значений выходных переменных,

-                    построения графиков, поверхностей и диаграмм,

-                    сравнительного анализа результатов нескольких вычислительных экспериментов,

-                    вывода результатов в документ Word.

В состав ИСМ входит подсистема моделирования, которая позволяет строить регрессионные модели по результатам вычислительных экспериментов и натурным наблюдениям.

ИСМ имеет и специфические компоненты, характерные для проектирования кораблей. В первую очередь к ним относится редактор каркасов, позволяющий разрабатывать каркасные модели корпусов для судов различных классов.

Основные функции редактора включают:

·         интерактивный ввод точек кривой и атрибута, характеризующего поведение кривой в каждой точке;

·         задание точки и сдвиг мышкой с соответствующим автоматическим редактированием таблицы;

·         копирование симметричного набора точек кривой;

·         копирование набора точек кривой шпангоута или ватерлинии;

·         автоматическая генерация набора ватерлиний на основе введенного набора шпангоутов.

Средства визуального контроля позволяют управлять визуализацией графического образа и включают:

·         масштабирование изображения линии;

·         сдвиг изображения;

·         задание способа интерполяции изображаемых кривых (ломаная, сплайн);

·         отображение теоретического чертежа.

Вместе с изображением кривой для удобства редактирования отображаются смежные кривые, принадлежащие тому же семейству (шпангоуты и ватерлинии). При вводе координат точки с клавиатуры графический образ линии соответственно изменяется.

Представление каркасной модели корпуса объекта проектирования связано со стандартной системой координат, применяемой в кораблестроении для описания архитектурного облика корабля.

Каркасная модель корпуса содержит следующие данные:

*                    семейство шпангоутов;

*                    семейство ватерлиний;

*                    линия разреза по диаметральной плоскости;

*                    линии обвода бортов;

*                    длина по конструктивной ватерлинии;

*                    ширина по конструктивной ватерлинии;

*                    углубление по конструктивной ватерлинии;

*                    наибольшая длина;

*                    наибольшая ширина;

*                    высота борта при мидель-шпангоуте.

Для сокращения затрат на разработку проблемно-ориентированных моделей ИСМ снабжена обширными библиотеками по статике корабля и геометрическим функциям (функциями надкаркасной модели корпуса).

В состав ИСМ входит отдельная подсистема для работы с геометрической моделью корабля (ГМК). Основными составляющими ГМК являются:

¨                   совокупность параметрических моделей элементов размещения;

¨                   каркасная модель корпуса для надводных кораблей и параметрическая модель корпуса для подводных лодок;

¨                   модель архитектурно-компоновочного облика корабля.

Для разработки геометрических моделей (трехмерных) элементов размещения система предоставляет удобный интерактивный редактор элементов размещения. Элемент размещения составляется из примитивов – предопределенного набора трехмерных фигур (шар, цилиндр, параллелепипед и т.д.).

ГМК представляется в виде взаимосвязанного набора данных специального вида – таблиц, которые могут заполняться в расчетных проблемных модулях ВМ. В этом случае архитектурный облик корабля будет представлен лишь теми элементами, комплексами и подсистемами, характеристики которых рассчитывались в данном исследовании (вычислительном эксперименте). Подсистема геометрического моделирования представляет возможности по изображению следующих видов корабля: схемы общего расположения, вида сбоку и сверху, продольного разреза, плана главной палубы, разреза по палубе и по переборке, изометрической проекции, произвольного вида, теоретического чертежа.

Кроме отображения спроектированного в ходе вычислительного эксперимента корабля, подсистема позволяет корректировать ГМК в интерактивном режиме, добавляя в нее элементы размещения из библиотеки элементов размещения, изменяя положение элементов размещения или удаляя их.

Данные ГМК могут быть переданы в программный комплекс “Удаленная графика”, предназначенный для качественного визуального анализа и документирования архитектурного облика корабля. Этот комплекс реализован на базе графического редактора AutoCad.

Предоставляется возможность ввести в систему ГМК, разработанную другими средствами. При этом таблицы, составляющие ГМК, должны быть представлены в виде таблиц Excel, а каркасная модель корпуса – в текстовом формате (заданной структуры).

На базе ИСМ разработаны системы автоматизированного проектирования надводных кораблей и подводных лодок, которые успешно эксплуатируются в I ЦНИИ МО РФ.