Компьютерное моделирование сложных динамических систем (Сениченков Ю.Б.)
Руководитель: проф. Сениченков Юрий Борисович senichenkov_yub
Членство в профессиональных обществах
- Член редакционных коллегий журналов «Компьютерные Инструменты в Образовании» (КИО)
- «Simulation Europe News» (SNE)
- Член совета учредителей национального общества имитационного моделирования (НО ИМОД)
- Член международной ассоциации CoLoS
С 1995 по 2019 разработаны и продолжают разрабатываться среды визуального моделирования для научной и учебной работы MvStudium 7.0 ( www.mvstudium.com )
С 2009 года стала доступна промышленная версия среды визуального моделирования Rand Model Designer
Некоторые публикации:
- Сениченков, Ю.Б., Ампилова, Н.Б.; Тимофеев, Е.Л. Компьютерные инструменты исследования динамических систем: сб. заданий по курсу «Математическое моделирование сложных динамических систем» Publisher: Изд-во Политехн. ун-та, December 2017
Zupančič, B., Senichenkov, Y.; Mušič, G. Analytical review and the analysis of educational programs with CMSE content MMSM 2017 , page 12 рр.
Рыжов, В.А., Сениченков, Ю.Б., Шорников, Ю.В.; Достовалов, Д.Н. Компьютерное моделирование сложных динамических систем. Оценка потребности в специалистах. Компьютерные инструменты в образовании, 4:C. 51-60. April 2017
Kolesov, Yuri; Senichenkov, Yuri MODELING HYBRID SYSTEMS IN RAND MODEL DESIGNER Hybrid Systems: Performance,Application,and Technology 2017
Senichenkov, Yuri; Isakov, Andrey Rand Model Designer’s Numerical library Proceedings of The 9th Eurosim Congress on Modelling and Simulation Publisher: IFAC-PapersOnLine Open Access, 2016
Isakov, Andrey, Kolesov, Yuri; Senichenkov, Yuri A new tool for visual modeling: Rand Model Designer 7 Proceedings of 8th Vienna International Conference on Mathematical Modelling, MATHMOD Publisher: IFAC-papers on-line, 2015 DOI: 10.1016/j.ifacol.2015.05.102
Компьютерное моделирование - это область научной и инженерной деятельности, связанная с теорией и практикой вычислительного эксперимента. Сложные динамические системы – особый вид математических моделей. Сочетая вычислительный эксперимент с натурным, исследователь получает возможность быстрее и полнее изучать окружающий его мир и проектировать новые устройства. Это достигается за счет того, что большая часть экспериментов проводится с компьютерной моделью, а на завершающем этапе внушающие доверие гипотезы проверяются на небольшом числе тщательно продуманных и экономически обоснованных натурных экспериментах.
Компьютерное моделирование, современная форма математического моделирования, – это и новый инструмент познания, и новые технологии проектирования.
Компьютерное моделирование, как средство познания.
История математического моделирования восходит к Ньютону. До середины прошлого века математические модели исследовались учеными как и все абстрактные объекты- писались формулы, упрощались для облегчения расчетов и руками проводились численные расчеты. Вычислительная техника предоставила новые возможности строить и исследовать математические модели, однако практически сразу же стало ясно, что механическое перенесение традиционных методов исследования на компьютеры невозможно. Так родилась новая дисциплина «компьютерное моделирование», изучающая новый тип моделей – математических моделей, реализованных на компьютерах. Это особый тип моделей, которые одновременно можно считать и абстрактными - записаны на языке моделирования, и физическими – могут непосредственно выполняться на компьютерах. Сейчас практически все традиционные математические модели представлены в виде компьютерных моделей.
Становление этой дисциплины в нашей стране связано с академиком А. А. Самарским.
Компьютерное моделирование как средство проектирования.
При традиционном проектировании сначала создается «бумажный» прототип устройства: в достаточно вольной форме формулируются требования, описывается техническое решение, создаются чертежи, и только затем задуманное воплощается в действующий прототип. Созданное устройство проверяется на соответствие требованиям, определяются его характеристики, проводятся испытания на надежность, в него вносятся изменения, иногда кардинальные, и тогда прототип приходится создавать заново. После многократных натурных экспериментов начинается серийное производство. К сожалению, реально на многочисленные испытания прототипа не хватает ни времени, ни средств, и достоверные данные о нем чаще всего появляются только в процессе эксплуатации, и что очень опасно – часто в процессе эксплуатации обнаруживаются серьезные ошибки проектирования.
Компьютерные модели, используемые в современных технологиях проектирования, позволяют переходить к изготовлению прототипа только после тщательного тестирования модели, быстро и почти безболезненно исправлять замеченные ошибки еще на стадии проектирования. Компьютерные эксперименты проводятся с помощью специальных программных средств – средств моделирования. Языки моделирования, включающие и математическое описание изучаемых объектов, служат строгой, однозначной понимаемой всеми разработчиками спецификаций проектируемых объектов. В любой момент такое описание модели можно превратить в исполняемый код, и в буквальном смысле увидеть на экране дисплея поведение конструированного устройства, оптимизировать параметры, исследовать интересующие свойства.
Сейчас практически повсеместно наблюдается переход от традиционных технологий проектирования к новым, в основе которых лежит компьютерный эксперимент.
Компьютерное моделирование, как средство обучения. Ничто не может заменить натурный эксперимент, дающий объективные представления об окружающем нас мире. Однако к натурным экспериментам можно переходить, предварительно ознакомившись с компьютерной моделью реального объекта. Изучать компьютерные модели и ставить компьютерные эксперименты можно и в случае, когда ставить натурные эксперименты не целесообразно или невозможно.
Электронные учебники, виртуальные лаборатории, компьютерные тренажеры уже вошли в нашу жизнь. Те или иные компьютерные средства самостоятельного изучения или обучения можно найти практически в любой области.
Программное обеспечение компьютерного моделирования. Программное обеспечение в области моделирования развивалось одновременно с развитием вычислительной техники. Прообразом современных сред моделирования можно считать Пакеты Прикладных Программ, первым серьезным достижением в области языков моделирования – язык SIMULA-67, первыми пакетами моделирования сложных динамических систем в нашей стране – НЕДИС (разработан группой под руководством академика В.М. Глушкова) и МАРС.
Появление графических терминалов привело к качественным изменениям в компьютерном моделировании. Появились среды визуального моделирования – программные средства с графическими языками моделирования, планирования вычислительного эксперимента и визуализации поведения модели. Их можно разбить на среды проектирования однокомпонентных и многокомпонентных моделей.
К первым относятся так называемые математические пакеты – Maple, Mathematica (символьные вычисления, интервальный анализ, машинные вычисления), Matlab (машинные вычисления и символьные вычисления). Подчеркнуты основные для конкретных пакетов технологии вычислений. В этих пакетах можно найти практически все для моделирования и исследования классических динамических систем.
Компонентные модели (первый признак сложности модели) можно строить из ориентированных и неориентированных («физическое» моделирование) блоков.
Наиболее известным пакетом, использующим ориентированные блоки, является Simulink (корпорация MathWorks), неориентированные блоки – конек проекта Modelica.
Гибридные системы (математическая модель – обыкновенные дифференциальные уравнения с разрывными правыми частями) можно моделировать с помощью пакетов Simulink+StateFlow, частично с помощью пакета Modelica, но как нам кажется, наиболее удобно это делать с помощью пакета MvStudium. Изменяющиеся во времени структура и поведение модели (событийно-управляемые системы)- второй признак сложности моделей.
Термин динамические системы часто употребляют в достаточно широком смысле. Поэтому современные среды моделирования позволяют исследовать и другие типы математических моделей.