Развитие имитационного эксперимента от метода Монте-Карло до виртуальной реальности

Федеральное агентство связи

 Федеральное государственное  образовательное бюджетное учреждение  высшего профессионального образования

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Развитие имитационного эксперимента

от метода Монте-Карло до виртуальной реальности.

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013

 

При невозможности экспериментировать на реальном объекте часто используют имитационное моделирование. Имитационное моделирование является мощным инструментом исследования сложных процессов и систем.

Имитация – это процесс «выполнения» модели, проводящий её через (дискретные или непрерывные) изменения состояния 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 исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Исторически сложилось так, что первые работы по имитационному моделированию были связаны с физикой, где с помощью моделирования решался целый ряд задач гидравлики, фильтрации, теплопереноса и теплообмена, механики твердого тела. Моделирование в основном представляло собой решение сложных нелинейных задач математической физики с помощью итерационных схем, и по существу было моделированием математическим. Успехи математического моделирования в физике способствовали распространению его на задачи химии, электроэнергетики, биологии и некоторых других дисциплин, причем схемы моделирования не слишком отличались друг от друга. Сложность решаемых с помощью моделирования задач всегда ограничивалась лишь мощностью имеющихся компьютеров.

Основу имитационного моделирования и его частный случай составляет метод Монте-Карло, который является статистическим методом.

Имитационное моделирование представляет собой серию численных экспериментов, призванных получать эмпирические оценки степени влияния различных факторов на зависящие от них результаты.

Проведение имитационного эксперимента разбивают на следующие этапы.

1. устанавливаются взаимосвязи между исходными и выходными показателями в виде математического уравнения или неравенства;
2. задаются законы распределения вероятностей для ключевых параметров модели;
3. проводится компьютерная имитация значений ключевых параметров модели (с применением программ типа Excel);
4. рассчитываются основные характеристики распределений входящих и исходящих показателей;
5. проводится анализ полученных результатов и принимается решение.

Этот метод позволяет учесть весь диапазон неопределенностей исходных параметров, с которыми может столкнуться его осуществление. Кроме того, метод Монте-Карло позволяет получить интервальные значения показателей эксперимента.

Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ век.

Развитие информационных технологий привело к тому, что компьютеры стали использовать для моделирования процессов функционирования системы, причем в этом случае имелись алгоритм и программа, а математическая модель в ее классическом виде практически отсутствовала или предполагалось, что математической моделью является одно из аналитических представлений. Основа компьютерного моделирования - компьютерная программа, которая шаг за шагом воспроизводит события, происходящие в реальной системе.

Начиная с 50-х годов XX-го века, задачи компьютерного моделирования разрабатывались на основе общеизвестных универсальных языков. В этот период программы для задач компьютерного моделирования разрабатывались на основе универсальных языков, как Fortran и Algol.

Fortran - это сокращение от двух английских слов FORmula TRANslator - что переводится как "транслятор формул".Основу языка Fortran составляли арифметические операторы, соответствующие по своему синтаксису традиционной записи математических выражений. Кроме того, в языке имелись средства разбиения сложных алгоритмов на более простые за счет явного определения подпрограмм и функций. Описания данных в Fortran были ориентированы на представление главным образом числовой информации, поэтому и типы данных были просты: это целые и действительные числа, а также массивы из таких чисел.

Языков программирования было немного и они не всегда устраивали разработчиков. Поэтому ряд ведущих программистов в Цюрихе представили в 1958 году новый язык программирования - Алгол (сокращение от ALGOrithmic Language - алгоритмический язык программирования). Первая версия языка так и называлась - Алгол58, а позднее, в 60-м году, был принят стандарт Алгол60, который и стал основным на долгие годы. Основная заслуга этого языка в том, что он заложил базу для дальнейшего развития программистской мысли, и многие языки программирования, разработанные впоследствии и получившие широкое распространение как в кругу профессионалов, так и среди любителей, содержат многие идеи и решения, взятые из Алгола.

Компьютеры между тем развивались, и становилось понятным, что с их помощью можно решать самые разнообразные проблемы, зачастую не связанные с научными приложениями. Поэтому стали появляться первые языки моделирования.

Появились первые языки моделирования: GPSS, SIMSCRIPT, SIMULA, CSL, SOL.  
Ярким примером первых языков имитационного моделирования является широко известный язык моделирования дискретных систем - GPSS (General Purpose Simulating System). Появившийся впервые еще в 1961 году, он выдержал множество модификаций для самых различных операционных систем и компьютеров и в то же время сохранил почти неизменными внутреннюю организацию и основные блоки. GPSS имеет блочную структуру и легко может быть приспособлен и для структурно-функционального моделирования не очень сложных систем. GPSS достаточно легок в освоении, а наличие в нем функций, переменных, стандартных атрибутов, графики и статистических блоков существенно расширяет его возможности.

Дальнейшее развитие языков моделирования положило начало использования объектно-ориентированных принципов в моделировании.

Появилось второе поколение языков моделирования GPSS V, SIMSCRIPT Ii.5, SIMULA 67.

Особое место среди языков имитационного моделирования этого периода занимает СИМУЛА-67, разработанный в Норвежском вычислительном центре У. И. Далом, Б. Мюрхаугом и К. Нюгордом. Разработчики языка СИМУЛА-67 положили начало объектно-ориентированному представлению систем. Имя языка программирования СИМУЛА (SIMULA) происходит от английских слов SIMUlation LANguage, что в переводе означает “язык моделирования”. СИМУЛА-67 основываются на языке АЛГОЛ-60 и содержит его в качестве своего подмножества. Этот язык был предназначен для моделирования различных объектов и процессов, и объектно-ориентированные черты появились в нем именно для описания свойств модельных объектов.

Далее происходит развитие уже разработанных языков и средств моделирования, ориентированное, прежде всего, на повышение эффективности процессов моделирования и превращения моделирования в более простой и быстрый метод исследования сложных систем.

К числу широко известных языков имитационного моделирования относится также язык СЛАМ, разработанный профессором Университета Пердью Аленом Прицкером в начале 70-х. В основе языка СЛАМ лежит простая идея - объединить достоинства GPSS таким образом, чтобы, допуская раздельное применение этих языков, можно было при необходимости использовать их совместно. Реализация этого принципа на ЭВМ с цифровыми дисплеями хотя и давала некоторые преимущества при моделировании, однако не вносила качественных изменений в процесс моделирования. Однако, переход к графическим интерфейсам раскрыл все преимущества этого принципа.

С конца 80-годов начинается перенесение программного обеспечения для имитационного моделирования на персональные компьютеры с использованием средств графического интерфейса (для визуализации и анимации процессов моделирования).

Пакеты визуального моделирования позволяют пользователю вводить описание моделируемой системы в естественной для прикладной области и преимущественно графической форме, а также представлять результаты моделирования в наглядной форме, например, в виде диаграмм или анимационных картинок. 
            Одним из главных достоинств систем визуального моделирования является то, что они позволяют пользователю не заботиться о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и тем самым создают на компьютере некоторую чрезвычайно удобную среду, в которой можно создавать виртуальные, параллельно функционирующие системы и проводить эксперименты с ними. Графическая среда становится похожей на физический испытательный стенд, только вместо тяжелых металлических ящиков, кабелей и реальных измерительных приборов, осциллографов и самописцев пользователь имеет дело с их образами на экране дисплея. Образы можно перемещать, соединять и разъединять с помощью мыши. Кроме того, пользователь может видеть и оценивать результаты моделирования по ходу эксперимента и, при необходимости, активно в него вмешиваться.

В 90е годы появляются Grid-технологии.Концепция Grid (название по аналогии с электрическими сетями - electric power grid) предполагает создание компьютерной инфраструктуры нового типа, обеспечивающей глобальную интеграцию информационных и вычислительных ресурсов на основе управляющего и оптимизирующего программного обеспечения (middleware) нового поколения. Сейчас Grid-технологии наиболее широко используется для решения задач, требующих интенсивной вычислительной обработки, например для сложного моделирования при разработке новых лекарств, расчете финансовых рисков, автоматизации проектирования и т. д.

Интересным направлением в компьютерном моделировании является виртуальная реальность. Термин «виртуальная реальность» появился еще в конце 70-х годов (так называли трехмерные макромодели реальности, которые создавались с помощью компьютера и давали эффект присутствия человека в виртуальном мире). Первоначально подобные модели применялись в военной области в обучающих целях, например для имитации управления самолетом. Долгое время весьма высокая стоимость аппаратно-программных комплексов, позволяющих осуществить подобную визуализацию, ограничивала их применение только военными проектами и космической промышленностью. Однако, прогресс и удешевление этих технологий за последние годы, позволили внести концепцию виртуальной реальности и виртуального прототипирования во все отрасли промышленности и бизнеса. 
          Виртуальная реальность - высокоразвитая форма компьютерного моделирования, которая позволяет пользователю погрузиться в виртуальный мир и непосредственно действовать в нем с помощью специальных сенсорных устройств. Подобные устройства (шлем виртуальной реальности, очки, перчатки, капсулы и т.д.) связывают его движения с аудиовизуальными эффектами, причем, зрительные, слуховые, осязательные и моторные ощущения пользователя заменяются их имитацией, генерируемой компьютером.

Как показали исследования отечественных и зарубежных авторов, альтернативный мир притягателен для многих именно своей “виртуальностью”. Он дает человеку возможности воевать, заниматься экстремальными видами спорта, приобретать новые навыки и все это без малейших последствий для физического здоровья.  
Сила виртуальной реальности состоит в достижении свободы взаимодействия человека с виртуальной средой - там нет принципиальных ограничений в этом плане и можно исследовать и опробовать любой компонент любой пространственной модели (виртуального прототипа). Будучи созданной в компьютере, эта модель, также как и среда, в которой она находится, свободна от ограничений физического пространства и времени. 
            В настоящее время мы наблюдаем все более массированное применение технологий виртуального прототипирования, т.е. процесса создания виртуальной (электронной) модели объекта, предназначенного для последующего производства, ее всесторонней оценки на этапе наличия виртуального прототипа (например, безопасности, функциональности, технологичности и т.д.), оптимизации технологических процессов его изготовления. 
            Виртуальные информационные технологии – это одно из возможных направлений дальнейшего развития компьютерного моделирования.

Итак, за более чем полстолетия средства имитационного моделирования прошли значительный путь развития. На сегодняшний день компьютерное моделирование является важным инструментом во всех областях человеческой деятельности.

Современное компьютерное моделирование выступает как средство общения людей (обмен информационными, компьютерными моделями и программами), осмысления и познания явлений окружающего мира (компьютерные модели солнечной системы, атома и т.п.), обучения и тренировки (тренажеры), оптимизации (подбор параметров) Современные программные продукты не требуют специального обучения пользователя, и у него есть возможность уделить больше внимания проведению имитационных экспериментов и интерпретации их результатов. Возможности моделирования неуклонно растут и требуют все больших вычислительных мощностей.