RUS ENG

Компьютерное моделирование сложных динамических систем

Научная деятельность.

а) Научно-образовательный проект MvStudim (Научная группа Model Visual Studium: Ю.Б. Колесов, Д.Б. Инихов, Ю.Б.Сениченков)

с 1995 по 2011 разработаны и продолжают разрабатываться среды визуального моделирования для научной и учебной работы:

а.1) MV 3.0

a.2) MvStudium 4.0 ( www.mvstudium.com )

а.3) MvStudium 6.0 ( www.mvstudium.com )

б) Инновационный проект Rand Model Designer

с 2009 года стала доступна промышленная версия среды визуального моделирования

б.1) Rand Model Designer ( www.rand-service.com )

в) Научно-исследовательская работа «Разработка тренажеров для судостроения» (заказчик группа компаний ТРАНЗАС.

С 2008 года создается  специальная версия среды MvStudium 6.0 для разработки судовых тренажеров, работающих в реальном времени. На базе кафедры создана совместная научно-исследовательская лаборатория (А.Ю. Алтунин (Транзас), Ю.Б. Сениченков, Е.А. Слок).

Учебная работа

а) читаемые курсы:

Моделирование систем (бакалавры)

Технологии вычислений (бакалавры)

Проектирование многокомпонентных систем (магистры)

System Modeling ( международная образовательная программа)

б) студенты

Исаков А. А. «Разработка прототипа научно-исследовательской среды визуального моделирования MVL-Open»

в) аспиранты

Алтунин К.Ю. «Символьные вычисления в среде MvStudium»

Чжан Цзенчень «Проблема конвертирования моделей»

Работа с абитуриентами.

Разработка виртуальных лабораторий для средних школ.

Проведение видеоконференций.

 

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.