1.2. Жизненный цикл компьютерной модели

Как и любой процесс разработки программных средств, процесс создания и использования компьютерной модели можно представить в виде так называемой «спиральной модели», состоящей из последовательности ряда шагов.

1. Анализ требований к модели, выделение существенных для данного исследования свойств исходного обьекта и построение математической модели.

2. Проектирование моделирующей программы.

3. Реализация и отладка компьютерной модели.

4. Оценка адекватности и точности построенной компьютерной модели. В случае, если модель по удовлетворяет предъявляемым требованиям, происходит возврат к предыдущим шагам.

5. Использование модели по назначению и анализ полученных результатов. По мере накопления опыта моделирования может возникнуть необходимость совершенствования компьютерной модели и создании новых версий программного обеспеченна. С этой целью происходит возврат к предыдущим шагам описываемой процедуры.

Из приведенного описания следует, что моделирование - процесс циклический, в котором одни и те же операции повторяются многократно. Эта цикличность обусловлена двумя причинами:

• принципиальными, связанными с уточнением модели и даже с отказом от нее, переходом к другой модели;

• технологическими, связанными с появлением более мощных вычислительных средств, а также с ошибками, допущенными на каждом из рассмотренных этапов моделирования.

Еще один дополнительный «внешний» цикл может появиться, если разработчик модели захочет расширить область ее применимости и изменит ее содержание или информационное наполнение. Каждый виток описанного цикла порождает новую версию модели. Однако если разработчик или пользователь модели приходит к выводу об устаревании модели и невозможности ее дальнейшего совершенствования, то эксплуатация компьютерной модели прекращается.

1.3. Вычислительный эксперимент

Процесс построения и использования компьютерных моделей принято называть вычислительным экспериментом. Современные инструменты компьютерного моделирования поз­воляют в значительной степени автоматизировать этот процесс.

Рассмотрим этапы вычислительного эксперимента.

Построение математических моделей. Эта работа в основном выполняется вручную. Для ее облегчения можно воспользоваться готовыми библиотеками компонентов практически для всех известных прикладных областей. Кроме того, современные моделирующие пакеты прикладных программ содержат обширные библиотеки функций, позволяющие собирать модель из готовых компонентов.

Построение компьютерных моделей. После завершения разработки математической модели требуется создать реализующую ее программу.

На исторически ранних этапах компьютерного моделирования эти программы создавались либо на языках программирования высокого уровня (Фортране, Алголе), либо даже на языке команд ЭВМ. Программа в машинных кодах давала иногда очень серьезный выигрыш в быстродействии, поскольку ЭВМ того периода выполняли всего лишь десятки и сотни тысяч операций в секунду, поэтому стоило бороться за оптимальное выполнение каждой машинной команды. Традиционным языком программирования для построения компьютерных моделей являлся Фортран. Практически все стандартные библиотеки численных методов и функций. составлявшие основу математических моделей, и по сей день пишутся на современных версиях Фортрана.

Применявшаяся в те годы технология программирования требовала для создания моделей значительных затрат времени, измеряемых многими человеко-месяцами. На сегодняшний день положение кардинально изменилось. Разработано множество пакетов прикладных программ для моделирования, которые значительно упростили и ускорили работу научных работников и инженеров.

Проведение вычислительного эксперимента. После завершения разработки, отладки и тестирования компьютерной модели наступает этап ее практического использования. Его можно представить как последовательность следующих основных шагов:

1. Оценка адекватности построенной компьютерной модели. В ряде случаев оценка адекватности приводит к пересмотру требований к модели и возврату на первый этап жизненного цикла - приходится уточнять или заново строить математическую модель.

2. Исследование объекта с помощью модели. На этом этапе выполняется основная работа, для которой предназначалась модель. Этот этап работы обычно выполняется по заранее составленному плану, в результате чего с помощью модели решаются задачи анализа и/или синтеза разрабатываемой системы.

3. Анализ полученных результатов. Подведение итогов моделирования может привести к выводу, что запланированных экспериментов недостаточно для завершения работ, а возможно, и к необходимости вновь уточнить математическую модель.

Современные инструменты компьютерного моделирования позволяют в значительной степени автоматизировать проведение вычислительного эксперимента.