CC BY
9Вестник ВГАВТ
Межвузовская серия Моделирование и оптимизация сложных систем. 2005 Вып. 14
Волжская государственная академия водного транспорта. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
BUILDING SIMULATION MODEL OF MASS EXCHANGE SYSTEM
V. I. Gordeev
In article was cited an instance use the device graph theory for building of the simulation model of a system mass exchange. Given model is used in simulator of the execution cargo and ballast operation on tanker "SES-CBS". Urgency given work is caused that hitherto there is no method's of the creation the simulation models.
УДК 519.673
ПРОГРАММНЫЙ ПРОДУКТ С11АРНЕ01Т0К ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ СУДОВЫХ СИСТЕМ
А. В. Троицкий
В статье изложена методика применения программы GraphEditor при построении имитационных моделей сложных технических систем, приведено пояснение выполняемых при этом операций. Описанная методика реализуется в работе по созданию собственных тренажерных программ и компьютерных лабораторных стендов Научно-исследовательской группы разработки судовых энергетических тренажеров (ИИГРСЭТ).
В современных условиях наука и техника находятся в таком состоянии, когда инженерные расчеты становятся все более трудоемкими. Процесс усложнения расчетов наблюдается в связи с тем, что исследователями постоянно принимаются попытки осмысления все более сложных реальных систем и явлений (чаще всего, посредством представления их характерных особенностей в виде систем уравнений). Параллельно, заказчиками предъявляются требования к увеличению конкурентоспособности выпускаемой продукции и, соответственно, к уменьшению сроков выполнения проектных работ. Все это располагает к появлению инструментов, способствующих повышению производительности труда при решении поставленных проектных или исследовательских задач. Такими инструментами могут быть компьютерные программы, существенно уменьшающие затраты времени инженера на выполнение тех или иных рутинных операций.
Одним из примеров трудоемких инженерных расчетов является процесс имитационного моделирования сложных технических систем [1-2]. Сложность вызвана необходимостью построения систем уравнений, описывающих взаимодействие всех элементов моделируемой системы между собой. Количество этих уравнений прямо пропорционально количеству элементов в системе, что накладывает определенные трудности на процесс построения. Это заставило искать способы автоматизации построения таких моделей. Основой для автоматизации служит аппарат теории графов, который позволяет формализовать получение матриц коэффициентов топологических уравнений. Так как количество элементов может достигать нескольких сотен, построение моделей таких систем без использования вычислительной техники становится практически невозможным. Облегчить труд инженера позволяет специально разработанная программа СгарЬЕс1ког.
А. В. Троицкий
_Программный продукт СгарИЕНиог для построения имитационных моделей .
вгарЬЕсЬюг - программный продукт для создания и редактирования математических моделей технических систем, представленных в виде ориентированных графов (например, гидравлических трубных систем). Основное назначение программы - получение готового фрагмента программного кода для его дальнейшего использования в исходных кодах имитационных моделей.
В общем случае процесс построения модели условно можно разбить на несколько этапов.
На первом этапе пользователь готовит исходные данные, которыми являются чертеж и принципиальная схема моделируемой системы, спецификация, характеристики входящих в нее элементов, взаимосвязи и соотношения между ними. По этим данным на втором этапе формируется модель состава системы с возможным ее упрощением. Упрощение схемы, не нарушающее ее функциональности, во многих случаях выполняют с целью экономии процессорного времени, затрачиваемого на просчет модели. В этом случае производят одну из следующих операций: превращение переменных величин в постоянные; исключение или объединение некоторых переменных; предположение линейной зависимости между исследуемыми величинами; наложение более жестких граничных условий. Хотя случается и такое (и это не редкость), что, начав с очень простой модели, постепенно продвигаются к более совершенной ее форме, отражающей сложную ситуацию более точно. На третьем этапе по полученной модели состава строится ориентированный граф. Граф системы покажет графическое представление взаимосвязи всех ее составляющих. Каждый элемент, входящий в систему, в графе будет представлен ориентированным ребром (в некоторых случаях группой ребер), а соединения элементов - узлами.
На четвертом этапе, анализируя построенный граф, получают совокупность топологических матриц, отражающих структурные свойства (топологию) графа - это матрица инцидентности и совмещенная матрица контуров-сечений. Последняя топологическая матрица является матрицей коэффициентов к уравнениям первого и второго законов Кирхгоффа, которые, в свою очередь, являются математической основой модели. Построение всех этих матриц ведется по правилам, установленным аппаратом теории графов с использованием аппарата теории матриц [3-6].
На пятом этапе результаты построения топологических матриц описываются участком программного кода (программным модулем), вставляемым в дальнейшем в исходный код программы, моделирующей исследуемую систему.
По завершении построения имитационной модели проводится проверка адекватности ее работы в составе имитационной системы (тренажера, стенда и т. п.). При необходимости входные параметры изменяются, и процесс построения модели повторяется заново.
Этапы построения топологических матриц системы и написания программного модуля, требующие от пользователя большого внимания и усердия, особенно трудоемки, но в отличие от первых трех этапов, носящих, скорее, характер интуитивно-творческий (и, по большому счету, зависящих от того с какой степенью точности пользователь желает получить выходной результат), могут быть вполне успешно автоматизированы, что и реализовано в описываемой программе.
Окно программы представляет собой рабочую область, на которой пользователь строит граф моделируемой системы, располагая на ней узлы и соединяя их ребрами в режиме свободного редактирования (рис. 1). Предусмотрены функции изменения цвета ребер (для выделения, например, элементов разной физической сущности), их переименования, создания копий узлов. Возможно, также, добавить на рабочую область подложку, т.е. схему моделируемой системы в векторном или растровом формате, поверх которой будет происходить построение графа. Использование подложки дает возможность непосредственного визуального контроля за правильностью составления графа.
Вестник ВГ.АВТ
Межвузовская серия Моделирование и оптимизация сложных систем. 2005. Вып. 14
ЗЧИЛ Рмагпфоотъ Сюаи
Осей оч^кчхп
-»а»
А
Л
V
¡о;ч|>)
Ч.
)-ю-
(оыгх «]>
/ч
кэ1 кш -»:«<-юг-
{
кто
I
(1«
т
«3 КН
\/
Рис. 1. Окно программы
Рис. 2. Получение топологических матриц
A.B. Троицкий
Программный продукт GraphEditor для построения имитационных моделей ...
По окончании построения графа, пользователь запускает механизм формирования топологических матриц, базирующийся на аппарате теории графов. Этот механизм, будучи запущенным, прежде всего, производит контроль корректности данных, предложенных пользователем для анализа, и лишь затем переходит непосредственно к выполнению основной своей функции. На этом этапе производится проверка графа на наличие в нем петель, несвязанных узлов и незамкнутых контуров. В том случае, если у программы возникнут какие-либо замечания по качественному составу предложенных ей данных, она выдаст системное сообщение, проинформировав тем самым пользователя.
Построенные топологические магрицы будут выведены в отдельном окне в удобной для чтения форме (рис. 2).
По желанию пользователя программа может осуществить экспорт полученных матриц в текстовый формат (Microsoft Notepad) и в формат электронных таблиц (Microsoft Excel) или составить на их основе окончательно оформленный программный модуль (для этого, собственно, программа и создана).
Существует возможность сохранить граф как изображение в растровом формате. Абсолютно естественно и наличие функции сохранения графа в собственный формат программы для дальнейшего его редактирования.
Программа успешно используется при построении имитационных моделей на комплексе судовых тренажеров ВГАВТ. Применение программы дало возможность разрабатывать собственные тренажерные программы и компьютерные лабораторные стенды.
Статья рекомендована к публикации научным руководителем, к. т. н. О.П. Шураевым.
Список литературы
1. Шостак В.П., Гершаник В.И. Имитационное моделирование судовых энергетических установок. - М: Судостроение, 1988. - 254 с.
2. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука - М: Мир, 1978. - 418 с.
3. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. - Киев: Техника, 1977. - 770 с.
4. Ope О. Теория графов. - М. Наука. 1980. - 336 с.
5. Белов В В.. Воробьев Е М., Шаталов В.Е Теория |рафов. - М: Высшая школа, 1976. - 392 с.
6. Кристофидес Н. Теория графов: алгоритмический подход. - М: Мир, 1978 - 426 с.
Волжская государственная академия водного транспорта. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
GRAPHEDITOR PROGRAMME PRODUCT FOR BUILDING OF SIMULATION SHIPS SYSTEM MODELS
A. V. Troitsky
In the article stated method of using a GraphEditor program at the building by simulation models of complex technical system models, brought explanation executed at operations. Described strategy will be realized in work on creation own simulator programs and computer laboratory stands.
■
