46154 (Моделирование системных элементов), страница 3

3. Элемент может выдавать в окружающую его среду выходные сигна-лы, обозначаемые векторным множеством .

4. Функционирование системного элемента ( ) происходит во времени с заданной временной направленностью от прошлого к будущему: где

5. Процесс функционирования элемента представляется в форме отображения входного векторного множества в выходное - , т.е. по схеме "вход - выход" и представляется записью вида

.

6. Структура и свойства отображения при моделировании на основе метода прямых аналогий определяется внутренними свойствами элемента , во всех остальных случаях - инвариантны и связаны феноменологически.

7. Совокупность существенных внутренних свойств элемента , представ-ляется в модели "срезом" их значений для фиксированного момента времени , при

условии фиксированного "среза" значений входных воздействий и определяется как внутреннее состояние элемента .

8. Внутренние свойства элемента характеризуются вектором параметров

, которые назовем функциональными ( - параметры ).

Концептуальное математическое описание системного элемента ( )

с учетом изложенных выше положений, представим кортежем

. ( 1 )

Такое описание определим как концептуальную метамодель - КММ функционирования системного элемента .

2.5. Стратифицированный анализ и описание КММ системного элемента

Концептуальные метамодели элемента, основанные на записи ( 1 ), могут образовывать некоторые иерархии. Уровни таких иерархий определяются степенью ( этапами ) конкретизации свойств элемента. Ранжирование КММ ( 1 ) по шкале "Абстрактное - Конкретное" на основе метода стратификации, следовательно, приводит к иерархической дедуктивной системе концептуальных метамоделей. Такая система может быть использована для математического моделирования конкретных элементов как некоторый исходный базовый инвариант, интерпретируемый в конкретную математическую модель.

В зависимости от степени конкретизации, сформируем дедуктивную систему, вклю-чающую следующие уровни КММ элемента :

КММ элемента на теоретико-системном уровне ( ТСУ );

КММ элемента на уровне непараметрической статики ( УНС );

КММ элемента на уровне параметрической статики ( УПС );

КММ элемента на уровне непараметрической динамики ( УНД );

КММ элемента на уровне параметрической динамики ( УПД ).

Рассмотрим более подробно КММ на каждом из перечисленных уровней.

КММ теоретико-системного уровня

Наиболее общую и абстрактную форму описания функционирования системного

элемента дает концептуальная метамодель теоретико-системного уровня ( ТСУ ). Это описание включает векторное множество входных воздействий на элемент

и векторное множество выходных реакций ( откликов ) элемента

.

Кроме того, на рассматриваемом уровне абстракции учитывается факт связности векторного множества с соответствующим векторным множеством посредством отображения "". Однако, отображение "" не указывает каким образом рассматриваемые множества связаны.

Таким образом, КММ теоретико-системного уровня задаются тройкой

. ( 2 )

КММ уровня непараметрической статики

Второй уровень представления КММ включает в рассмотрение отображение , определяющее правила преобразования входов в выходы , т.е. что необходимо сделать, чтобы при условии получить , адекватное целевому функционированию элемента . В общем случае - отображение может быть представлено скалярной или векторной функцией, а также функционалом или оператором. Концептуальная метамодель уровня непараметрической статики, следовательно, представляется кортежем вида

. ( 3 )

Раскрытие структуры преобразования вида является основной задачей КММ уровня . Рассмотрим в качестве иллюстрации функциональное описание элемента , представленное скалярной функцией , причем: .

Функционирование элемента ( ) на УНС описывается как отображение . Это отображение называется функцией, если оно однозначно. Условия однозначности определяются следующим образом. Пусть заданы пары значений

сигналов "вход - выход":

( 4 )

Если из условия ( ), следует, что ( ), то отображение однозначно. Значение величины в любой из пар называется функцией от данного . Общий вид записи функции позволяет дать формальное

определение функции элемента в скалярной форме представления

( 5 )

Таким образом, КММ ( 3 ) проинтерпретирована в КММ того же уровня, но в скалярной форме функционального представления. Отметим, что богатство концептуальных метамоделей функционирования системного элемента ( ) на уровне непараметрической статики определяется многообразием ее интерпретаций на математическом, логическом или логико-математическом языках описания ( представления )

- отображения.

КММ уровни параметрической статики

Дальнейшая конкретизация КММ функционирования системного элемента

осуществляется за счет включения в рассмотрение функциональных параметров , определяющих статические режимы. Для элемента рассматриваются три группы параметров

( 6 )

где - совокупность параметров { } входных воздействий

- совокупность параметров { } выходных реакций ( откликов )

- совокупность параметров { } отображения .

Перечни ( номенклатура ) параметров и их значений определяются для каждого типа конкретной модели . Для - отображения, по аналогии со структурными моде- лями, вводится понятие конфигурации. С учетом параметрического описания и интерпретаций КММ задается четверкой

( 7 )

КММ уровня непараметрической динамики

Следующий, четвертый уровень конкретизации КММ функционирования системного элемента определяется учетом в модели его динамических свойств. Динамика элемента рассматривается в нескольких аспектах. Первый аспект характеризуется реакцией элемента на динамику изменения входных воздействий

при неизменном отображении , т.е. когда - скалярная или векторная функция. Второй аспект определяется реакцией элемента на входные ( статические или динамические ) воздействия при времязависимом отображении , т.е. когда -

функционал или оператор, зависящий от времени .

При изложенных условиях КММ рассматриваемого уровня абстракции представляется кортежем, включающем следующие четыре компоненты

( 8 )

Отметим, что на данном уровне представления КММ время указывает на факт

наличия динамических свойств, но не характеризует их конкретно.

КММ уровня параметрической динамики

Последний - пятый уровень дедуктивного представления КММ функционирования системного элемента , определяемый как уровень параметрической динамики, включает все рассмотренные ранее аспекты модели, представляемые кортежем ( 1 )

.

В КММ рассматриваемого уровня выполняются условия концептуальной полноты представления функциональных свойств элемента . Интерпретация та- кой модели на семантическом, синтаксическом, качественном и количественном уровнях дает возможность порождать ( генерировать ) любые конкретные математические модели функционирования системного элемента.

Отметим, что выражения ( 1 ), ( 2 ), ( 3 ), ( 7 ) и ( 8 ) могут быть представлены в форме традиционных аналитических зависимостей вида

( 9 )

Выводы

Таким образом, концептуальное метамоделирование функционирования системного элемента на основе дедуктивного подхода приводит к пятиуровневой иерархии моделей, представленной на рис. .

Практическое использование представленных выше КММ для моделирования функций системных элементов осуществляется посредством их ретрансляции в тер-минах выбранного математического языка и последующей интерпретации на четырех перечисленных выше уровнях конкретизации.