Одной из черт сложного поведения является наличие у системы нескольких качественно различных, последовательно сменяющих друг друга во времени, поведений (режимов функционирования). Такое сложное поведение можно реализовать, если описать всю совокупность допустимых, простых, в некотором смысле, частных поведений (возможно, это будет иерархическая структура), и указать правила переключения с одного поведения на другое. Организованная таким образом, сложная динамическая система в каждый конкретный момент времени ведет себя как некоторая простая динамическая система.

Каждое конкретное поведение можно отождествить со значением некоторой дискретной переменной, а мгновенные переключения текущего поведения - с дискретными событиями. Для передачи информации о дискретных событиях в другие блоки используют специальные переменные - сигналы. Набор дискретных состояний вместе с условиями переходов из одного состояния в другое образует обычное дискретное поведение. В моменты переходов могут происходить мгновенные скачкообразные изменения значений переменных. Поскольку в каждом из дискретных состояний элементарный блок ведет себя как некоторая непрерывная система, то поведение блока в целом является непрерывно-дискретным или гибридным.

Граф переходов, узлам которого приписаны некоторые непрерывные отображения, а дугам – условия переходов и выполняемые действия, называется гибридным автоматом.

Рис. 2.2 Гибридный автомат системы контроля газовой безопасности

В настоящее время для формального описания дискретных "машин состояний" стандартом стала "карта состояний" (statechart), придуманная Д.Харелом [11] и "канонизированная" в стандарте UML[12].

Карта состояний, узлам которой приписаны некоторые непрерывные отображения, называется гибридной картой состояний.

Гибридная карта состояний представляет собой простую и очень наглядную форму визуального представления смены поведений.

Следует отметить, что существуют также системы, которые можно назвать "скрытыми гибридными". Внешне они могут выглядеть как непрерывные, но использовать в правых частях уравнений переменные, имеющие разрывы значений. Причинами этих разрывов (о которых, кстати, пользователь может и не подозревать) могут быть разного рода "нехорошие" функции, соединение непрерывных и чисто дискретных блоков, интерактивное воздействие пользователя.

Структурно-сложная гибридная система

Объединяя структурно-сложные системы и гибридные, получаем новый тип сложных систем - а именно, структурно-сложные гибридные системы. Их главная черта - параллельное функционирование нескольких гибридных систем иерархической структуры.

Такая система получается при соединении функциональными связями блоков, представляющих собой гибридные системы. Нахождение эквивалентной простой динамической системы аналогично процедуре, описанной выше, но выполняться оно должно не один раз, а всякий раз при смене частного поведения в любом из блоков. Это чрезвычайно затрудняет использование гибридных неориентированных блоков (напомним, что для неориентированных блоков при определении эквивалентной системы нужно проводить символьное преобразование набора уравнений).

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование — это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью.

К имитационному моделированию прибегают, когда:

· дорого или невозможно экспериментировать на реальном объекте;

· невозможно построить аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные, дискретные события;

· необходимо сымитировать поведение системы 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 (англ. «simulation modeling») исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов. Надо отметить, что если в английском языке термин имеет вполне четкий смысл, ибо симуляция и моделирование не являются синонимами, то по-русски имитационная модель - это нонсенс. Любая модель, в принципе, имитационная, ибо она имитирует реальность.

Указывая, что данная модель имитационная, обычно подчеркивается, что в отличие от других типов абстрактных моделей, в этой модели сохранены и легко узнаваемы такие черты моделируемого объекта, как структура, связи между компонентами, способ передачи информации. С имитационными моделями также обычно связывают и требование иллюстрации их поведения с помощью принятых в данной прикладной области, графических образов.

С учетом последнего замечания, имитационная модель рассматривается как специальная форма математической модели, в которой:

· декомпозиция системы на компоненты производится с учетом структуры проектируемого или изучаемого объекта;

· в качестве законов поведения, могут использоваться экспериментальные данные, полученные в результате натурных экспериментов;

· поведение системы во времени иллюстрируется заданными динамическими образами.