Компьютерное моделирование работы органов что позволяет выявить

Обновлено: 10.01.2025

Компьютерное моделирование (КМ) - это создание модели, отличной от реальной, но приближенной к ней, с помощью компьютерной техники и программного обеспечения.

Эта технология нашла широкое применение для изучения сложных систем и предположительной оценки их поведения. Зачастую проведение таких оценочных экспериментов в реальной жизни либо требует больших финансовых затрат, либо опасно для жизни людей, а результаты могут быть непредсказуемыми. Также компьютерное моделирование позволяет решить важную задачу выявления факторов, влияющих на свойства системы. Это достигается модификацией начальных ее параметров и исследования отклика модели.

Процесс компьютерного моделирования проводится в 2 этапа: первым является создание качественной модели, то есть наделение модели, как можно большим количеством свойств и параметров, присущих изучаемому объекту. Второй этап заключается в создании количественной модели.

Компьютерное моделирование нашло активное применение во многих отраслях жизни человека: политике и военном деле, транспорте, промышленности, экологии, финансах, медицине. К примеру, прогнозирование погоды и климата, конструирование транспортных средств, имитация краш-тестов, прогнозирование цен на финансовых рынках, моделирование роботов, а также театра военных действий в современном мире происходит именно с помощью компьютерного моделирования. А непосредственно в медицине оно помогает успешно решать такие задачи, как моделирование результатов пластических операций, моделирование эпидемий и пандемий, дизайн лекарственных средств, моделирование анатомических структур и виртуальное моделирование операций.

Но как же это происходит? Например, для того, чтобы смоделировать результат пластической операции или анатомические структуры, сперва необходимо получить 2D-снимки и затем произвести 3D- реконструкцию с помощью компьютерной техники. Для этого активно используются следующие методы лучевой диагностики: мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ) с контрастированием, магнитно-резонансная томография (МРТ), рентгеновская КТ.

Особенно важное значение имеет применение компьютерного моделирования в фармации. Современный дизайн лекарственных средств (или драг дизайн) невозможно себе представить без первичной разработки на компьютерах. Разберемся с этим подробнее.

Суть лекарства — то есть, то, что помогает человеку выздороветь — заключается в активном веществе. Вкупе с разнообразными химическими добавками оно может стать, например, удобной для проглатывания таблеткой. Говоря о лекарствах далее, мы будем иметь в виду их активные вещества. Чаще всего мишенями для лекарств являются белки, которые участвуют в определенном каскаде химических реакций и вносят большой вклад в развитие болезни. Но белки - большие по размеру молекулы, поэтому мало просто определить белок-мишень, важно найти на нем определенное место, которые называется активным центром. Только при взаимодействии с этим конкретным участком правильно подобранное лекарство приведет к желаемому результату - улучшению самочувствия или выздоровлению.

В среднем на разработку одного лекарства тратится от 1 до 2,5 млрд долларов и около 10–15 лет. Если мы уже знаем белок-мишень и тем более его активный сайт, то для первичного отбора молекул — кандидатов в лекарства можно провести компьютерный виртуальный скрининг или высокопроизводительный экспериментальный скрининг. Последнее значительно дороже, поэтому первично чаще используют именно компьютерный виртуальный скрининг. Он подразумевает под собой применение молекулярного докинга («стыковки»). Его суть заключается в моделировании взаимного расположения малой исследуемой молекулы и белка- мишени. С помощью специальной функции, приближенно описывающей энергию взаимодействия малой молекулы с белком-мишенью, программа докинга ранжирует исследуемые вещества. Используя ее результаты, можно выкинуть из дальнейшего рассмотрения вещества с плохими значениями функции взаимодействия относительно некоторого пограничного значения. Так как мы проверим соединения на этапе виртуального скрининга, в экспериментальную проверку попадет уже «обогащенный» набор соединений, то есть тех, что с большей вероятностью будут иметь лекарственную активность.

Таким образом, рациональный дизайн лекарств начинается с компьютера.

До настоящего времени основной сферой применения САПР являлись различные отрасли машиностроения, промышленные системы. Для решения медицинских и биологических задач САПР еще не применялись. Представляем вашему вниманию работу, выполненную сотрудниками Медицинской академии последипломного образования с помощью представительства фирмы Delcam plc (Великобритания) в Санкт-Петербурге.

Целью этой работы являлось создание трехмерной компьютерной модели органов шеи, груди и живота, которая позволила бы ответить на большинство вопросов, встающих перед хирургом при проведении операций на щитовидной железе, легких, печени, желудке и желчном пузыре. Для решения задач оперативной хирургии на базе системы DUCT фирмы Delcam plc был разработан объемный компьютерный атлас анатомии легких, верхнего этажа брюшной полости и органов шеи.

Строение внутренних органов и систем, а тем более целых анатомических областей, таких как шея, грудь и живот, является очень сложным. Выполнение любого хирургического вмешательства требует точного представления о деталях анатомических соотношений отдельных артерий, вен, нервов, желчных протоков, частей бронхиального дерева.

Любые операции на легких основаны на точном знании пространственных особенностей строения. В то же время строение легких в высшей степени вариабельно, а элементы строения — артерии и вены, которые приходится перевязывать или оставлять без пересечения, — расположены так близко друг к другу, что вероятность их неправильной идентификации очень велика. Выполнение сложных реконструктивных оперативных вмешательств на трахее и бронхах требует учета индивидуальных особенностей человека. Диагностические пункции опухолей легких через грудную стенку требуют аналитически точного описания строения и расчета с высокой степенью точности, чтобы не повредить при проколе легочные артерии и вены.

Специфика оперативных вмешательств на органах живота иная. Сосудов и анатомических вариантов здесь значительно меньше, чем в легких. Однако при выполнении операции лапароскопическим методом все манипуляции осуществляются в ограниченном поле зрения через полые трубки, без возможности определить анатомические элементы на ощупь. Кроме того, при лапароскопических операциях резко возрастает риск повреждения отдельных сосудов. Повреждение сосуда даже малого диаметра из-за трудноустранимого кровотечения требует прекращения эндовидеохирургической операции и перехода на выполнение ее открытым методом.

Область шеи характеризуется тем, что в ней располагаются жизненно важные органы и структуры: гортань, трахея, пищевод, сонные артерии и яремные вены, щитовидная железа, множество ветвей сосудов и нервов не только самой шеи, но и тех, которые распространяются на верхние конечности. Сложность операций на шее определяется не только непосредственной близостью органов и других анатомических структур друг к другу, но и особой подвижностью и смещаемостью этих структур, нарушающей привычные хирургу соотношения. Указанные особенности могут быть смоделированы на соответствующих компьютерных моделях и просмотрены как в процессе подготовки, так и непосредственно перед операцией.

В процессе подготовки к оперативному вмешательству хирург использует все доступные ему графические материалы, чаще всего содержащиеся в атласах и руководствах. Однако имеющиеся атласы из всех возможных вариантов строения содержат только часть наиболее типичных, к тому же представленных в двухмерном изображении.

В то же время современные способы диагностики с использованием ультразвука, компьютерной томографии, ядерного магнитного резонанса позволяют определить локализацию патологического очага с точностью до 1 мм. Чаще всего результатом исследований является срез по плоскости, проходящий через этот очаг и содержащий изображения артерий, вен, нервов и других элементов, лежащих в данном срезе. Однако опознать большинство из них не представляется возможным вследствие подобия форм и размеров. Получение трехмерных реконструкций при данных методах обследования возможно, но воспроизвести полученную трехмерную модель на персональном компьютере нельзя вследствие избыточного объема информации.

Для решения задач биологии и медицины разработано множество компьютерных пакетов, содержащих изображения внутренних органов, сосудов и нервов, других анатомических структур. Компьютерные модели, используемые в пакетах, как правило, двухмерные, но встречаются и трехмерные реконструкции. Последние содержат такие программы, как 3D-Body Adventure (США), Advantage Windows (США), ADAM (Великобритания), Corps Human (Франция). Наиболее известная программа Body Voyage (США), созданная в рамках исследования Visible Human Project (США), была построена по данным 1800 одномиллиметровых поперечных срезов человеческого тела. Точечная трехмерная модель тела человека потребовала 15 Гбайт компьютерной памяти. В основе большинства указанных программ лежит использование художественных графических пакетов с записью всех точек всех поверхностей в пространстве.

Основным требованием, которому должны отвечать компьютерные модели строения человека, является количество анатомических элементов, составляющих каждый внутренний орган. Необходимо наличие графических образов различных анатомических вариантов, так как типичные варианты специалистам хорошо известны. Если каждый анатомический элемент представлен в компьютерной модели в виде отдельного пространственного тела, возможно динамическое моделирование различных операций.

Известные пакеты отвечают этим требованиям в очень малой степени. Для них характерны ограниченные возможности построения виртуальных моделей, освоения хирургической техники, рассмотрения моделей на разных этапах операции. В то же время использование систем трехмерного поверхностного моделирования, применяемых в машиностроении (CAD/CAM-системы), позволяет реализовать эти требования.

Как во всех подобных исследованиях, конкретные данные были получены при изучении анатомических материалов. Все анатомические структуры легких (бронхи, артерии и вены легких) были представлены в аналитической форме, характеризующей их пространственное положение. Для создания компьютерной модели органов груди в аналитической форме было записано положение аорты, пищевода, трахеи, сердца и магистральных сосудов. Полученные показатели характеризовали не только типовое строение легких, но и множество анатомических вариантов, то есть то, что наиболее важно для хирурга. Аналитическое описание анатомии легких послужило основой построения их трехмерной компьютерной модели.

Трехмерная графическая компьютерная модель, содержащая несколько десятков вариантов строения правого и левого легкого, была выполнена с помощью пакета DUCT. Вследствие сложной пространственной локализации сосудов легких с большим количеством изгибов модель каждой артерии или вены содержала не менее пяти промежуточных сечений. Бронхи не имеют изгибов, поэтому для каждого бронха потребовалось записать только два сечения. Разветвления бронхов моделировались с помощью стандартной процедуры, имеющейся в исходном пакете. Разработанная модель позволила последовательно воспроизвести отдельные бронхи, бронхиальное дерево целиком, а затем в уже готовое изображение встроить ветви легочных артерий и вен с учетом реальной трехмерной структуры легких. Такая модель позволяет при подготовке легко запомнить, а в ходе операции опознать все анатомические элементы сложной структуры.

Компьютерное моделирование органов брюшной полости, особенно верхнего этажа брюшной полости, было направлено на решение задач, выдвигаемых при выполнении различных операций на желчном пузыре, печени и желудке. Так же как и в случае легких, моделирование основывалось на морфометрии анатомических материалов. Компьютерная модель печени воспроизвела очень сложный рельеф поверхности органа. В системе DUCT5 были смоделированы все известные варианты строения сосудов и желчных протоков, на которых осуществляется операция удаления желчного пузыря и правильность определения которых обеспечивает успех или неудачу при выполнении операции. Основным направлением в данном случае является применение модели при планировании лапароскопических холецистэктомий, в определении точек введения инструментов, в воспроизведении хода этой операции, в компьютерном отображении индивидуального строения желчных протоков по данным холангиографии.

Виртуальная модель шеи была разработана для обучения прежде всего операциям на щитовидной железе. В этой модели отразились не только особенности топографии сосудов и нервов по отношению к железе, но и конфигурация железы, соответствующая определенной степени ее диффузного увеличения.

Вид изображения, максимально имитирующий естественный, был получен благодаря имеющимся в пакете DUCT5 средствам окрашивания (материал, цвет, количество и расположение источников света). Для окрашивания сосудов были подобраны характерные для оригинала оттенки красного цвета, коэффициенты отражения и полировки материала. Желчный пузырь и желчные протоки получили окраску зеленого цвета. Окрашивание бронхов выполнено в оттенках белого, серого и черного цветов чередованием горизонтальных полос. Все трехмерные компьютерные модели отобразили многослойную структуру органов, с учетом индивидуальных особенностей анатомического строения.

Разработанные в пакете DUCT5 трехмерные модели с помощью гибких средств редактирования и модификации поверхностей позволили имитировать произвольные пространственные трансформации, моделировать возможные смещения анатомических структур во время операций. Это существенно отличает полученные модели от графических мультимедийных приложений.

Компьютерная анатомия, отражающая трехмерное анатомическое строение, была использована для разработки системы виртуального моделирования операций с позиции анатомических и технических обоснований. Повороты графических моделей органов на произвольный угол вокруг выбранной оси, применение операций масштабирования обеспечили воспроизведение архитектоники сосудов, бронхов и желчных протоков из различных хирургических доступов или одновременно из нескольких. Многооконный режим работы пакета DUCT позволил сопоставлять в разных окнах дисплея ход операции при разных вариантах анатомического строения и разных способах ее выполнения.

В настоящей разработке была использована возможность пакета DUCT5 размещать различные фрагменты модели на разных слоях, а затем послойно визуализировать эту «многослойную» модель, в нашем случае состоящую из отдельных очень важных анатомических элементов. Встроенный командный язык позволил написать командные файлы для управления процессом визуализации. В результате на базе синтезированной трехмерной модели были получены программы моделирования этапов операций на легких, желчном пузыре, щитовидной железе с последовательным удалением и добавлением анатомических элементов. Моделирование хода операций в трехмерной среде DUCT позволяет заранее определить возможные опасности хирургического вмешательства при разных способах его выполнения и особых вариантах анатомического строения. Только использование трехмерной многослойной модели позволяет предвидеть хирургические опасности, связанные с повреждением артерии, вены, желчного протока, располагающихся в глубине тканей, что может привести к тяжелому кровотечению и в конечном счете к проведению операции значительно большего объема.

Применение трехмерного моделирования позволило проводить измерения длин, углов и диаметров всех анатомических элементов в исходном состоянии и при пространственных трансформациях, что имеет существенное значение в оценке выполнимости сложных реконструктивных вмешательств, в определении оптимального способа. Вследствие получения по данным инструментальных исследований длину проекции анатомического элемента на перпендикулярные плоскости, в трехмерной модели органа имеется возможность определить длину самого элемента. Для проведения биопсии органов с помощью компьютерной модели вычисляются необходимые расстояние и угол, определяются координаты для выполнения прецизионных пункций.

Разработанные трехмерные компьютерные модели позволили провести структурный графический анализ строения органов, определить закономерности формирования множества вариантов их строения. Выявление таких закономерностей строения позволяет определить оптимальную технику выполнения различных вмешательств, исходя из конкретной, а не усредненной пространственной конфигурации.

Разработанные трехмерные компьютерные модели, выполненные с применением системы DUCT5, были использованы в процессе последипломного обучения врачей. Тестирование врачей-хирургов показало, что эффективность использования компьютерной анатомии данного типа в обучении в 2,5 раза выше, чем традиционных средств.

Таким образом, виртуальная картина органов и областей тела человека, полученная с помощью системы трехмерного моделирования DUCT5, соответствует анатомическому строению. Синтезированные компьютерные модели служат основой для решения задач предоперационного планирования и моделирования хода будущей операции с учетом многих технических и анатомических особенностей. Разработанная система обладает информационными возможностями, которые можно использовать в учебном процессе по анатомии и оперативной хирургии любой области человеческого тела, для создания интерактивных компьютерных атласов и учебных курсов. Имеющаяся в пакете DUCT5 возможность записи моделей в формате VRML позволяет использовать ее в глобальной сети Internet, применяя, например, пакет Cosmo Player. Это позволяет широко использовать данные разработки как справочные пособия в хирургических отделениях и хирургических центрах.

С выходом новой версии системы трехмерного моделирования фирмы Delcam plc — PowerSHAPE — возможности использования описанных разработок в медицинских учреждениях значительно расширились: стандартный персональный компьютер с операционной системой Microsoft Windows NT в качестве рабочей станции; очень простой графический интерфейс пользователя, основанный на технологии интеллектуального курсора; возможность обмена данными с внешними приложениями через OLE-интерфейс; возможность непосредственного ввода трехмерных данных с помощью координатно-измерительного манипулятора; наличие бесплатного «просмотрщика» (PowerSHAPE Viewer) для ранее созданных моделей и т.д. В перспективе рассматривается проект выпуска компьютерного атласа шеи, легких и верхнего этажа брюшной полости на CD-диске.

Модели́рование работы— исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

Новые вопросы в Биология

переваження земноводних (амфібій) над іншими группами

3. У каких растений запас питательных веществ содержится только в эндосперме? А) двудольных В) однодольных С) многолетних E) деревьев D) трав 4. После … вымачивания в воде муки (удаления из нее крахмала) в марлевом мешочке остаются: А) белки В) только жиры С) минеральные соли D) углеводы E) только нуклеиновые кислоты 5. Если вес прорастающих семян гороха равен 6 кг, то чему был равен их вес до замачивания? А) 2 кг В) 3 кг C) 4 кг D) 5 кг E) 6 кг

Очень прошу , помогите. Заполните таблицу.Только не пишите ерунду и спам,если будет всё написано правильно дам лучший ответ.Если фотку плохо видно, т … о просто увеличьте будет хорошо видно

При археологических раскопках в одном из соборов Московского Кремля была вскрыта народницам скелета Ивана Грозного. По найденому черепу был восстановл … ен его портрет (до этого не было известно ни одного портрета царя) Каким образом удалось это сделать?

Очень прошу , помогите. Заполните таблицу.Только не пишите ерунду и спам, если будет всё написано правильно дам лучший ответ.Если фотку плохо видно, … то просто увеличьте будет хорошо видно

Изучи текст параграфа 15" Внешнее строение корня.Типы корневых систем",выясни как правильно говорить"корень" или "корневая система".Запомни виды корне … й,образующих корневую систему и откуда они образуются.Сделай соотвествущие записи

Моделирование является одним из способов познания мира.

Понятие моделирования достаточно сложное, оно включает в себя огромное разнообразие способов моделирования: от создания натуральных моделей (уменьшенных и или увеличенных копий реальных объектов) до вывода математических формул.

Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания.

Объект, который получается в результате моделирования, называется моделью . Должно быть понятно, что это совсем не обязательно реальный объект. Это может быть математическая формула, графическое представление и т.п. Однако он вполне может заменить оригинал при его изучении и описании поведения.

Хотя модель и может быть точной копией оригинала, но чаще всего в моделях воссоздаются какие-нибудь важные для данного исследования элементы, а остальными пренебрегают. Это упрощает модель. Но с другой стороны, создать модель – точную копию оригинала – бывает абсолютно нереальной задачей. Например, если моделируется поведение объекта в условиях космоса. Можно сказать, что модель – это определенный способ описания реального мира.

Создание модели.
Изучение модели.
Применение результатов исследования на практике и/или формулирование теоретических выводов.

Видов моделирования огромное количество. Вот некоторые примеры типов моделей:

Математические модели . Это знаковые модели, описывающие определенные числовые соотношения.

Графические модели. Визуальное представление объектов, которые настолько сложны, что их описание иными способами не дает человеку ясного понимания. Здесь наглядность модели выходит на первый план.

Имитационные модели. Позволяют наблюдать изменение поведения элементов системы-модели, проводить эксперименты, изменяя некоторые параметры модели.

Над созданием модели могут работать специалисты из разных областей, т.к. в моделировании достаточно велика роль межпредметных связей.

Совершенствование вычислительной техники и широкое распространение персональных компьютеров открыло перед моделированием огромные перспективы для исследования процессов и явлений окружающего мира, включая сюда и человеческое общество.

Компьютерное моделирование – это в определенной степени, то же самое, описанное выше моделирование, но реализуемое с помощью компьютерной техники.

Для компьютерного моделирования важно наличие определенного программного обеспечения.

При этом программное обеспечение, средствами которого может осуществляться компьютерное моделирование, может быть как достаточно универсальным (например, обычные текстовые и графические процессоры), так и весьма специализированными, предназначенными лишь для определенного вида моделирования.

Очень часто компьютеры используются для математического моделирования. Здесь их роль неоценима в выполнении численных операций, в то время как анализ задачи обычно ложится на плечи человека.

Обычно в компьютерном моделировании различные виды моделирования дополняют друг друга. Так, если математическая формула очень сложна, что не дает явного представления об описываемых ею процессах, то на помощь приходят графические и имитационные модели. Компьютерная визуализация может быть намного дешевле реального создания натуральных моделей.

С появлением мощных компьютеров распространилось графическое моделирование на основе инженерных систем для создания чертежей, схем, графиков.

Если система сложна, а требуется проследить за каждым ее элементом, то на помощь могут придти компьютерные имитационные модели. На компьютере можно воспроизвести последовательность временных событий, а потом обработать большой объем информации.

Однако следует четко понимать, что компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.

Одной из важных проблем в области разработки и создания современных сложных технических систем является исследование динамики их функционирования на различных этапах проектирования, испытания и эксплуатации. Сложными системами называются системы, состоящие из большого числа взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. При исследовании сложных систем возникают задачи исследования как отдельных видов оборудования и аппаратуры, входящих в систему, так и системы в целом.

К разряду сложных систем относятся крупные технические, технологические, энергетические и производственные комплексы.

При проектировании сложных систем ставится задача разработки систем, удовлетворяющих заданным техническим характеристикам. Поставленная задача может быть решена одним из следующих методов:

методом синтеза оптимальной структуры системы с заданными характеристиками;
методом анализа различных вариантов структуры системы для обеспечения требуемых технических характеристик.

Оптимальный синтез систем в большинстве случаев практически невозможен в силу сложности поставленной задачи и несовершенства современных методов синтеза сложных систем. Методы анализа сложных систем, включающие в себя элементы синтеза, в настоящее время достаточно развиты и получили широкое распространение.

Любая синтезированная или определенная каким-либо другим образом структура сложной системы для оценки ее показателей должна быть подвергнута испытаниям. Проведение испытаний системы является задачей анализа ее характеристик. Таким образом, конечным этапом проектирования сложной системы, осуществленного как методом синтеза структуры, так и методом анализа вариантов структур, является анализ показателей эффективности проектируемой системы.

Среди известных методов анализа показателей эффективности систем и исследования динамики их функционирования следует отметить:

аналитический метод;
метод натуральных испытаний;
метод полунатурального моделирования;
моделирование процесса функционирования системы на ЭВМ.

Строгое аналитическое исследование процесса функционирования сложных систем практически невозможно. Определение аналитической модели сложной системы затрудняется множеством условий, определяемых особенностями работы системы, взаимодействием ее составляющих частей, влиянием внешней среды и т.п.

Натуральные испытания сложных систем связаны с большими затратами времени и средств. Проведение испытаний предполагает наличие готового образца системы или ее физической модели, что исключает или затрудняет использование этого метода на этапе проектирования системы.

Широкое применение для исследования характеристик сложных систем находит метод полунатурального моделирования. При этом используется часть реальных устройств системы. Включенная в такую полунатуральную модель ЭВМ имитирует работы остальных устройств системы, отображенных математическими моделями. Однако в большинстве случаев этот метод также связан со значительными затратами и трудностями, в частности, аппаратной стыковкой натуральных частей с ЭВМ.

Исследование функционирования сложных систем с помощью моделирования их работы на ЭВМ помогает сократить время и средства на разработку.

Затраты рабочего времени и материальных средств на реализацию метода имитационного моделирования оказываются незначительными по сравнению с затратами, связанными с натурным экспериментом. Результаты моделирования по своей ценности для практического решения задач часто близки к результатам натурного эксперимента.

Метод имитационного моделирования основан на использовании алгоритмических (имитационных) моделей, реализуемых на ЭВМ, для исследования процесса функционирования сложных систем. Для реализации метода необходимо разработать специальный моделирующий алгоритм. В соответствии с этим алгоритмом в ЭВМ вырабатывается информация, описывающая элементарные процессы исследуемой системы с учетом взаимосвязей и взаимных влияний. При этом моделирующий алгоритм сроится в соответствии с логической структурой системы с сохранением последовательности протекаемых в ней процессов и отображением основных состояний системы.

Основными этапами метода имитационного моделирования являются:

моделирование входных и внешних воздействий;
воспроизведение работы моделируемой системы (моделирующий алгоритм);
интерпретация и обработка результатов моделирования.

Перечисленные этапы метода многократно повторяются для различных наборов входных и внешних воздействий, образуя внутренний цикл моделирования. Во внешнем цикле организуется просмотр заданных вариантов моделируемой системы. Процедура выбора оптимального варианта управляет просмотром вариантов, внося соответствующие коррективы в имитационную модель и в модели входных и внешних воздействий.

Процедура построения модели системы, контроля точности и корректировки модели по результатам машинного эксперимента задает и затем изменяет блок и внутреннего цикла в зависимости от фактических результатов моделирования. Таким образом, возникает внешний цикл, отражающий деятельность исследователя по формированию, контролю и корректировке модели.

Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности. Исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия, быть подверженной влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы, описываться весьма громоздкими соотношениями и т.п. Метод не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменять значения параметров исследуемых систем и начальных условий. Эффективность метода имитационного моделирования тем более высока, чем на более ранних этапах проектирования системы он начинает использоваться.

Следует, однако, помнить, что метод имитационного моделирования является численным методом. Его можно считать распространением метода Монте-Карло на случай сложных систем. Как любой численный метод, он обладает существенным недостатком – его решение всегда носит частный характер. Решение соответствует фиксированным значениям параметров системы и начальных условий. Для анализа системы приходится многократно моделировать процесс ее функционирования, варьируя исходные данные модели. Таким образом, для реализации имитационных моделей сложной модели необходимо наличие ЭВМ высокой производительности.

Для моделирования системы на ЭВМ необходимо записывать моделирующий алгоритм на одном из входных языков ЭВМ. В качестве входных языков для решения задач моделирования могут быть с успехом использованы универсальные алгоритмические языки высокого уровня, Си, Паскаль и др.

Анализ развития наиболее сложных технических систем позволяет сделать вывод о все более глубоком проникновении ЭВМ в их структуру. Вычислительные машины становятся неотъемлемой, а зачастую и основной частью таких систем. Прежде всего это относится к сложным радиоэлектронным системам. Среди них различные автоматические системы, в том числе системы автоматической коммутации (электронные АТС), системы радиосвязи, радиотелеметрические системы, системы радиолокации и радионавигации, различные системы управления.

При построении таких систем в значительной степени используются принципы и структуры организации вычислительных машин и вычислительных систем (ВС). Характерной особенностью является наличие в системах нескольких процессоров, объединенных различными способами в специализированную ВС. При этом осуществляется переход от «жесткой» логики функционирования технических систем к универсальной «программной» логике. В силу этого все более значительную роль в таких системах, наряду с аппаратными средствами, играет специализированное системное и прикладное программное обеспечение.

На этапах разработки, проектирования, отладки и испытания сложных систем с высоким удельным весом аппаратно-программных средств вычислительной техники ставится задача анализа и синтеза вариантов организации структуры аппаратных средств, а также разработки и отладки специализированного ПО большого объема. Эта задача может быть решена с помощью аппаратно-программного моделирования с использованием универсальных моделирующих комплексов, построенных на базе однородных ВС с программируемой структурой.

Аппаратно-программное моделирование можно считать частным случаем полунатурного моделирования. На первом этапе разрабатывается концептуальная модель заданного класса систем на основе анализа типовых процессов, структур и аппаратных блоков. Концептуальная модель реализуется на аппаратно-программных средствах моделирующего комплекса. При этом моделирующий комплекс может настраиваться на соответствующую структуру системы программным путем за счет возможности программирования структуры используемой микропроцессорной ВС. Часть аппаратных и программных средств микропроцессорной ВС моделирующего комплекса непосредственно отражает аппаратно-программные средства, входящие в исследуемую систему (аппаратное моделирование), другая часть реализует имитационную модель функциональных средств исследуемой системы, внешней обстановки, влияния помех и т.п. (программное моделирование).

Разработка аппаратно-программных моделирующих комплексов является сложной технической задачей. Несмотря на это, применение таких комплексов находит все большее распространение. При достаточной производительности вычислительных средств комплекса процесс исследования системы может вестись в реальном масштабе времени. В составе комплекса могут использоваться как универсальные микроЭВМ общего назначение, так и вычислительные средства, непосредственно входящие в исследуемую систему. Подобные моделирующие комплексы являются универсальными стендами для разработки и отладки аппаратно-программных средств, проектируемых систем заданного класса. Они могут использоваться в качестве тренажеров по обучению обслуживающего персонала.

Читайте также: