• Главная
  •  > 
  • Новости
  •  > 
  • Понятие модели, ее функции. Общая классификация моделей

Понятие модели, ее функции. Общая классификация моделей

ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ МОДЕЛЕЙ КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛАССИФИКАЦИЯ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ И ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СПОСОБУ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Материальные и информационные модели Знаковые и вербальные информационные модели Компьютерные и некомпьютерные модели Контрольные вопросы

ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ КЛАССИФИКАЦИИ МОДЕЛЕЙ

В предыдущем параграфе вы познакомились с объектами моделирования и убедились в их многообразии. Оно зависит от разнообразия как объектов, так и их конкретных моделей.

Как разложить все это многообразие «по полочкам», т. е. классифицировать? В различных областях науки вы уже сталкивались с классификацией. Например, в биологии и зоологии - это систематика растений и животных, в химии - Периодическая таблица Менделеева, в грамматике - классификация слов по частям речи .

С чего начинается классификация? Любая систематизация - это разделение объектов на «родственные» группы, имеющие один или несколько общих признаков. Здесь важно прежде всего правильно выделить некий единый признак (параметр), а затем объединить те объекты, у которых он совпадает.

Например, вы рассматриваете акварель - пейзаж возле реки. Чтобы сгруппировать изображенные на ней объекты, сначала следует определить основной, объединяющий их признак, предположим, желтый цвет. Затем надо выделить те объекты, которые соответствуют такому признаку. В группу войдут: солнце, одуванчики, песок. То же самое можно сделать и с моделями.

Рассмотрим наиболее распространенные признаки, по которым классифицируются модели:

    область использования; учет в модели временного фактора (динамики); отрасль знаний; способ представления моделей.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Если рассматривать модели с позиции для чего, с какой целью они используются, то можно применять классификацию, изображенную на рис. 1.

Рис. 1. Классификация моделей по области использования

Учебные модели - это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные модели - это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Их называют также натурными и используют для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик.

Например, модель корабля испытывается в бассейне для определения устойчивости судна при качке, а уменьшенная копия автомобиля «продувается» в аэродинамической трубе для изучения обтекаемости его кузова. На модели проверяется каждый элемент конструкции здания, а модель гидростанции еще при разработке проекта помогает решить гидротехнические, экологические и многие другие проблемы.

Научно-технические модели создают для исследования процессов и явлений. К ним можно отнести, например, и синхротрон - ускоритель электронов, и прибор, имитирующий разряд молнии, и стенд для проверки телевизоров.

Игровые модели - это военные, экономические, спортивные, деловые игры . Они как бы репетируют поведение объекта в различных ситуациях, проигрывая их с учетом возможной реакции со стороны конкурента, союзника или противника. Игровые модели позволяют оказывать психологическую помощь больным либо разрешать конфликтные ситуации.

Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперимент либо многократно повторяется, чтобы изучить и оценить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разные условия. Подобный метод выбора правильного решения называется методом проб и ошибок. К примеру, в ряде опытов на мышах испытывается новое лекарственное средство, чтобы выявить побочные действия и уточнить дозировки.

Другим примером такого моделирования могут служить эксперименты в обычных школах. Предположим, хотят ввести новый предмет «Основы вождения». Выбирают ряд школ для эксперимента. В одной учат водить грузовик, в другой - собранный учащимися легковой автомобиль, а в третьих все сводится к знакомству с правилами дорожного движения (моделирование различных ситуаций на дорогах). Регулярная проверка занятий и анализ результатов внедрения нового предмета во множестве классов помогает сделать вывод о целесообразности такого предмета во всех школах страны.

КЛАССИФИКАЦИЯ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ И ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Как уже упоминалось, одна из классификаций связана с фактором времени. Модели можно разделить на статические и динамические (рис. 2) по тому, как отражается в них динамика происходящих процессов.

Рис. 2. Классификация моделей по временному фактору

Статическая модель - это как бы одномоментный срез информации по объекту. Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает картину состояния их ротовой полости на данный момент времени: число молочных и постоянных зубов, пломб, дефектов и т. п.

Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени. В примере с поликлиникой карточку школьника, отражающую изменения, происходящие с его зубами за многие годы, можно считать динамической моделью.

При строительстве дома рассчитывают прочность и устойчивость к постоянной нагрузке его фундамента, стен, балок - это статическая модель здания. Но еще надо обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Это можно решить с помощью динамических моделей.

Как видно из примеров, один и тот же объект возможно изучать, применяя и статическую и динамическую модели.

Можно классифицировать модели и по тому, к какой области знаний они принадлежат (биологические, социологические, исторические и т. п.), и по множеству других факторов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СПОСОБУ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Подробнее рассмотрим классификацию всего многообразия моделей по способу представления. Ее схема показана на рис. 3.

Рис. 3. Классификация моделей по способу представления

Как видим, здесь модели делятся на две большие группы: материальные и информационные . Названия этих групп как бы показывают, из чего «сделаны» модели.

Материальные и информационные модели

Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение.

Самые простые примеры материальных моделей - детские игрушки. По ним ребенок получает первое представление об окружающем мире. Двухлетний малыш играет с плюшевым медвежонком. Когда, спустя годы, ребенок увидит в зоопарке настоящего медведя, он без труда узнает его.

Материальные модели - это, к примеру, чучела птиц в кабинете биологии, карты при изучении истории и географии, схемы солнечной системы и звездного неба на уроках астрономии , макет многоступенчатой ракеты и еще многое другое.

Материальные модели - это не только школьные пособия, но и различные физические и химические опыты. В них моделируются процессы , например реакция между водородом и кислородом. Такой опыт сопровождается оглушительным хлопком. Модель предупреждает о последствиях возникновения «гремучей смеси» из безобидных и широко распространенных в природе веществ.

Подобные модели реализуют материальный подход к изучению объекта, явления или процесса.

Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности.

Информационная модель - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

Знаковые и вербальные информационные модели

Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разный объем и форму представления, выражаться различными средствами. Это многообразие настолько безгранично, насколько велики возможности каждого человека и его фантазии.

К информационным моделям можно отнести вербальные (от лат. «verbalis» - устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка.

Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы... Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

Согласно легенде, яблоко, упавшее на голову Ньютону, вызвало в его сознании мысль о земном притяжении. И только впоследствии эта мысль оформилась в закон, т. е. обрела знаковую форму.

Человек прочитал текст, объясняющий некоторое физическое явление, и у него сформировался мысленный образ. В дальнейшем такой образ поможет распознать реальное явление.

По форме представления можно выделить следующие виды информационных моделей:

    геометрические модели - графические формы и объемные конструкции; словесные модели - устные и письменные описания с использованием иллюстраций; математические модели - математические формулы, отображающие связь различных параметров объекта или процесса; структурные модели - схемы, графики, таблицы и т. п.; логические модели - модели, в которых представлены различные варианты выбора действий на основе умозаключений и анализа условий; специальные модели - ноты, химические формулы и т. п.; компьютерные и некомпьютерные модели .

Компьютерные и некомпьютерные модели

Многообразие моделей предполагает огромный спектр инструментов для их реализации. Существует немало формальных языков, относящихся к разным областям деятельности, пригодных для описания моделей.

Если модель имеет материальную природу, то для ее создания годятся традиционные инструменты: резец скульптора, кисть художника, фотоаппарат, токарный или фрезерный станок, пресс, наконец пила и топор.

Если модель выражена в абстрактной, умозрительной форме, то нужны некоторые знаковые системы, позволяющие описать ее, - специальные языки, чертежи, схемы, графики, таблицы, алгоритмы, математические формулы и т. п. Здесь могут быть использованы два варианта инструментария: либо традиционный набор инженера или конструктора (карандаш, линейка), либо самый совершенный в наши дни прибор - компьютер.

Вот так мы подошли еще к одной ступени классификации информационных знаковых моделей: по способу реализации они подразделяются на компьютерные и некомпьютерные модели.

Компьютерная модель - модель, реализованная средствами программной среды.

Имея дело с компьютером как с инструментом, нужно помнить, что он работает с информацией. Поэтому следует исходить из того, какую информацию и в каком виде может воспринимать и обрабатывать компьютер.

Современный компьютер способен работать со звуком, видеоизображением, анимацией, текстом, схемами, таблицами и т. д. Но для использования всего многообразия информации необходимо как техническое (Hardware), так и программное (Software) обеспечение. И то и другое - инструменты компьютерного моделирования.

Например, для работы со звуком нужна специальная плата в компьютере, звуковая карта и специализированное программное обеспечение . Для композитора это, к примеру, профессиональный музыкальный редактор, который позволяет не только набрать нотный текст и распечатать его, но и сделать аранжировку произведения. Расписав ноты для разных инструментов, композитор может прослушивать их звуковые модели отдельно и в ансамбле. Цифровое звучание компьютерных моделей почти не отличается от тембра реальных инструментов. Компьютер позволяет соединять реальный голос певца со звуковой моделью мелодии, а также моделировать голос разной высоты и тембра (тенор, драматический бас и т. п.). Существуют программы, с помощью которых компьютер может создавать композиции самостоятельно в соответствии с заданным ритмом, темпом, музыкальным стилем и т. п.

Рассмотрим другой пример. Инструментом для создания геометрической модели, передающей внешний облик прототипа, могут быть программы, работающие с графикой, например графический редактор. С его помощью возможно моделировать как плоское, так и объемное изображение, управляя графическими объектами.

Сейчас имеется широкий круг программ, позволяющих создавать различные виды компьютерных знаковых моделей: текстовые процессоры, редакторы формул, электронные таблицы, системы управления в базах данных , профессиональные системы проектирования, а также различные среды программирования.

Контрольные вопросы

Приведите примеры классификаций в жизни. По каким признакам можно классифицировать модели? Приведите примеры учебных моделей. Чем отличаются статические модели от динамических? Приведите примеры статических и динамических моделей. Что такое материальные модели? Что такое информационная модель?

Модель (лат. modulus - мера) - это объект-заместитель объекта-оригинала, обеспечивающий изучение некоторых свойств оригинала.

Модель - создаваемый с целью получения и (или) хранения информации специфический объект (в форме мысленного образа, описания знаковыми средствами либо материальной системы), отражающий свойства, характеристики и связи объекта – оригинала произвольной природы, существенные для задачи, решаемой субъектом.

Моделирование – процесс создания и использования модели.

Цели моделирования

  • Познание действительности
  • Проведение экспериментов
  • Проектирование и управление
  • Прогнозирование поведения объектов
  • Тренировка и обучения специалистов
  • Обработка информации

Классификация по форме представления

  1. Материальные - воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение (детские игрушки, наглядные учебные пособия, макеты, модели автомобилей и самолетов и прочее).
    • a) геометрически подобные масштабные, воспроизводящие пространственно- геометрические характеристики оригинала безотносительно его субстрату (макеты зданий и сооружений, учебные муляжи и др.);
    • b) основанные на теории подобия субстратно подобные, воспроизводящие с масштабированием в пространстве и времени свойства и характеристики оригинала той же природы, что и модель, (гидродинамические модели судов, продувочные модели летательных аппаратов);
    • c) аналоговые приборные, воспроизводящие исследуемые свойства и характеристики объекта оригинала в моделирующем объекте другой природы на основе некоторой системы прямых аналогий (разновидности электронного аналогового моделирования).
  2. Информационные - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также их взаимосвязь с внешним миром).
    • 2.1. Вербальные - словесное описание на естественном языке).
    • 2.2. Знаковые - информационная модель, выраженная специальными знаками (средствами любого формального языка).
      • 2.2.1. Математические - математическое описание соотношений между количественными характеристиками объекта моделирования.
      • 2.2.2. Графические - карты, чертежи, схемы, графики, диаграммы, графы систем.
      • 2.2.3. Табличные - таблицы: объект-свойство, объект-объект, двоичные матрицы и так далее.
  3. Идеальные – материальная точка, абсолютно твердое тело, математический маятник, идеальный газ, бесконечность, геометрическая точка и прочее...
    • 3.1. Неформализованные модели - системы представлений об объекте оригинале, сложившиеся в человеческом мозгу.
    • 3.2. Частично формализованные .
      • 3.2.1. Вербальные - описание свойств и характеристик оригинала на некотором естественном языке (текстовые материалы проектной документации, словесное описание результатов технического эксперимента).
      • 3.2.2. Графические иконические - черты, свойства и характеристики оригинала, реально или хотя бы теоретически доступные непосредственно зрительному восприятию (художественная графика, технологические карты).
      • 3.2.3. Графические условные - данные наблюдений и экспериментальных исследований в виде графиков, диаграмм, схем.
    • 3.3. Вполне формализованные (математические) модели.

Свойства моделей

  • Конечность : модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений и, кроме того, ресурсы моделирования конечны;
  • Упрощенность : модель отображает только существенные стороны объекта;
  • Приблизительность : действительность отображается моделью грубо или приблизительно;
  • Адекватность : насколько успешно модель описывает моделируемую систему;
  • Информативность : модель должна содержать достаточную информацию о системе - в рамках гипотез, принятых при построении модел;
  • Потенциальность : предсказуемость модели и её свойств;
  • Сложность : удобство её использования;
  • Полнота : учтены все необходимые свойства;
  • Адаптивность .
Так же необходимо отметить:
  1. Модель представляет собой «четырехместную конструкцию», компонентами которой являются субъект; задача, решаемая субъектом; объект-оригинал и язык описания или способ воспроизведения модели. Особую роль в структуре обобщенной модели играет решаемая субъектом задача. Вне контекста задачи или класса задач понятие модели не имеет смысла.
  2. Каждому материальному объекту, вообще говоря, соответствует бесчисленное множество в равной мере адекватных, но различных по существу моделей, связанных с разными задачами.
  3. Паре задача-объект тоже соответствует множество моделей, содержащих в принципе одну и ту же информацию, но различающихся формами ее представления или воспроизведения.
  4. Модель по определению всегда является лишь относительным, приближенным подобием объекта-оригинала и в информационном отношении принципиально беднее последнего. Это ее фундаментальное свойство.
  5. Произвольная природа объекта-оригинала, фигурирующая в принятом определении, означает, что этот объект может быть материально-вещественным, может носить чисто информационный характер и, наконец, может представлять собой комплекс разнородных материальных и информационных компонентов. Однако независимо от природы объекта, характера решаемой задачи и способа реализации модель представляет собой информационное образование.
  6. Частным, но весьма важным для развитых в теоретическом отношении научных и технических дисциплин является случай, когда роль объекта-моделирования в исследовательской или прикладной задаче играет не фрагмент реального мира, рассматриваемый непосредственно, а некий идеальный конструкт, т.е. по сути дела другая модель, созданная ранее и практически достоверная. Подобное вторичное, а в общем случае n-кратное моделирование может осуществляться теоретическими методами с последующей проверкой получаемых результатов по экспериментальным данным, что характерно для фундаментальных естественных наук. В менее развитых в теоретическом отношении областях знания (биология, некоторые технические дисциплины) вторичная модель обычно включает в себя эмпирическую информацию, которую не охватывают существующие теории.

Для моделей можно составить различные виды классификаций в зависимости от одного или нескольких признаков, общих для той или иной группы моделей.

Наиболее распространенные виды классификации моделей определяются следующими признаками:

    Область использования.

    Учет в модели временного фактора (динамики).

    Отрасль знаний.

    Способ представления моделей.

    Классификация по области использования

Если рассматривать модели с позиции для чего, с какой целью они используются, то можно применять классификацию, изображенную на рис. 1.

Рис. 1. Классификация моделей по области использования

Учебные модели используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные модели - это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Их называют такженатурными и используют для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик. Например, модель крыла самолета «продувается» в аэродинамической трубе с целью исследования его обтекаемости; модель гидростанции еще при разработке проекта помогает решить гидротехнические, экологические и многие другие проблемы.

Научно-технические модели создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести прибор для получения грозового электрического разряда, модель движения планет Солнечной системы, модель работы двигателя внутреннего сгорания.

Игровые модели - это различного рода игры: деловые, экономические, военные. С помощью таких моделей можно разрешать конфликтные ситуации, оказывать психологическую помощь, проигрывать поведение объекта в различных ситуациях.

Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперимент с моделью либо многократно повторяется при разных исходных данных, чтобы изучить и оценить последствия каких-либо действий на реальную обстановку, либо проводится одновременно со многими другими похожими объектами, но поставленными в разные условия. По результатам исследования делаются выводы. Подобный метод выбора правильного решения называетсяметодом проб и ошибок . К примеру, в ряде опытов на мышах испытывается новое лекарственное средство, чтобы выявить побочные действия и уточнить дозировки.

Любая экономическая реформа, проводимая в стране, затрагивает интересы всех слоев общества. Поэтому она должна быть тщательно продумана, а ее результаты предсказуемы. Но проводить реальные эксперименты в этой области практически невозможно, поэтому прибегают к имитационному моделированию.

    Классификация с учетом временного фактора (динамики)

Рис. 2. Классификация моделей по временному фактору

Статические модели отражают объект в определенный момент времени, без учета происходящих с ним изменений. В этих моделях отсутствует временной фактор.

Примером статической модели может служить макет или рисунок молекулы воды, состоящей из атомов водорода и кислорода (слайд ).

Динамические модели отражают процесс изменения объекта во времени.

Химический опыт, проводимый в лаборатории, является примером динамической модели (слайд ). Известно, что кислород реагирует с водородом с выделением энергии. Поэтому даже при малых количествах исходных веществ реакция сопровождается громким хлопком. Таким образом, модель, позволяет предсказать возможные последствия соединения этих распространенных в природе и жизненно необходимых человеку веществ.

Один и тот же объект возможно изучать, применяя и статическую и динамическую модели. Например, при строительстве дома рассчитывают прочность и устойчивость к постоянной нагрузке его фундамента, стен, балок - это статическая модель здания. Но еще надо обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Это можно решить с помощью динамических моделей.

    Классификация по отрасли знаний

Здесь можно выделить следующие виды моделей: физические (например, законы Ньютона); химические (например, перегонка нефти); географически е (интерактивные географические карты);исторические (генеалогическое дерево) ;социологические ; экономические (см. рис. 3), математические (например, математическая модель полета снаряда) и т.п. (слайд )

    Классификация по способу представления

Рис. 4. Классификация моделей по способу представления

В соответствии с этой классификацией модели делятся на две большие группы: материальные (иначе их называют предметные) иинформационные (абстрактные).

Материальные модели иначе можно назватьпредметными ,физическими . Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение.

Материальные модели - это, к примеру, карты при изучении истории и географии, схемы солнечной системы и звездного неба, макет многоступенчатой ракеты и др.

Материальные модели - это и различные физические и химические опыты. В них моделируются процессы, например реакция между водородом и кислородом.

Информационная модель - совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.Информационная модель - это описание объекта.

Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разный объем и форму представления, выражаться различными средствами.

Знаковые и вербальные информационные модели

К информационным моделям можно отнести вербальные (от лат. «verbalis» - устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут остаться мысленными или быть выражены словесно. К таким моделям можно отнести идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.

Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме.

Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка.

Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы. Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

К знаковым моделям относятся:

    математические модели - это модели, построенные с использованием математических понятий и формул. Например, модель равноускоренного прямолинейного движения:

    специальные – представлены на специальных языках (ноты, химические формулы);

    алгоритмические – программы.

Существуют и другие подходы к классификации информационных моделей.

В зависимости от структуры информационные модели делятся на:

    табличные;

    иерархические;

В табличной информационной модели объекты или их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках таблицы. Примером химической табличной модели служит Периодическая система элементов Менделеева.

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня. Такие модели строятся в процессе классификации объектов. Примером может служить модель классификации современных компьютеров.

Сетевые информационные модели применяются для описания таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру (например, структура сети Интернет).

Компьютерные и некомпьютерные модели

В информатике рассматриваются модели, которые можно создавать и исследовать с помощью компьютера. В этом случае модели делят на компьютерные инекомпьютерные .

Компьютерная модель - это модель, реализованная средствами программной среды.

В настоящее время выделяют два вида компьютерных моделей:

    структурно-функциональные , которые представляют собой условный образ объекта, описанный с помощью компьютерных технологий;

    имитационные , представляющие собой программу или комплекс программ, позволяющий воспроизводить процессы функционирования объекта в разных условиях.

Значение компьютерного моделирования сложно переоценить. К нему прибегают при исследовании сложных систем в различных областях науки, при создании образов исчезнувших животных, растений, зданий и т. п. Редкий кинорежиссер сегодня обходится без компьютерных эффектов. Кроме того, современное компьютерное моделирование является мощным инструментом развития науки.

Основные этапы компьютерного моделирования

Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования. В общем случае процесс построения и исследования модели можно представить следующей схемой: (слайд )

Рис. 5. Этапы компьютерного моделирования

Первый этап -постановка задачи включает в себя стадии:описание задачи, определение цели моделирования, анализ объекта. Ошибки при постановке задачи приводят к наиболее тяжелым последствиям!

    Описание задачи

Задача формулируется на обычном языке. По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы. К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него, «что будет, если? ...».

Например, что будет, если магнитный диск положить рядом с магнитом?

В задачах, относящихся ко второй группе, требуется определить, какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию, «как сделать, чтобы? ..».

    Определение цели моделирования

На этой стадии необходимо среди многих характеристик (параметров) объекта выделить существенные . Мы уже говорили о том, что для одного и того же объекта при разных целях моделирования существенными будут считаться разные свойства.

Например, если вы строите модель яхты для участия в соревнованиях моделей судов, то в первую очередь вас будут интересовать ее судоходные характеристики. Вы будете решать задачу «как сделать, чтобы…?»

А того, кто собирается на яхте в круиз, помимо тех же самых параметров, будет интересовать, внутреннее устройство: количество палуб, комфортабельность и т. п.

Для конструктора яхты, строящего компьютерную имитационную модель для проверки надежности конструкции в штормовых условиях, моделью яхты будет изменение изображения и расчетных параметров на экране монитора при изменении значений входных параметров. Он будет решать задачу «что будет, если…?»

Определение цели моделирования позволяет четко установить, какие данные являются исходными, что требуется получить на выходе и какими свойствами объекта можно пренебречь. Таким образом, строится словесная модель задачи.

    Анализ объекта подразумевает четкое выделение моделируемого объекта и его основных свойств.

Второй этап -формализация задачи связан с созданиемформализованной модели , то есть модели, записанной на каком-либо формальном языке. Например, данные переписи населения, представленные в виде таблицы или диаграммы - это формализованная модель.

В общем смысле формализация - это приведение существенных свойств и признаков объекта моделирования к выбранной форме.

Формальная модель - это модель, полученная в результате формализации.

Для решения задачи на компьютере больше всего подходит язык математики. В такой модели связь между исходными данными и конечными результатами фиксируется с помощью различных формул, а также накладываются ограничения на допустимые значения параметров.

Третий этап -разработка компьютерной модели начинается с выбора инструмента моделирования, другими словами, программной среды, в которой будет создаваться, и исследоваться модель.

От этого выбора зависит алгоритм построения компьютерной модели, а также форма его представления. В среде программирования - этопрограмма , написанная на соответствующем языке. В прикладных средах (электронные таблицы, СУБД, графических редакторах и т. д.) - этопоследовательность технологических приемов , приводящих к решению задачи.

Следует отметить, что одну и ту же задачу можно решить, используя различные среды. Выбор инструмента моделирования зависит, в первую очередь, от реальных возможностей, как технических, так и материальных.

Четвертый этап -компьютерный эксперимент включает две стадии:тестирование модели ипроведение исследования .

    Тестирование модели - процесс проверки правильности построения модели.

На этой стадии проверяется разработанный алгоритм построения модели и адекватность полученной модели объекту и цели моделирования.

Для проверки правильности алгоритма построения модели используется тестовые данные, для которых конечный результат заранее известен (обычно его определяют ручным способом). Если результаты совпадают, то алгоритм разработан верно, если нет - надо искать и устранять причину их несоответствия.

Тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, а усложнение тестовых данных должно происходить постепенно. Чтобы убедиться, что построенная модель правильно отражает существенные для цели моделирования свойства оригинала, то есть является адекватной, необходимо подбирать тестовые данные, которые отражают реальную ситуацию .

Уровни тестирования программного обеспечения (ПО)

Модульное тестирование (юнит-тестирование) - тестируется минимально возможный для тестирования компонент, например, отдельный класс или функция. Часто модульное тестирование осуществляется разработчиками ПО.

Интеграционное тестирование - тестируются интерфейсы между компонентами, подсистемами. При наличии резерва времени на данной стадии тестирование ведётся итерационно, с постепенным подключением последующих подсистем.

Системное тестирование - тестируется интегрированная система на её соответствие требованиям.

Альфа-тестирование - имитация реальной работы с системой штатными разработчиками, либо реальная работа с системой потенциальными пользователями/заказчиком.Чаще всего альфа-тестирование проводится на ранней стадии разработки продукта , но в некоторых случаях может применяться для законченного продукта в качестве внутреннего приёмочного тестирования.

Бета-тестирование - в некоторых случаях выполняется распространение версии с ограничениями (по функциональности или времени работы) для некоторой группы лиц, с тем, чтобы убедиться, что продукт содержит достаточно мало ошибок. Иногда бета-тестирование выполняется для того, чтобы получить обратную связь о продукте от его будущих пользователей.

Часто для свободного/открытого ПО стадия Альфа-тестирования характеризует функциональное наполнение кода, а Бета-тестирования - стадию исправления ошибок. При этом, как правило, на каждом этапе разработки промежуточные результаты работы доступны конечным пользователям.

Тестирование «белого ящика»

В терминологии профессионалов тестирования, фразы «тестирование белого ящика» и «тестирование чёрного ящика» относятся к тому, имеет ли разработчик тестов доступ к исходному коду тестируемого ПО.

Тестирование «белого ящика» – тестирование, при котором тестировщик имеет доступ к коду. Кроме того, что тестировщик может просматривать код, он еще и сам может писать код, который использует библиотеки существующего программного продукта.

Другое название этого метода – структурное тестирование .

Тестирование «чёрного ящика»

Тестирование методом «черного ящика» базируется на том, что поведение системы можно определить только посредством изучения ее входных и соответствующих выходных данных. Другое название этого метода – функциональное тестирование .

Испытатель подставляет в компонент или систему входные данные и исследует соответствующие выходные данные. Метод обработки данных, и каким образом получаются выходные данные – неизвестно, это закрыто «черным ящиком».

    Исследование модели

К этой стадии компьютерного эксперимента можно переходить только после того, как тестирование модели прошло успешно, и вы уверены, что создана именно та модель, которую необходимо исследовать.

Пятый этап -анализ результатов является ключевым для процесса моделирования. Именно по итогам этого этапа принимается решение: продолжать исследование или закончить.

Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. В этом случае необходимо корректировать модель , то есть возвращаться к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты компьютерного эксперимента не будут отвечать целям моделирования.

Проблема классификации моделей, как и любых достаточно сложных явлений, процессов, систем, сложна, многогранна и трудноразрешима. Объективная причина состоит в том, что исследователя интересует лишь какое-то одно свойство системы (объекта, процесса, явления), для отображения которого и создана модель. Поэтому в основу классификации можно положить множество различных признаков: способ описания, функциональное назначение, степень детализации, структурные свойства, область применения и т.д.

Рассмотрим некоторые классы моделей.

1. По назначению моделей различают:

Исследовательские (познавательные, когнитивные), предназначенные для генерации знаний путем изучения свойств объекта;

Учебные, предназначенные для передачи знаний об изучаемом объекте;

Рабочие (прагматические), предназначенные для генерации правильных действий в процессе достижения цели.

К исследовательским моделям относятся полунатурные стенды, физические модели, математические модели. Отметим, что исследовательские модели могут выступать в качестве учебных, если они предназначены для передачи знаний о свойствах объекта. Примерами рабочих моделей могут служить: робот; автопилот; математическая модель объекта, встроенная в систему управления или контроля; искусственное сердце и т.д. При этом исследовательские и учебные модели должны приближаться к реальности, а рабочие модели должны отражать эту реальность. Четкой границы между этими моделями не существует. Так, например, исследовательская модель, адекватно отражающая свойства объекта, может быть использована в качестве рабочей. Исследовательские модели являются носителями новых знаний, учебные модели соединяют старые знания с новыми. Рабочие модели идеализируют накопленные знания в форме идеальных действий по выполнению тех или иных функций, которые желательно было бы осуществить.

2. По отражению режимов работы системы различают:

Статические модели, которые отражают установившиеся (равновесные) режимы работы системы;

Динамические, которые отражают неустановившиеся (неравновесные, переходные) режимы работы системы.

Статические режимы работы элементов, объектов, систем отражены в их статических характеристиках (линейных, нелинейных) и описываются соответствующими алгебраическими функциональными зависимостями.

3. По способу создания (построения) моделей различают:

Абстрактные (дедуктивные, умозрительные, идеальные) модели, построенные средствами мышления на базе нашего сознания;

Материальные (физические, реальные) модели, построенные средствами материального мира для отражения его объектов, процессов и т.д.

Абстрактные модели - это идеальные конструкции в нашем сознании в виде образов или представлений о тех или иных физических явлениях, процессах, ситуациях, объектах, системах. Примерами абстрактных моделей могут служить какая-либо гипотеза о свойствах материи, предположения о поведении сложной системы в условиях неопределенности или новая теория о строении сложных систем. На абстрактных моделях и на умозрительной аналогии (сходстве) между моделью М и оригиналом S строится идеальное (дедуктивное) моделирование. Различают два вида идеального моделирования: формализованное и неформализованное (интуитивное). К формализуемым абстрактным моделям относятся знаковые модели, в том числе математические и языковые конструкции (языки программирования, естественные языки) вместе с правилами их преобразования и интерпретации. Примером знаковых моделей могут служить чертежи, схемы, графики, формулы и т.д. Математическое моделирование - частный случай знакового моделирования. Здесь преобразование формул осуществляется на основе правил логики и математики.

Математическая модель - это объект, который имеет с прототипом следующее однозначное соответствие: 1) структуры, т.е. состава элементов и связей между ними; 2) уравнений, описывающих свойства этих элементов и их связей. При этом математическую модель сложной системы можно трактовать как множество математических моделей элементов, взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом и адекватно отражающих синергетические свойства системы.

При образном моделировании модели строятся из каких-либо наглядных элементов (упругие шары, потоки жидкости, траектории движения тел и т.д.). Анализ образных моделей осуществляется мысленно и может быть отнесен к формализованному моделированию в том случае, когда правила взаимодействия образов четко формализованы. Этот вид моделирования используется при мысленном эксперименте.

Данный дипломный проект представляет собой попытку познакомить социологов с математическим аппаратом и с современными методами решения социологических задач. Вот неполный перечень таких задач:

Обработка и анализ данных опросов и других социологических исследований

Построение математических моделей социальных процессов и явлений

Объяснение и предсказание социальных явлений

Математическое моделирование состоит в замене реального объекта его математической моделью с последующим изучением последней. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и задач исследования объекта и требуемой достоверности и точности решения этой задачи.

Многомерное шкалирование – математический инструментарий, предназначенный для обработки данных о отношениях между исследуемыми объектами с целью представления этих объектов в виде точек некоторого пространства восприятия. Этот метод позволяет выявить и интерпретировать латентные (т.е. скрытые и непосредственно не наблюдаемые) признаки, объясняющие связей между исследуемыми объектами. В пособии в качестве метода многомерного шкалирования рассмотрен метрический метод Торгерсона.

Другая задача обработки данных состоит в уменьшении размерность данных, потеряв наименьшее количество информации. Это позволяет, во-первых избавиться от “шума”, т.е. части данных, которая содержит не полезную информацию, а погрешности и ошибки. Во-вторых, чем меньше размерность данных, тем легче их дальнейшее изучение и интерпретация. В качестве аппарата уменьшения размерности данных в пособии рассмотрен метод главных компонент.

Все процессы, развивающиеся во времени и имеющую в причинно-следственную связь моделируются с помощью дифференциальных уравнений (в случае, когда система описывается одной характеристикой) и систем дифференциальных уравнений (когда таких характеристик несколько). В качестве примера моделирования таких процессов в пособии рассмотрены несколько примеров роста численности популяции некоторой замкнутой экосистемы.

Первые две большие группы: материальные и информационные. Названия этих групп как бы показывают, из чего сделаны модели.

Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение. Материальные модели определяют материальный, основанный на восприятии органами чувств подход к исследованию объекта (процесса, явления), то что можно увидеть, потрогать, услышать и т.п.

Примеры: Детские игрушки. Школьные пособия, физические и химические опыты, географические карты, схемы солнечной системы и звездного неба и многое другое.

3.1. Информационные модели нельзя потрогать или увидеть воочию, они не имеют материального воплощения, потому, что они строятся только на информации. В основе этого метода моделирования лежит информационный подход к изучению окружающей действительности. Информационные модели – совокупность информации, характеризующей свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разный объем и форму представления, выражаться различными средствами. Это многообразие настолько безгранично, насколько велики возможности каждого человека и его фантазии. В информационных моделях выделяют знаковые и вербальные модели.

3.2.1. Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Это рисунки, тексты, графики и схемы. По способу реализации знаковые модели можно разделить на компьютерные и некомпьютерные.

3.2.2. Вербальная (от лат «verbalis» – устный) модель – информационная модель в мысленной или разговорной форме. Это модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, с какой скоростью и на каком расстоянии движутся автомобили и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована удачно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести идею, возникшую в голове изобретателя, музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, рифму, прозвучавшую пока в голове поэта. Знаковые и вербальные модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в зна-


Классификация моделей


Рисунок 4.2 Классификация моделей


ковую форму. И, наоборот, знаковая модель – помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

В научной среде выделяются и другие подходы к классификации моделей. Например, классификация моделей может быть проведена по следующим признакам:

По целевому назначению (1);

По характеру выполняемых функций (2);

По форме (3).

Рассмотрим эти классификации более подробно ниже.

1. Целевое назначение моделей .

Человек в практической деятельности обычно решает две задачи – экспертную и конструктивную . В экспертной задаче на основании имеющейся информации описывается прошлое, настоящее и предсказывается будущее. Суть конструктивной задачи заключается в том, чтобы создать нечто с заданными свойствами.Для решения экспертных задач применяют так называемые описательные модели, а для конструктивных – нормативные .

Описательные модели (дескриптивные, познавательные ) предназначены для описания свойств или поведения реальных существующих объектов. Они являются формой представления знаний о действительности.

Пример: План города, отчет о деятельности фирмы, характеристика.

Можно выделить цели описательного моделирования в зависимости от решаемых задач:

Изучение объекта (научные исследования) – наиболее полно и точно отразить свойства объекта;

управление – наиболее точно отразить свойства объекта в рабочем диапазоне изменения его параметров;

прогнозирование – построить модель, способную наиболее точно прогнозировать поведение объекта в будущем;

обучение – отразить в модели изучаемые свойства объекта.

Построение описательной модели происходит по схеме: наблюдение за объектом, кодирование наблюдений с помощью слов, символов, графических образов и фиксации закодированных результатов в виде модели.


Рисунок 4.3 Последовательность построения описательной модели

Нормативные модели (прескриптивные, прагматические ) предназначены для указания целей деятельности и определенного порядка (алгоритма) действий для их достижения. Они решают задачи приближения реальности к модели , поскольку модель играет роль стандарта или образца, под который подгоняется сама действительность, ее результаты.

Примеры: Законы, уставы организаций, планы застройки, бизнес-планы, программы действий, управленческие решения, проекты зданий, машин и т.д.

2. Функции моделей. Можно выделить следующие функции, выполняемые моделями:

исследовательская – применяется в научном познании;

практическая – применяется в практической деятельности (проектировании, управлении и т.д.);

тренинговая – используется для тренировки практических умений и навыков специалистов в различных областях;

обучающая – для формирования у обучаемых знаний, умений и навыков.

3. Форма представления моделей . Модели по форме бывают:

физические – материальные объекты, имеющие сходство с оригиналом (модель самолета, которая исследуется в аэродинамической трубе; модель плотины);

словесные (вербальные) – словесное описание чего-либо (структура предприятия, принцип работы устройства, внешность человека);

графические – описание в виде графических изображений (схемы, карты, графики, диаграммы);

знаковые – описание в виде символов и знаков (дорожные знаки, условные обозначения на схемах, математические соотношения. Разновидностью знаковых моделей являются математические модели (или математическое описание ).

Еще один подход к классификации - по процессу моделирования – видам моделирования.Применительно к социально-экономическим системам можно предложить такую классификацию видов моделирования:

· концептуальное моделирование , при котором с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языков истолковывается основная мысль (концепция) относительно исследуемого объекта;

· интуитивное моделирование, которое сводится к мысленному эксперименту на основе практического опыта работников (широко применяется в экономике);

· физическое моделирование, при котором модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и в модели выполняются некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений;

· структурно-функциональное моделирование, при котором моделями являются схемы (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования;

· математическое (логико-математическое) моделирование , при котором моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики;

имитационное (программное) моделирование , при котором логико-математическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования объекта, реализуемый в виде программного комплекса для компьютера. Имитационное моделирование – моделирование, при котором процесс, явление, объект, строится или описывается так, как они бы проходили в реальности. Модель может быть проиграна (метод «Деловых игр», «Суда» и т.п.) или описана логико-математической моделью в виде программного комплекса для компьютера (компьютерное моделирование) или в виде экономико–математических моделей (описание экономических и социальных систем и процессов). Следует добавить несколько слов о компьютерном моделировании , являющемся развитием имитационного моделирования. Компьютер может быть полезен при всех видах моделирования (за исключением физического моделирования, где компьютер тоже может использоваться, но, скорее, для целей управления процессом моделирования). Предметом компьютерного моделирования могут быть: экономическая деятельность фирмы или банка, промышленное предприятие, информационно-вычислительная сеть, технологический процесс, любой реальный объект или процесс, например процесс инфляции. Цели компьютерного моделирования могут быть различными, однако наиболее часто моделирование является центральной процедурой системного анализа.

Каждый из подходов к классификации моделей имеет свои достоинства и недостатки, характеристики и полноту охвата. Единый взгляд на этот вопрос, по всей видимости, еще впереди.