книги / Моделирование систем
..pdfно с совершенствованием средств вычислительной техники и тех ники связи. Перспективным направлением является создание для целей моделирования иерархических многомашинных вычислитель ных систем и сетей [2, 7, 12, 25, 41].
При создании больших систем их компоненты разрабатываются различными коллективами, которые используют средства модели рования при анализе и синтезе отдельных подсистем. При этом разработчикам необходимы оперативный доступ к программно техническим средствам моделирования, а также оперативный обмен результатами моделирования отдельных взаимодействующих под систем. Таким образом, появляется необходимость в создании диа логовых систем моделирования, для которых характерны следу ющие особенности: возможность одновременной работы многих пользователей, занятых разработкой одной или нескольких систем, доступ пользователей к программно-техническим ресурсам системы моделирования, включая, базы данных и знаний, пакеты приклад ных программ моделирования, обеспечение диалогового режима работы с различными вычислительными машинами и устройства ми, включая цифровые и аналоговые вычислительные машины, установки натурного и физического моделирования, элементы ре альных систем и т. п., диспетчирование работ в системе моделирова ния и оказание различных услуг пользователям, включая обучение работе с диалоговой системой моделирования при обеспечении дружественного интерфейса.
В зависимости от специфики исследуемых объектов в ряде случа ев эффективным оказывается моделирование на аналоговых вычис лительных машинах (АВМ). При этом надо иметь в виду, что АВМ значительно уступают ЭВМ по точности и логическим возмож ностям, но по быстродействию, схемной простоте реализации, сопрягаемости с датчиками внешней информации АВМ превосходят ЭВМ или по крайней мере не уступают им.
Для сложных динамических объектов перспективным является моделирование на базе гибридных (аналого-цифровых) вычисли тельных комплексов. Такие комплексы реализуют преимущества цифрового и аналогового моделирования и позволяют наиболее эффективно использовать ресурсы ЭВМ и АВМ в составе единого комплекса. При использовании гибридных моделирующих комп лексов упрощаются вопросы взаимодействия с датчиками, установ ленными на реальных объектах, что позволяет, в свою очередь, проводить комбинированное моделирование с использованием ана лого-цифровой части модели и натурной части объекта [11, 19]. Такие гибридные моделирующие комплексы могут входить в состав многомашинного вычислительного комплекса, что еще больше рас ширяет его возможности с точки зрения моделируемых классов больших систем.
Информационные технологии в обществе XXI века. Конец XX столетия ознаменовался интенсивным развитием и внедрением во
11
все сферы жизни общества информатики. Это проявилось в интен сивном совершенствовании средств вычислительной техники и тех ники связи, в появлении новых и в дальнейшем развитии существу ющих информационных технологий, а также в реализации приклад ных информационных систем. Достижения информатики заняли достойное место в организационном управлении, в промышлен ности, в проведении научных исследований и в автоматизированном проектировании. Информатизиция охватила и социальную сферу: образование, науку, культуру, здравоохранение.
Переход страны к рыночной экономике потребовал развития соответствующего информационного обеспечения. Постепенно
вРоссии формировался рынок, в котором информация начинала выступать как ресурс, имеющий коммерческий характер. Наряду
спроизводством систем и средств информатики большое место
внастоящее время занимают и информационные услуги, на базе самоокупаемости интенсивно развивается отрасль связи. Телефо ния, радиовещание, телевидение работают с использованием раз
личных типов каналов связи. Компьютерная техника прочно вошла в быт и используется как в образовании, так и в воспитании подрастающего поколения.
Домашний компьютер стал естественным для многих семей. В образовании значительная доля нагрузки в учебном процессе переносится на самостоятельные задания, выполняемые на домаш нем компьютере. По своему качеству домашний компьютер в на стоящее время часто оказывается намного выше компьютера, ис пользуемого в школе или в ВУЗе. Характерно, что в последние годы покупая домашний компьютер, пользователь начал обращать вни мание на место сборки, конфигурацию и перспективные возмож ности техники. Приобретается и значительное количество про граммных средств, в том числе записанных на CD-ROM, огромное число абонентов подключается к Интернет, значительное число пользователей работает с использованием сотовой и других сетей. Все это подтверждает, что процесс иформатизации интенсифициру ется, завершается этап неуправляемой информатизации. Управля емая составляющая, которая реализовывалась в основном в об разовании, в промышленности и в административном управлении оказалась явно недостаточной из-за малых финансовых средств, но в целом современный уровень информатизации позволяет констати ровать, что начало следующего века станет точкой перехода из века энергетики в век информатики, как это прогнозировал Норберт Винер [8, 35].
Информатизация как процесс перехода от индустриального об щества к информационному характеризуется резким перераспреде лением трудовых ресурсов в материальное производство и в сферу информации. Это соотношение изменяется от 3:1 к 1:3. В ряде стран суммарные расходы на компьютерную технику, телекоммуникации, электронику превысили расходы на энергетику, а поэтому, рассмат
12
ривая проблему перспектив развития образования, нам необходимо исходить из будущего, поскольку только логически разработанная картина будущего может помочь познать настоящее. Проблема становления информационного общества и составляющая ее пробле ма информатизации образования должна рассматриваться в тесной взаимосвязи с проблемой будущего устойчивого развития цивили зации.
Модель образовательной системы должна быть сформирована с учетом адаптации образования к модели устойчивого развития цивилизации, а отсюда вытекает проблема опережающего развития образовательной системы, которая должна удовлетворять потреб ностям будущего информационного общества.
Для информационного общества характерно полное удовлет ворение информационных потребностей населения при завершении формирования единой информационной среды, определяющей но вую культуру как общества в целом, так и каждого человека в от дельности. Информационная культура как составляющая и базис информационного общества должна закладываться уже в насто ящее время. Переход от консервативной образовательной системы к опережающей мог бы базироваться на опережающем формирова нии информационного пространства Российского образования. То лько образование может служить фундаментом новой информацион ной культуры.
Информационная культура конечно не ограничивается системой знаний в области информационных процессов, технологий и должна включать активно преобразовательный аспект отношения к миру. По сути информационная культура может рассматриваться как свод правил поведения в информационном обществе, в коммуника ционной среде, в человеко-машинных системах, вписывающихся в мировую гуманистическую культуру человечества. Уже в насто ящее время вхождение пользователя в мировую сеть позволяет получить огромные объемы информации, которая может быть предназначена и для идеологической обработки.
Необходимо воспитывать корректное отношение к получаемой информации. Информационное пространство Российского образо вания должно отвечать национальным интересам и базироваться на традициях отечественной культуры. Повсеместное использование зарубежной компьютерной техники сопровождается планомерным информационным идеологическим воздействием на пользователей. Можно пойти по пути защиты от чуждой нам информации, со здавая соответствующие методы и средства, но особое внимание нужно обратить на информационную культуру педагога, воспита теля, учителя школы и преподавателя ВУЗа.
Уровень информационной подготовки учителя нередко отстает от уровня ученика, работающего на домашнем компьютере, под ключенном к сети. Проблема развития интеллекта учащихся не может быть решена только средствами информатики, но проблема
13
развития науки об образовании должна разрешаться с учетом пере хода в информационное общество, в котором будет сформирована тфоноосфера личности, а поэтому развитие интеллектуальных спо собностей личности даже в настоящее время тесно смыкается с про блемой информатизации образования. Возможности информатиза ции образования определяются современными достижениями ин форматики и методологией их использования в образовании.
Можно выделить три уровня информатики:
—физический — программно-аппаратные средства вычисли тельной техники и техники связи;
—логический — информационные технологии;
—прикладной — пользовательские информационные системы. Для физического уровня характерно, что компьютерная техника
итехника связи практически вся разработана за рубежом и в луч шем случае наблюдается лишь ее сборка на отечественном произ водстве.
Информатизация города, региона, области базируется на созда нии единой телекоммуникационной среды. Отличительными осо бенностями перспективных сетей являются интеграция услуг, пре
доставляемых пользователю, цифровизация, комплексное исполь зование проводных, радио- и космических каналов связи, переход к цифровым сетям интегрального обслуживания [35]. Использова ние волоконно-оптических линий и сетей кабельного телевидения позволяет на одной и той же базе обеспечить передачу речи, видео сигнала, данных, служебной информации и тем самым обеспечить вхождение каждого пользователя как в Российское, так и в мировое информационное пространство.
Происходит формирование единой информационной среды на основе объединения банков данных и баз знаний, проектируются конкретные информационные системы в различных областях челове ческой деятельности. Совершенствование технической базы сопро вождается продвижением современных операционных систем в поль зовательскую среду, развиваются открытые системы.
Модели базовых информационных технологий в образовании. Для логического уровня информатики характерно совершенствование существующих, создание и развитие новых информационных тех нологий. Получили развитие как теория, так и практика информаци онных технологий [1, 8, 35]. Развивается методология, совершенст вуются средства информационных технологий. Уже в настоящее время могут быть выделены базовые информационные процессы
иинформационные технологии.
Врамках базовых технологий получают развитие конкретные технологии, решающие задачи в выбранных предметных областях. Переход к информационному обществу заставляет задуматься о го товности выпускников учебных заведений к жизни и к труду в обще стве XXI века. Учитывая, что уже в настоящее время скорости
14
преобразования технологий производства стали опережать темпы смены поколений, оказывается необходимым не только совершенст вование и дополнительная подготовка, но и неоднократное осво ение новых видов деятельности в течение трудовой жизни.
Поэтому в информационном обществе встает проблема обу чения, и непрерывное образование становится составной частью жизни каждого человека. В этих условиях информатизация означа ет изменение всей образовательной системы с ее ориентацией на новую информационную культуру. Освоение новой информаци онной культуры может в значительной степени реализовываться за счет внедрения в учебный процесс, управление образованием и в повседневную жизнь перспективных информационных техно логий.
Прежде всего следует обратить особое внимание на проблему обеспечения сферы образования теорией и методикой как разработ ки, так и эффективного применения новых средств информационных технологий. Теория информационных технологий должна опреде лить модели базовых информационных процессов, связанных с по лучением, сбором, передачей, обработкой, хранением, накоплением и представлением информации. Особое место занимают модели формализации и представления знаний.
Весьма актуальным представляется выделение базовых инфор мационных технологий, к которым уже в настоящее время можно отнести технологии распределенного хранения и обработки, офис ные технологии, мультимедиа технологии, геоинформационные тех нологии, технологии защиты информации, CASE-технологии, те лекоммуникационные технологии [15, 35]. На основе базрвых раз рабатываются прикладные информационные технологии по областям применения, позволяющие получать конкретные продукты соответ ствующего назначения в виде средств, систем, сред.
В рамках указанных технологий в образовании уже в настоящее время получили широкое применение:
1) компьютерные программы и обучающие системы, представ ляющие собой электронные учебники, учебные пособия, тренаже ры, лабораторные практикумы, системы тестирования знаний и квалификации, выполненные на различных типах машинных носи телей;
2) системы на базе мультимедиа-технологии, построенные с применением видеотехники, накопителей на CD-ROM и реализу емые на ПЭВМ;
3)интеллектуальные обучающие экспертные системы, которые специализируются по конкретным областям применения и имеют практическое значение как в процессе обучения, так и в учебных исследованиях;
4)информационные среды на основе баз данных и знаний, позво ляющие осуществить как прямой, так и удаленный доступ к инфор мационным ресурсам;
15
5)телекоммуникационные системы, реализующие электронную почту, телеконференции и т. д. и позволяющие осуществить выход
вмировые коммуникационные сети;
6)электронные настольные типографии, позволяющие в индиви
дуальном режиме с высокой скоростью осуществить производство учебных пособий и документов на различных носителях;
7)электронные библиотеки как распределенного, так и цент рализованного характера, позволяющие по-новому реализовать до ступ учащихся к мировым информационным ресурсам;
8)геоинформационные системы, которые базируются на техно логии объединения компьютерной картографии и систем управле ния базами данных. В итоге удается создать многослойные элект ронные карты, опорный слой которых описывает базовые явления или ситуации, а каждый последующий — задает один из аспектов,
процессов или явлений; 9) системы защиты информации различной ориентации (от не
санкционированного доступа при хранении информации, от искаже ний при передаче информации, от подслушивания и т. д.).
Перспективы применения информационных технологий. Методи чески новые информационные технологии в образовании должны быть проработаны с ориентацией на конкретное применение. Часть технологий может поддерживать учебный процесс (лекционные и практические занятия), другие технологии способны эффективно поддержать разработку новых учебников и учебных пособий. Ин формационные технологии помогут также эффективно организо вать проведение экспериментально-исследовательских работ как в школе, так и в ВУЗе. Особую значимость информационные тех нологии приобретают при самостоятельной работе учащихся на домашнем компьютере с использованием современных методов мо делирования.
Какие же новые возможности открываются при внедрении современных информационных технологий в образование? Н а ос нове мультимедиа технологии появляется возможность создавать учебники, учебные пособия и другие методические материалы на машинном носителе, которые могут быть разделены на некоторые группы:
1. Учебники, представляющие собой текстовое изложение мате риала с большим количеством иллюстраций, которые могут быть установлены на сервире и переданы через сеть на домашний компьютер. При ограниченном количестве материала такой учеб ник может быть реализован в прямом доступе пользователя к сер веру.
2. Учебники с высокой динамикой иллюстративного материала, выполненные на CD-ROM. Наряду с основным материалом они содержат средства интерактивного доступа, средства анимации и мультипликации, а также видеоизображения, в динамике демон
16
стрирующие принципы и способы реализации отдельных процессов и явлений. Такие учебники могут иметь не только образовательное, но и художественное назначение. Огромный объем памяти носителя информации позволяет реализовывать на одном оптическом диске энциклопедию, справочник, путеводитель и т. д.
3.Современные компьютерные обучающие системы для прове дения учебно-исследовательских работ. Они реализовывают моде лирование как процессов, так и явлений, т. е. создают новую учебную компьютерную среду, в которой обучаемый является ак тивным, и может сам вести учебный процесс.
4.Системы виртуальной реальности, в которых учащийся стано вится участником компьютерной модели, отображающей окружа
ющий мир. Для грамотного использования мультимедиа продуктов этого типа крайне важно изучение их психологических особенностей
инегативных воздействий на обучаемого.
5.Системы дистанционного обучения. В сложных социальноэкономических условиях дистанционное образование становится особенно актуальным для отдаленных регионов, для людей с малой подвижностью, а также при самообразовании и самостоятельной работе учащихся. Эффективная реализация дистанционного обуче ния возможна лишь при целенаправленной программе создания высококачественных мультимедиа продуктов учебного назначения по фундаментальным, естественнонаучным, общепрофессиональ ным и специальным дисциплинам.
Ксожалению, это требует значительных фининсовых средств
ипока не окупается на коммерческой основе, необходимы сущест венные бюджетные ассигнования в эту область. Реализация такой программы позволит по-новому организовать учебных процесс, увеличив нагрузку на самостоятельную работу обучаемого.
Формирование новой информационной культуры должно бази
роваться прежде всего на определенном уровне обучения в школе, а поэтому особое внимание следует уделить содержанию програм мы базового курса информатики, который, с одной стороны, до лжен быть согласован по содержанию с последующим обучением в ВУЗе, а с другой, должен поддерживать и остальные предметы школьного образования. В курс информатики уже в настоящее время закладываются сведения по моделирования процессов и явле ний, по методологии формирования информационных моделей окружающего мира. У учащихся должна возникать в процессе познания информационная картина мира. Это невозможно без формирования информационной культуры населения. В основу со здания информационной культуры нового общества должна быть положена идея компьютерной поддержки каждого изучаемого пред мета, нельзя подменить это изучением единственного курса инфор матики.
Весьма важным является принцип непрерывности информацион ной подготовки учащихся, который должен соблюдаться как на
2 - 4 8 3 3 |
17 |
стадии школьного, так и при переходе от школьного к ВУЗовскому уровню. В структуре ВУЗовского образования информатика являет ся фундаментальной дисциплиной. Наряду с информатикой в учеб ном плане специальностей может предусматриваться ряд курсов информационной подготовки даже для нетехнических ВУЗов, кото рые должны совершенствоваться, чтобы компьютер стал естествен ным орудием труда в любой предметной области деятельности выпускника ВУЗа. К информационной подготовке можно отнести обучение методологии и средствам моделирования. Создание опе режающей информационной среды непрерывного Российского об разования требует и решения ряда методических и организацион ных проблем, в том числе следующие:
1. Принятие единой системы программно и аппаратно совме стимых средств вычислительной техники и техники связи, использу емой в непрерывном учебном процессе. Это требует сертификации используемых средств учебного назначения и реализации програм мы по созданию сертификационных центров и эффективному их использованию.
2. Подключение образовательных организаций к единой циф ровой сети в последующим выходом в Интернет. Решение этой задачи в значительной степени реализуется в настоящее время в высшем образовании и сдерживается в школьном образовании по финансовым причинам, а также и по сложностям выполнения для отдаленных районов.
3.Формирование единой информационной среды непрерывного образования с созданием баз данных по направлениям и специаль ностям подготовки, которые бы включали в себя методические документы, энциклопедии, справочники, учебники и учебные посо бия, а также дополнительные средства, поддерживающие учебный процесс. Актуальным является представление в международной сети наших достижений и возможностей. Необходима организация обмена информационными ресурсами Российской образовательной системы с международной.
4.Необходимо совершенствование инструментальных средств непрерывного образования, ориентированных на ускоренное осво ение материала и приобретение устойчивых навыков обучаемых,
атакже преследующих цели индивидуального обучения. Сюда мож но отнести перспективные программные оболочки по разработке компьютерных учебников и методических материалов, про граммные и аппаратные средства создания компьютерных обуча ющих систем, средства технологии разработки мультимедиа проду ктов, геоинформационных систем и т. д.
5.Необходима организация инфраструктуры информатизации образования как составной части информатизации общества в це лом. Эта структура должна обеспечить создание новых, тиражиро
вание и внедрение существующих информационных технологий в непрерывное образование.
18
Идеологически при информатизации образования необходимо учитывать ряд принципиальных позиций:
• Эволюционное развитие сложившейся методологии образова ния за счет явных преимуществ новых информационных техноло гий, а именно, возможность наглядного, динамичного представле ния информатизации с использованием видеоизображений и звука, применения удаленного доступа для ознакомления с внешним и вне сения собственного информационного ресурса в образовании.
• Непрерывность и преемственность компьютерного образова ния на всех уровнях обучения от дошкольного до послевузовского. Непрерывность может быть обеспечена компьютерной поддержкой всех предметов и дисциплин учебного процесса.
•Обеспечение свободы выбора методики, стиля и средств об учения с целью выявления творческих индивидуальных способно стей обучаемого в сочетании с возможностью их коллективной деятельности на основе информационных технологий и телеком муникационных систем.
•Создание научно и методически основанной системы базового образования на основе компьютерных технологий. Одним из реаль
ных путей решения проблемы в целом является формирование и реализация региональных научно-технических программ с доле вым федеральным и местным бюджетным финансированием при дополнительном использовании внебюджетных средств. Предме том специальных исследований коллективов Высшей школы долж ны стать содержание, методы и средства развития образования как опережающей системы в будущем информационном обществе. При этом фундаментальное место занимают методы и средства модели рования, на основе которых можно предсказать будущее. Только при устойчивом развитии цивилизации мы можем надеяться на последовательное становление ноосферы как сферы разума. Буду щее развитие человечества должно быть управляемым и в этом аспекте, несомненно, управляемым должно быть и развитие об разования.
Контрольные вопросы
В.1. Что такое модель системы?
В.2. Как определяется понятие «моделирование»?
В.З. Что называется гипотезой и аналогией в исследовании систем?
В.4. Чем отличается использование метода моделирования при внешнем н внутрен нем проектировании систем?
В.5. Какие современные средства вычислительной техники используются для мо делирования систем?
2*
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
Моделирование начинается с формирования предмета исследований — сис темы понятий, отражающей существенные для моделирования характеристи ки объекта. Эта задача является достаточно сложной, что подтверждается различной интерпретацией в научно-технической литературе таких фундамен тальных понятий, как система, модель, моделирование. Подобная неоднознач ность не говорит об ошибочности одних и правильности других терминов, а отражает зависимость предмета исследований (моделирования) как от рас сматриваемого объекта, так и от целей исследователя. Отличительной особен ностью моделирования сложных систем является его многофункциональность и многообразие способов использования; оно становится неотъемлемой частью всего жизненного цикла системы. Объясняется это в первую очередь технологи чностью моделей, реализованных на базе средств вычислительной техники: достаточно высокой скоростью получения результатов моделирования и их сравнительно невысокой себестоимостью.
1.1.ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
ВМОДЕЛИРОВАНИИ СИСТЕМ
Внастоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода. Последний рассматри
вает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатыва емых раздельно. В отличие от этого системный подход предполага ет последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.
Объект моделирования. Специалисты по проектированию и эксплуатации сложных систем имеют дело с системами управления различных уровней, обладающими общим свойством — стремлени ем достичь некоторой цели. Эту особенность учтем в следующих определениях системы. Система S — целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Внешняя среда Е — множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздей ствием.
20