1.3 Класифікація моделей і моделювання

Моделі умовно можна розбити на дві групи - матеріальні моделі і ідеальні. Першій групі відповідає предметне моделювання, а другий абстрактне.

Основними різновидами предметного моделювання є фізичне і аналогове моделювання. Фізичним прийнято називати моделювання, при якому реальний об'єкт замінюється його збільшеною або зменшеною копією. Копія зберігає геометричні пропорції і фізичні принципи дії.

Аналогове моделювання засноване на заміні початкового об'єкту об'єктом іншої фізичної природи (об'єктом - аналогом). Поведінка аналога визначається аналогічними фізичними законами. Наприклад, коливання і резонанс в механічних системах аналогічні коливанням і резонансу в електричних ланцюгах.

Ідеальні моделі - це абстрактні образи об'єктів, що заміщуються. Розрізняють два типи ідеального моделювання: інтуїтивне і знакове. Інтуїтивне моделювання використовується людиною і іншими живими істотами для віддзеркалення навколишнього світу і прогнозу його реакцій. Який механізм інтуїтивного моделювання – не відомо.

Знакове моделювання допускає використання в якості моделі знаків або символів: схем, графіків, мереж, креслень і т. п. Найбільш важливим видом знакового моделювання є математичне моделювання.

Обов'язковим учасником знакового моделювання є інтерпретатор знакової моделі. Інтерпретатором, як правило, виступає людина, що розуміє сенс використовуваних знаків, проте вже існує безліч технічних пристроїв, що володіють схожими можливостями.

Залежно від того, змінюються властивості моделі в часі чи не змінюються, моделі діляться на динамічні і статичні.

Залежно від того, як відображаються стани моделі в часі, розрізняють дискретні, безперервні і дискретно – безперервні (гібридні) моделі.

Крім того, моделі діляться на детерміновані і стохастичні (імовірнісні).

1.4 Комп’ютерна модель і її переваги

Інформаційну модель, реалізовану на комп'ютері, називають комп'ютерною.

Комп'ютерні моделі дозволяють:

• спостерігати і досліджувати явища і процеси в динаміці їх розгортання;

• здійснювати багаторазові випробування моделі;

• отримувати різноманітні кількісні показники в числовому або графічному вигляді, зокрема такі, які вимагають виконання складних, багаторазових або трудомістких розрахунків.

За допомогою комп'ютерного моделювання вивчаються об'єкти і явища, які неможливо, дорого або небезпечно відтворювати в реальних умовах. Це дозволяє не тільки економити матеріальні ресурси, але і зберігати екологічні умови існування людини, уникати можливих шкідливих або руйнівних наслідків проведення натурних випробувань.

Комп'ютерне моделювання є унікальним інструментом пізнання швидкоплинні і, навпаки, надзвичайно повільних процесів. Їх можна досліджувати на комп'ютері, розтягуючи або стискаючи час або навіть зупиняючи його для вивчення певних фаз процесу. Моделювати і вивчати за допомогою комп'ютера можна і такі явища, які не відбувалися, і невідомо, чи відбудуться коли-небудь в реальному житті, - наприклад, зустріч нашої планети з іншим космічним об'єктом.

Комп'ютерне моделювання застосовується для вирішення множини наукових, технічних, економічних і інших проблем. Наприклад, для встановлення причин технічних і природних катастроф, дослідження біологічних і соціальних процесів, прогнозування зміни клімату на нашій планеті і т. п. Так, після того, як космічна станція «Мир» виробила свій ресурс, її необхідно було спустити на Землю, точніше приводнити. Завдання ускладнювалося тим, що 130-тонна станція при вході в атмосферу повинна була розпастися на тисячу уламків різної ваги. Достатньо великі з них могли пробити бетонну плиту в два метри завтовшки. За допомогою комп'ютерного моделювання був визначений той момент, коли станції потрібно дати імпульс для спуску в заданий район акваторії Тихого океану. Всім морським і повітряним судам, жителям навколишніх островів Того було послано попередження. Точність моделювання повністю підтвердилася: у запрограмований час станція увійшла до води в заданому районі. Після приводнювання станції газети писали про черговий тріумф науки.

Комп'ютерна модель володіє особливими властивостями в порівнянні з математичною моделлю. Вона не є просто записаною на іншій мові - мові комп'ютера математичною моделлю.

Комп'ютерна модель має дві складові – програмну і апаратну (рис.1.1).

Рис.1.1 Складові комп’ютерної моделі

Програмна складова (моделююча програма) є абстрактною знаковою моделлю спеціального вигляду, яка інтерпретується фізичним пристроєм – процесором комп'ютера і «виконується». В результаті ми спостерігаємо деякий фізичний процес, зокрема рух образів на екрані., які інтерпретуємо як поведінка моделі. Під комп'ютером в даному випадку досить розуміти будь-який пристрій, що складається з програмної і апаратної частин, здатне інтерпретувати і виконувати програми. Це може бути і суперкомп'ютер, і вбудований мікропроцесор з «зашитою» в його пам'ять програмою.

Сукупність комп'ютера і моделюючої програми є вже фізичним пристроєм і, таким чином, комп'ютерне моделювання можна вважати особливим видом фізичних моделей.

Існування таких особливих фізичних моделей на базі комп'ютерів дозволяє говорити ще про одну сторону комп'ютерного моделювання. З цієї точки зору комп'ютерне моделювання володіє унікальним набором привабливих властивостей, до яких, перш за все, відносяться майже необмежена складність моделей. Зручним також є розділення на «м'яку» частину (програмне забезпечення), яку необхідно змінити при переході до іншої моделі, і «жорстку» частину (апаратуру і операційну систему), яка залишається незмінною. Комп'ютерна модель, таким чином, в певних умовах може виступати як імітатор реального об'єкту. Слово «imitatio» (лат.) означає – наслідування, підробка. Її можна «підключати» до інших реальних об'єктів точно так, як її фізичні прототипи. Це властивість комп'ютерних моделей дозволяє використовувати їх у складі напівнатуральних моделей, зібраних з реальних пристроїв і імітаторів реальних пристроїв, які використовуються при створенні і випробуванні складних технологічних систем.

Слід зазначити, що комп'ютерні моделі можуть створюватися не обов'язково на основі математичних моделей. У їх основі можуть лежати записані на мові програмування уявлення про об'єкт, що існують в свідомості розробника (пунктирна лінія на рис. 1.2).