33. Информационные модели, их форма и содержание, познавательная и прагматичная (управленческая) функции модели
Человек живет и работает в мире моделей, которые вначале существуют в его сознании, а затем материализуется в тех или иных формах, доступных иным членам общества. Часть этих моделей отражает естественные процессы или объекты, а часть – искусственные. Мир, который создан человеком и в котором он существует, в значительно большей мере является искусственным, чем творением природы. Поэтому модели, в своем большинстве, отражают продукты деятельности человека. В области информатики этими продуктами являются не столько творения человеческих рук, сколько человеческих голов, что еще больше отрывает их от реальной действительности. Моделировать приходится не естественные, а искусственные процессы. Отсюда сложность в раскрытии объекта и предмета исследований в информатике.
Причин, требующих создания моделей достаточно, так как в соответствии с ними человек ежедневно выполняет определенные действия на работе и в быту. Благодаря моделям он в состоянии различать себя и окружающую среду, предсказывать поведение различных объектов, узнавать процессы, выполнять обязанности на работе. Потребность в создании модели часто диктуется тем, что фактически оригинал уже может существовать или еще не существует (модель “ядерной зимы”), а изучение последствий того или иного процесса необходимо проводить сегодня.
Довольно часто оригинал либо очень велик (земля-глобус), либо очень мал (атом-уравнение движения), или процесс протекает очень быстро или очень медленно, что требует воспроизведения его свойств в виде модели.
Главная же причина создания моделей состоит в бесконечной сложности окружающего человека мира, в котором изучаемые им процессы и объекты имеют огромное количество свойств и взаимосвязей. Чтобы понять, как действует реальный объект, приходится вместо него рассматривать его упрощенное представление – модель.
Модель (лат. modulus) – это упрощенный объект-заменитель объекта-оригинала, в котором отражаются его существенные особенности (свойства). Чем меньше подробностей оригинала отражено в модели, тем она проще.
Известным также является и иное определение: под моделью понимается выраженная в той или иной форме информация о наиболее существенных и устойчивых причинно-следственных связях между характеристиками реального объекта.
Модель – это не только представление каких-либо объектов, процессов и связей, но и отражение самого субъекта (творца модели) в созданной им модели: его целей, опыта, знаний и т.д. Так как модель фиксирует отношение субъекта к миру, поэтому по ней можно реконструировать, то есть воспроизвести его самого. Это объясняется тем, что в той мере, в какой в модели представлен мир таким, каким он является познающему субъекту, в ней также содержится своеобразный “портрет” субъекта, то есть характер и система его убеждений. Отсюда можно сделать вывод о том, что моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Так как человек живет и работает в мире моделей их создано и используется огромное множество, известны
Образные (материальные, предметные) – это физические модели. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала и всегда имеют материальное воплощение, отражая внешние свойства и частично внутренние устройства объекта-оригинала. Примерами здесь могут служить детские игрушки, скелет человека, макет солнечной системы и т.д.
Класс образных (материальных) моделей можно разделить на подклассы: опытные, учебные и игровые.
Опытные модели – это уменьшенные искусственно созданные копии каких-либо реальных процессов (аэродинамическая труба, воссоздающая движение воздуха, синхрофазотрон, воссоздающий реальное движение частиц), учебные - наглядные пособия, тренажеры, обучающие программы, игровые модели - экономические, спортивные, деловые, бытовые.
Рис. 6.1. Некоторые классы моделей
Знаковые (абстрактные) модели, в отличие от образных (материальных) не имеют внешнего (реального) сходства с оригиналом. Их основу составляет теоретический метод познания окружающей среды, известный как абстрагирование. По признаку формы воплощения они бывают: вербальные (словесные), математические и информационные.
Вербальные модели формируются в воображении человека в виде некоторого образа, который затем выражается (вербализуется) в словесной форме. Логико-лингвистические модели – это особая форма вербализации связей между объектами. Цель создания такого рода моделей состоит в описании объектов и связей таким образом, чтобы его преобразование и обработка могла осуществляться логическими средствами.
С усложнением сфер моделирования, и, как правило, невозможностью натурного воспроизведения требуемых свойств оригинала, стало развиваться математическое моделирование. Под математическим моделированием подразумевается процесс установления соответствия реальному объекту математического объекта, отражающего цели моделирования. Математические модели воспроизводят реальные объекты и их связи с помощью математических символов (алгебраических, дифференциальных и конечно-разностных уравнений, предикатов и т.д.). Такого рода модели исследуются либо аналитически, (стремление получить явные зависимости для искомых величин) либо численно (при отсутствии общего решения отыскивается частное).
Математические модели, в соответствии с природой воспроизводимых процессов, можно разделить на детерминированные, вероятностные (стохастические) и имитационные (компьютерные).
Некоторые знания об окружающем мире условно можно характеризовать как определенные, отражающие вполне устоявшиеся взаимосвязи объектов, что подтверждается практикой. Модели, которые воспроизводят эти связи, обычно называются детерминированными, так как отражают причинно-следственные отношения между объектами или процессами. Задавая в этих моделях причину (исходные данные, значение переменных, значение параметров и т.д.) можно определить следствие (скорость, рентабельность, индекс валют и т.д.). Детерминированные модели можно разделить на дискретные и непрерывные.
Дискретные детерминированные модели воспроизводят процессы в отдельные промежутки времени. Например, формула расчета рентабельности, предназначенная для определения показателя на конец месяца, является дискретной детерминированной моделью, так как все переменные рассматриваются в качестве фиксированных величин на некотором промежутке времени.
Непрерывные детерминированные модели отражают процессы в любой момент времени. Для этого довольно часто используют дифференциальные уравнения. С их помощью выражается движение маятника, скорость изменения прибыли, зависящей от объемов продаж и т.д.
Стохастические модели воспроизводят вероятностные процессы и события. Например, если имеет место процесс, дальнейшая эволюция которого определяется только состоянием в предшествующий момент, а переход из состояния в состояние происходит в дискретные моменты времени.
Стохастические модели оперируют вероятностями, которые не всегда можно получить, поэтому вместо них часто используют статистические модели. Сложные процессы моделируются с помощью систем взаимосвязанных уравнений]:
Имитационные модели. Моделирование сложных объектов и процессов сталкивается с трудностями как на этапе составления соответствующих детерминированных или стохастических уравнений, так и на этапе их решения. Основное препятствие состоит в формализации и математическом описании общесистемных ситуаций на базе умозрительного анализа взаимозависимостей составляющих их событий.
Такого рода трудности стимулировали разработку иного пути воспроизведения связей сложных объектов: это имитирование моделируемого процесса. Для этого необходимо:
а) необходимо задать границы пространства состояний объекта,
б) описать перемещения изучаемой точки,
в) указать правила расчета распределения вероятности скачка состояния при выходе точки за границу пространства,
г) указать правила расчета распределения вероятности скачка точки при поступлении входного сигнала,
д) указать правила расчета координат выходного сигнала.
Важная особенность моделей такого рода состоит в получении информации о состоянии объекта в произвольный момент времени. Сегодня достаточно широко используются модели, имитирующие природные аномалии, техногенные катастрофы, распространение заболеваний и т.д.
Информационные модели. Наибольшие трудности в обработке информации на компьютере встречаются на начальном этапе, предназначенном для приведения неформального описания процессов (например, бизнес-процессов) к формальному. Нужная степень формализации достигается путем постепенной последовательной детализации одного описания другим. Первое описание, как правило, выполняется в виде информационной модели, видов которых существует достаточно много, а последнее - на одном из языков программирования. Поэтому особое место в информатике занимают информационные модели, которые рассмотрим более подробно.
Информационные модели отражают информационные потоки между различными объектами. Они состоят из:
а) идентификаторов объектов;
б) идентификаторов потоков данных;
в) объемных, временных, частотных и других характеристик, как самих объектов, так и входящих и исходящих потоков данных;
г) последовательности процедур обработки потоков данных.
Цель информационного моделирования состоит в отражении в наглядной форме процессов сбора внешней и внутренней информации, ее регистрации на машинных носителях, передачи, обработки с указанием последовательности расчетов и использования. Особенность такого рода моделей заключается в их графическом представлении, но при этом имеется возможность матричного или аналитического способа их отображения.
Особенно широко используются такие информационные модели как табличные, иерархические и сетевые.
Табличные модели отображают объекты и их свойства в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы.
Иерархические модели предназначены для выражения отношений соподчинения между объектами. Объект нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня.
Сетевые модели необходимы для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру. Перечисленные информационные модели используются для создания и функционирования баз данных и баз знаний.
Информационные модели выполняют две функции: познавательную и управленческую (прагматичную). Если перед субъектом поставлена задача разработать модель, то он изучает (объект) оригинал (на рис. 6.2 информационный поток направлен от оригинала к субъекту). На основании полученных знаний он создает модель. Далее полученная модель используется для воздействия на объект, то есть управления им (на рис. 6.2 информационный поток направлен от модели к субъекту, а за тем на объект). В этом случае модель выполняет прагматическую функцию.
Рис. 6.2. Познавательная и управленческая функции модели
Заканчивая описание наиболее популярных моделей, используемых в практике управления, следует отметить, что большинство из них, так или иначе, реализуется с помощью компьютеров, то есть преобразуются в компьютерную модель. Поэтому далее необходимо рассмотреть сущность и этапы создания информационной модели.