Вопрос 12 Моделирование как метод познания. Классификация и формы представления моделей. Абстрагирование

Модель (model) — это абстракция, которая создается с целью постижения чего-либо перед тем, как оно будет создано. Поскольку модель не содержит несущественных деталей, работать с ней оказывается проще, чем с моделируемой сущностью. Абстрагирование — это одно из важнейших человеческих умений, которое дает нам возможность работать со сложными вещами. Модель – это некий заменитель объекта, процесса или явления, который в определенных условиях может заменить оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала. Слово «модель» происходит от латинского «modulus», что в переводе означает «образец». Иначе говоря, модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта, процесса или явления.

Объект (от лат. objectum – предмет): 1) то, что существует вне нас и независимо от нашего сознания, явление внешнего мира; 2) явление, предмет, на который направлена чья-нибудь деятельность, чье-нибудь внимание.

Процесс (от лат. processus – продвижение) – ход, развитие какого-нибудь явления, последовательная смена состояний в развитии чего-либо.

Явление – всякое обнаруживаемое проявление чего-либо, например, физическое явление, явления природы. Другие термины:

Абстрагирование – отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих нас свойств и отношений.

Анализ (один из возможных этапов моделирования) – расчленение целостного предмета на составные части (стороны, признаки, свойства) с целью их всестороннего изучения.

Актуальность –  это характеристика самого процесса моделирования, то есть исследование данного объекта, явления может быть актуальным или уже нет.

Объекты моделирования могут быть естественными (растение, гроза, солнечная система) и искусственными — созданными человеком; иногда последние называют конструктивными, подчёркивая, что они были кем-то сконструированы (автомобиль, электрическая схема, книга, формула).

Для естественных объектов справедливо положение: ни одна модель не представляет объект во всей его полноте. Естественные объекты очень сложны, связи между элементами этих объектов часто неизвестны. Поэтому модели естественных объектов всегда проще, чем оригинал.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ

Все модели можно разбить на два больших класса: предметные (материальные) и информационные.

ПРЕДМЕТНЫЕ МОДЕЛИ воспроизводят физические, геометрические, функциональные свойства объектов в материальной форме (глобус, макет здания, игрушечный автомобиль и др.).

Натурная модель относится к предметным, всегда имеет визуальную схожесть с объектом-оригиналом. Натурное моделирование  представляет собой специально поставленные исследования на реальном объекте  («на натуре»)  при специально созданных или подобранных условиях с последующей обработкой результатов эксперимента на основе теории подобия. В натурном моделировании в  модели всегда узнается моделируемый объект, то есть модель всегда имеет визуальную схожесть с объектом-оригиналом. Натурное моделирование подразделяется на научный эксперимент, комплексные испытания и производственный эксперимент.

Научный эксперимент характеризуется широким использованием средств автоматизации, применением весьма разнообразных средств обработки информации, возможностью вмешательства человека в процесс проведения эксперимента.

Одна из разновидностей эксперимента – комплексные испытания, в процессе которых вследствие повторения испытаний объектов в целом (или больших частей системы) выявляются общие закономерности в характеристиках качества, надежности этих объектов. В этом случае моделирование осуществляется путем обработки и обобщения сведений о группе однородных явлений.

Наряду со специально организованными испытаниями возможна реализация натурного моделирования путем обобщения опыта, накопленного в ходе производственного процесса, т.е. можно говорить о производственном эксперименте. Здесь на базе теории подобия обрабатывают статистический материал по производственному процессу и получают его обобщенные характеристики. Необходимо помнить про отличие эксперимента от реального протекания процесса. Оно заключается в том, что в эксперименте могут появиться отдельные критические ситуации и определиться границы устойчивости процесса.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ представляют объекты или процессы в образной или знаковой форме. Рисунки, фотографии, учебные плакаты – это  образные информационные модели. Примеры знаковых информационных моделей:  программа на языке программирования, формулы законов физики, химии, биологии,  периодическая таблица химических элементов, географическая карта.

Информационные модели (знаковые): описательная, табличная, математическая (интегральная, дифференциальная, имитационная, дискретная и др.).

Информационные модели (знаковые) по структуре организации данных: иерархическая, сетевая, табличная, линейная.

Описательная информационная модель – совокупность данных, содержащих текстовую информацию об объекте-оригинале. Для создания описательных информационных моделей используются естественные языки.

Табличная информационная модель – таблица, содержащая информацию об объекте-оригинале. Например, таблица, содержащая информацию о планетах Солнечной системы (расстояние, размеры, температуру, период обращения вокруг Солнца).

Математическая информационная модель – математические формулы, описывающие форму или поведение объекта-оригинала.

В том числе имитационная (математическая) модель. При имитационном моделировании воспроизводится алгоритм функционирования системы во времени – поведение системы; причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы. Основным преимуществом имитационного моделирования является возможность решения сложных задач. Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и другие, которые часто создают трудности при аналитических исследованиях. В настоящее время имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы.

По структуре организации данных информационные модели могут быть иерархические, сетевые, модели линейной структуры, табличные.

Иерархическая информационная модель имеет упорядоченную структуру, где объект нижнего уровня связан только с одним объектом предыдущего уровня, но любой объект вышестоящего уровня может быть связан с несколькими объектами последующего уровня.

Современная классификация представителей животного мира  является иерархической информационной моделью.

Табличная информационная модель – таблица, содержащая информацию об объекте-оригинале. Например, таблица, содержащая информацию о планетах Солнечной системы (расстояние, размеры, температуру, период обращения вокруг Солнца).

В сетевой модели объекты не упорядочены по уровням. Вспомните сетевую модель баз данных.

В линейной структуре объекты соединены в одну цепь.

ВОПРОС 13 Методы и технологии моделирования (задачи исследования и их формализация. Этапы компьютерного моделирования. Методы верификация и валидация). Информационная модель объекта, виды моделирования с использованием ЭВМ

Аналитическое моделирование заключается в построении модели, основанной на описании поведения объекта или системы объектов в виде аналитических выражений — формул.

Имитационное моделирование предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа. Это означает, что внешние воздействия на модель и объект вызывают идентичные изменения свойств оригинала и модели.

Эвристическое моделирование – разновидность инновационного моделирования, заключающаяся в стремлении человека воспроизвести то, что однажды уже привело его случайно к успеху. Этот вид моделирования представляет собой механизм самообучения человека на собственном положительном опыте.

Эволюционное моделирование - направление в математическом моделировании, объединяющее компьютерные методы моделирования биологических процессов эволюции, а также другие, идеологически близкие направления в математическом программировании, использующие эвристические методы и эволюционный принцип. Инструментами эволюционного моделирования являются генетические алгоритмы, генетическое программирование, эволюционные стратегии, эволюционное программирование, а также искусственные нейронные сети, нечеткая логика.

В табличной информационной модели обычно перечень объектов размещен в ячейках первого столбца таблицы, а значения их свойств - в других столбцах. Иногда используется другой вариант размещения данных в табличной модели, когда перечень объектов размещается в первой строке таблицы, а значения их свойств - в последующих строках.

Статическая иерархическая модель.

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням. Каждый элемент более высокого уровня может состоять из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент, который является "вершиной" иерархической структуры.

В иерархической модели, классифицирующей компьютеры, имеются три уровня. На первом, верхнем, уровне располагается элемент Компьютеры, в него входят три элемента второго уровня Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В состав последнего входят три элемента третьего, нижнего, уровня Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

Изображение информационной модели в форме графа. Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа (овалы) отображают элементы системы.

Элементы верхнего уровня находятся в отношении "состоять из" к элементам более низкого уровня.

Динамическая иерархическая модель. Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического дерева.

Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структурой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер.