Основные этапы компьютерного моделирования совпадают с основными этапами подготовки и решения задач на компьютере.

КЛАССИФИКАЦИЯ по СПОСОБУ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Материальные и информационные модели

КЛАССИФИКАЦИЯ по УЧЕТУ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Классификация моделей

Основные признаки классификации моделей

Как уже было отмечено выше существует бесконечное множество различных объектов, для каждого из которых может быть создано множество различных моделей.

Как разложить все это многообразие «по полочкам», т.е. классифицировать?

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.

Рассмотрим наиболее распространенные признаки, по которым классифицируются модели:

• область использования;

• учет в модели временного фактора (динамики);

• отрасль знаний;

• способ представления моделей.

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

2. 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.

3. 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.

4. 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 либо разрешать конфликтные ситуации.

Примеры военных моделей: модели процесса ведения боевых действий, модели принятия решения командиром, модель поражения цели.

5. 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.

Пример: модель функционирования АСУВ,

 

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

Статическая модель — это как бы одномоментный срез информации об объекте. Например, обследование курсантов в поликлинике дает картину состояния их здоровья в настоящее время. Любая карта – типичная статичная модель: ведь она предполагает неизменность изображаемого ландшафта в течение некоторого времени.

Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени. Изменение динамической системы во времени обычно называют ее функционированием, а соответствующую модель – функциональной.

В примере с поликлиникой медицинскую карточку курсанта, отражающую состояние здоровья курсанта за время обучения в училище, 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.

Рассматривая функционирование системы, нередко бывает достаточно сосредоточить свое внимание на внешних воздействиях, вызывающих изменения системы, и результаты этих воздействий.

Внешние воздействия воспринимаются системой через ее входы, а результаты передаются системой во внешнюю среду через ее выходы.

При этом для нас оказывается несущественным внутреннее устройство системы.

Объект, внутреннее устройство которого принципиально скрыто от исследователя, был введен в кибернетике под названием черный ящик.

 

3. Можно классифицировать модели и по тому, К КАКОЙ ОБЛАСТИ ЗНАНИЙ ОНИ ПРИНАДЛЕЖАТ:

(биологические, социологические, исторические и т. п.), и по множеству других факторов.

 

Подробнее рассмотрим классификацию всего многообразия моделей по способу представления. Здесь модели делятся на 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.

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,

· карты местности,

· схемы солнечной системы и звездного неба на уроках астрономии,

· макет многоступенчатой ракеты

· и еще многое другое.

Материальные модели — это не только объекты, но и различные физические и химические процессы.

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.

Информатика занимается прежде всего информационными моделями.

Как самостоятельная наука информатика вступает в права тогда, когда в рамках соответствующей частной науки строится информационная модель того или иного фрагмента действительности…

Поэтому информационная модель выступает как средство сопряжения информатики с этими науками.

Построение и обоснование информационных моделей – задача частных наук, а в информатике рассматриваются методологические принципы построения и использования таких моделей.

Первым структурным элементом информационной модели объекта (процесса, явления) всегда выступают упрощающие предположения, которые позволяют из всего многообразия информации об изучаемом объекте, процессе или явлении выделить существенную, определить, что будет служить параметрами модели и каковы связи между этими параметрами.

Итак, структура информационной модели объекта (процесса, явления) состоит из предположений, параметров, описывающих элементы модели, и связей между этими параметрами.

Выделение параметров и связей между ними означает, что информационная модель всегда структурирована, т.е. представляет собой систему, а в параметрах отражены величины, характеризующие рассматриваемый объект.

Построение информационной модели в общем случае не связано с языком программирования.

Информационные модели относятся к классу знаковых структурированных моделей.

Именно эти признаки – структурированность и знаковая форма представления – являются отличительными чертами информационных моделей.

Модель, представляющая объект, процесс или явление набором параметров и связей между ними, называется информационной моделью.

Вскрыть связи между параметрами информационной модели – это едва ли не самая сложная часть работы по построению модели, возникающая после того, как определены ее параметры.

Ведь, скажем, составление расписания занятий на семестр – а такое расписание, безусловно, представляет собой информационную модель – в том и состоит, чтобы связать в единый согласованный по месту и времени учебный процесс: взвода курсантов, преподавателей, командиров, классы, технику, обслуживающий персонал и т. д.

Информационная модель, в которой параметры и зависимости между ними выражены в математической форме, называется математической моделью. Математические модели обеспечивают в частности и решение различных вычислительных задач.

Разумеется, информационная модель вовсе не обязана быть математической.

Что, к примеру может представлять информационная модель учебного взвода курсантов.

Один из очевидных параметров этой модели – фамилия, имя и отчество каждого курсанта. Очевидно, что это не числа, а слова.

Другой естественный параметр – дата рождения и год рождения.

Связь между этими параметрами довольно проста: каждому значению первого параметра соответствует в точности одно значение второго параметра.

Конечно, параметров, описывающих взвод курсантов, довольно много. Если записывать их в виде таблицы, то такая таблица будет иметь много различных столбцов.

Вам уже известно, что для удобства работы с подобными таблицами на компьютере, имеются специальные программы – СУБД.

Особое внимание, которое уделяется информационным моделям, вызвано тем, что для работы именно с этими моделями можно использовать компьютер, который является основным инструментом современных информационных технологий, и основная сфера его применения – решение задач на основе информационных моделей.

 

5. По способу реализации: 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 (Sound Blaster) 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.

Моделирование — творческий процесс. Заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить поэтапно:

1. Постановка задачи

· описание задачи;

· цель моделирования;

· анализ объекта;

2. Разработка модели

· информационная модель

· знаковая модель

· компьютерная модель.

3. Компьютерный эксперимент

· план моделирования;

· технология моделирования;

4. Анализ результатов моделирования (Результаты соответствуют цели или нет).

Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок будет убран или усовершенствован, какой-то — добавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования. Рассмотрим основные этапы моделирования подробнее.

I этап. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Под задачей в самом общем смысле этого слова понимается некая проблема, которую надо решить. На этапе постановки задачи необходимо отразить три основных момента: описание задачи, определение целей моделирования и анализ объекта или процесса.

Описание задачи

Задача (проблема) формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь — определить объект моделирования и понять, что собой должен представлять результат. От того, как будет понята проблема, зависит результат моделирования и, в конечном итоге, принятие решения.

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. Такую постановку задачи принято называть «что будет, если?..».

Например, как изменится скорость автомобиля через 6 с, если он движется прямолинейно и равноускоренно с начальной скоростью 3 м/с и ускорением 0,5 м/с²? Или: что будет, если повысить оплату за квартиру в два раза?

Иногда задачи формулируются несколько шире. Что будет, если изменять характеристики объекта в заданном диапазоне с некоторым шагом? Такое исследование помогает проследить зависимость параметров объекта от исходных данных.

Например, модель информационного взрыва: «Один человек увидел НЛО и в течение следующих 15 минут рассказал об этом трем своим знакомым. Те в свою очередь еще через 15 минут сообщили о новости еще трем своим знакомым каждый и т. д. Проследить, каково будет количество оповещенных через 15, 30 и т. д. минут».

Вторая группа задач имеет такую обобщенную формулировку: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию? Такая постановка задачи часто называется «как сделать, чтобы?..». Например, какого объема должен быть воздушный шар, наполненный газом гелием, чтобы он мог подняться с грузом 100 кг?

Наибольшее количество задач моделирования, как правило, являются комплексными. Например, задача изменения концентрации раствора: «Химический раствор объемом 5 частей имеет начальную концентрацию 70%. Сколько частей воды надо добавить, чтобы получить раствор заданной концентрации?» Сначала проводится расчет концентрации при добавлении 1 части воды. Затем строится таблица концентраций при добавлении 2, 3, 4... частей воды. Полученный расчет позволяет быстро пересчитывать модель с разными исходными данными. По расчетным таблицам можно дать ответ на поставленный вопрос: сколько частей воды надо добавить для получения требуемой концентрации.