Правила построения информационных моделей.
Информационная модель есть организованная по определенным правилам совокупность информации о состоянии и функционировании объекта управления и внешней среды. Она является для оператора своеобразным имитатором существенно важных для управления свойств реальных объектов, т.е. тем источником информации, на основе которого он формирует образ реальной обстановки, производит анализ и оценку сложившейся ситуации, планирует управляющие воздействия, принимает решения, обеспечивающие эффективную работу системы, а также оценивает результаты их реализации. Другими словами, оператор имеет дело не с объектом как таковым, а с его знаковым представлением. При любых видах работы с информацией всегда идет речь о ее представлении в виде определенных символических структур. Формирование представления информации - это ее кодирование.
Концептуальная модель - это совокупность представлений оператора о рабочих задачах, состоянии и функционировании рабочей системы и собственных способах управляющих воздействий на них. Образы и представления, составляющие содержание концептуальной модели, не являются только отражением реальности. Они играют роль обобщенных схем деятельности, сформированных в процессе обучения и тренировок. Концептуальная модель характеризуется огромной информационной избыточностью, но актуализируются и осознаются в тот или иной момент лишь образы и схемы деятельности, связанные с непосредственно решаемой задачей. При создании информационных моделей, необходимо руководствоваться следующими эргономическими требованиями:
♦ по содержанию информационные модели должны адекватно отображать объекты управления, внешнюю среду и состояние самой системы управления;
♦ по количеству информации они должны обеспечивать оптимальный информационный баланс и не приводить к таким нежелательным явлениям, как дефицит или избыток информации;
♦ по форме и композиции они должны соответствовать задачам трудового процесса и возможностям человека по приему, анализу, оценке информации и осуществлению управляющих воздействий.
Учет этих требований в процессе проектирования информационных моделей позволяет оператору выполнять возложенные на него функции с необходимой оперативностью и точностью, предотвращает появление ошибочных действий, обеспечивает эффективное функционирование системы "человек-машина". Опыт разработки и использования информационных моделей, а также анализ деятельности операторов с ними позволяют сформулировать ряд важнейших характеристик информационных моделей.
Отображение существенной информации и проблемной ситуации. В информационной модели должны быть представлены лишь основные свойства, отношения, связи управляемых объектов. В этом смысле модель воспроизводит действительность в упрощенном виде и всегда является некоторой ее схематизацией. Степень и характер упрощения и схематизации могут быть определены на основе анализа задач систем "человек - машина". При возникновении проблемной ситуации в управлении ее восприятие облегчается, если в информационной модели предусмотрено отображение:
♦ изменений свойств элементов ситуации, которые происходят при их взаимодействии. В этом случае измене
ния свойств отдельных элементов воспринимаются не изолированно, а в контексте ситуации в целом;
♦ динамических отношений управляемых объектов, при этом связи и взаимодействия информационной модели должны отображаться в развитии. Допустимо и даже полезно утрирование или усиление отображения тенденций развития элементов ситуации, их связей или ситуации в целом;
♦ конфликтных отношений, в которые вступают элементы ситуации.
- Этапы построения информационной модели.
Порядок построения информационной модели, как правило, следующий:
1) определение задач системы и очередности их решения;
2) определение источников информации, методов решения задач, времени, необходимого на их решение, а также требуемой точности;
3) составление перечня типов объектов управления, определение их количества и параметров работы системы;
4) составление перечня признаков объектов управления разных типов;
5) распределение объектов и признаков по степени важности, выбор критичных объектов и признаков, учет которых необходим в первую очередь;
6) выбор системы и способов кодирования объектов управления, их состояний и признаков;
7) разработка общей композиции информационных моделей;
8) определение перечня исполнительных действий операторов, осуществляемых в процессе решения задачи и после принятия решения;
9) создание макета, моделирующего возможную ситуацию, проверка эффективности избранных вариантов информационных моделей и систем кодирования информации. Критерием эффективности служат время, точность и напряженность работы оператора;
10) определение изменений по результатам экспериментов с композицией информационных моделей и систем кодирования, проверка эффективности каждого нового варианта на макете;
11) определение на макете уровня профессиональной подготовки операторов и его соответствия заданному;
12) составление инструкций работы операторов в системе управления.
Предложенный порядок построения информационных моделей намечен лишь в общем виде. Он может меняться в зависимости от специфики тех или иных систем управления и функций операторов.
В данной работе мы предлагаем как можно подробно разобрать тему моделирования в информатике. Этот раздел имеет большое значение для подготовки будущих специалистов в сфере информационных технологий.
Для решения любой задачи (производственной или научной) информатика использует следующую цепочку:
В ней стоит уделить особое внимание понятию «модель». Без наличия данного звена решение задачи не будет возможным. Зачем же используется модель и что под данным термином понимается? Об этом мы и поговорим в следующем разделе.
Модель
Моделирование в информатике - это составление образа какого-либо реально существующего объекта, который отражает все существенные признаки и свойства. Модель для решения задачи необходима, так как она, собственно, и используется в процессе решения.
В школьном курсе информатики тема моделирования начинает изучаться еще в шестом классе. В самом начале детей необходимо познакомить с понятием модели. Что это такое?
- Упрощенное подобие объекта;
- Уменьшенная копия реального объекта;
- Схема явления или процесса;
- Изображение явления или процесса;
- Описание явления или процесса;
- Физический аналог объекта;
- Информационный аналог;
- Объект-заменитель, отражающий свойства реального объекта и так далее.
Модель - это очень широкое понятие, как это уже стало ясно из вышеперечисленного. Важно отметить, что все модели принято делить на группы:
- материальные;
- идеальные.
Под материальной моделью понимают предмет, основанный на реально существующем объекте. Это может быть какое-либо тело или процесс. Данную группу принято подразделять еще на два вида:
- физические;
- аналоговые.
Такая классификация носит условный характер, ведь четкую границу между двумя этими подвидами провести очень трудно.
Идеальную модель охарактеризовать еще труднее. Она связаны с:
- мышлением;
- воображением;
- восприятием.
К ней можно отнести произведения искусства (театр, живопись, литература и так далее).
Цели моделирования
Моделирование в информатике - это очень важный этап, так как он преследует массу целей. Сейчас предлагаем с ними познакомиться.
В первую очередь моделирование помогает познать окружающий нас мир. Испокон веков люди накапливали полученные знания и передавали их своим потомкам. Таким образом появилась модель нашей планеты (глобус).
В прошлые века осуществлялось моделирование несуществующих объектов, которые сейчас прочно закрепились в нашей жизни (зонт, мельница и так далее). В настоящее время можелирование направлено на:
- выявление последствий какого-либо процесса (увеличения стоимости проезда или утилизации химических отходов под землей);
- обеспечение эффективности принимаемых решений.
Задачи моделирования
Информационная модель
Теперь поговорим еще об одном виде моделей, изучаемых в школьном курсе информатики. Компьютерное моделирование, которое необходимо освоить каждому будущему IT-специалисту, включает в себя процесс реализации информационной модели при помощи компьютерных средств. Но что это такое, информационная модель?
Она представляет собой целый перечень информации о каком-либо объекте. Что данная модель описывает, и какую полезную информацию несет:
- свойства моделируемого объекта;
- его состояние;
- связи с окружающим миром;
- отношения с внешними объектами.
Что может служить информационной моделью:
- словесное описание;
- текст;
- рисунок;
- таблица;
- схема;
- чертеж;
- формула и так далее.
Отличительная особенность информационной модели заключается в том, что ее нельзя потрогать, попробовать на вкус и так далее. Она не несет материального воплощения, так как представлена в виде информации.
Системный подход к созданию модели
В каком классе школьной программы изучается моделирование? Информатика 9 класса знакомит учеников с данной темой более подробно. Именно в этом классе ребенок узнает о системном подходе моделирования. Предлагаем об этом поговорить немного подробнее.
Начнем с понятия «система». Это группа взаимосвязанных между собой элементов, которые действуют совместно для выполнения поставленной задачи. Для построения модели часто пользуются системным подходом, так как объект рассматривается как система, функционирующая в некоторой среде. Если моделируется какой-либо сложный объект, то систему принято разбивать на более мелкие части - подсистемы.
Цель использования
Сейчас мы рассмотрим цели моделирования (информатика 11 класс). Ранее говорилось, что все модели делятся на некоторые виды и классы, но границы между ними условны. Есть несколько признаков, по которым принято классифицировать модели: цель, область знаний, фактор времени, способ представления.
Что касается целей, то принято выделять следующие виды:
- учебные;
- опытные;
- имитационные;
- игровые;
- научно-технические.
К первому виду относятся учебные материалы. Ко второму уменьшенные или увеличенные копии реальных объектов (модель сооружения, крыла самолета и так далее). позволяет предугадать исход какого-либо события. Имитационное моделирование часто применяется в медицине и социальной сфере. Наример, модель помогает понять, как люди отреагируют на ту или иную реформу? Прежде чем сделать серьезную операцию человеку по пересадке органа, было проведено множество опытов. Другими словами, имитационная модель позволяет решить проблему методом «проб и ошибок». Игровая модель - это своего рода экономическая, деловая или военная игра. С помощью данной модели можно предугадать поведение объекта в разных ситуациях. Научно-техническую модель используют для изучения какого-либо процесса или явления (прибор имитирующий грозовой разряд, модель движения планет Солнечной системы и так далее).
Область знаний
В каком классе учеников более подробно знакомят с моделированием? Информатика 9 класса делает упор на подготовку своих учеников к экзаменам для поступления в высшие учебные заведения. Так как в билетах ЕГЭ и ГИА встречаются вопросы по моделированию, то сейчас необходимо как можно подробнее рассмотреть эту тему. И так, как происходит классификация по области знаний? По данному признаку выделяют следующие виды:
- биологические (например, искусственно вызванные у животных болезни, генетические нарушения, злокачественные новообразования);
- поведения фирмы, модель формирования рыночной цены и так далее);
- исторические (генеалогическое дерево, модели исторических событий, модель римского войска и тому подобное);
- социологические (модель личного интереса, поведение банкиров при адаптации к новым экономическим условиям) и так далее.
Фактор времени
По данной характеристике различают два вида моделей:
- динамические;
- статические.
Уже, судя по одному названию, не трудно догадаться, что первый вид отражает функционирование, развитие и изменение какого-либо объекта во времени. Статическая наоборот способна описать объект в какой-то конкретный момент времени. Этот вид иногда называют структурным, так как модель отражает строение и параметры объекта, то есть дает срез информации о нем.
Примерами являются:
- набор формул, отражающих движение планет Солнечной системы;
- график изменения температуры воздуха;
- видеозапись извержения вулкана и так далее.
Примерами статистической модели служат:
- перечень планет Солнечной системы;
- карта местности и так далее.
Способ представления
Для начала очень важно сказать, что все модели имеют вид и форму, они всегда из чего-то делаются, как-то представляются или описываются. По данному признаку принято таким образом:
- материальные;
- нематериальные.
К первому виду относятся материальные копии существующих объектов. Их можно потрогать, понюхать и так далее. Они отражают внешние или внутренние свойства, действия какого-либо объекта. Для чего нужны материальные модели? Они используются для экспериментального метода познания (опытного метода).
К нематериальным моделям мы уже тоже обращались ранее. Они используют теоретический метод познания. Такие модели принято называть идеальными либо абстрактными. Эта категория делится еще на несколько подвидов: воображаемые модели и информационные.
Информационные модели приводят перечень различной информации об объекте. В качестве информационной модели могут выступать таблицы, рисунки, словесные описания, схемы и так далее. Почему данную модель называют нематериальной? Все дело в том, что ее нельзя потрогать, так как она не имеет материального воплощения. Среди информационных моделей различают знаковые и наглядные.
Воображаемая модель - это один из Это творческий процесс, проходящий в воображении человека, который предшествует созданию материального объекта.
Этапы моделирования
Тема по информатике 9 класса «Моделирование и формализация» имеет большой вес. Она обязательна к изучению. В 9-11 классе преподаватель обязан познакомить учеников с этапами создания моделей. Этим мы сейчас и займемся. Итак, выделяют следующие этапы моделирования:
- содержательная постановка задачи;
- математическая постановка задачи;
- разработки с использованием ЭВМ;
- эксплуатация модели;
- получение результата.
Важно отметить, что при изучении всего, что окружает нас, используется процессы моделирования, формализации. Информатика - это предмет, посвященный современным методам изучения и решения каких-либо проблем. Следовательно, упор делается на модели, которые можно реализовать при помощи ЭВМ. Особое внимание в этой теме следует уделить пункту разработки алгоритма решения при помощи электронно-вычислительных машин.
Связи между объектами
Теперь поговорим немного о связях между объектами. Всего выделяют три вида:
- один к одному (обозначается такая связь односторонней стрелкой в одну или в другую сторону);
- один ко многим (множественная связь обозначается двойной стрелкой);
- многие ко многим (такая связь обозначается двойной стрелкой).
Важно отметить, что связи могут быть условными и безусловными. Безусловная связь предполагает использование каждого экземпляра объекта. А в условной задействованы только отдельные элементы.
1) Первым этапом любого исследования является постановка задачи, которая определяется заданной целью.
Задача формулируется на обычном языке. 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, "что будет, если?…". Вторая группа задач: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию, "как сделать, чтобы?..".
2) Второй этап - анализ объекта. Результат анализа объекта - выявление его составляющих (элементарных объектов) и определения связей между ними.
3) Третий этап - разработка информационной модели объекта. Построение модели должно быть связано с целью моделирования. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, которые соответствуют цели.
Все то, о чем говорилось выше - это формализация.
Формализация - это процесс выделения и перевода внутренней структуры объекта в определенную информационную структуру - форму.
Построив информационную модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул.
Моделирование любой системы невозможно без предварительной формализации. По сути, формализация - это первый и очень важный этап процесса моделирования.
Построение и использование компьютерных моделей
В наиболее общем виде процесс построения и использования компьютерных моделей можно представить как последовательность этапов:
1) Постановка задачи
a) Описание задачи
b) Цель моделирования
c) Анализ объекта
2) Разработка модели
a) Информационная модель
b) Знаковая модель
c) Компьютерная модель
3) Компьютерный эксперимент
4) Анализ результатов моделирования (результат соответствует цели/результат не соответствует цели).
Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок может быть убран или усовершенствован. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.
3D Моделирование
Трехмерная модель - это воссозданная на базе рабочей проектной документации точная геометрическая копия объекта
3D графика - это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. На основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации, 3D дизайнер создает объемное изображение. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.
Трехмерная графика может быть любой сложности. Вы можете создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы. Или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее). Конечно, это всерьез влияет на стоимость готовой трехмерной модели, однако позволяет расширить применение трехмерной модели.
Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.
В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Вы можете изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Ваша фантазия практически ни чем не ограничена, и вы сможете быстро выбрать именно тот вариант, который подойдет вам наилучшим образом. моделирование вербальный компьютерный формализация
Однако трехмерное моделирование удобно не только для клиента. Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудоемкий процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.
Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.
Программы для трехмерного моделирования:
Существует довольно большое количество самых разных программ для 3D моделирования. Так, одной из популярных программ, которые специально разработаны для создания трехмерной графики и дизайна интерьеров, является программа 3D Studio MAX. Она позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того, "3D Studio MAX" дает возможность компоновать их, задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа, конечно же, требует у специалиста серьезных навыков, а также больших компьютерных ресурсов, в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора.
Другой широко используемой программой является AutoCAD. Она также используется для трехмерного моделирования и визуализации, профессионального архитектурно-строительного проектирования, постоянно дополняется новыми возможностями. Довольно большое количество программ могут быть интегрированы с базовым ядром "AutoCAD". Например, приложение для визуализации в таких областях, как вентиляция, трубопроводы, электрика и так далее. Если программу "3D Studio MAX" больше предпочитают дизайнеры и аниматоры, то программой "AutoCAD" в основном пользуются профессиональные архитекторы для реализации сложных проектов.
Рисунок 3.Модель кабинета, выполненная в программе 3D Studio MAX
Описание задачи
Цель моделирования
Анализ объекта
Постановка задачи
Под задачей в самом общем смысле этого слова понимается некоя 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
По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы:первая группа - как изменятся характеристики объекта или процесса, при некотором воздействии на него(задачи типачто будет,если... ) и вторая группа - какое воздействие нужно произвести, чтобы произвести изменение характеристик объекта или процесса до определенных значений(как сделать,чтобы...
Цель моделирования
Познание окружающего мира, создание объектов с заданными свойствами, определение последствий воздействия на объект, эффективность управления объектом или процессом.
Анализ объекта
Результат анализа объекта появляется в процессе выявления его составляющих(элементарных объектов) и связей между ними.
Разработка модели
Информационная модель
Выбор наиболее существенной информации при создании информационной модели и ее сложность обусловлены целью моделирования .Построение информационной модели является отправным пунктом разработки модели.
Все входные параметры объектов, выделенные при анализе, располагают в порядке убывания значимости и проводят упрощение модели в соответствии с целью моделирования.При этом отбрасываются факторы, несущественные с точки зрения того, кто определяет модель. Если отбросить существенные факторы, то модель может оказаться неверной.
Все элементарные объекты, выделенные при анализе должны бытьпоказаны во взаимосвязи. В информационной модели отображаются только бесспорные связи и очевидные действия. Такая модель дает первичную идею, определяющую дальнейший ход моделирования.
Знаковая модель
Информационная модель, как правило, представляется в той или иной знаковой форме,которая может быть компьютерной или некомпьютерной.
Компьютерная модель
Компьютерная модель- модель реализованная средствами программной среды При моделировании на компьютере необходимо иметь представление о классах программных средств, их назначении, инструментарии и приемах работы. Тогда легко можно преобразовать информационную знаковую модель в компьютерную и провести соответствующий эксперемент.
между ними.
Компьютерный эксперемент
План моделирования
С развитием вычислительной техники появился новый уникальный метод исследования - компьютерный эксперемент. В помощь, а иногда и на сменуэксперементальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Этап проведения компьютерного эксперемента включает две стадии: составление плана моделирования и технологию моделирования.
План моделирования должен четко отражать последовательность работы с моделью. Первым пунктом плана часто является разработка теста, а вторым -тестирование модели.
Тестирование - проверка правильности модели. Тест - набор исходных данных, для которых заранее известен результат
После тестирования, когда есть уверенность в правильности функционирования модели, можно переходить непосредственно к технологии моделирования.
Технология моделирования - совокупность целенаправленных действий пользователя над компьютерной моделью .
Каждый эксперемент должен сопровождаться осмыслением результатов моделирования, которые станут основой анализа результатов моделирования.
Анализ результатов моделирования
Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа полученных результатов. Этот этап решающий - либо вы продолжаете исследования, либо заканчиваете.Если известен результат, то можно сравнитьего с полученным результатом моделирования. Полученные выводы часто способствуют прведению дополнительной серии эксперементов, а иногда и к изменению модели.
Основой для выработки решения служат результаты тестирования и эксперементов. Если результаты не соответствуют целям моделирования,значит, допущены ошибки на предыдущих этапах.
Практическая работа №14
Выполнил студент группы №___________Ф.И.______________________
Тема Конструирование программ на основе разработки алгоритмов процессов различной природы.
Цель: познакоситься с понятиями модели и моделирование, научиться создавать компьютерные модели.
Теоретические сведения
Модель - это искусственно создаваемый объект, заменяющий некоторый объект реального мира (объект моделирования) и воспроизводящий ограниченное число его свойств. Понятие модели относится к фундаментальным общенаучным понятиям, а моделирование - это метод познания действительности, используемый различными науками.
Объект моделирования - широкое понятие, включающее объекты живой или неживой природы, процессы и явления действительности. Сама модель может представлять собой либо физический, либо идеальный объект. Первые называются натурными моделями, вторые - информационными моделями. Например, макет здания - это натурная модель здания, а чертеж того же здания - это его информационная модель, представленная в графической форме (графическая модель).
В экспериментальных научных исследованиях используются натурные модели, которые позволяют изучать закономерности исследуемого явления или процесса. Например, в аэродинамической трубе моделируется процесс полета самолета путем обдувания макета самолета воздушным потоком. При этом определяются, например, нагрузки на корпус самолета, которые будут иметь место в реальном полете.
Информационные модели используются при теоретических исследованиях объектов моделирования. В наше время основным инструментом информационного моделирования является компьютерная техника и информационные технологии.
Компьютерное моделирование включает в себя прогресс реализмом информационной модели на компьютере и исследование с помощью этой модели объекта моделирования - проведение вычислительного эксперимента.
Формализация
К предметной области информатики относятся средства и методы компьютерного моделирования. Компьютерная модель может быть создана только на основе хорошо формализованной информационной модели. Что же такое формализация?
Формализация информации о некотором объекте - этоее отражение в определенной форме. Можно еще сказать так: формализация - это сведение содержания к форме. Формулы, описывающие физические процессы, - это формализация этих процессов. Радиосхема электронного устройства - это формализация функционирования этого устройства. Ноты, записанные на нотном листе, - это формализация музыки и т.п.
Формализованная информационная модель - это определенные совокупности знаков (символов), которые существуют отдельно от объекта моделирования, могут подвергаться передаче и обработке. Реализация информационной модели на компьютере сводится к ее формализации в форматы данных, с которыми "умеет" работать компьютер.
Но можно говорить и о другой стороне формализации применительно к компьютеру. Программа на определенном языке программирования есть формализованное представление процесса обработки данных. Это не противоречит приведенному выше определению формализованной информационной модели как совокупности знаков, поскольку машинная программа имеет знаковое представление. Компьютерная программа - это модель деятельности человека по обработке информации, сведенная к последовательности элементарных операций, которые умеет выполнять процессор ЭВМ. Поэтому программирование на ЭВМ есть формализация процесса обработки информации. А компьютер выступает в качестве формального исполнителя программы.
Этапы информационного моделирования
Построение информационной модели начинается с системного анализа объекта моделирования (см. "Системный анализ" ). Представим себе быстро растущую фирму, руководство которой столкнулось с проблемой снижения эффективности работы фирмы по мере ее роста (что является обычной ситуацией) и решило упорядочить управленческую деятельность.
Первое, что необходимо сделать на этом пути, - провести системный анализ деятельности фирмы. Системный аналитик, приглашенный в фирму, должен изучить ее деятельность, выделить участников процесса управления и их деловые взаимоотношения, т.е. объект моделирования анализируется как система. Результаты такого анализа формализуются: представляются в виде таблиц, графов, формул, уравнений, неравенств и пр. Совокупность таких описаний есть теоретическая модель системы.
Следующий этап формализации - теоретическая модель переводится в формат компьютерных данных и программ. Для этого" используется либо готовое программное обеспечение, либо привлекаются программисты для его разработки. В конечном итоге получается компьютерная информационная модель, которая будет использоваться по своему назначению.
Для примера с фирмой с помощью компьютерной модели может быть найден оптимальный вариант управления, при котором будет достигнута наивысшая эффективность работы фирмы согласно заложенному в модель критерию (например, получение максимума прибыли на единицу вложенных средств).
Классификация информационных моделей может основываться на разных принципах. Если классифицировать их по доминирующей в процессе моделирования технологии, то можно выделить математические модели, графические модели, имитационные модели, табличные модели, статистические модели и пр. Если же положить в основу классификации предметную область, то можно выделить модели физических систем и процессов, модели экологических (биологических) систем и процессов, модели процессов оптимального экономического планирования, модели учебной деятельности, модели знаний и др. Вопросы классификации важны для науки, т.к. они позволяют сформировать системный взгляд на проблему, но преувеличивать их значение не следует. Разные подходы к классификации моделей могут быть в равной мере полезны. Кроме того, конкретную модель отнюдь не всегда можно отнести к одному классу, даже если ограничиться приведенным выше списком.
Остановимся на этой классификации подробнее и поясним ее на примерах.
Моделируя движение кометы, вторгшейся в Солнечную систему, мы описываем ситуацию (предсказываем траекторию полета кометы, расстояние, на котором она пройдет от Земли и т.д.), т.е. ставим чисто описательные цели. У нас нет никаких возможностей повлиять на движение кометы, что-то изменить в процессе моделирования.
В оптимизационных моделях мы можем воздействовать на процессы, пытаясь добиться какой-то цели. В этом случае в модель входит один или несколько параметров, доступных нашему влиянию. Например, меняя тепловой режим в зернохранилище, мы можем стремиться подобрать такой, чтобы достичь максимальной сохранности зерна, т. е. оптимизируем процесс.
Часто приходится оптимизировать процесс по нескольким параметрам сразу, причем цели могут быть весьма противоречивыми. Например, зная цены на продукты и потребность человека в пище, организовать питание больших групп людей (в армии, летнем лагере и др.) как можно полезнее и как можно дешевле. Ясно, что эти цели, вообще говоря, совсем не совпадают, т.е. при моделировании будет несколько критериев, между которыми надо искать баланс. В этом случае говорят о многокритериальных моделях.
Игровые модели могут иметь отношение не только к детским играм (в том числе и компьютерным), но и к вещам весьма серьезным. Например, полководец перед сражением в условиях наличия неполной информации о противостоящей армии должен разработать план, в каком порядке вводить в бой те или иные части и т.п., учитывая возможную реакцию противника. В современной математике есть специальный раздел – теория игр, изучающий методы принятия решений в условиях неполной информации.
Наконец, бывает, что модель в большой мере подражает реальному процессу, т.е. имитирует его. Например, моделируя динамику численности микроорганизмов в колонии, можно рассматривать совокупность отдельных объектов и следить за судьбой каждого из них, ставя определенные условия для его выживания, размножения и т.д. При этом иногда явное математическое описание процесса не используется, заменяясь некоторыми словесными условиями (например, по истечении некоторого отрезка времени микроорганизм делится на две части, а другого отрезка – погибает). Другой пример – моделирование движения молекул в газе, когда каждая молекула представляется в виде шарика, и задаются условия поведения этих шариков при столкновении друг с другом и со стенками (например, абсолютно упругий удар); при этом не нужно использовать никаких уравнений движения.
Можно сказать, что чаще всего имитационное моделирование применяется в попытке описать свойства большой системы при условии, что поведение составляющих ее объектов очень просто и четко сформулировано. Математическое описание тогда производится на уровне статистической обработки результатов моделирования при нахождении макроскопических характеристик системы. Такой компьютерный эксперимент фактически претендует на воспроизведение натурного эксперимента. На вопрос же «зачем это делать?» можно дать следующий ответ: имитационное моделирование позволяет выделить «в чистом виде» следствия гипотез, заложенных в наши представления о микрособытиях, очистив их от неизбежного в натурном эксперименте влияния других факторов, о которых мы можем даже не подозревать. Если же такое моделирование включает и элементы математического описания событий на микроуровне, и если исследователь при этом не ставит задачу поиска стратегии регулирования результатов (например, управления численностью колонии микроорганизмов), то отличие имитационной модели от дескриптивной достаточно условно; это, скорее, вопрос терминологии.
Еще один подход к классификации математических моделей подразделяет их на детерминированные и стохастические (вероятностные). В детерминированных моделях входные параметры поддаются измерению однозначно и с любой степенью точности, т.е. являются детерминированными величинами. Соответственно, процесс эволюции такой системы детерминирован. В стохастических моделях значения входных параметров известны лишь с определенной степенью вероятности, т.е. эти параметры являются стохастическими; соответственно, случайным будет и процесс эволюции системы. При этом, выходные параметры стохастической модели могут быть как величинами вероятностными, так и однозначно определяемыми.
