Практическая работа №7

Примеры компьютерных моделей различных процессов.

Цель работы: знакомство с основными типами информационных моделей, а также ознакомление с основными типами информационных моделей.

2. Оборудование, приборы, аппаратура, материалы:персональный компьютер с выходом в Интернет.
3. Краткие теоретические сведения.

В настоящее время метод моделирования активно используется в различных сферах деятельности для решения широкого круга задач, что придает ему статус общенаучного метода познания. В широком смысле под моделированием принято понимать исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей.

Модель (от лат. modulus — мера, образец, норма) является способом организации практических действий, способом представления как бы образцово правильных действий и их результатов, т. е. является рабочим представлением, образом будущей системы.

Таким образом, модели носят нормативный характер для дальнейшей деятельности, играют роль стандарта, образца, под который «подгоняется» в дальнейшем, как сама деятельность, так и ее результаты.

Модель обладает четырьмя характерными чертами:

• - объективным соответствием с моделируемым объектом;
• - способностью замещать познаваемый объект на определенных этапах познания;
• - способностью в ходе исследования давать некоторую информацию, допускающую опытную проверку;
• - наличием некоторых достаточно четких правил перехода от модельной информации (т. е. информации, полученной при изучении модели) к информации о самом моделируемом объекте.

Для того чтобы создаваемая модель соответствовала своему назначению, недостаточно создать просто модель. Необходимо, чтобы она отвечала ряду требований, обеспечивающих ее функционирование. К таким требованиям относятся:

• 1. Ингерентность, т. е. достаточная степень согласованности создаваемой модели со средой. Один из аспектов ингерентности состоит в том, что в ней должны быть предусмотрены не только «стыковочные узлы» со средой (интерфейсы), но и в самой среде должны быть созданы предпосылки, обеспечивающие функционирование будущей системы.
• 2. Простота модели, так как в модели невозможно зафиксировать все многообразие реальной ситуации.
• 3. Адекватность модели, которая означает возможность с ее помощью достичь поставленной цели проекта в соответствии с формулированными критериями.

Процесс моделирования состоит из следующих этапов:

• 1. Постановка задачи на моделирование объекта. Содержит:
• - ясное изложение цели предполагаемого исследования;
• - перечень зависимостей, подлежащих оценке по результатам моделирования;
• - факторы, которые должны учитываться при построении математической модели процесса, включая численные значения известных характеристик и параметров процесса.
• 2. Построение формализованной схемы. Основная цель этого этапа — дать точную математическую формулировку задачи исследования изучаемого объекта. К моменту ее постановки должна быть собрана вся необходимая информация о моделируемом объекте (процессе), для чего иногда необходимо провести дополнительные наблюдения и эксперименты, уточняющие исходные данные и оцениваемые зависимости.
• 3. Построение компьютерной модели. На данном этапе осуществляется выбор программного обеспечения, с помощью которого исследователю будет проще вводить данные и получать результат.
• 4. Проверка адекватности созданной модели поставленной задаче. Здесь, в частности, уточняется: удовлетворяют ли требованиям объективности, полноты и всесторонности проводимого исследования те признаки, которые были выделены как существенные с точки зрения задач моделирования; как они реализованы в модели; каков характер закономерностей, которые определяют сходство признаков модели и оригинала.

При делении моделей по способу их реализации выделяют материальные и идеальные модели.

Материальные модели функционируют по естественным законам своего природного бытия и в силу этого являются независимыми от деятельности человека. Роль человека заключается в изменении условий существования объекта, а далее изменения происходят независимо от деятельности человека.

Идеальные модели существуют только в деятельности людей и функционируют по законам логики. Они объективны только по своему содержанию (как отражение закономерностей реальной действительности), но субъективны по своей форме и не могут существовать вне этой субъективной формы.

Рассмотрим разновидности этого типа моделей: модели представления и знаковые модели. Знаковые модели хотя и представляют собой материальные, физические объекты, но функционируют они не по законам физического бытия. Существование данной модели невозможно без человека, без его деятельности.

Характерная особенность модели-представления проявляется в научном представлении. Они (представления) являются результатом не только непосредственно чувственного отражения, но и деятельности абстрактного мышления. К представлениям такого рода предъявляется требование: соответствие чувственных элементов представления той системе понятий, в единстве с которой она функционирует.

Выделяют четыре подвида моделей-представлений:

• - модель-представление воображаемых объектов;
• - модель-представление реальных объектов;
• - прогнозирующая модель-представление (о будущих событиях, процессах);
• - описание (о настоящих процессах и явлениях).

Предварительным условием классификации модели по характеру воспроизведения сторон оригинала является выяснение типов тождества в плане содержательных характеристик. Тождество между моделью и оригиналом должно обязательно устанавливаться по некоторому существенному признаку (или совокупности признаков). К числу наиболее существенных признаков относится материал, из которого изготовлен объект, структура и способ функционирования.

На основании этого выделяют субстанциональные, структурные, функциональные и структурно-функциональные модели.

Субстанциональная модель строится так, чтобы ее субстрат (материал) по всем основным свойствам был идентичен субстрату оригинала, идентичен по физической природе. Способами создания субстанциональной модели являются:

• - масштабная деформация системы-оригинала;
• - включение некоторых элементов системы-оригинала в систему модели.

Структурная модель имитирует внутреннюю организацию оригинала и представляет собой одну из сторон любой вещи. Модель, не изменяющая свои свойства во времени, характеризуется статической структурой. Динамическая структура модели отражает закономерные связи элементов системы как функционирующего и развивающегося целого. Динамическая структура как способ связи частей процесса сохраняет его во времени и пространстве, определяет его качественную специфику, делает его тем, что он есть. Различают три основных вида структурной модели организации данных: иерархическая, сетевая и реляционная.

Иерархическая модель данных персонального компьютера

Отличие сетевой модели от иерархической заключается в том, что каждый элемент в сетевой структуре может быть связан с любым другим элементом.

Реляционная модель данных представляет собой набор таблиц, называемых отношениями. Отношения включают атрибуты и кортежи, составляющие соответственно столбцы и строки таблицы. Реляционная модель лежит в основе теории построения баз данных 

Модель сетевой структуры

Под функциональной моделью понимается такая модель, которая имитирует способ поведения (функцию) оригинала.

При ее построении следует выделить главную функцию объекта, а также основные и вспомогательные функции, обеспечивающие выполнение главной.

В чистом виде структурные или функциональные модели встречаются очень редко. Обычно исследователь имеет дело со смешанными (структурно-функциональными) моделями. Выбор данного вида модели обусловлен рядом причин, чаще всего тем, что большинство возникающих в исследовании задач имеют комплексный, многолинейный характер.

Сформулируем задачу: смоделировать процесс одного из самых распространенных вариантов перепланировки квартиры — объединение комнаты и кухни. Цель моделирования — определение последствий воздействия на объект (квартира) и принятие решения о возможном ремонте либо об отказе от него.

В процессе формализации задачи приходим к выводу, что следует выделить объекты, составляющие систему «комната—кухня» (предметы интерьера), и определить связи между ними. Сведем такие объекты в табл.

Таблица. Объекты и связи между ними

Построим схему связей между объектами, двухсторонние стрелки определяют взаимную связь между объектами, однонаправленные указывают на одностороннюю связь. Дополнить сведения о нашей системе можно методом построения чертежа (плана) будущего объединенного пространства квартиры или разработав таблицу с указанием размеров предметов интерьера и помещений. Подобные методы моделирования нашли широкое применение при использовании систем автоматизированного проектирования, программ, реализующих трехмерную компьютерную графику.

Схема связей между объектами

Теперь можно приступать непосредственно к моделированию с использованием компьютера. Компьютерное моделирование — это процесс конструирования модели реального объекта (системы) и постановки вычислительных экспериментов на этой модели с целью либо понять (исследовать) поведение этой системы, либо оценить различные стратегии (алгоритмы), обеспечивающие функционирование данной системы.

На сегодняшний день существует большое количество программных продуктов для реализации задачи построения и исследования компьютерных моделей. Поэтому в задачи экспериментатора (исследователя) входит выбор нужной программы с необходимым набором инструментов, позволяющих достичь поставленной цели. Поскольку наше исследование носит разовый характер, т. е. мы не будем постоянно заниматься перепланировкой жилых помещений, крайне желательно остановить свой выбор на недорогой (или бесплатной) программе. Еще одним достоинством будущей программы должно быть наличие в ней готовых трехмерных объектов, для того чтобы не тратить время на получение навыков их создания.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Что понимают под моделированием?
• 2. Дайте определение понятию «модель».
• 3. Какими характерными чертами обладает модель?
• 4. Перечислите требования, обеспечивающие функциональность модели.
• 5. Назовите и дайте характеристику этапам моделирования.
• 6. Проведите классификацию моделей по способу их реализации.
• 7. Проведите классификацию моделей по характеру воспроизведения сторон оригинала.
• 8. Назовите три основных вида структурной модели. Приведите примеры.
• 9. Что понимают под функциональностью модели?
• 10. Дайте определение такому процессу, как компьютерное моделирование.