§ 2. Структура моделей

2.1. Структура модели и ее основные составляющие

В самом общем виде математически структура модели представляется следующим образом:

E = f (x_i, y_i),

где Е—результат действия системы; x_i - переменные и параметры, которыми наблюдатель может управлять; y_i - переменные и параметры, которыми наблюдатель управлять не может; f - функциональная зависимость между x_i и y_i, которая определяет величину Е.

Такое явное упрощение полезно лишь тем, что оно показывает зависимость функционирования системы как от контролируемых наблюдателем, так и от неконтролируемых переменных. Вообще говоря, почти каждая модель представляет собой некоторую комбинацию следующих составляющих:

• компоненты,

• переменные,

• параметры,

• функциональные зависимости,

• ограничения,

• целевые функции.

Под компонентами понимаются составные части, которые при соответствующем объединении образуют систему. Иногда под компонентами подразумеваются также элементы системы или ее подсистемы. Например, в модели ракеты или космического корабля компонентами могут быть такие объекты, как система тяги, система наведения, система управления, несущая конструкция и т. п.

Модель города может состоять из таких компонентов, как система образования, система здравоохранения, транспортная система и т. п.

Система определяется как группа, или совокупность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействия или взаимозависимости для выполнения заданной функции.

Параметры – это величины, которые исследователь, работающий на модели, может выбирать произвольно, в отличие от переменных, которые могут принимать только значения, определяемые видом данной функции. Можно сказать, что параметры, после того как они установлены, являются постоянными величинами, не подлежащими изменению.

В модели системы выделяют переменные двух видов— экзогенные и эндогенные. Экзогенные переменные называются также входными; это значит, что они порождаются вне системы или являются результатом воздействия внешних причин. Эндогенными переменными называются переменные, возникающие в системе или в результате воздействия внутренних причин. Эндогенные переменные также называются переменными состояния (когда они характеризуют состояние или условия, имеющие место в системе) либо выходными переменными (когда речь идет о выходах системы). Статистики иногда называют экзогенные переменные независимыми, а эндогенные - зависимыми.

Функциональные зависимости описывают поведение переменных и параметров в пределах всей системы в целом, отдельного компонента, либо выражают соотношения между компонентами системы. Эти соотношения по своей природе являются либо детерминистскими, либо стохастическими. Детерминистские соотношения — это тождества или определения, которые устанавливают зависимость между определенными переменными или параметрами в тех случаях, когда процесс на выходе системы однозначно определяется заданной информацией на входе. В отличие от этого стохастические соотношения представляют собой такие зависимости, которые при заданной входной информации дают на выходе неопределенный результат. Оба типа соотношений обычно выражаются в форме математического уравнения, которое устанавливает зависимость между эндогенными переменными (переменными состояния) и экзогенными переменными. Обычно эти соотношения можно строить лишь на основе гипотез или выводить с помощью статистического или математического анализа.

Ограничения представляют собой устанавливаемые пределы изменения значений переменных или ограничивающие условия распределения и расходования тех или иных средств (энергии, запасов, времени и т. п.). Они могут вводиться либо разработчиком (искусственные ограничения), либо самой системой вследствие присущих ей свойств (естественные ограничения). Примерами искусственных ограничений могут быть заданные максимальный и минимальный уровни занятости рабочих или установленная максимальная сумма денежных средств, ассигнуемых на капиталовложения. В физической системе такого типа, как ракета, искусственным ограничением может быть заданный минимальный радиус действия или максимально допустимый вес. Большинство технических требований к системам представляет собой набор искусственных ограничений. Естественные ограничения обусловлены самой природой системы. Например, нельзя продать больше изделий, чем система может изготовить, и никто не может сконструировать систему, нарушающую законы природы. Таким образом, ограничения одного типа обусловлены неизменными законами природы, в то время как ограничения другого типа, будучи делом рук человеческих, могут подвергаться изменению. Исследователю весьма важно помнить об этом, потому что в ходе своих исследований он должен постоянно оценивать привнесенные человеком ограничения, с тем чтобы ослабить или усилить их по мере необходимости.

Целевая функция, или функция критерия,—это точное отображение целей или задач системы и необходимых правил оценки их выполнения. Выделяют два типа целей: сохранение и приобретение. Цели сохранения связаны с сохранением или поддержанием каких-либо ресурсов (временных, энергетических, творческих и т. д.) или состояний (комфорта, безопасности, уровня занятости и т. д.). Цели приобретения связаны с приобретением новых ресурсов (прибыли, персонала, заказчиков и т. п.) или достижением определенных состояний, к которым стремится организация или руководитель (захват части рынка, достижение состояния устрашения и т.п.). Выражение для целевой функции должно быть однозначным определением целей и задач, с которыми должны соразмеряться принимаемые решения.

Критерий представляет собой мерило оценки, правило или вид проверки, при помощи которых составляется суждение о качестве модели. Функция критерия (целевая функция) является органической составной частью модели, и весь процесс манипулирования с моделью направлен на оптимизацию или удовлетворение заданного критерия.