Понятие информационной модели

Рассмотрим практическую сторону обработки и использования информации.

Информация выступает для компьютера в качестве сырья для переработки, как, например, металлическая руда является сырьем для металлургического производства. Но любое сырье нуждается в предварительной подготовке, чтобы его переработка была наиболее эффективной. В полной мере это относится к информации.

Если имеется какое-то явление, к изучению которого предполагается привлечь вычислительную технику, то вначале осуществляется сбор информации о данном явлении, затем проводится систематизация и классификация полученной инфор­ма­ции. После чего приступают к построению модели, описы­ваю­щей данное явление.

Несомненно, методологической основой построения модели является системный подход. Выработка методологии направлена на научное обоснование получения и обработки информации о реальных объектах, которые взаимодействуют между собой и внешней средой.

В модельных исследованиях большую роль играют гипотезы, то есть определенные предсказания, основывающиеся на небольшом количестве опытных данных, наблюдений и догадок. Проверка выдвигаемых гипотез может быть проверена в ходе специальных экспериментов.

При формировании и проверке гипотез используется аналогия – суждение о некотором частном сходстве (существенном или несущественном) двух объектов. Необходимо отметить, что понятие существенности или не существенности, сходства или различия объектов условны и относительны.

Современная научная гипотеза возникает, как правило, исходя из аналогии с проведенными на практике научными положениями. Гипотезы и аналогии, отражающие реально существующий мир, должны быть наглядны и, в конечном счете, сводиться к удобным для исследования логическим схемам. Такие логические схемы, «проявляющие» рассуждения и абстрактные построе­ния и позволяющие проводить эксперименты, уточняющие природу явлений, называются моделями. Модель – это заместитель объекта-оригинала (modelus – мера), обеспечивающий изучение некоторых свойств последнего¹. По определению В.А. Штоф­фа, под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замещать его так, что ее изучение дает новую информацию об этом объекте.

Соответственно замещение одного объекта другим с целью получения информации о важнейших свойствах объекта-ори­гинала с помощью объекта модели называют моделированием. Иными словами, моделирование – это получение информации об объекте-оригинале путем проведения экспериментов с его моделью. Теория замещения одних объектов (оригиналов) другими (моделями) и исследования свойств объектов на их моделях называется теорией моделирования.

Основой моделирования выступает теория подобия, в которой утверждается, что абсолютное подобие имеет место лишь при замене одного объекта точно таким же другим. При моделировании абсолютного подобия не бывает, поэтому исследователь стремиться к тому, чтобы модель достаточно адекватно отображала исследуемую сторону функционирования объекта. В связи с этим одним из первых признаков классификации моделей является степень их полноты. Модели в соответствии с этим признаком подразделяются на полные, неполные и приближенные.

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе все виды моделей можно разделить на детерминированные и стохастические.

Детерминированные модели отображают процессы, в которых отсутствуют случайные воздействия; стохастические – служат для описания вероятностных процессов и событий.

Динамические модели отражают поведение объекта во времени и делятся на дискретные, непрерывные и дискретно-непрерывные. Дискретные модели предназначены для описания процессов, которые являются прерывистыми, «квантованными», во времени, соответственно непрерывные модели позволяют показать непрерывные процессы в системах. Дискретно-непре­рыв­ные модели используются в случаях, когда хотят отобразить как дискретные, так и непрерывные процессы.

Статические модели служат для описания поведения объектов в какой-либо фиксированный момент времени.

Наглядные модели базируются на представлениях человека о реальных объектах в виде некоторых диаграмм, графиков, схем, макетов, символических построений и т.п. Наглядные модели используются в случаях, когда знаний об объекте недостаточно для построения полностью формальных моделей.

В зависимости от формы представления объекта можно выделить абстрактные и реальные (физические) модели. Абстрактные модели часто являются единственным способом познания объектов, которые либо практически не реализуемы в заданном интервале времени, либо существуют вне условий возможных для физического существования.

Для исследования характеристик процесса функционирования любой системы математическими методами, включая компьютерные, должна быть проведена его формализация, т. е. построена математическая модель.

Математическое моделирование – применение математического аппарата для описания и исследования явления. Точная математическая модель позволяет проследить поведение объекта и спрогнозировать его.

Математические модели можно подразделить на аналитические и имитационные.

Аналитическая модель может быть исследована с помощью следующих методов:

а) аналитического – когда следствия, вытекающие из моделей, стремятся получить в явном виде;

б) численного – когда, не умея находить явные решения, стремятся получить численные результаты при конкретных начальных и граничных условиях;

в) качественного, когда, не имея решения в явном виде, можно оценить свойства решения, например устойчивость решения, его асимптотику.

Имитационное моделирование применяется преимущественно в промышленности и позволяет с помощью вычислительной техники и специального программного обеспечения провести проверку и ряд испытаний реально не существующего устройства. Применение такого моделирования существенно ускоряет разработку изделий, так как существенно сокращается процесс построения и исследования прототипов изделия, умень­шается количество конструктивных ошибок и их стоимость. Так, например, при разработке новых типов самолетов экономически более выгодно использовать для отработки планировки помещений, размещения сидений пассажиров и т.д. компьютерную модель салона самолета, чем натурную.

Различие между аналитическими и имитационными моделями достаточно условно и определяется возможностями математического аппарата.

Следует особо отметить метод кибернетического модели­рования, который был предложен «отцом кибернетики» Н. Винером в виде схемы так называемого черного ящика. В нем отсутствует непосредственное подобие процессов, происходящих в моделях, реальным физическим процессам. В этом случае рассматривают объект-модель как «черный ящик», имею­щий ряд входов и выходов, и моделируют некоторые связи между ними. Чаще всего при использовании кибернетического метода проводят анализ поведенческой стороны объекта при различных воздействиях внешней среды.

После построения модели наступает следующий этап – выработка на ее основе алгоритма.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое модель, моделирование?

2. Что лежит в основе построения модели?

3. Проведите классификацию моделей по различным признакам.

4. В чем разница между аналитическим и имитационным моделированием?

5. К

   акой вид моделей применяется в вычислительной технике?