Теоретический материал урока
Традиционно под моделированием на компьютере понималось лишь имитационное моделирование. Впоследствии оказалось, что компьютер может быть весьма полезен и при других видах моделирования. Например, при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов - построение математических моделей по экспериментальным данным - в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов широкое развитие получило компьютерное, структурно-функциональное моделирование. Положено начало использованию компьютера даже при концептуальном моделировании, где он используется при построении систем искусственного интеллекта.
Таким образом, мы видим, что понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении согласно сегодняшним представлениям о процессах моделирования.
В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают:
Условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с помощью взаимосвязанных электронных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекста и т. д. и отображающий структуру, и взаимосвязи между элементами данного объекта. Компьютерные модели такого типа принято называть структурно-функциональными.
Отдельную программу, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательных вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило, случайных, факторов. Такие модели называют имитационными моделями.
Компьютерное моделирование — метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования её компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: её структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему.
Предметом компьютерного моделирования могут быть: экономическая деятельность фирмы или банка, промышленное предприятие, информационно-вычислительная сеть, технологический процесс, любой реальный объект или процесс, например, процесс инфляции, и вообще-любая сложная система. Цели компьютерного моделирования могут быть различными, однако наиболее часто моделирование является, как уже отмечалось ранее, центральной процедурой системного анализа, причем под системным анализом мы далее понимаем совокупность методологических средств, используемых для подготовки и принятия решений экономического, организационного, социального или технического характера.
Компьютерная модель сложной системы должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные ситуации, критерии и ограничения. Модель должна быть достаточно универсальной, чтобы по возможности описывать близкие по назначению объекты, и в то же время достаточно простой, чтобы позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами.
Все это говорит о том, что моделирование систем, рассматриваемое в целом,
представляет собой, скорее, искусство, чем сформировавшуюся науку с
самостоятельным набором средств отображения явлений и процессов реального мира. Поэтому исключительно сложной, а порой и невозможной являются попытки классификации задач компьютерного моделирования или создания достаточно универсальных инструментальных средств компьютерного моделирования произвольных объектов. Однако если преднамеренно сузить класс рассматриваемых объектов, ограничившись, например, задачами компьютерного моделирования при системном анализе объектов экономико-
организационного управления, то существует возможность отбора достаточно
универсальных подходов и программных средств.
Рассмотрим структурно-функциональное моделирование. Становление и развитие структурно-функционального моделирования произошли при описании теоретических основ электрических цепей в электронике и радиотехнике, где впервые широко стали использоваться различные блок-схемы. Дальнейшее развитие структурно-функциональное моделирование получило в теории автоматического управления, где был развит аппарат, включающий не только правила составления и преобразования, но и достаточно общую методологию анализа и синтеза структурных схем, основанную на том, что каждой математической операции над сигналами поставлен в соответствие определённый структурный блок. Хотя динамические
структурно-функциональные схемы теории автоматического управления обладают
широчайшими возможностями для анализа непрерывных линейных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями, они плохо подходят для описания процессов в экономико-организационных системах, где связи между отдельными блоками имеют гораздо более широкое толкование и редко могут быть сведены к некоторой функции времени (сигналу).
Часто структурно-функциональное моделирование называют графическим из-за использования графических средств для представления структурно-функциональной
модели. Теперь более подробно рассмотрим имитационное моделирование.
Главной функцией имитационного моделирования является воспроизведение с заданной степенью точности прогнозируемых параметров функционирования объекта,
представляющих исследовательский интерес. Как объект, так и его модель должны обладать системными признаками. Функционирование объекта характеризуется значительным числом параметров. Особое место среди них занимает временной фактор.
В большинстве моделей имеется возможность масштабирования или введения машинного времени, то есть интервала, в котором остальные параметры системы сохраняют свои значения или заменяются некоторыми обобщёнными величинами.
Каждое сочетание параметров, соответствующих принятому интервалу времени, называют характеристиками состояния системы, и, таким образом, моделирование сводится к описанию соотношений, преобразующих характеристики состояния системы. Для описания этого шага могут быть привлечены все возможные средства преобразования количественных характеристик: дифференциальное и интегральное исчисления, теория множеств, игр, вероятностные функции, датчики случайных чисел и т. д. Это и будет математической моделью подсистемы функционирования объекта.
Для исследования объекта в процессе моделирования необходимо создать модель
и конкретизировать цели моделирования. Процесс создания моделей проходит
несколько этапов. Сначала обследуются объект реальной действительности, его внутренняя структура и содержание взаимосвязей между его элементами, включая
внешние воздействия, а затем разрабатывается модель. Имитационное моделирование
предполагает наличие следующих этапов:
разработка концептуальной модели;
выделение существенных свойств объекта;
выбор средств моделирования;
разработка программной модели;
проверка адекватности и корректировка модели;
планирование машинных экспериментов;
собственно, моделирование;
анализ результатов моделирования и принятие решения.
Для одной и той же системы можно составить множество моделей. Они будут отличаться степенью детализации и учёта тех или иных особенностей и режимов функционирования, способностью отражать определённую грань сущности системы, ориентироваться
на исследование определённых её свойств.
Поэтому все этапы имитационного моделирования пронизаны заранее сформулированной целью исследования.
Концептуальная модель (содержательная модель) - это абстрактная модель,
определяющая состав и структуру системы, свойства элементов и причинно-
следственные связи, присущие анализируемой системе и существенные для достижения
целей моделирования. В концептуальной модели обычно в словесной форме приводятся
сведения о природе и параметрах (характеристиках) элементарных явлений
исследуемого объекта, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и
значении каждого элементарного явления в едином процессе функционирования
системы.
Давайте рассмотрим фрагмент работы И.И. Шмальгаузена «Кибернетические
вопросы биологии» * об информации. «Связи между организмом и средой не
ограничиваются явлениями обмена веществ и энергией. Большое значение имеет
восприятие сигналов, которые не имеют непосредственного значения в обмене веществ,
но определяют поведение организма - выбор оптимальной температуры среды,
влажности, освещённости. В особенности это касается сигналов, информирующих о
распределении биотических факторов - наличие хищников, особей другого пола, - на
которые организмы отвечают специфической реакцией.
Все эти явления охватываются понятием “информация”».
- Можно ли данное описание отнести к концептуальной модели информации?
Обоснуйте ответ.
Расписываем каждую из позиций:
исследуемый объект - информация;
сведения о природе - сигналы, определяющие поведение организма;
параметры элементарных явлений - реакция на изменение температуры,
влажности, наличие хищников, особей другого пола;
вид и степень взаимодействия - информационное взаимодействие, то есть вид, не
относящийся к простому обмену веществом и (или) энергией;
место и значение каждого явления - средство эффективной адаптации к
окружающей действительности.
Относительно каждой позиции концептуальной модели мы нашли объяснение в
данном фрагменте, что позволяет нам отнести выше сказанное к данному типу модели.
Очень важен при разработке концептуальной модели уровень детализации, то
есть насколько детально мы будем описывать наш объект. Модель системы
представляется в виде совокупности частей (подсистем, элементов). В эту совокупность
включаются все части, которые обеспечивают, с одной стороны, сохранение
целостности системы, а с другой - достижение поставленных целей моделирования.
В дальнейшем производятся окончательная детализация, локализация (выделение
системы из окружающей среды), структуризация (указание и общее описание связей
между выделенными элементами системы), укрупнённое описание динамики
функционирования системы и её возможных состояний.
Традиционно под моделированием на компьютере понималось лишь имитационное моделирование. Впоследствии оказалось, что компьютер может быть весьма полезен и при других видах моделирования. Например, при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов - построение математических моделей по экспериментальным данным - в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов широкое развитие получило компьютерное, структурно-функциональное моделирование. Положено начало использованию компьютера даже при концептуальном моделировании, где он используется при построении систем искусственного интеллекта.
Таким образом, мы видим, что понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении согласно сегодняшним представлениям о процессах моделирования.
В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают:
Условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с помощью взаимосвязанных электронных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекста и т. д. и отображающий структуру, и взаимосвязи между элементами данного объекта. Компьютерные модели такого типа принято называть структурно-функциональными.
Отдельную программу, совокупность программ, программный комплекс, позволяющий с помощью последовательных вычислений и графического отображения их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило, случайных, факторов. Такие модели называют имитационными моделями.
Компьютерное моделирование — метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования её компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, получаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: её структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы в основном носят характер прогноза некоторых будущих или объяснения прошлых значений переменных, характеризирующих систему.
Предметом компьютерного моделирования могут быть: экономическая деятельность фирмы или банка, промышленное предприятие, информационно-вычислительная сеть, технологический процесс, любой реальный объект или процесс, например, процесс инфляции, и вообще-любая сложная система. Цели компьютерного моделирования могут быть различными, однако наиболее часто моделирование является, как уже отмечалось ранее, центральной процедурой системного анализа, причем под системным анализом мы далее понимаем совокупность методологических средств, используемых для подготовки и принятия решений экономического, организационного, социального или технического характера.
Компьютерная модель сложной системы должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные ситуации, критерии и ограничения. Модель должна быть достаточно универсальной, чтобы по возможности описывать близкие по назначению объекты, и в то же время достаточно простой, чтобы позволить выполнить необходимые исследования с разумными затратами.
Все это говорит о том, что моделирование систем, рассматриваемое в целом,
представляет собой, скорее, искусство, чем сформировавшуюся науку с
самостоятельным набором средств отображения явлений и процессов реального мира. Поэтому исключительно сложной, а порой и невозможной являются попытки классификации задач компьютерного моделирования или создания достаточно универсальных инструментальных средств компьютерного моделирования произвольных объектов. Однако если преднамеренно сузить класс рассматриваемых объектов, ограничившись, например, задачами компьютерного моделирования при системном анализе объектов экономико-
организационного управления, то существует возможность отбора достаточно
универсальных подходов и программных средств.
Рассмотрим структурно-функциональное моделирование. Становление и развитие структурно-функционального моделирования произошли при описании теоретических основ электрических цепей в электронике и радиотехнике, где впервые широко стали использоваться различные блок-схемы. Дальнейшее развитие структурно-функциональное моделирование получило в теории автоматического управления, где был развит аппарат, включающий не только правила составления и преобразования, но и достаточно общую методологию анализа и синтеза структурных схем, основанную на том, что каждой математической операции над сигналами поставлен в соответствие определённый структурный блок. Хотя динамические
структурно-функциональные схемы теории автоматического управления обладают
широчайшими возможностями для анализа непрерывных линейных динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями, они плохо подходят для описания процессов в экономико-организационных системах, где связи между отдельными блоками имеют гораздо более широкое толкование и редко могут быть сведены к некоторой функции времени (сигналу).
Часто структурно-функциональное моделирование называют графическим из-за использования графических средств для представления структурно-функциональной
модели. Теперь более подробно рассмотрим имитационное моделирование.
Главной функцией имитационного моделирования является воспроизведение с заданной степенью точности прогнозируемых параметров функционирования объекта,
представляющих исследовательский интерес. Как объект, так и его модель должны обладать системными признаками. Функционирование объекта характеризуется значительным числом параметров. Особое место среди них занимает временной фактор.
В большинстве моделей имеется возможность масштабирования или введения машинного времени, то есть интервала, в котором остальные параметры системы сохраняют свои значения или заменяются некоторыми обобщёнными величинами.
Каждое сочетание параметров, соответствующих принятому интервалу времени, называют характеристиками состояния системы, и, таким образом, моделирование сводится к описанию соотношений, преобразующих характеристики состояния системы. Для описания этого шага могут быть привлечены все возможные средства преобразования количественных характеристик: дифференциальное и интегральное исчисления, теория множеств, игр, вероятностные функции, датчики случайных чисел и т. д. Это и будет математической моделью подсистемы функционирования объекта.
Для исследования объекта в процессе моделирования необходимо создать модель
и конкретизировать цели моделирования. Процесс создания моделей проходит
несколько этапов. Сначала обследуются объект реальной действительности, его внутренняя структура и содержание взаимосвязей между его элементами, включая
внешние воздействия, а затем разрабатывается модель. Имитационное моделирование
предполагает наличие следующих этапов:
разработка концептуальной модели;
выделение существенных свойств объекта;
выбор средств моделирования;
разработка программной модели;
проверка адекватности и корректировка модели;
планирование машинных экспериментов;
собственно, моделирование;
анализ результатов моделирования и принятие решения.
Для одной и той же системы можно составить множество моделей. Они будут отличаться степенью детализации и учёта тех или иных особенностей и режимов функционирования, способностью отражать определённую грань сущности системы, ориентироваться
на исследование определённых её свойств.
Поэтому все этапы имитационного моделирования пронизаны заранее сформулированной целью исследования.
Концептуальная модель (содержательная модель) - это абстрактная модель,
определяющая состав и структуру системы, свойства элементов и причинно-
следственные связи, присущие анализируемой системе и существенные для достижения
целей моделирования. В концептуальной модели обычно в словесной форме приводятся
сведения о природе и параметрах (характеристиках) элементарных явлений
исследуемого объекта, о виде и степени взаимодействия между ними, о месте и
значении каждого элементарного явления в едином процессе функционирования
системы.
Давайте рассмотрим фрагмент работы И.И. Шмальгаузена «Кибернетические
вопросы биологии» * об информации. «Связи между организмом и средой не
ограничиваются явлениями обмена веществ и энергией. Большое значение имеет
восприятие сигналов, которые не имеют непосредственного значения в обмене веществ,
но определяют поведение организма - выбор оптимальной температуры среды,
влажности, освещённости. В особенности это касается сигналов, информирующих о
распределении биотических факторов - наличие хищников, особей другого пола, - на
которые организмы отвечают специфической реакцией.
Все эти явления охватываются понятием “информация”».
- Можно ли данное описание отнести к концептуальной модели информации?
Обоснуйте ответ.
Расписываем каждую из позиций:
исследуемый объект - информация;
сведения о природе - сигналы, определяющие поведение организма;
параметры элементарных явлений - реакция на изменение температуры,
влажности, наличие хищников, особей другого пола;
вид и степень взаимодействия - информационное взаимодействие, то есть вид, не
относящийся к простому обмену веществом и (или) энергией;
место и значение каждого явления - средство эффективной адаптации к
окружающей действительности.
Относительно каждой позиции концептуальной модели мы нашли объяснение в
данном фрагменте, что позволяет нам отнести выше сказанное к данному типу модели.
Очень важен при разработке концептуальной модели уровень детализации, то
есть насколько детально мы будем описывать наш объект. Модель системы
представляется в виде совокупности частей (подсистем, элементов). В эту совокупность
включаются все части, которые обеспечивают, с одной стороны, сохранение
целостности системы, а с другой - достижение поставленных целей моделирования.
В дальнейшем производятся окончательная детализация, локализация (выделение
системы из окружающей среды), структуризация (указание и общее описание связей
между выделенными элементами системы), укрупнённое описание динамики
функционирования системы и её возможных состояний.
Комментариев нет:
Отправить комментарий