Информационная модель объекта

     Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере

Использование компьютера для исследования информационных моделей различных  объектов и систем позволяет изучить  их изменения в зависимости от значения тех или иных параметров. Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов  изучения сложных систем. Часто компьютерные модели проще и удобнее исследовать, они позволяют проводить вычислительные эксперименты, реальная постановка которых  затруднена или может дать непредсказуемый  результат.

     Процесс разработки моделей и их исследования на компьютере можно разделить на несколько основных этапов:

     Построение описательной информационной модели (выделение существенных параметров).Создание формализованной модели запись формулы.

Пример:

 Построение компьютерной модели.

Компьютерный эксперимент.

Анализ полученных результатов  и корректировка исследуемой  модели.

На первом этапе исследования объекта  или процесса обычно строится описательная информационная модель. Такая модель выделяет существенные с точки зрения целей проводимого исследования параметры объекта, а несущественными  параметрами пренебрегает.

     На втором этапе создается формализованная модель, то есть описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и пр. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.

     Однако далеко не всегда удается найти формулы явно выражающие искомые величины через исходные данные. В таких случаях используются приближенные математические методы, позволяющие получать результаты с заданной точностью.

     На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную на понятном для компьютера языке.                 Существуют два принципиально различных пути построения компьютерной         модели:

     1) создание алгоритма решения задачи и его кодирование на одном из языков программирования;

     2) формирование компьютерной модели с использованием одного из приложений (электронных таблиц, СУБД и т. д.).

     В процессе создания компьютерной модели полезно разработать удобный графический интерфейс, который позволит визуализировать формальную модель, а также реализовать интерактивный диалог человека с компьютером на этапе исследования модели.

     Четвертый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, ее нужно запустить на выполнение и получить результаты.

     Если компьютерная модель исследуется в приложении, например в электронных таблицах, можно провести сортировку или поиск данных, построить диаграмму или график и так далее.

     Пятый этап состоит в анализе полученных результатов и корректировке исследуемой модели. В случае различия результатов, полученных при исследовании информационной модели, с измеряемыми параметрами реальных объектов можно сделать вывод, что на предыдущих этапах построения модели были допущены ошибки или неточности. Например, при построении описательной качественной модели могут быть неправильно отобраны существенные свойства объектов, в процессе формализации могут быть допущены ошибки в формулах и так далее. В этих случаях необходимо провести корректировку модели, причем уточнение модели может проводиться многократно, пока анализ результатов не покажет их соответствие изучаемому объекту.

 
Широкое толкование понятия модели 
 
     Человечество в своей деятельности (научной, образовательной, технологической, художественной) постоянно создаёт и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов. 
     Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.).                       Наглядные модели часто используются в процессе обучения. 
     Например, в курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая её модель – глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решёток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам и др. 
Первоначально моделью называли некое вспомогательное средство, объект, который в определённой ситуации заменял другой объект. При этом далеко не сразу была понята универсальность законов природы, всеобщность моделирования, т. е. не просто возможность, но и необходимость представлять любые наши знания в виде моделей. 
     Например, древние философы считали невозможным моделирование естественных процессов и явлений, так как, по их представлениям, природные и искусственные процессы подчинялись различным закономерностям. В результате очень долго понятие «модель» относилось только к материальным объектам специального типа, например, манекен (модель человеческой фигуры), модели судов, чучела (модели животных) и т. п. 
     Развитие понятия модели происходило поэтапно. Осмысливание основных особенностей таких моделей привело к разработке многочисленных определений, типичным примером которых служит следующее: моделью называется некий объект-заместитель, который в определённых условиях может заменять объект-оригинал, воспроизводя интересующие нас свойства и характеристики оригинала, причём имеет существенные преимущества удобства (наглядность, обозримость, доступность испытаний, лёгкость оперирования с ним и пр.). 
     Затем были осознаны модельные свойства чертежей, рисунков, карт – реальных объектов искусственного происхождения, воплощающих абстракцию довольно высокого уровня. 
     Следующий шаг заключался в признании того, что моделями могут служить не только реальные объекты, но и абстрактные, идеальные построения. 
     Например, математические модели. В результате деятельности математиков, логиков и философов, занимавшихся исследованием оснований математики, была создана теория моделей. 
     В ней модель определяется как результат отображения одной абстрактной математической структуры на другую, тоже абстрактную, либо как результат интерпретации структуры в терминах и образах второй. 
     Со временем понятие модели становится всё более общим, охватывающим и реальные, и идеальные модели. При этом понятие абстрактной модели вышло за пределы математических моделей, стало относиться к любым знаниям и представлениям о мире. 
     Не означает ли такое широкое толкование модели, что это понятие становится применимым ко всему и, следовательно, логически пустым? 
     Во-первых, модели могут быть качественно различными и образовывать иерархию, в которой модель более высокого уровня содержит модели низших уровней, как своих элементов, поэтому применительно к разным объектам понятие модели может иметь разное содержание. 
 
     Во-вторых, тот факт, что любой объект может быть использован как модель, вовсе не означает, что он не может быть ничем иным. Например, одежда также может являться моделью своего владельца (по состоянию одежды можно судить о некоторых особенностях сложения и даже чертах характера её хозяина).

     В-третьих, самые общие понятия совсем не являются логически пустыми: материя, движение, энергия, организация, система, ..., модель.

Цель как модель 
     Всякий процесс труда есть деятельность, направленная на достижение определённой цели. Например, рабочий обтачивает заготовку, которая должна превратиться в деталь. Скульптор обтёсывает мраморную глыбу, оставляя в ней то, что станет скульптурой. Студент учится, чтобы иметь профессию. 
     Целевой характер имеет не только трудовая деятельность. Отдых, развлечения, прогулки, игры, физзарядка, чтение, коллекционирование и т. п. обычно не рассматриваются как труд, но их целевой характер очевиден. Поэтому следует говорить о различных видах целесообразной деятельности человека. 
     Важнейшим, организующим элементом такой деятельности является цель – образ желаемого будущего, т. е. модель состояния, на реализацию которого и направлена деятельность. Однако роль моделирования этим не ограничивается. Системность деятельности проявляется в том, что она осуществляется по определённому плану или по определённому алгоритму. 
     Следовательно, алгоритм – образ будущей деятельности, её модель. 
     Как правило, деятельность редко осуществляется по жёсткой программе, т. е. без учёта того, что происходит на промежуточных этапах. Чаще приходится оценивать текущий результат предыдущих действий и выбирать следующий шаг из числа возможных. Это означает, что необходимо сравнивать последствия всех возможных шагов, не выполняя их реально, т.е. «проиграть» их на модели. 
     Таким образом, моделирование является обязательным, неизбежным действием во всякой целесообразной деятельности, пронизывает и организует её, представляет собой не часть, а аспект этой деятельности. 
     Модель является не просто образом – заменителем оригинала, не вообще каким-то отображением, а отображением целевым. 
     Например, при устройстве человека на работу учитывают только те его качества, которые необходимы для выполнения должностных обязанностей. Модель отображает не сам по себе объект-оригинал, а то, что в нём нас интересует, т. е. то, что соответствует поставленной цели. 
     Из этого следует, что модель – это подобие объекта, отображающее те его свойства, которые необходимы для достижения цели моделирования. 
     Из того, что модель является целевым отображением, с очевидностью следует множественность моделей одного и того же объекта: для разных целей обычно требуются разные модели. Сама целевая предназначенность моделей позволяет всё разнообразное множество моделей разделить на основные типы – по типам целей. 
 
 
 
Познавательные и прагматические модели 
     Поскольку модели играют чрезвычайно важную роль в организации любой деятельности человека, все виды деятельности удобно разделить по направленности основных потоков информации, циркулирующих между субъектом и окружающим его миром. 
     Разделим модели на познавательные и прагматические, что соответствует делению целей на теоретические и практические. Хотя это деление (как, впрочем, и всякое другое) относительно и легко привести примеры, когда конкретную модель нелегко однозначно отнести к одному из классов, оно всё же не целиком условно и отображает реальные различия. 
     Проявления этих различий разнообразны, но, пожалуй, наиболее наглядно разница между познавательными и прагматическими моделями проявляется в их отношении к оригиналу в процессе деятельности. 
     Познавательные модели являются формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Поэтому при обнаружении расхождения между моделью и реальностью встаёт задача устранения этого расхождения с помощью изменения модели. 
     Прагматические модели являются средством управления, средством организации практических действий, способом представления образцово правильных действий или их результата, т. е. являются рабочим представлением целей. 
     Поэтому использование прагматических моделей состоит в том, чтобы при обнаружении расхождений между моделью и реальностью направить усилия на изменение реальности так, чтобы приблизить реальность к модели. Таким образом, прагматические модели носят нормативный характер, играют роль стандарта, образца, под которые «подгоняются» как сама деятельность, так и её результат. 
     Примерами прагматических моделей могут служить планы и программы действий, уставы организаций, кодексы законов, алгоритмы, рабочие чертежи и шаблоны, параметры отбора, технологические допуски, экзаменационные требования и т. д. 
     Другими словами, основное различие между познавательными и прагматическими моделями можно выразить так:

познавательные модели отражают существующее, а прагматические – не существующее, но желаемое и (возможно) осуществимое.

Статические и динамические модели 
     Другим принципом классификации целей моделирования может служить деление моделей на статические и динамические. Статические модели отображают состояние объекта в фиксированный момент времени, например «моментальная фотография» интересующего нас объекта. В тех же случаях, когда необходимо отобразить не само состояние, а его изменение, создают динамические модели, например, видеоролик.

Способы воплощения моделей 
     Отображение, которым является модель, есть отношение между отображаемым и отображающим объектами. На отношение отображения весьма существенным образом влияет всё, что связано с целью, под которую создаётся модель. 
     Модели, сознательно создаваемые человеком, делятся на абстрактные (идеальные) и материальные (реальные, вещественные), в зависимости от того, какой материал находится в его распоряжении для построения моделей: средства самого сознания или средства окружающего материального мира. 
 
 
Абстрактные модели и роль языков 
     Абстрактные модели являются идеальными конструкциями, построенными средствами мышления, сознания. Очевидно, что к абстрактным моделям относятся языковые конструкции; однако современные представления о мышлении и сознании утверждают, что языковые модели (т. е. модели, построенные средствами естественного языка) являются своего рода конечной продукцией мышления, уже готовой или почти готовой для передачи другим носителям языка. 
     На естественном языке человек может говорить обо всём, он является универсальным средством построения любых абстрактных моделей. Эта универсальность обеспечивается не только возможностью введения в язык новых слов, но и возможностью иерархического построения всё более развитых языковых моделей (слово – предложение – текст; понятия – отношения – определения – конструкции...).

     Универсальность языка достигается тем, что языковые модели обладают неоднозначностью, расплывчатостью, размытостью. Это свойство проявляется уже на уровне слов. Многозначность почти каждого слова (см. толковый словарь любого языка) или неопределённость слов (например, «много», «несколько») вместе с многовариантностью их возможных соединений во фразы позволяет любую ситуацию отобразить с достаточной для обычных практических целей точностью. 
     Эта приблизительность – неотъемлемое свойство языковых моделей, человек преодолевает в практике их расплывчатость с помощью «понимания», «интерпретации». Иногда эта расплывчатость используется сознательно – в юморе, дипломатии, поэзии; в других случаях она мешает выразиться так точно, как хотелось бы. 
     Модели специальных наук более точны и более конкретны, они содержат больше информации. Новые знания аккумулируются в новых моделях, и если старых языковых средств для их построения не хватает, то возникают ещё более специализированные языки. 
     В результате получаем иерархию языков и соответствующую иерархию типов моделей. На верхнем уровне этого спектра находятся модели, создаваемые средствами естественного языка, и так вплоть до моделей, имеющих максимально достижимую определённость и точность для сегодняшнего состояния данной отрасли знаний.  
 
Материальные модели и виды подобия 
 
     Чтобы некоторая материальная конструкция могла быть отображением, т. е. замещала в каком-то отношении оригинал, между оригиналом и моделью должно быть установлено отношение похожести подобия. Существуют разные способы установления такого подобия, что придаёт моделям особенности, специфичные для каждого способа. 
     Прежде всего, это подобие, устанавливаемое в результате физического взаимодействия (или цепочки физических взаимодействий) в процессе создания модели. 
     Примерами таких отображений являются фотографии, масштабированные модели самолётов, кораблей или гидротехнических сооружений, макеты зданий, куклы, протезы, шаблоны, выкройки и т. п. Такое подобие называют прямым. 
     Однако, и прямое подобие может быть лишь отдалённым сходством, но только при прямом подобии возможна трудно обнаружимая взаимозаменяемость модели и оригинала (например, копии произведений искусства, голографические изображения предметов и т. п.) и даже фактическая перемена их местами (натурщик является моделью в работе художника, манекенщица моделирует будущих потребителей одежды, актёр является моделью персонажа пьесы). 
     С другой стороны, как бы хороша ни была модель, она всё-таки лишь заменитель оригинала, выполняющий эту роль только в определённом отношении. Даже тогда, когда модель прямого подобия осуществлена из того же материала, что и оригинал, возникают проблемы переноса результатов моделирования на оригинал. 
     Например, при испытании уменьшенной модели корабля на гидродинамические качества, часть условий эксперимента можно привести в соответствие масштабам модели (скорость течения), другая же часть условий (вязкость и плотность воды, сила тяготения, определяющие свойства волн и т. д.) не может быть масштабирована. 
Задача пересчёта данных модельного эксперимента на реальные условия становится нетривиальной; возникла разветвлённая, содержательная теория подобия, относящаяся именно к моделям прямого подобия. 

     Второй тип подобия, в отличие от прямого, называют косвенным. 
Косвенное подобие между оригиналом и моделью устанавливается не в результате их физического взаимодействия, а объективно существует в природе, обнаруживается в виде совпадения или достаточной близости их абстрактных моделей и после этого используется в практике реального моделирования. 
     Наиболее известным примером этого является электромеханическая аналогия. Оказалось, что некоторые закономерности электрических и механических процессов описываются одинаковыми уравнениями; различие состоит лишь в разной физической интерпретации переменных, входящих в эти уравнения. 
     В результате оказывается возможным не только заменить неудобное и громоздкое экспериментирование с механической конструкцией на простые опыты с электрической схемой, перепробовать множество вариантов, не переделывая конструкцию, но и «проиграть» на модели варианты, в механике пока неосуществимые (например, с произвольным и непрерывным изменением масс, длин и т. д.). 
     Роль моделей, обладающих косвенным подобием оригиналу, очень велика. Часы – аналог времени; подопытные животные у медиков – аналоги человеческого организма; автопилот – аналог лётчика; электрический ток в подходящих цепях может моделировать транспортные потоки информации в сетях связи, течение воды в городской водопроводной сети; аналоговые вычислительные машины позволяют найти решение почти всякого дифференциального уравнения, представляя собой модель-аналог процесса, описываемого этим уравнением. 
 
     Третий, особый класс реальных моделей образуют модели, подобие которых оригиналу не является ни прямым, ни косвенным, а устанавливается в результате соглашения. 
Называют такое подобие условным. 
     Примером условного подобия могут являться деньги (модель стоимости), удостоверения личности (официальная модель владельца), всевозможные и разнообразные сигналы (модели сообщений), рабочие чертежи (модели будущей продукции), карты (модели местности) и т. д. 
     С моделями условного подобия приходится иметь дело очень часто, поскольку они являются способом материального воплощения абстрактных моделей, вещественной формой, в которой абстрактные модели могут передаваться от одного человека к другому, храниться до момента их использования (иногда очень отдалённого), т. е. отчуждаться от сознания и все-таки сохранять возможность возвращения в абстрактную форму. 
     Это достигается с помощью соглашения о том, какое состояние реального объекта ставится в соответствие данному элементу абстрактной модели. Такое соглашение принимает вид совокупности правил построения моделей условного подобия и правил пользования ими. 
 
 
Знаковые модели и сигналы 
     Эта общая схема конкретизируется и углубляется в ряде конкретных наук, в которых используются или непосредственно изучаются модели условного подобия. 
     Например, теория связи, теория информации, радиотехника, теория управления и ряд других наук имеют дело со специфическими моделями условного подобия, которые применяются в технических устройствах без участия человека; они получили название сигналов. 
     В этих науках правила построения и способы использования сигналов, названные кодом, кодированием и декодированием, сами стали предметом углублённых исследований (например, возникла очень развитая теория кодирования). 
     С иных позиций рассматриваются модели условного подобия в науках, изучающих создание и использование этих моделей самим человеком. 
     У предназначенных для этого моделей имеется своя специфика, позволяющая дать им специальное название – знаки – и требующая специальных методов для её исследования. 
     Возникшая в связи с этим область знаний получила название семиотики (от греч. «знак»). Семиотика изучает знаки не в отдельности, а как входящие в знаковые системы, в которых выделено три основных группы отношений: 
     синтаксис (от греч. «построение, порядок»), т. е. отношения между различными знаками, позволяющие отличать их и строить из них знаковые конструкции всё более высокой сложности; 
     семантика (от греч. «обозначение»), т. е. отношения между знаками и тем, что они обозначают, или вложенный, изначальный смысл знаков; 
     прагматика (от греч. «дело, действие»), т. е. отношения между знаками и теми, кто их использует в своей деятельности, или понятый, воспринятый смысл знаков. 
     Существуют и другие многочисленные аспекты исследования моделей условного подобия (языкознание, картография, криптография, графология, техническое черчение, нумизматика, информатика, литературоведение и т. д.). 
     Хотя условное подобие в принципе не требует фактического сходства, оно должно строиться с учётом особенностей человека – создателя и потребителя моделей условного подобия. 
     Выбор символики для обозначения цифр только на первый взгляд кажется произвольным: в практике вычислений арабская символика, в конце концов, вытеснила римскую из-за существенного различия в удобстве ручного выполнения операций над знаками чисел. На ЭВМ двоичная символика вытеснила арабскую по подобным соображениям. 
     Моделирование (в широком смысле) является основным методом исследований во всех областях знаний и научно обоснованным методом оценок характеристик сложных систем, используемым для принятия решений в различных сферах инженерной деятельности. 
     Существующие и проектируемые системы можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных), реализуемых на современных ЭВМ, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.