Этапы моделирования в порядке выполнения. Основные этапы компьютерного моделирования

Основные этапы моделирования.

Описание процесса моделирования.

Моделирование является одним из ключевых видов деятельности человека. Моделирование всегда предшествует любому делу в той или иной форме, позволяет обоснованно принимать решения о том, как совершенствовать привычные объекты, надо ли создавать новые, как изменять процессы управления и, в конечном итог, - как менять окружающий мир в лучшую сторону.

Когда мы беремся за какую-либо работу, то сначала мы четко представляем себе прототип (объект или процесс). Далее мы продумываем этапы (этапы моделирования), выполняем ее (моделируем) и принимаем существующий, либо получаем о нем дополнительную информацию.

Поясним на примерах. Пример 1.

Вспомним историю развития космической техники. Для реализации космического полета надо было решить две проблемы: преодолеть земное притяжение и обеспечить продвижение в безвоздушном пространстве. Эти проблемы начал рассматривать еще Ньютон в XVII веке, далее идут работы и закончил их.

Ньютон говорил о возможности преодоления притяжения Земли.

предложил для продвижения в пространстве создать реактивный двигатель, в котором используется в качестве топлива смесь жидкого кислорода и водорода . Эта смесь при сгорании выделяет энергию, достаточную для движения ракеты. Циолковский составил достаточно точ­ную словесную модель будущего космического корабля с чертежами, расче­тами и обоснованиями.

Спустя полвека описательная модель стала основой для реального моделирования в конструкторском бюро под руководством. В процессе моделирования менялись состав топлива, форма ракеты, система управления полетом, система жизнеобеспечения космо­навтов, приборы для научных исследований и т. д. В результате такого моде­лирования мощные ракеты вывели на околоземное пространство искусст­венные спутники земли и корабли с космонавтами на борту и космические станции.

Пример 2

Известный химик XVIII века Антуан Лавуазье изучал процесс горения. При этом он проводил многочисленные опыты с различными веществами, которые нагревал и взвешивал до и после опыта. В ходе опытов ученый за­фиксировал, что некоторые вещества после нагревания становились тяже­лее. Тогда он предположил, что к этим веществам в процессе нагревания что-то добавляется. И последующий анализ результатов привел к определе­нию кислорода, к обобщению понятия «горение». Также процесс и резуль­тат моделирования дал объяснение многим известным явлениям и открыл новые возможности для исследований в других областях науки, например в биологии, так как кислород оказался основным компонентом дыхания и энергообмена флоры и фауны.

Моделирование - творческий процесс и заключить его в формальные рамки практически невозможно. Но можно выделить основные этапы мо­делирования. Все этапы определяются поставленной задачей и целями мо­делирования, поэтому какой-то этап может быть убран или усовершенство­ван, какой-то - добавлен.

Этапы моделирования

Рассмотрим этапы моделирования.

I этап. Постановка задачи.

Задача - это некоторая проблема, которую необходимо решить. Описание задачи

Проблема формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное - определить объект моделирования и представить ре­зультат.

Все задачи по характеру постановки делятся на две группы:

Первая группа - задачи, в которых требуется исследовать изменение ха­рактеристик объекта в данном диапазоне с некоторым шагом или исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него. Постановка такой задачи звучит так: «Что будет, если?..»

Например:

«Что будет, если увеличить плату за электроэнергию в два раза?»

«Как изменится скорость велосипедиста через 10 секунд, если он движет­ся прямолинейно и равноускоренно с начальной скоростью 2 м/с и ускоре­нием 0,5 м/с2?»

« В очереди стоит 3 человека. В течение следующих 5 минут подошли еще 6 человек. Далее очередь увеличивалась на 4 человека каждые 5 минут. Про­следить, каково будет общее количество человек в очереди через 15, 30 и т. д. минут».

Вторая группа - задачи, в которых необходимо выяснить, какое надо про­извести действие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторо­му заданному условию. Постановка такой задачи звучит так: «Как сделать, чтобы?..»

Например:

«Какой должна быть сила тяги, чтобы вывести космический аппарат на околоземную орбиту?»

«Какой должна быть скорость автомобиля при определенных начальных значениях времени пути и расстояния, чтобы он прибыл в пункт назначе­ния вовремя?»

«Каким должен быть вес объекта, чтобы он плавал на поверхности воды?»

«Каким должен быть прожиточный минимум, чтобы человек мог жить достойно?»

Цель моделирования

Цель показывает, для чего необходимо создать модель. Цели моделирова­ния менялись в ходе развития человеческого общества.

Несколько миллионов лет назад первобытные люди изучали окружающий мир, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными ресурсами, выживать. Свой опыт они передавали последую­щим поколениям в виде моделей - устных описаний, словесных и мате­риальных моделей. Такие модели позволяли понять, как устроен объект, узнать его свойства, законы развития и как он взаимодействует с окружа­ющей средой. В этом случае цель моделирования заключалась в познании окружающего мира.

Накопив достаточно знаний, человек стал рассуждать о возможности создания объектов с заданными свойствами для того, чтобы противодейс­твовать стихиям или заставить природные явления служить себе. И он стал строить модели еще не существующих объектов. В результате родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов и устройств. Некото­рые из этих моделей стали реальностью. Это объекты, созданные руками человека. Таким образом, можно определить следующую цель моделирова­ния - создание объектов с заданными свойствами: «Как сделать, чтобы...»

Например, постановка экономических, социальных и экологических проблем получила широкое распространение в современном обществе. Что будет, если увеличить плату за квартиру или плату за проезд? Что произой­дет в результате экологической катастрофы? Каковы последствия «ядерной зимы»?

Нередко целью моделирования бывает эффективное управление объек­том. В этом случае результат моделирования будет более эффективным, если будут удовлетворенны все стороны, участвующие в управлении. Например, как наладить управление в школе, чтобы и учителя и ученики чувствовали себя в ее стенах комфортно? Как организовать работу центров досуга, чтобы их посещали школьники и они не были убыточными?

Можно бесконечно рассматривать цели и перспективы моделирования и еще раз убедиться в том, что моделирование имеет огромное значение в формировании системно-информационной картины мира.

Анализ объекта

Анализ объекта подразумевает четкое выделение моделируемого объекта и его основных свойств. Этот процесс называется системным анализом, и мы его рассматривали.

Вспомним, что такое системный анализ.

Что такое «система»?

Что такое «компоненты системы»?

Что такое «свойства компонентов»?

Какие существуют взаимосвязи между компонентами системы?

В чем заключается суть принципа эмерджентности?

Пример 3

Системный анализ системы «самолет».

Компоненты системы: корпус, хвост, крылья и т. д.

Свойства компонентов: форма, размер и т. д.

Все компоненты системы связаны строго определенным образом. Связи можно изобразить в виде графа.

Суть принципа эмерджентности: компоненты системы в отдельности не обладают свойством полета. А система в целом способна летать.

II этап. Разработка модели

После того, как выполнен системный анализ объекта, можно приступать к построению его информационной модели.

Что такое информационная модель?

Каким образом классифицируются информационные модели?

Каковы этапы создания информационной модели?

Одним из основных действий при построении информационной моде­ли является сбор различной информации об объекте. В зависимости от того, с какой целью исследуется объект, какими средствами и знаниями обладает человек, будет получена разная по объему и содержанию инфор­мация.

Пример 4

Рассмотрим объект «растение» с точки зрения биолога, медика и уче­ника.

Биолог: сравнит растение с другими, известными ему; изучит корневую систему, стебель, клеточное строение, особенности почвы.

Медик: изучит химический состав с целью выявить полезные и вредные вещества растения для человека.

Ученик: зарисует внешний вид, запомнит запах, время, которое растение может простоять в воде, запомнит место обитания.

Пример 5

Рассмотрим объект «радуга» с точки зрения художника, физика и уче­ника.

Художник: обратит внимание на переходы между цветами.

Физик: объяснит это природное явление.

Ученик: поразится красотой и поделится впечатлениями.

Таким образом, и мы говорили об этом, один и тот же объект может иметь различные модели.

От чего это зависит?

Выбор наиболее существенной информации при создании информаци­онной модели и ее сложность обусловлены целью моделирования. Пост­роение информационной модели является отправным пунктом разработки модели.

Когда мы определились с объемом и содержанием данных, необходимых для построения информационной модели, а также определили все связи между компонентами объекта, можно представить информационную мо­дель в знаковой форме.

Знаковая форма может быть компьютерной или некомпьютерной. Лишь простые и знакомые по содержанию задачи можно решать с помощью тра­диционных способов. Сегодня, когда компьютер стал основным инстру­ментом исследователя, все предварительные наброски, формулы, чертежи и схемы составляются на нем с помощью различных программ.

При построении компьютерной модели необходимо правильно выбрать программную среду.

Если компьютер нужен вам как вспомогательное средство для реализа­ции своих замыслов, то для моделирования можно использовать приклад­ное программное обеспечение - текстовые редакторы, графические редак­торы и т. д.

Есть программные средства, которые обрабатывают исходную информа­цию, получают и анализируют результат. Здесь компьютер выступает как интеллектуальный помощник. В этом случае для моделирования можно использовать среду баз данных , электронных таблиц или языки програм­мирования.

Вывод: при моделировании на компьютере необходимо иметь представ­ление о классах программных средств, их назначении, инструментарии и технологии работы. Тогда легко можно преобразовать знаковую информа­ционную модель в компьютерную и провести эксперимент.

III этап. Компьютерный эксперимент

После того, как модель создана, необходимо выяснить ее работоспособ­ность или внедрить в производство. Для этого нужно провести экспери­мент.

До появления компьютеров все эксперименты проводились либо в лабора­торных условиях, либо на настоящем образце изделия. При этом натуральные и лабораторные эксперименты требовали больших затрат средств и времени. Образцы изделий подвергались различным нагрузкам и нередко разруша­лись. Хорошо. Если это часы или пылесос. А если самолет или ракета?

С развитием вычислительной техники появился новый метод исследова­ния - компьютерный эксперимент. Он основан на тестировании модели.

Тестирование - это процесс проверки правильности построения и функ­ционирования модели.

Тест - это набор исходных данных, для которых результат известен зара­нее.

Чтобы быть уверенным в правильности полученных результатов модели­рования, необходимо, чтобы тест соответствовал следующим параметрам;

1.Тест всегда должен быть ориентирован на проверку разработанного алгоритма функционирования компьютерной модели. Тест не отра­жает смыслового содержания модели, но полученные результаты мо­гут натолкнуть на мысль изменения исходной информационной или знаковой модели, где заложено смысловое содержание поставленной задачи.

2. Исходные данные в тесте могут совершенно не отражать реальную си­туацию. Важно то, чтобы при конкретных исходных данных заранее знать ожидаемый результат.

Пример 6

Математическая модель представлена в виде сложных математических формул. Ее необходимо протестировать. Вы подбираете несколько вариан­тов исходных данных и просчитывайте результат сами. Далее вводите те же данные в компьютер и получаете результат компьютерного эксперимента. Если он не совпадаете вашим, то надо искать и устранять причину.

IV этап. Анализ результатов моделирования

Конечный этап моделирования - принятие решения. Этот этап решаю­щий - либо вы заканчиваете исследование, либо продолжаете. Этап ана­лиза результатов не может существовать автономно. Полученные выводы часто приводят к проведению дополнительных экспериментов или изме­нению модели.

Основой для принятия решения служат результаты тестирования. Если они не соответствуют целям поставленной задачи, значит, были допущены ошибки на предыдущих этапах. Причины могут быть разными. Ошибки необходимо выявить и исправить. Процесс продолжается до тех пор, пока результаты эксперимента не станут отвечать целям моделирования.

Главное, надо всегда помнить: выявленная ошибка - тоже результат.

Постройте модель следующего процесса, соблюдая, по возможности, ос­новные этапы моделирования.

№1. Рассчитайте минимальное количество обоев и их стоимость, необходимое для оклейки жилой комнаты размером 4 х 4 х 2,5 метра. Рулон обоев имеет ширину 55 сантиметров и длину 10 метров.

ЗАПОМНИТЕ! К каждому рабочему месту подведено опасное для жизни напряжение.

Во время работы следует быть предельно внимательным.

Во избежание несчастного случая, поражения электрическим током, поломки оборудования рекомендуется выполнять следующие правила:
Входите в компьютерный класс спокойно, не торопясь, не толкаясь, не задевая мебель и оборудование и только с разрешения преподавателя.
Не включайте и не выключайте компьютеры без разрешения преподавателя.
Не трогайте питающие провода и разъёмы соединительных кабелей.
Не прикасайтесь к экрану и тыльной стороне монитора.
Не размещайте на рабочем месте посторонние предметы.
Не вставайте со своих мест, когда в кабинет входят посетители.
Не пытайтесь самостоятельно устранять неисправности в работе аппаратуры; при неполадках и сбоях в работе компьютера немедленно прекратите работу и сообщите об этом преподавателю.
Работайте на клавиатуре чистыми, сухими руками; легко нажимайте на клавиши, не допуская резких ударов и не задерживая клавиши в нажатом положении.

ЗАПОМНИТЕ! Если не принимать мер предосторожности, работа за компьютером может оказаться вредной для здоровья.

Чтобы не навредить своему здоровью, необходимо соблюдать ряд простых рекомендаций:
Неправильная посадка за компьютером может стать причиной боли в плечах и пояснице. Поэтому садитесь свободно, без напряжения, не сутулясь, не наклоняясь и не наваливаясь на спинку стула. Ноги ставьте прямо на пол, одна возле другой, но вытягивайте их и не подгибайте.
Если стул с регулируемой высотой, то её следует отрегулировать так, чтобы угол между плечом и предплечьем был чуть больше прямого. Туловище должно находиться от стола на расстоянии 15-16 см. Линия взора должна быть направлена в центр экрана. Если вы имеете очки для постоянного ношения, работайте в очках.
Плечи при работе должны быть расслаблены, локти - слегка касаться туловища. Предплечья должны находиться на той же высоте, что и клавиатура.
При напряжённой длительной работе глаза переутомляются, поэтому каждые 5 минут отрывайте взгляд от экрана и смотрите на что-нибудь, находящееся вдали.

Правильная посадка

Самое главное

1. При работе за компьютером необходимо помнить: к каждому рабочему месту подведено опасное для жизни напряжение. Поэтому во время работы надо быть предельно внимательным и соблюдать все требования техники безопасности.

2. Чтобы работа за компьютером не оказалась вредной для здоровья, необходимо принимать меры предосторожности и следить за правильной организацией своего рабочего места.

Плакат «Техника безопасности»

Основные этапы моделирования

Изучив эту тему, вы узнаете:

Что такое моделирование;
- что может служить прототипом для моделирования;
- какое место занимает моделирование в деятельности человека;
- каковы основные этапы моделирования;
- что такое компьютерная модель;
- что такое компьютерный эксперимент.

Место моделирования в деятельности человека

В теме "Представление о модели объекта" мы определили, что такое модель. Моделью может быть абстрактный или физический объект, исследование которого позволяет познавать существенные черты другого объекта - оригинала. Построение и изучение моделей является сферой человеческой деятельности, которая называется моделированием.

Моделирование - исследование объектов путем построения и изучения их моделей.

Почему не исследовать сам оригинал, зачем создавать модель?

Во-первых, оригинала может не существовать в настоящем: это объект прошлого или будущего. Для моделирования время не помеха. На основании известных фактов, методом гипотез и аналогий можно построить модель событий или природных катаклизмов далекого прошлого. Так, к примеру, были созданы теории вымирания динозавров, зарождения жизни на Земле. С помощью такого же метода можно заглянуть в будущее. Ученые-физики построили теоретическую модель «ядерной зимы», которая наступит на нашей планете в случае ядерной войны. Эта модель - предостережение человечеству . 

Во-вторых , оригинал может иметь много свойств и взаимосвязей, На модели, являющейся упрощенным представлением объекта, можно изучать некоторые интересующие исследователя свойства, не учитывая других. Например, при изучении сложнейшего человеческого организма на уроках биологии используются его разнообразные модели.

В-третьих, часто модель является абстрактным обобщением реально существующих объектов. Манекенщица (модель), демонстрирующая новый фасон одежды, представляет не какого-то реального человека с его особенностями и недостатками, а некоторый обобщенный идеальный образ, стандарт. Говоря о природных явлениях на уроках географии, мы имеем в виду не какое-то конкретное природное явление, например землетрясение, а некоторое обобщение, модель этого явления. В таких случаях прототипом модели является целый класс объектов с какими-то общими свойствами.

В-четвертых, оригинал может быть недоступен исследователю по каким-либо причинам: модель атома водорода, рельефа лунной поверхности, парламентской власти в стране.

Что поддается моделированию? Объектом моделирования может быть материальный объект, явление, процесс или система.

Моделями материальных объектов могут служить наглядные пособия в школьном кабинете, чертежи архитектурных сооружений, уменьшенные или увеличенные копии самих объектов.

Для предотвращения катастроф и применения природных сил на благо человека создаются и изучаются модели явлений живой природы. Академик Георг Рихман, сподвижник и друг великого Ломоносова, еще в первой половине XVIII века моделировал магнитные и электрические явления с целью их изучения и дальнейшего применения.

Можно также создавать модели процессов: ход, последовательную смену состояний, стадии развития объекта или системы. Вы, вероятно, слышали о моделях экономических или экологических процессов, модели развития Вселенной, общества и т. п. 

Если объект рассматривается как система, то строится и исследуется модель системы. Перед строительством жилого массива архитекторы создают натурную модель района застройки, учитывающую расположение зданий, скверов, парков и дорог.

Моделирование является одним из ключевых видов деятельности человека и всегда в той или иной форме предшествует другим ее видам.

Прежде чем браться за любую работу, нужно четко представлять себе отправной и конечный пункты деятельности, а также ее примерные этапы. То же можно сказать о моделировании.

Отправной пункт здесь - прототип (рисунок 11.1). Как было сказано ранее, это может быть существующий или проектируемый объект, явление, процесс или система.

Рис. 11.1. Обобщенные этапы деятельности человека при исследовании объекта

Конечный этап моделирования - принятие решения . В результате моделирования приобретается новая информация и принимается решение о создании нового объекта либо о модификации и использовании существующего.

Примером моделирования при создании новых технических средств может служить история развития космической техники. Для реализации космического полета надо было решить две проблемы: преодолеть земное притяжение и обеспечить продвижение в безвоздушном пространстве. О возможности преодоления притяжения Земли говорил еще Ньютон в XVII веке. К. Э. Циолковский предложил для передвижения в пространстве использовать реактивный двигатель. Он составил довольно точную описательную модель будущего межпланетного корабля с чертежами, расчетами и обоснованиями.

Не прошло и полувека, как описательная модель Циолковского стала основой для реального моделирования в конструкторском бюро С. П. Королева. В натурных экспериментах испытывались различные виды жидкого топлива, форма ракеты, системы управления и жизнеобеспечения, приборы для научных исследований и т. п. Результатом разностороннего моделирования стали мощные ракеты, которые вывели на околоземную орбиту искусственные спутники Земли, корабли с космонавтами на борту и космические станции.

Рассмотрим другой пример. Известный химик XVIII века Антуан Лавуазье, изучая процесс горения, проводил многочисленные опыты. Он моделировал процессы горения с различными веществами, которые нагревал и взвешивал до и после опыта. При этом выяснилось, что некоторые вещества после нагревания становятся тяжелее. Лавуазье предположил, что к этим веществам в процессе нагревания что-то добавляется. Так моделирование и последующий анализ результатов привели к определению нового вещества - кислорода, к обобщению понятия «горение». Это дало объяснение многим известным явлениям и открыло новые горизонты в других областях науки, в частности в биологии. Кислород оказался одним из основных компонентов дыхания и энергообмена животных и растений.

Схема, представленная на рисунке 11.1, показывает, что моделирование занимает центральное место в исследовании объекта. Построение модели позволяет обоснованно принимать решения по усовершенствованию имеющихся объектов и созданию новых, изменению процессов управления ими и, в конечном счете, изменению окружающего нас мира в лучшую сторону. 

Моделирование - творческий процесс и поэтому заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить этапами, как изображено на рисунке 11.2.

Рис. 11.2. Этапы моделирования

Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок будет исключен или усовершенствован, какой-то - добавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования. 

Постановка задачи

Жизнь постоянно ставит перед человеком проблемы, требующие разрешения. Эти проблемы по своей сложности нельзя сравнить ни с одной, даже самой трудной задачей из школьных учебников. В школьных задачах вам четко указано, что дано и что требуется получить, а в разделе, где приводится задача, рекомендованы возможные методы ее решения. Как правило, в реальной жизни человек имеет дело с задачами (проблемами), где этого в явной форме нет. Поэтому важнейшим признаком грамотного специалиста является умение поставить задачу, то есть сформулировать ее таким образом и на таком языке, чтобы ее однозначно понял любой, кто будет участвовать в ее решении.

Этап постановки задачи характеризуется тремя основными моментами: описание задачи, определение целей моделирования и формализация задачи .

Описание задачи

Постановка задачи, как правило, начинается с ее описания . Делается это на обычном языке, самыми общими фразами. При этом подробно описывается исходный объект, условия, в которых он находится, и желаемый результат, иначе говоря, отправной и конечный пункты моделирования.

По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы .

К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него. Такую постановку задачи принято называть «что будет, если?..». Например, будет ли сладко, если в чай положить две чайные ложки сахара? Или: что будет, если повысить плату за коммунальные услуги в два раза? 

Некоторые задачи формулируются несколько шире. Что будет, если изменять характеристики объекта в заданном диапазоне с некоторым шагом? Такое исследование помогает проследить зависимость параметров объекта от исходных данных. Например, модель информационного взрыва: «Один человек увидел HJIO и рассказал об этом своим знакомым. Те, в свою очередь, распространили новость дальше и т. д.» Необходимо проследить, каково будет количество оповещенных через заданные интервалы времени.

Вторая группа задач имеет такую обобщенную формулировку: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию? Такая постановка задачи часто называется «как соелатъ, чтооыпа- пример, какого объема должен быть воздушный шар, наполненный гелием, чтобы он мог подняться вверх с грузом 100 кг?

Наибольшее количество задач моделирования, как правило, являются комплексными. Решение таких задач начинается с построения модели для одного набора исходных данных. Иначе говоря, прежде всего решается задача «что будет, если?..». В редких случаях, но все же бывает, что конечная цель достигается после первого же эксперимента. Чаще этого не случается, и тогда проводится исследование объекта при изменении параметров в некотором диапазоне. И наконец, по результатам исследования производится подбор параметров с тем, чтобы модель удовлетворяла некоторым проектируемым свойствам. Важно понимать, что чем опытнее исследователь, тем точнее он выберет диапазон входных данных и шаг, с которым этот диапазон будет проверяться, и, как следствие, тем скорее он достигнет прогнозируемого результата.

Примером такого комплексного подхода может служить решение задачи о получении химического раствора заданной концентрации: «Химический раствор объемом 5 частей имеет начальную концентрацию 70 %. Сколько частей воды надо добавить, чтобы получить раствор заданной концентрации?»

Сначала проводится расчет концентрации при добавлении 1 части воды. Затем строится таблица концентраций при добавлении 2, 3, 4... частей воды. Полученный результат позволяет быстро пересчитывать модель с разными исходными данными. По расчетным таблицам можно дать ответ на поставленный вопрос: сколько частей воды надо добавить для получения требуемой концентрации.

Рассмотрим три простые задачи, на примере которых в дальнейшем проследим этапы моделирования.

Задача 1. Набор текста.

Набрать и подготовить к печати текст.

Такая задача часто возникает при создании составных документов, в которых одним из элементов является текст. Эта задача относится к постановке «что будет, если?..» .

Задача 2. Движение автомобиля.

Как изменяется скорость автомобиля при движении?

В данной задаче предполагается проследить, как будет изменяться скорость автомобиля в некотором диапазоне времени. Это расширенная постановка задачи «что будет, если?..» .

Задача 3. Расстановка мебели.

Найти наиболее удобную расстановку подросткового мебельного гарнитура в комнате.

Эта задача относится к постановке «как сделать, чтобы?..» .

Цель моделирования

Важным моментом на этапе постановки задачи является определение цели моделирования. От выбранной цели зависит, какие характеристики исследуемого объекта считать существенными, а какие отбросить. В соответствии с поставленной целью может быть подобран инструментарий, определены методы решения задачи, формы отображения результатов.

Рассмотрим возможные цели моделирования.

Первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать.

Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно и, наконец, с помощью предметных моделей. Так был создан глобус - модель Земного шара, позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и о расположении материков. Такие модели помогают понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром. В этом случае целью построения модели является познание окружающего мира.

Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям и ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов, даже обыкновенного зонтика. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.

Таким образом, другая важная цель моделирования - создание объектов с заданными свойствами. Эта цель соответствует постановке задачи а как сделать, чтобы...».

Цель моделирования задач типа «что будет, если..» - определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения. Подобное моделирование имеет важное значение при рассмотрении социальных и экологических вопросов: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в некоторой местности? 

Например, для избавления Санкт-Петербурга от постоянных наводнений, приносящих огромный ущерб, было решено возвести дамбу. При ее проектировании было построено множество моделей, в том числе и натурных, именно с целью предсказания последствий вмешательства в природу.

Нередко целью моделирования является эффективность управления объектом (или процессом). Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при условии, что будут «и волки сыты, и овцы целы».

Например, нужно наладить питание в школьной столовой. С одной стороны, питание должно соответствовать возрастным требованиям (калорийное, содержащее витамины и минеральные соли), с другой - нравиться большинству ребят и быть «по карману» их родителям, а с третьей - технология приготовления должна соответствовать возможностям школьной столовой. Как совместить несовместимое? Найти правильное решение помогает построение модели.

Вернемся к ранее описанным задачам и определим цели моделирования.

Задача 1. Набор текста.

Цель: получить грамотный, удобочитаемый документ.

Задача 2. Движение автомобиля.

Цель: исследовать процесс движения.

Задача 3. Расстановка мебели.

Цель: найти наилучший вариант расстановки мебели с точки зрения проживающего.

Определение цели моделирования позволяет четко установить, какие данные являются исходными, какие - несущественны в процессе моделирования и что требуется получить на выходе.

Формализация задачи

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с проявлением формализма, означающего строгий порядок. И хотя мы часто говорим о формализме с отрицательной оценкой, в некоторых случаях без него не обойтись. Возможно ли организовать учет и хранение лекарств в больнице или диспетчерское управление в авиации, если не подчинить эти процессы строгой формализации? В таких случаях она означает четкие правила и их одинаковое понимание всеми, строгий учет, единые формы отчетности и т. д.

Обычно о формализации говорят и тогда, когда собранные данные предполагают обрабатывать математическими средствами.

Те из вас, кто участвовал в переписи населения, вероятно, обратили внимание, какие формы заполняли инспекторы по результатам беседы с членами семьи. В этих формах не было выделено места для эмоций, они содержали формализованные данные опроса - единицы в строго определенных графах. Эти данные затем обрабатывались с использованием математических методов. Нельзя не упомянуть и о том, что обработка велась при помощи компьютера. Компьютер является универсальным инструментом для обработки информации, но для решения любой задачи с его использованием надо изложить ее на строгом, формализованном языке. Каким бы чудом техники ни казался компьютер, человеческий язык ему не понятен.

При формализации задачи отталкиваются от ее общего описания. Это позволяет четко выделить прототип моделирования и его основные свойства. Как правило, этих свойств довольно много, причем некоторые невозможно описать количественными соотношениями. Кроме того, в соответствии с поставленной целью необходимо выделить параметры, которые известны (исходные данные) и которые следует найти (результаты).

Как уже упоминалось выше, прототипом моделирования может быть объект, процесс или система. Если моделируется система, производится ее анализ: выявляются составляющие системы (элементарные объекты) и определяются связи между ними. При анализе необходимо также решить вопрос о степени детализации системы.

Формализацию проводят в виде поиска ответов на вопросы, уточняющие общее описание задачи.

Проведем формализацию ранее описанных задач.

Задача 1. Набор текста.

Что моделируется? Объект «текст» Где взять содержание текста? Имеется в виде черновика Каков предполагаемый тип печати? Черно-белая Каковы параметры текста? Абзацный отступ, правая и левая границы, гарнитура, размер и начертание шрифта, цвет (черный) Что надо получить? Набранный, отредактированный и оформленный текст

Задача 2. Движение автомобиля.

Что моделируется? Процесс движения объекта «автомобиль» Вид движения Равноускоренное Что известно о движении? Начальная скорость (V 0), ускорение (∝), максимальная развиваемая автомобилем скорость (V Maкc) Что надо найти? Скорость (V i) в заданные моменты времени (t i) Как задаются моменты времени? От нуля через равные интервалы (A t) Что ограничивает расчеты? V i х V Maкc

Такие характеристики объекта, как цвет, тип кузова, год выпуска и общий пробег, степень изношенности шин и многие другие, в данной постановке учитывать не будем.

Задача 3. Расстановка мебели.

Что моделируется? Система КОМНАТА-МЕБЕЛЬ Комната - рассматривается Система как объект или как система? Какие элементы системы Стены, дверь, окно КОМНАТА важны в данной задаче? Мебель - рассматривается Система как объект или как система? Что входит в состав мебели? Диван, письменный стол, платяной шкаф, шкаф общего назначения (для книг, музыкального центра, игрушек и прочего), настенный спортивный комплекс Какие параметры мебели Длина, ширина, высота заданы? Какие параметры комнаты В виде эскиза заданы: геометрическая заданы? форма, размеры, расположение окна и двери Что надо получить? Вариант наиболее удобной расстановки мебели, представленный в виде чертежа (эскиза)

В данной задаче нецелесообразно деление предметов мебели на составляющие. Например, не имеет смысла вместо стола рассматривать совокупность объектов - столешница, ящики, ножки.

При расстановке мебели надо учитывать следующие отношения:

♦ высота мебели меньше высоты комнаты; ♦ предметы мебели должны располагаться лицевой стороной внутрь комнаты; ♦ предметы мебели не должны заслонять собой дверь и окно; ♦ вокруг спортивного комплекса должно быть достаточно свободного места.

При расстановке мебели надо также учитывать следующие связи:

♦ все предметы мебели должны быть вплотную придвинуты к стене; ♦ письменный стол должен стоять либо у окна, либо недалеко от окна у стены так, чтобы свет падал слева.

Связи между самими предметами мебели учитывать не будем. Это означает, что все предметы могут располагаться по отношению друг к другу как угодно. Это существенно упрощает задачу.

Этап постановки задачи движет исследователя от описания задачи через уяснение целей моделирования к ее формализации. 

Он является основополагающим в моделировании. Этот этап человек проходит самостоятельно, без помощи компьютера. Дальнейшая успешная работа по разработке модели зависит от правильности постановки задачи.

Разработка модели

Этап разработки модели начинается с построения информационной модели в различных знаковых формах, которые на завершающей стадии воплощаются в компьютерную модель. В информационных моделях задача приобретает вид, позволяющий принять решение о выборе программной среды и четко представить алгоритм построения компьютерной модели.

Информационная модель

Выбор наиболее существенных данных при формировании информационной модели и ее сложность определяются целью моделирования. Параметры объектов, определенных при формализации задачи, располагаются в порядке убывания значимости. При моделировании учитываются не все, а лишь некоторые свойства, интересующие исследователя.

Если отбросить существенные факторы, то модель будет неверно отражать оригинал (прототип). Если оставить их слишком много, модель окажется сложна для построения и исследования. Во многих исследованиях создают несколько моделей одного объекта, начиная от простейших, с минимальным набором определяющих параметров. Затем постепенно уточняют модель, добавляя некоторые из отброшенных характеристик.

Иногда задача может быть уже сформулирована в упрощенной форме, цель - четко поставлена, а параметры модели, которые надо учесть, - определены. Задачи такого вида вам приходилось неоднократно решать на уроках математики и физики. Однако в обычной жизни отбор информации приходится проводить самостоятельно. 

Результатом построения информационной модели является хорошо знакомая вам таблица характеристик объекта. В зависимости от типа задачи таблица может видоизменяться.

Рассмотрим информационные модели описанных выше задач.

Задача 1. Набор текста.

Информационная модель

При построении компьютерной образно-знаковой модели (текстовый или графический документ) информационная модель будет описывать объекты, их параметры, а также предварительные исходные значения, которые исследователь определяет в соответствии со своим опытом и представлениями, а затем уточняет в ходе компьютерного эксперимента.

Задача 2. Движение автомобиля.

Информационная модель

В расчетных задачах таблица содержит перечень исходных, расчетных и результирующих параметров.

Задача 3. Расстановка мебели.

Информационная модель

Информационная модель, как правило, представляется в той или иной знаковой форме. Таблица - один из примеров знаковых моделей.

Иногда полезно дополнить представление об объекте и другими знаковыми формами (схемой, чертежом, формулами), если это способствует лучшему пониманию задачи.

Рассмотрим знаковые модели для описанных выше задач.

Задача 1. Набор текста.

Знаковая модель является результатом решения задачи.

Задача 2. Движение автомобиля.

Задача о движении автомобиля становится более понятной, если привести рисунок с указанием обозначений, используемых в задаче (рисунок 11.3). 

Рис. 11.3. Иллюстрация к задаче о движении автомобиля

Математическая модель движения автомобиля имеет вид:

T i + 1 = t 1 + V i + 1 = V 0 + ∝t 1

Правильно составленная математическая модель просто необходима в задачах, где требуется рассчитать значения параметров объекта.

Для систем информационная модель дополняется схемой связей, выявленных при анализе. Примеры таких схем приведены в п. 8.4. Схема связей может иметь вид, представленный на рисунке 11.4. На этой схеме связи изображаются стрелками, направленными от одного объекта к другому. Односторонние стрелки показывают направление действия связи - от определяющего объекта к определяемому. Двухсторонние стрелки указывают, что объекты взаимно влияют друг на друга. Отношения при построении подобных схем изображаются пунктирными стрелками.

Около стрелки можно пояснить характер связи.

Рис. 11.4. Пример схемы связей между объектами системы

Задача 3. Расстановка мебели.

Схема связей и отношений представлена на рисунке 11.5.

Рис. 11.5. Схема связей и отношений к задаче о расстановке мебели

Знаковые формы могут иметь и другой вид.

Например, при создании географических или исторических карт разрабатывается система условных обозначений.

И лишь для простых, знакомых по содержанию задач знаковые модели не требуются.

Процесс творчества и исследования всегда предполагает мучительные поиски знаковой и образной формы представления модели. Раньше этому процессу сопутствовали корзины выброшенных черновиков. В настоящее время, когда компьютер стал основным инструментом исследователя, многие предпочитают составлять и записывать предварительные наброски, формулы сразу на компьютере, экономя при этом время и горы бумаги. 

Компьютерная модель

Теперь, когда сформирована информационная знаковая модель, можно приступать собственно к компьютерному моделированию - созданию компьютерной модели. Сразу возникает вопрос о средствах, которые необходимы для этого, то есть об инструментах моделирования.

Компьютерная модель - это модель, реализованная средствами - программной среды.

Существует множество программных комплексов, которые позволяют проводить построение и исследование моделей (моделирование). Каждая программная среда имеет свой инструментарий и позволяет работать с определенными видами информационных моделей. Поэтому перед исследователем возникает нелегкий вопрос выбора наиболее удобной и эффективной среды для решения поставленной задачи. Надо сказать, что одну и ту же задачу можно решить, используя различные среды.

Первоначально, много лет назад, компьютеры использовались только для решения вычислительных задач. Для этого надо было составлять программы на специальных языках программирования. С развитием программного и аппаратного обеспечения круг задач, которые можно решать при помощи компьютера, существенно расширился.

В среде программирования можно теперь не только провести традиционный расчет параметров объекта, но и построить образную модель (рисунок, схему, анимационный сюжет), используя графические средства языка.

В процессе разработки компьютерной модели исходная информационная знаковая модель будет претерпевать некоторые изменения по форме представления, так как должна ориентироваться на определенную программную среду и инструментарий. Возможности конкретных программных сред вы изучили на практических занятиях. О выборе программной среды в соответствии с видом информации говорилось в темах 9, 10.

От выбора программной среды зависит алгоритм построения компьютерной модели, а также форма его представления. 

Например, это может быть блок-схема. На рисунке 11.6 представлен алгоритм задачи о движении автомобиля в виде блок- схемы. Руководствуясь блок-схемой, задачу можно решить в разных средах. В среде программирования это программа, записанная на алгоритмическом языке. В прикладных средах это последовательность технологических приемов, приводящая к решению задачи.

Рис. 11.6. Представление алгоритма в виде блок-схемы

Например, при моделировании в среде графического редактора или текстового процессора алгоритм может быть представлен в словесной форме, описывающей последовательность действий по созданию объектов и, если требуется, технологических приемов. При разработке алгоритма построения модели в электронных таблицах особое внимание обращается на выделение областей исходных и расчетных данных и правила записи формул, связывающих данные разных областей.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при моделировании на компьютере необходимо иметь представление о классах программных средств, их назначении, инструментарии и технологических приемах работы. Разнообразное программное обеспечение позволяет преобразовать исходную информационную знаковую модель в компьютерную и провести компьютерный эксперимент.

Рассмотрим возможные варианты выбора компьютерной среды для приведенных выше примеров. Справедливости ради следует заметить, что предложенные в качестве иллюстраций задачи могут быть решены и зачастую решаются без применения компьютера.

Задача 1. Набор текста.

Для моделирования текстовых документов традиционно используется среда текстового процессора.

Задача 2. Движение автомобиля.

Для задач, в которых требуется получить расчетные значения, подходит среда электронных таблиц. В этой среде информационная и математическая модели объединяются в таблицу, содержащую три области: исходные данные, промежуточные расчеты и результаты. Электронная таблица позволяет не только рассчитать требуемые скорости, но и построить график движения автомобиля.

Не менее успешно подобную задачу можно решить в среде программирования. Например, среда ЛогоМиры позволяет рассчитать значения скорости автомобиля через равные промежутки времени, а также создать сопровождающий анимационный сюжет, в котором будет двигаться машина и через равные промежутки будут появляться расчетные значения.

Задача 3. Расстановка мебели.

Результатом решения задачи является наиболее удобный вариант расстановки мебели, представленный в том или ином виде: мысленном, в виде чертежа (эскиза), в форме описания. Очень часто подобная задача решается «в уме». Но если требуется облечь рассуждения в знаковую форму, то подойдет любая среда, позволяющая работать с графикой. Это может быть графический редактор, встроенный инструментарий векторной графики текстового процессора или среда программирования. 

Формальная модель - это модель, полученная в результате формализации.

Для решения задачи на компьютере больше всего подходит язык математики. В такой модели связь между исходными данными и конечными результатами фиксируется с помощью различных формул, а также накладываются ограничения на допустимые значения параметров.

Третий этап - разработка компьютерной модели начинается с выбора инструмента моделирования, другими словами, программной среды, в которой будет создаваться и исследоваться модель.
От этого выбора зависит алгоритм построения компьютерной модели, а также форма его представления. В среде программирования это программа , написанная на соответствующем языке. В прикладных средах (электронные таблицы, СУБД, графических редакторах и т. д.) это последовательность технологических приемов , приводящих к решению задачи.

Следует отметить, что одну и ту же задачу можно решить, используя различные среды. Выбор инструмента моделирования зависит, в первую очередь, от реальных возможностей, как технических, так и материальных.

Четвертый этап - компьютерный эксперимент включает две стадии: тестирование модели и проведение исследования.

• Тестирование модели

На этой стадии проверяется разработанный алгоритм построения модели и адекватность полученной модели объекту и цели моделирования.

Для проверки правильности алгоритма построения модели используется тестовые данные, для которых конечный результат з а р а н е е и з в е с т е н. (Обычно его определяют ручным способом). Если результаты совпадают, то алгоритм разработан верно, если нет - надо искать и устранять причину их несоответствия.

Тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, а усложнение тестовых данных должно происходить постепенно. Чтобы убедиться, что построенная модель правильно отражает существенные для цели моделирования свойства оригинала, то есть является адекватной, необходимо подбирать тестовые данные, которые отражают р е а л ь н у ю ситуацию.

• Исследование модели
  К этой стадии компьютерного эксперимента можно переходить только после того, как тестирование модели прошло успешно, и вы уверены, что создана именно та модель, которую необходимо исследовать.

Пятый этап - анализ результатов является ключевым для процесса моделирования. Именно по итогам этого этапа принимается решение: продолжать исследование или закончить.

Если результаты не соответствуют целям поставленной задачи, значит, на предыдущих этапах были допущены ошибки. В этом случае необходимокорректировать модель , то есть возвращаться к одному из предыдущих этапов. Процесс повторяется до тех пор, пока результаты компьютерного эксперимента не будут отвечать целям моделирования.

В предыдущих темах мы сформулировали, что такое модель, и определили новое понятие - моделирование. Важно понимать, что моделирование является одним из ключевых видов деятельности человека. Моделирование всегда в той или иной форме предшествует любому делу.

Рис. 4. От прототипа – к принятию решения.

Схема, представленная на рис. 4, показывает, что моделирование занимает центральное место в исследовании объекта. Оно позволяет обоснованно принимать решение: как совершенствовать привычные объекты, надо ли создавать новые, как изменять процессы управления и, в конечном итоге, - как менять окружающий нас мир в лучшую сторону.

Отправной пункт здесь - прототип (рис. 2.4). Им может быть существующий или проектируемый объект либо процесс.

Конечный этап моделирования - принятие решения. Во многих ситуациях нам приходится принимать то или иное решение. В моделировании это означает, что мы либо создаем новый объект, модель которого мы исследовали, либо улучшаем существующий, либо получаем о нем дополнительную информацию.

Моделирование - творческий процесс. Заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить поэтапно, как изображено на рис. 5. Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок будет убран или усовершенствован, какой-то - добавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.

Рассмотрим основные этапы моделирования подробнее.

3.2. I этап. Постановка задачи

Под задачей в самом общем смысле этого слове понимается некая проблема, которую надо решать. На этапе постановки задачи необходимо отразить три основных момента: описание задачи, определение целей моделирования и анализ объекта или процесса.

Описание задачи

Задача (проблема) формулируется на обычном языке, и описание должно быть понятным. Главное здесь - определить объект моделирования и понять, что собой должен представлять результат. От того, как будет понята проблема, зависит результат моделированияи, в конечном итоге, принятие решения.

По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы.

К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него. Такую постановку задачи принято называть «что будет, если?». Например, как изменится скорость автомобиля через 6 с, если он движется прямолинейно и равноускоренно с начальной скоростью 3 м/с и ускорением 0, 5 м/с 2

Иногда задачи формулируются несколько шире. Что будет, если изменять характеристики объекта в заданном диапазоне с некоторым шагом? Такое исследование помогает проследить зависимость параметров объекта от исходных данных. Например, модель информационного взрыва:

«Один человек увидел НЛО и в течение следующих 15 минут рассказал об этом трем своим знакомым. Те в свою очередь еще через 15 минут сообщили о новости еще трем своим знакомым каждый и т. д. Проследить, каково будет количество оповещенных через 15, 30 и т. д. минут».

Вторая группа задач имеет такую обобщенную формулировку: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию? Такая постановка задачи часто называется «как сделать, чтобы?..». Например, какого объема должен быть воздушный шар, наполненный газом гелием, чтобы он мог подняться с грузом 100 кг?

Наибольшее количество задач моделирования, как правило, являются комплексными. Например, задача изменения концентрации раствора: «Химический раствор объемом 5 частей имеет начальную концентрацию 70%. Сколько частей воды надо добавить, чтобы получить раствор заданной концентрации?». Сначала проводится расчет концентрации при добавлении 1 части воды. Затем строится таблица концентраций при добавлении 2, 8, 4... частей воды. Полученный расчет позволяет быстро пересчитывать модель с разными исходными данными. По расчетным таблицам можно дать ответ на поставленный вопрос: сколько частей воды надо добавить для получения требуемой концентрации.

Цель моделирования

Зачем человек создает модели?

Если модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром, то в этом случае целью построения моделей является познание окружающего мира.

Другая важная цель моделирования - создание объектов с заданными, свойствами. Эта цель определяется постановкойзадачи «как сделать, чтобы...».

Цель моделирования задач типа «что будет, если...» - определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения. Подобное моделированиеимеет большое значение при обращении к социальным и др. проблемам.

Нередко целью моделирования бывает эффективность управления объектом (или процессом) .

Анализ объекта

На этом этапе, отталкиваясь от общей формулировки задачи, четко выделяют моделируемый объект и его основные свойства. По сути, все эти факторы можно назвать входными параметрами моделирования. Их может быть довольно много, причем некоторые невозможно описать количественными соотношениями.

Очень часто исходный объект - это целая совокупность более мелких составляющих, находящихся в некоторой взаимосвязи. Слово «анализ» (от греч. «analysis») означает разложение, расчленение объекта с целью выявления составляющих, называемых элементарными объектами. В результате появляется совокупность более простых объектов. Они могут находиться между собой либо в равноправной связи либо во взаимном подчинении. Схемы таких связей представлены на рис. 6 и 7.

Есть объекты и с более сложными взаимосвязями. Как правило, сложные объекты могут состоять из более простых с разными видами взаимосвязей.

В основу любой серьезной работы (будь то конструкторская разработка или проектирование технологического процесса, разработка алгоритмаили моделирование) должен быть положен системный принцип «сверху – вниз», т. е. от общих проблем к конкретным деталям. Результат анализа объекта появляется в процессе выявления его составляющих (элементарных объектов) и определения связей между ними.

Моделирование является одновременно искусством и наукой. Успех применения моделирования в значительной мере зависит от квалификации и опыта исследователя, от имеющихся в его распоряжении средств для проведения исследования, но иногда от интуиции и просто догадки.

Это интересно

Широко известны работы академика Н. Н. Моисеева (1917-2000) по моделированию систем управления. Для проверки предложенного им метода математического моделирования была создана математическая модель последнего сражения эпохи парусного флота - Синопского сражения (1833). Компьютерное моделирование показало, что при той расстановке кораблей, которую выбрал руководивший русской эскадрой адмирал П. С. Нахимов, и при условии нанесения русскими первого удара единственной возможностью спасения для турок было отступление. Турецкое командование не воспользовалось этой возможностью, и главные силы турецкого флота были разгромлены в течение нескольких часов.

«Интуитивное» моделирование, использованное Нахимовым для принятия решения, дало тот же результат, что и сложное компьютерное моделирование. В первом случае моделирование - искусство, во втором - наука.

Как уже говорилось, не существует формализованной инструкции как создавать модели в общем случае. Тем не менее можно выделить основные этапы моделирования (рис. 1.8).

Первый этап (постановка задачи): описание объекта моделирования и уяснение конечных целей моделирования. «Конструирование модели начинается со словесно-смыслового описания объекта или явления... Данный этап можно назвать формулировкой предмодели» . Важно правильно обозначить и сформулировать проблему, определить те факторы и показатели, взаимосвязи между которыми интересуют исследователя в рамках поставленной конкретной задачи. При этом необходимо определить, какие из этих факторов и показателей можно считать входными (т.е. несущими смысловую нагрузку объясняющих), а какие - выходными (несущими смысловую нагрузку объясняемых). Если описание объекта моделирования предполагает использование статистической информации, то задача сбора статистических данных тоже включается в содержание первого этапа.

Рис. 1.8.

При определении целей моделирования следует иметь в виду, что различие между простой моделью и сложной порождается не столько их сущностью, сколько целями, которые ставит исследователь. Цели существенным образом определяют содержание остальных этапов моделирования.

Как правило, целями моделирования являются:

• прогноз поведения объекта при изменении его характеристик и характеристик внешних воздействий;
• определение значений параметров, обеспечивающих заданное значение выбранных показателей эффективности изучаемого процесса;
• анализ чувствительности системы к изменению тех или иных факторов;
• проверка различного рода гипотез о характеристиках случайных параметров исследуемого процесса;
• определение функциональных связей между объясняющими и объясняемыми факторами;
• лучшее понимание объекта исследования.

Результатами первого этапа являются описание объекта исследования и четко сформулированные цели исследования.

Второй этап (модель): построение и исследование модели. Этот этан начинается с построения концептуальной модели.

Определение 1.11. Концептуальная модель - модель на уровне определяющего замысла, который формируется при изучении моделируемого объекта.

На этом этапе выявляются существенные аспекты, исключаются второстепенные, принимаются необходимые допущения и упрощения, т.е. формируется априорная информация. По возможности концептуальная модель представляется в виде известных и хорошо изученных систем: массового обслуживания, управления, авторегулирования и т.д. Затем модель конкретизируется. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства модели и оригинала требует конкретного анализа с учетом целей моделирования. На этом этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение специальных экспериментов, при которых принимаемые допущения подвергаются проверке, варьируются условия функционирования модели и систематизируются данные о ее поведении. Если по тем или иным причинам экспериментальная проверка допущений и упрощений не представляется возможной, то используют теоретические рассуждения о механизме изучаемого процесса или явления, признаваемые специалистами в данной прикладной области в качестве закономерностей.

Конечным результатом второго этапа является совокупность знаний о модели.

Третий этап (эксперименты с моделью): разработка плана экспериментирования с моделью и выбор технологии проведения экспериментов. В зависимости от вида модели это может быть, например, план натурного эксперимента и выбор средств для его проведения или выбор языка программирования или системы моделирования, разработка алгоритма и программы для реализации математической модели.

Эксперимент должен быть в максимально возможной степени информативным, обеспечивать получение данных с необходимой точностью и достоверностью. Для разработки такого плана используются методы теории планирования эксперимента.

Итогом третьего этапа являются результаты целенаправленных экспериментов с моделью.

На четвертом этапе (результат) осуществляется перенос знаний с модели на оригинал - формирование знаний об объекте исследования. Для этого выполняются обработка, анализ и интерпретация данных эксперимента. В соответствии с целью моделирования применяются разнообразные методы обработки: определение разного рода характеристик случайных величин и процессов, выполнение анализов - дисперсионного, регрессионного, факторного и др. Многие из этих методов реализованы в системах моделирования общего и специального назначения (MATLAB , GPSS World, AnyLogic и др.). Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.

Затем осуществляется перевод результатов на язык предметной области. Это необходимо, так как специалист предметной области (тот, кому нужны результаты исследований) не владеет, как правило, в необходимой степени терминологией математики и моделирования и может выполнять свои задачи, оперируя лишь хорошо знакомыми ему понятиями.

Итогом четвертого этапа является интерпретация результатов моделирования , т.е. перевод результатов в термины предметной области.

Отметим необходимость документирования результатов каждого этапа. Это важно в силу следующих причин.

Во-первых, процесс моделирования имеет, как правило, итеративный характер, т.е. с каждого этапа может осуществляться возврат на какой-либо из предыдущих этапов для уточнения информации, необходимой на этом этапе. Во-вторых, в случае исследования сложной системы в нем участвуют большие коллективы разработчиков, причем различные этапы выполняются различными группами. Поэтому должна быть возможность переноса результатов, полученных на каждом этапе, на последующие этапы в унифицированной форме представления.

Обратите внимание!

Основные этапы моделирования: «постановка задачи» -> «модель» -> «эксперименты с моделью» -> «результат». Как правило, это итеративный процесс, предполагающий возвращение к предшествующим этапам для учета новых данных.

Тем не менее и для таких процессов, называемых трудноформализуемыми, существуют подходы, позволяющие построить и исследовать модель.

Различные виды моделирования могут применяться самостоятельно или одновременно в некоторой комбинации. Так, например, имитационное моделирование включает в себя концептуальное (на ранних этапах формирования имитационной модели) и логико-математическое моделирование для описания отдельных подсистем модели, а также в процедурах обработки и анализа результатов вычислительного эксперимента и принятия решений. Технология проведения и планирования вычислительного эксперимента с соответствующими математическими методами привнесена в имитационное моделирование из физического (экспериментального натурного или лабораторного) моделирования.

В истории моделирования есть много примеров тому, когда необходимость моделирования разного рода процессов приводила к новым открытиям. Один из самых известных примеров - история открытия в 1846 г. планеты Нептун, восьмой планеты Солнечной системы. Крупнейшее астрономическое открытие XIX в. было сделано на основе моделирования аномалий движения планеты Уран по результатам чрезвычайно трудоемких по тем временам расчетов.

• Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2001. С. 25.
• Процесс построения модели включает в себя следующие типовые этапы: определение целей моделирования; качественный анализ системы, исходя из этих целей; формулировка законов и правдоподобных гипотез относительноструктуры системы, механизмов ее поведения в целом или отдельныхчастей; идентификация модели (определение ее параметров); верификация модели (проверка ее работоспособности и оценка степени адекватности реальной системе);
• исследование модели (анализ устойчивости ее решений, чувствительности к изменениям параметров и пр.) и эксперименты с ней. Моделирование часто применяется вместе с другими общенаучнымии специальными методами, особенно когда оно используется для исследования глобальных проблем. Моделирование в таких случаях является многомодельным. Оно сохраняет свои сущностные характеристики при моделировании и более «узких» проблем, например демографической ситуациив условиях рыночных отношений (в отдельных конкретных регионах);динамики занятости; состояния образования, здравоохранения, сферыуслуг, рынка жилья и т.д. Моделирование широко используется как метод исследования сложныхсистем, поддающихся формализации, т.е. таких, свойства и поведение которых могут быть формально описаны с достаточной строгостью. В том случае, когда речь идет о процессах творчества, эвристической деятельности,анализе психических функций, социальных процессах, игровых задачах,конфликтных ситуациях и т.п., объекты исследований обычно настолькосложны и разнообразны, что трудно говорить об их строгой формализации.