Моделирование. Моделирование – представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путём проведения экспериментов с его моделью

Моделирование – представление объекта моделью для получения информации об этом объекте путём проведения экспериментов с его моделью.

Эффективность экспериментальных исследований сложных систем крайне низка, поскольку проведение натурных экспериментов с реальной системой

– требует больших материальных затрат;

– значительного времени;

– может нарушить установленный порядок работы;

– невозможно поддержание одних и тех же условий работы в течение всего времени проведения экспериментов;

– результаты неоднозначны при повторном проведении экспериментов, так как изменяются условия их проведения;

– часто эксперимент вообще повторить невозможно;

– исследования нештатных ситуаций невозможны без риска разрушения системы;

– невозможность рассмотрения множества альтернативных вариантов;

– если составной частью системы являются люди, они работают по иному, чувствуя, что за ними наблюдают (хауторнский эффект).

Эксперимент – это процедура организации и наблюдения каких-либо явлений, которые осуществляются в условиях, близких к естественным, либо имитируют их.

В основе моделирования лежат информационные процессы, поскольку создание модели базируется на информации о реальном объекте. В процессе реализации модели получается информация об исследуемом объекте, а в процессе эксперимента с моделью существенное место занимает обработка полученных результатов.

Обобщённо моделирование можно определить как метод опосредованного познания, при котором изучаемый объект-оригинал находится в некотором соответствии с другим объектом-моделью, причём модель способна в том или ином отношении замещать оригинал на некоторых стадиях познавательного процесса.

Требования, предъявляемые к модели.Такими требованиями прежде всего являются: адекватность, полнота-простота и эффективность.

Основное требование, которому должна удовлетворять модель, это адекватность объекту. Модель адекватна объекту, если результаты моделирования подтверждаются на практике и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах. Адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев.

Противоречивое требование полноты и простоты модели разрешается её целевым назначением. Для правильно построенной модели характерным является то, что она выявляет лишь те закономерности, которые нужны исследователю в соответствии с поставленной целью, и не рассматриваются несущественные для данного исследования свойства системы. Оригинал и модель должны быть одновременно сходны по одним признакам, существенным с точки зрения решаемой задачи, и различны по другим, что позволяет выделить наиболее важные изучаемые свойства. В этом смысле модель выступает как некоторый “заместитель” оригинала, обеспечивающий фиксацию и изучение лишь нужных свойств реального объекта. Для правильного выявления существенных свойств реального объекта пользуются законом Парето: в каждой группе или совокупности существует жизненно важное меньшинство и тривиальное большинство; ничего действительно важного не происходит, пока не затронут жизненно важное меньшинство.

Эффективность модели оценивается рядом критериев, в том числе значимостью, точностью и достоверностью результатов моделирования, временем построения и работы с моделью, затратами машинных ресурсов (времени и памяти), стоимостью разработки и эксплуатации модели. Другими словами, эффективность определяется как некоторая разность между показателями ценности результатов, полученных в итоге эксплуатации модели, и теми затратами, которые были вложены в её разработку и создание.

Назначение модели. Моделирование решает задачи изучения и исследования объектов, прогнозирования, предсказания функционирования систем, синтеза структуры, параметров и алгоритмов управления систем. В повседневной жизни человека моделирование играет важную роль в правильном отображении окружающего мира, в принятии решений и выборе стратегии поведения, которая на основании выбранного критерия может быть пригодной, оптимальной или адаптивной.

Цели моделирования.

Познание. В процессе построения модели познается, как устроен исходный объект. В этом случае модель отражает представление исследователя о существенных факторах, закономерностях и причинно-следственных связях в изучаемом объекте. Правильность наших представлений проверяется с помощью натурных экспериментов: результаты моделирования сопоставляются с реальными экспериментальными данными. В определенном смысле все научные исследования сводятся к построению моделей природных объектов. В процессе познания существующие теории или модели мира видоизменяются, уточняются границы их применимости. Вместо одних теорий появляются другие, объясняющие более широкий круг явлений. В тоже время старые и новые модели могут прекрасно сосуществовать.

Примером могут служить законы механики Аристотеля и Ньютона. Согласно Аристотелю, равномерное движение порождается постоянно приложенной силой. Согласно Ньютону, постоянно приложенная сила порождает постоянное ускорение. Это две теории — два различных объяснения того, как устроен мир. Законы Аристотеля проще и "подтверждены" повседневной жизнью: практически все мы и не один раз толкали "заглохший" автомобиль до заправки. Законы Ньютона более сложны. Они также позволяют нам объяснить, но уже совсем по-другому, почему нам приходится подталкивать автомобиль, чтобы он двигался при наличии силы трения. Но их возможности существенно больше, с их помощью можно объяснить природу движения космических тел. Как показывают исследования, многие в повседневной жизни опираются на законы Аристотеля, и ничего страшного с ними не случается, в то время как для научных и инженерных расчетов это недопустимо, и необходимо применять чаконы Ньютона.

Предсказание. Модель позволяет предсказывать поведение интересующего нас объекта в заданных условиях. Исследуя модели, можно узнать заранее, какими будут реакции объекта на управляющие воздействия. Модель может предсказывать существование у исследуемого объекта оптимальных режимов работы. С ее помощью можно находить значения параметров, при которых они реализуются. С помощью модели можно исследовать особые режимы работы, которые трудно или опасно изучать на реальном объекте. Однако возможности предсказания могут оказаться шире — удачно построенная модель способна предсказать явления, которые мы еще не наблюдали, и тем самым указать новое направление научных исследований.

Обучение. Модель может имитировать реальный объект, т. е. сохранять дополнительно многие его внешние черты. Такие модели или имитаторы используются при обучении. Имитатор пульта управления электростан­цией, например, может служить тренажером при подготовке персонала к последующей работе в реальной обстановке. Макеты космических кораблей или военных судов могут служить наглядными пособиями для будущих космонавтов и военных. Модели музеев— компьютерные диски с фотографиями самого музея, его залов, а также его экспонатов используются при дистанционном обучении.

Модели объектов могут изучаться вместо реальных объектов в учебных лабораториях, демонстрироваться на лекциях. В последнее время вес большую популярность в обучении как очном, так и дистанционном приобретают компьютерные лаборатории.

Конструирование. Модель может создаваться как прототип нового устройства. Например, спецификация будущего программного комплекса одновременно является его моделью. Интересно отметить, что здесь нарушаются привычные для нас причинно-следственные соотношения: не модель формируется для реального объекта, а реальный объект создается на основании разработанной и исследованной модели. Модели-прототипы используются в основном на ранних этапах создания новых технических систем. Например, всем программистам хорошо известны заглушки, применяемые вместо еще неразработанных модулей в больших программных комплексах. При отладке алгоритмов управления на ранних этапах проектирования повсеместно используются имитаторы объектов управления.

Необходимость замещения или моделирования может быть также обусловлена тем, что реальный эксперимент нецелесообразен, опасен или вообще неосуществим при современном уровне техники. Трудно себе представить, что человечество будет ставить эксперименты с Землей, повышая ее температуру или меняя орбиту, или использовать Солнце как экспериментальный образец при изучении звезд.

Очевидно, что любая модель — это лишь приближение к моделируемому объекту, т. к. обладает только специально отобранными свойствами. Теоретически можно поставить задачу создать модель, максимально приближенную к исходному объекту. Такая постановка важна только для теории познания, когда мы стремимся все более полно познать мир. Для предсказания, конструирования и обучения исчерпывающе полной модели объекта не нужно — достаточно такого приближения, которое решает поставленную задачу. Рукотворные, технические объекты создаются по формальным спецификациям. Реальный объект, вышедший из сборочного цеха, всегда неизмеримо богаче по своим свойствам собственной спецификации или макета.

Для одного объекта одновременно может существовать несколько различных моделей. Эти модели могут отражать различные свойства исходного объекта, существенные для разных применений. Например, при исследованиях аэродинамических свойств будущего самолета в аэродинамической трубе достаточно его геометрического макета, изготовленного в натуральную величину или уменьшенного. В то же время для тренировки обслуживающего персонала или группы спецназа макет самолета должен точно отражать планировку салона, расстановку кресел и даже используемые отделочные материалы. Модели могут также отражать одни и те же свойства с различной степенью точности. Например, при исследовании полета теннисного мяча разумно предположить, что Земля плоская. При исследовании полета снаряда, выпущенного из дальнобойного орудия, уже имеет смысл использовать сферическую модель Земли. Наконец, при расчете траектории межконтинентальной баллистической ракеты необходимо рассматривать Землю как эллипсоид и учитывать гравитационные аномалии.

Дата добавления: 2014-08-04; просмотров: 457; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!