|
Построение и исследование информационных моделей
Системный подход в моделировании
Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодействуют между собой. Система состоит из объектов, которые называются элементами системы.
Важным признаком системы является её целостное функционирование. Система является не набором отдельных элементов, а совокупностью взаимосвязанных элементов.
Состояние системы характеризуется её структурой, т.е. составом элементов, их отношениями и связями между собой. Система сохраняет свою целостность под воздействием различных внешних воздействий и внутренних изменений, пока она сохраняет неизменной свою структуру. Если структура системы меняется (например, удаляется один из элементов), то система может перестать функционировать как целое.
Система – это совокупность взаимосвязанных элементов, структура которой сохраняет свою целостность под действием внешних воздействий и внутренних изменений.
Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Модель – это такой новый объект, который отражает существенные с точки зрения цели проводимого исследования (цели моделирования) свойства изучаемого объекта, явления или процесса.
Статические информационные модели. Любая система существует в пространстве и времени. В каждый момент времени система находится в определённом состоянии, которое характеризуется составом элементов, значениями их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами и т.д.
Модели, описывающие состояние системы в определённый момент времени, называются статическими информационными моделями.
В физике примером статических информационных моделей являются модели, описывающие простые механизмы, в биологии – модели строения растений и животных, в химии – модели строения молекул и кристаллических решёток.
Динамические информационные модели. Состояние систем изменяется во времени, т.е. происходят процессы изменения и развития систем.
Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными моделями.
В физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии – развитие организмов или популяции животных, в химии – процессы прохождения химических реакций.
Материальные модели и информационные модели
Все модели можно разбить на 2 класса: предметные (материальные) модели и информационные модели.
Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решёток, макеты зданий и сооружений и др.).
Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или в знаковой форме.
Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и киноплёнке и др.). широкое применение образных информационных моделей в образовании (учебные плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классификация объектов по их внешним признакам (ботанике, биологии, палеонтологии и др.).
Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста, формулы, таблицы и т.д.
Иногда при построении знаковых информационных моделей используются одновременно несколько различных языков. Например, географические карты, графики, диаграммы и др. Во всех моделях используются одновременно как язык графических элементов, так и символьный язык.
Алгоритм как информационная модель. Алгоритмы лежат в основе современных информационных технологий. Алгоритм является информационной моделью процесса решения задачи. Исполнитель алгоритма выполняет алгоритм формально, не вникая в содержание поставленной задачи.
Человек при разработке и исполнении алгоритмов использует язык блок-схем. Блок-схема позволяет сделать алгоритм более наглядным и выделить в нём основные алгоритмические структуры (линейная, ветвление, цикл и др.). человек может по блок-схеме легко проследить выполнение алгоритма, т.к. элементы блок-схем соединены стрелками, указывающими последовательность действий.
Формализация. Естественные языки используются для создания описательных информационных моделей.
С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). одним из наиболее широко используемых формальных языков является математика. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называются математическими моделями.
Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости между величинами. Язык алгебры логики (алгебры высказываний) позволяет строить формальные логические модели.
Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией.
Визуализация формальных моделей. В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы, пространственных соотношений между объектами – чертежи, моделей электрических цепей – электрические схемы, логических моделей устройств – логические схемы и т.д.
Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере
Использование компьютера для исследования информационных моделей различных объектов и систем позволяет изучить их измерения в зависимости от значения тех или иных параметров. Процесс разработки моделей и их исследование на компьютере можно разделить на несколько этапов.
Описательная информационная модель. 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.
Формализованная модель. На втором этапе создаётся формализованная модель, т.е. описательная информационная модель записывается с помощью какого-либо формального языка. В такой модели с помощью формул, уравнений, неравенств и т.д. фиксируются формальные соотношения между начальными и конечными значениями свойств объектов, а также накладываются ограничения на допустимые значения этих свойств.
Компьютерная модель. На третьем этапе необходимо формализованную информационную модель преобразовать в компьютерную модель, т.е. выразить её на понятном для компьютера языке. Существуют 2 принципиально различных пути построения компьютерной модели:
-
Создание проекта на одном из языков программирования;
-
Построение компьютерной модели с использованием некоторого приложения, например электронных таблиц.
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.
Компьютерный эксперимент. Четвёртый этап исследования информационной модели состоит в проведении компьютерного эксперимента. Если компьютерная модель существует в виде программы на одном из языков программирования, её 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 т.д.
Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели. 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.
|