Модели и моделирование

Два типа деятельности человека:
Познание мира
Преобразование мира
Субъект
Реальный мир
Реальный мир

Модели
Любая деятельность человека возможна только благодаря моделям — системам, специфика которых направлена на обеспечение взаимодействия между субъектом и реальностью.
Моделирование есть неизбежная, обязательная часть любой деятельности человека

Преобразовательная деятельность
Что бы человек ни делал, изменяя реальность, еще до начала самой работы он должен определить цель, образ желаемого будущего, т.е. модель того, чего пока нет, но что хотелось бы осуществить, что должно появиться в конце работы.
Нужно еще до начала работы описать последовательность промежуточных действий, т.е. создать модель (план, алгоритм) хода работы.

Познавательная деятельность
Конечный результат познания — полученная информация о внешней среде — должен быть зафиксирован, описан, представлен в виде определенной модели.
Знания существуют только в форме моделей, т.е. модель есть форма существования знаний.
Конечной целью познания является построение моделей интересующей нас части мира.
Сам процесс получения информации о внешней среде также происходит с помощью специальных моделей.

Два метода познания
Пусть нам надо познать, понять некоторую сложную для нас систему, т.е. перевести ее из сложной и малопонятной в простую и понятную. Это значит, что нам следует построить модель этой системы, содержащую нужную нам информацию.
В зависимости от того, что нам требуется узнать, объяснить — как система устроена или как она взаимодействует со средой, различают два метода познания:
Аналитический
Синтетический

Аналитический метод познания
Процедура анализа состоит в последовательном выполнении следующих трех операций:
1. Сложное целое расчленить на более мелкие части, предположительно более простые
2. Дать понятное объяснение полученным фрагментам
3. Объединить объяснение частей в объяснение целого

Если какая-то часть системы остается все еще непонятной, операция декомпозиции повторяется и мы вновь делаем попытку объяснить новые, еще более мелкие фрагменты
Аналитический метод познания

Первым продуктом анализа является перечень элементов системы, т.е. модель состава системы
Вторым продуктом анализа является модель структуры системы
Третий продукт анализа — модель черного ящика для каждого элемента системы.
Аналитический метод познания

Синтетический метод познания
Выделение большей системы (метасистемы или надсистемы), в которую интересующая нас система входит как часть
Рассмотрение состава и структуры надсистемы (ее анализ)
Объяснение роли, которую играет наша система в надсистеме, через ее связи с другими подсистемами надсистемы

Конечным продуктом синтеза является знание связей нашей системы с другими частями надсистемы, т.е. модель черного ящика. Но чтобы ее построить, нам пришлось попутно создать модели состава и структуры надсистемы как побочные продукты.
Синтетический метод познания

Первоначально моделью называли некоторое вспомогательное средство, объект, который заменял другой объект в определенной ситуации.
Модель есть средство осуществления любой деятельности субъекта.
Модель есть форма существования знаний.
Модель есть системное отображение оригинала.
Рис. 3.5
Определение модели

Моделями могут служить не только реальные объекты, но и абстрактные идеальные построения: математические модели, законы, гипотезы, теории.
Соответственно этому модели разделяются на абстрактные и реальные

Абстрактные модели
Абстрактная модель может задаваться в виде математического уравнения либо в виде программы для вычислительной машины, либо как некоторая физическая модель, либо с помощью словесного описания и т. д.,
Любую реальную существующую систему можно представить как некоторую абстрактную аналогию или модель определенного класса.

Абстрактные модели
Язык является универсальным средством моделирования

Абстрактные модели
В разговорном языке - расплывчатость смысла слов
Всякая групповая деятельность требует выработки специального, более точного, чем разговорный, языка (профессионального)
Самый точный – язык математики
Точность
Разговорный язык
Профессиональные языки
Язык математики

Абстрактные модели
Имеется спектр языков разной степени определенности и, следовательно, ему соответствует спектр моделей разной степени точности;
Одной из главных особенностей прикладного системного анализа является попытка сделать более точное описание проблемы, ситуации, системы

Классификация – простейшая абстрактная модель разнообразия реальности
Можно объединить все мало различающиеся объекты в одну группу, оставив вне ее все сильно различающиеся
Можно отказаться от учета различий внутри группы, пренебречь малыми отличиями, считать членов группы одинаковыми. Такую группу принято называть классом.
Оставшиеся вне класса объекты тоже разнообразны, и хотя «сильно» отличаются от тех, которые вошли в класс, по некоторым другим признакам снова оказываются между собой «похожими», либо «различными». Это дает возможность выделить новые классы похожих внутри них и отличающихся от других классов.
В итоге бесконечно разнообразный мир описывается конечным множеством отличающихся друг от друга классов.

Классификация – простейшая абстрактная модель разнообразия реальности
Для выражения различий между классами им присваиваются различные имена (названия, обозначения, символы, номера и т.п.). Эти имена и есть слова некоторого языка.
Деревья, животные, люди, здания, насекомые, реки и т.д. — примеры имен классов. Классифицировать можно не только объекты, но и свойства (цвета, звуки, силы, размеры и т.д.), и процессы (ходить, бегать, тянуть, есть, пить и т.д.).
Таким образом, слова языка есть названия некоторых классов.
Любая классификация есть только модель разнообразия реальности, что реальность более сложна, что всегда найдется объект, который нельзя однозначно отнести к тому или иному классу.

Реальные модели
Модели прямого подобия
Прямое подобие между моделью и оригиналом устанавливается вследствие непосредственного взаимодействия между моделью и оригиналом (следы, отпечаток пальца, печать и т.д.) либо вследствие цепочки таких взаимодействий (фотография, макет здания и т.п.).
Модели косвенного подобия, или аналогии.
Похожесть, аналогичность двух явлений объясняется совпадением закономерностей, которым они подчиняются.
Модели условного подобия
Например, буквы — модели звуков; различные знаки, сигналы, символы, карты, чертежи содержат соответствующую информацию.

Модели одного и того же объекта могут быть качественно различными, они образуют иерархию, в которой модель более высокого уровня (например, теория) содержит модели низких уровней (скажем, гипотезы) как свои части, элементы.
Материальная
точка
Абсолютно твердое тело
Деформируемое тело
Совокупность взаимодействующих атомов

Модель должна быть ингерентной со своей средой
Модель есть упрощение относительно оригинала
Вследствие упрощенности возникают качественные расхождения модели и оригинала. Модель, с помощью которой успешно достигается цель, называется адекватной.

Модели и проектирование
Для проектирования большое значение имеют модели проектируемых систем
Сложность проектирования состоит в том, что первоначально нам не известно (или известно лишь в общих чертах) внутреннее устройство проектируемой системы, но известны только некоторые исходные данные, например, данные о том, чего мы ожидаем от системы (какие функции она должна выполнять).

Проектировщику приходится строить сначала грубую модель, которая описывает проектируемую систему в самом общем виде на основе имеющихся у него данных «черный ящик».
Мы не можем видеть внутреннее содержимое ящика, его внутреннее устройство. Однако можно наблюдать входные и выходные потоки, а также возможные обратные связи между входом и выходом.

В процессе проектирования происходит конкретизация модели, постепенное выяснение её внутренней структуры, до тех пор, пока не будут получены «рабочие чертежи» и не будет выяснена технология ее изготовления, описанная в технологических картах.
Образно говоря, проектировщик должен превратить черный, непрозрачный ящик в прозрачный, когда видна его структура.
На этом этап проектирования системы заканчивается и начинается этап реализации системы, то есть «приведение её к существованию».
При проектировании информационных систем процессы проектирование – реализация повторяются несколько раз.