Модели и моделирование. Тема 1. Модели и их типы

Модели в нашей жизни

Что такое модель?
Модель – это объект, который обладает некоторыми свойствами другого объекта (оригинала) и используется вместо него.
Оригиналы и модели
Первый линейный русский корабль «Гото Предестинация»

Что можно моделировать?
Модели объектов:
уменьшенные копии зданий, кораблей, самолетов, …
модели ядра атома, кристаллических решеток
чертежи
…
Модели процессов:
изменение экологической обстановки
экономические модели
исторические модели
…
Модели явлений:
землетрясение
солнечное затмение
цунами
…

Моделирование
Моделирование – это создание и использование моделей для изучения оригиналов.
Когда используют моделирование:
оригинал не существует
древний Египет
последствия ядерной войны (Н.Н. Моисеев, 1966)
исследование оригинала опасно для жизни или дорого:
управление ядерным реактором (Чернобыль, 1986)
испытание нового скафандра для космонавтов
разработка нового самолета или корабля
оригинал сложно исследовать непосредственно:
Солнечная система, галактика (большие размеры)
атом, нейтрон (маленькие размеры)
процессы в двигателе внутреннего сгорания (очень быстрые)
геологические явления (очень медленные)
интересуют только некоторые свойства оригинала
проверка краски для фюзеляжа самолета

Цели моделирования
исследование оригинала
изучение сущности объекта или явления
«Наука есть удовлетворение собственного любопытства за казенный счет» (Л.А. Арцимович)
анализ («что будет, если …»)
научиться прогнозировать последствия различных воздействиях на оригинал
синтез («как сделать, чтобы …»)
научиться управлять оригиналом, оказывая на него воздействия
оптимизация («как сделать лучше»)
выбор наилучшего решения в заданных условиях

Один оригинал – одна модель?
материальная точка

Зачем нужно много моделей?
изучение строения тела
примерка одежды
изучение наследственности
тренировка спасателей
учет граждан страны

Природа моделей
материальные (физические, предметные) модели:
информационные модели представляют собой
информацию о свойствах и состоянии объекта,
процесса, явления, и его взаимосвязи с внешним миром:
вербальные – словесные или мысленные
знаковые – выраженные с помощью формального языка
графические (рисунки, схемы, карты, …)
табличные
математические (формулы)
логические (различные варианты выбора действий на основе анализа условий)
специальные (ноты, химические формулы)

Модели по области применения
учебные (в т.ч. тренажеры)
опытные – при создании новых технических средств
научно-технические
аэродинамическая труба
испытания в опытовом бассейне
имитатор солнечного излучения
вакуумная камера в Институте космических исследований
вибростенд
НПО «Энергия»

Модели по фактору времени
статические – описывают оригинал в заданный момент времени
силы, действующие на тело в состоянии покоя
результаты осмотра врача
фотография
динамические
модель движения тела
явления природы (молния, землетрясение, цунами)
история болезни
видеозапись события

Модели по характеру связей
детерминированные
связи между входными и выходными величинами жестко заданы
при одинаковых входных данных каждый раз получаются одинаковые результаты
Примеры
движение тела без учета ветра
расчеты по известным формулам
вероятностные (стохастические)
учитывают случайность событий в реальном мире
при одинаковых входных данных каждый раз получаются немного разные результаты
Примеры
движение тела с учетом ветра
броуновское движение частиц
модель движения судна на волнении
модели поведения человека

Модели по структуре
табличные модели (пары соответствия)
иерархические (многоуровневые) модели
сетевые модели (графы)

Специальные виды моделей
имитационные
нельзя заранее вычислить или предсказать поведение системы, но можно имитировать её реакцию на внешние воздействия;
максимальный учет всех факторов;
только численные результаты;
Примеры:
испытания лекарств на мышах, обезьянах, …
математическое моделирование биологических систем
модели бизнеса и управления
модели процесса обучения

Специальные виды моделей
игровые – учитывающие действия противника
Примеры:
модели экономических ситуаций
модели военных действий
спортивные игры
тренинги персонала

Адекватность модели
Адекватность – совпадение существенных свойств модели и оригинала:
результаты моделирования согласуются с выводами теории (законы сохранения и т.п.)
… подтверждаются экспериментом
Модель всегда отличается от оригинала

Системный подход
Система – группа объектов и связей между ними, выделенных из среды и рассматриваемых как одно целое.
Примеры:
семья
экологическая система
компьютер
техническая система
общество
среда