Сетевые информационные модели

Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структурой, в которых связь между элементами имеет произвольный характер.

Рисунок 3. Сетевая информационная модель

Процесс моделирования начинается с создания концептуальной модели.

Концептуальная модель (содержательная) — это абстрактная модель, определяющая структуру (элементы и связи) объекта исследования.

В концептуальной модели обычно в словесной (вербальной) форме приводятся самые главные сведения об объекте исследования, основных элементах и важнейших связях между элементами. Процесс создания концептуальной модели в настоящее время не формализован: не существует точных правил ее создания.

В процессе моделирования концептуальная модель итерационно (последовательно) корректируется, уточняется. В результате повышается её точность, адекватность. Термин «адекватность» означает верное воспроизведение в модели связей и отношений объективного мира. Этим термином характеризуют качество созданной модели.

Концептуальную модель, содержащую основные сведения об объекте исследований, порой называют информационной моделью.

В научной литературе широко используется термин математическая модель (ММ). ММ — описание объекта исследования, выполненное с по мощью математической символики.

Для создания ММ можно использовать любые математические средства — алгебру, дифференциальное и интегральное исчисления, регрессионный анализ, теорию вероятностей, математическую статистику, численные методы и т. д. Математическая модель представляет собой совокупность формул, уравнений, неравенств, логических условий и т.д.

Математическое моделирование — метод изучения объекта исследования, основанный на создании его математической модели и использовании её для получения новых знаний, совершенствования объекта исследования или управления объектом.

Математическое моделирование можно подразделить на аналитическое и компьютерное (машинное) моделирование.

При аналитическом моделировании ученый — теоретик получает результат «на кончике пера» в процессе раздумий, размышлений, умозаключений. Формирование модели производится в основном с помощью точного математического описания объекта исследования.

При компьютерном моделировании математическая модель создается и анализируется с помощью вычислительной техники. В этом случае нередко используются приближенные (численные) методы расчета. Созданные компьютерные модели нередко включают в себя наиболее прогрессивные информационные технологии, например, виртуальная реальность. При этом моделирование медицинской операции вызывает иллюзию реально происходящего события. Моделирование игровых ситуаций сопровождается мультимедийными эффектами (звуками, видеоэффектами, воздействием на вестибулярный аппарат).

Компьютерная модель — модель, реализованная на одном из языков программирования (программа для ЭВМ).

Рассмотрим еще два понятия: полная математическая модель и макромодель.

Полная математическая модель — это модель, отражающая состояния, как моделируемой системы, так в целом и всех ее внутренних элементов. Полная ММ электронного усилителя позволяет определить потенциалы всех узлов схемы и токи через все радиоэлементы. Макромодель проще полной математической модели.

Макромодель адекватна в отношении внешних свойств объекта исследования. Однако, в отличие от полной математической модели, макромодель не описывает внутреннее состояние отдельных элементов. Например, макромодель радиоэлектронного усилителя определяет, как изменяются сигналы на входах (X и Z) и выходе (Y) устройства, но не дает сведения о том, как сигналы изменяются на каждом радиоэлементе, находящемся внутри усилителя (резисторах, конденсаторах, транзисторах и т. д.). Другими словами, полная математическая модель описывает и систему, и элементы, входящие в систему. Макромодель же описывает только систему моделирования. Макромодель представляет объект исследования в виде «черного ящика», содержимое которого неизвестно.

Модель называется статической, если среди входных воздействий X и Z нет параметров, зависящих от времени. Статическая модель в каждый момент времени дает лишь застывшую «фотографию» объекта исследования, ее срез. С помощью статических моделей удобно изучать, например, работу комбинационных цифровых устройств.

Модель называется динамической, если входные воздействия изменяются во времени, или нужно определить, как изменяется состояние объекта исследования с изменением времени. С помощью динамических моделей исследуют, в частности, переходные процессы в электрических цепях (например, в автогенераторе).

Модель называется детерминированной, если каждому набору входных параметров всегда соответствует единственный набор выходных параметров. В противном случае модель называется недетерминированной (стохастической, вероятностной). В стохастических моделях используются генераторы случайных чисел с различными законами распределения.

При моделировании часто оперируют следующими категориями: фазовая переменная, элемент и система. Рассмотрим эти понятия.

Фазовая переменная — это величина, характеризующая физическое или информационное состояние моделируемого объекта.

В качестве примеров фазовых переменных можно назвать электрические напряжения и токи, механические напряжения и деформации, температуру, давление и т.п. В моделях также могут фигурировать такие фазовые переменные, как длины очередей к обслуживающим аппаратам, время об-служивания запроса, время ожидания обслуживания и т. п.

При моделировании часто оперируют следующими категориями: элемент и система.

Элемент — составная часть сложного объекта исследования.

Система — целое, составленное из частей. Другими словами, система— это множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

В зависимости от уровня моделирования, понятия «элемент» и «система» получают различное смысловое наполнение.

Например, в глобальной вычислительной сети элементами являются компьютеры и каналы связи. В другом случае, при моделировании ЭВМ как сложной системы, в качестве элементов можно выделить процессор, устройства ввода-вывода, память. Если системой считать процессор, то элементами станут АЛУ, регистры, мультиплексоры, дешифраторы, триггеры и т. п. В случае исследования триггера элементами будут резисторы и транзисторы. При моделировании транзистора, как целой системы, элементами станут эпитаксиальные, диффузионные, диэлектрические слои, металлические пленки и т. д.

Эвристическое моделирование – разновидность инновационного моделирования, заключающаяся в стремлении человека воспроизвести то, что однажды уже привело его случайно к успеху. Этот вид моделирования представляет собой механизм самообучения человека на собственном положительном опыте.

Любая модель должна обладать следующими свойствами:

1) конечность (модель отображает оригинал лишь в конечном числе его отношений, и, кроме того, ресурсы моделирования конечны);

2) упрощенность (модель отображает только существенные стороны объекта);

3) приблизительность (действительность отображается моделью приблизительно);

4) адекватность (модель успешно описывает моделируемую систему);

5) информативность (модель должна содержать достаточную информацию о системе в рамках гипотез, принятых при построении модели).