Інформаційні моделі

Поняття інформаційної моделі Слово «модель» походить від латинського modulus, що означає «міра», «взірець», «норма». Модель це матеріальний або уявлюваний аналог деякого об'єкта (предмета, явища або процесу), який зберігає суттєві риси об'єкта і здатний заміщувати його під час вивчення, дослідження або відтворення. Процес створення моделі об'єкта називається моделюванням. Об'єкт, що моделюється, називається прототипом, або оригіналом.

Моделювати можна не тільки існуючі предмети, явища та процеси, але й абстракції, яких немає у реальності; об'єкти, що тільки плануються для створення; явища, які можуть і не відбутися. Моделювання здійснюється з метою пізнання та перетворення людиною навколишнього світу, тому термін моделювання застосовується і в іншому значенні, як дослідження об'єктів за допомогою побудови і вивчення їх моделей.

Моделлю предмета може бути його зменшена копія, креслення, яке відображає його структуру чи склад, схема, що відбиває взаємозв'язки окремих елементів. Наприклад, макет корабля, креслення будівлі, схема комп'ютера. Модель явища або процесу відтворює його хід, послідовну зміну стану, етапи розвитку. Наприклад, модель еволюції людства, модель розвитку економіки тощо.

Модель завжди є штучно створюваним людиною об'єктом, який дає ідеалізоване уявлення про об'єкт-оригінал. Ідеалізація об'єкта є неодмінним етапом створення моделі. Сутність ідеалізації полягає у визначенні, які саме риси та властивості об'єкта є суттєвими для розв'язання поставленої задачі, впливають на результат рішення і мають бути відтвореними в моделі, а які риси та властивості є несуттєвими і при побудові моделі можуть не враховуватися.

Відсутність у моделі несуттєвих якостей є не менш важливим моментом, ніж наявність суттєвих, тому що це дозволяє знизити рівень складності задачі, зробити її придатною для дослідження спрощеними методами, позбавитися від зайвих витрат праці та часу на врахування невпливових факторів. Так, в умовах багатьох задач з фізики ви зустрічаєте фразу, що можна нехтувати, наприклад, опором повітря чи залежністю прискорення вільного падіння від висоти. Саме це і дозволяє вам розглядати задачу у спрощеній постановці і застосовувати для знаходження рішення прості закони фізики.

Ступінь ідеалізації моделі визначає межі її адекватності, тобто відповідності оригіналу в межах поставленої задачі. Оскільки значущими і потрібними можуть бути тільки надійні результати, які відповідають реальності, то визначення границь адекватності моделі є надзвичайно важливим.

За областю застосування розрізняють: навчальні моделі (засоби наочності, навчальні програми, тренажери); дослідні моделі (зменшені чи збільшені копії об'єкта проектування); науково-технічні моделі (пристрої, що створюються для дослідження явищ і процесів, наприклад, системи); ігрові моделі (воєнні, економічні, спортивні, ділові ігри, які застосовуються для виявлення реакції об'єкта на ту чи іншу ситуацію); імітаційні моделі (такі моделі застосовуються для вивчення та оцінювання можливих наслідків певних дій; наприклад, перед тим, як ввести у вжиток новий лікарський препарат, здійснюють імітаційний експеримент випробують препарат на мишах).

За способом подання моделі поділяються на дві великі групи матеріальні інформаційні. Матеріальні моделі можна назвати також предметними, натурними, фізичними. Вони завжди мають реальне втілення. Прикладами матеріальних моделей є дитяча іграшка, макет птаха, макет ракети.

Інформаційні моделі являють собою сукупність інформації, що характеризує властивості та стан об'єкта і його взаємозв'язки із зовнішнім світом. Такі моделі називають також уявними (тому що вони не мають матеріального втілення), іноді логічними. Прикладами інформаційних моделей є усний чи письмовий опис, математичні формули, які відбивають взаємозалежності параметрів об'єкта. E = mc 2 ax 2 +bx+c=y

За інструментами реалізації інформаційні моделі поділяються на комп'ютерні і некомп'ютерні моделі. Сьогодні перевага віддається комп'ютерному моделюванню, яке орієнтоване на застосовування найпотужнішого та найефективнішого інструменту зі створених людиною комп'ютера. Сучасні комп'ютери здатні сприймати та опрацьовувати числову і текстову, звукову та графічну інформацію, відео зображення і анімацію, схеми і таблиці і т.п. Такі різноманітні можливості комп'ютера забезпечуються як програмними, так і апаратурними (технічними) засобами.

За допомогою комп'ютерного моделювання встановлюються причини технічних чи природних катастроф, що сталися, прогнозуються зміни клімату нашої планети чи її можливі зустрічі з іншими космічними об'єктами, здійснюється проектування споруд, досліджуються соціальні процеси, вирішується безліч наукових, технічних, економічних та інших проблем.

Комп'ютер застосовується для розв'язання найрізноманітніших задач: проведення складних інженерних розрахунків, визначення оптимальної стратегії планування виробництва, опрацювання текстів, створення динамічних графічних зображень тощо Процес розв'язання задач з використанням комп'ютера складається з декількох етапів:

Етапи розв'язання задачі за допомогою компютера етап 1. постановка задачі та її аналіз етап 2. побудова інформаційної моделі задачі, вибір методу її розв'язування етап 3. розробка комп'ютерної моделі етап 4. комп'ютерний експеримент

етап 1. постановка задачі та її аналіз Передбачає виявлення сутності задачі. На етапі постановки задачі вирішуються такі питання: окреслюються предмет задачі, умови, в яких він знаходиться, бажаний результат розв'язування задачі; уточнюється мета розв'язання задачі; визначається, які дані потрібні для її вирішення, а які є несуттєвими; встановлюється, які саме результати та в якому вигляді мають бути знайдені; з'ясовується, чи є обмеження на вхідні дані задачі; при яких умовах можна отримати результат, а при яких ні; які результати вважатимуться правильними.

етап 2. побудова інформаційної моделі задачі, вибір методу її розв'язування На цьому етапі розробляється інформаційна модель (спочатку звичайно у вербальній (усній) формі, далі у знаковій формі), добирається метод розв'язування задачі. З цією метою реалізуються такі дії: встановлюються параметри задачі, взаємозв'язки між ними, оцінюється залежність результатів рішення задачі від її параметрів, і на цій основі з урахуванням сутності задачі, мети її постановки створюється інформаційна модель задачі;

задача формалізується (вводиться система умовних позначень, і задача подається у формалізованому вигляді); здійснюється перехід до знакової інформаційної моделі з використанням прийнятої системи позначень; аналізуються можливі методи розв'язування задачі та вибирається найбільш ефективний з використанням певних критеріїв. Критеріями ефективності методу можуть виступати простота його реалізації, швидкість одержання розв'язку, точність здобутих результатів тощо.

Вибір методу розв'язування задачі теж є компромісним: бажано, щоб він був по можливості простим і швидким, але його точність повинна узгоджуватися з точністю моделі і не впливати на її якість. Наприклад, якщо задача полягає у визначенні відстані, на яку відлетить ядро після пострілу зі старовинної гармати, то кривизною земної поверхні, опором повітря можна нехтувати і для розв'язування задачі застосувати прості формули фізики, які стосуються польоту тіла, випущеного із заданою початковою швидкістю під заданим кутом до горизонтальної поверхні.

Якщо ж йдеться про стрільбу із сучасної гармати, то всі зазначені вище дані й багато інших знадобиться врахувати, а для опису та аналізу їх співвідношень скористатися складними системами рівнянь і спеціальними методами вищої математики.

етап 3. розробка комп'ютерної моделі Сутність цього етапу полягає у переході від знакової інформаційної моделі до комп'ютерної, тобто в реалізації інформаційної моделі засобами програмного середовища. Метою такого переходу є подальше надання комп'ютеру ролі виконавця дій, потрібних для розв'язування задачі.

Розробка комп'ютерної моделі передбачає такі заходи: складання алгоритму розв'язування задачі на основі вибраного методу її розв'язування. В результаті цей метод втілюється у послідовність простих дій, які приводять до одержання потрібного результату; вибір програмного середовища для реалізації алгоритму. Цей вибір здійснюється із застосуванням таких критеріїв, як зручність для розв'язання поставленої задачі, трудомісткість реалізації алгоритму, наявність потрібних виразних засобів для подання результатів розв'язку.

Після вибору середовища може виникнути потреба у перегляді алгоритму з метою його конкретизації відповідно до тих можливостей, які надає вибране середовище; реалізація алгоритму засобами вибраного програмного середовища, тобто переведення алгоритму у таку форму, яка робить його придатним для виконання комп'ютером. Результатом цього процесу є програма;

тестування та налагодження програми, тобто перевірка правильності роботи програми за допомогою тестів (спеціально підібраних вхідних даних, для яких результат виконання програми є відомим) і вилучення виявлених помилок. Іноді може з'ясуватися, що помилку припущено не в процесі розробки програми, а раніше (наприклад, невдало вибрано метод розв'язання задачі, припущені надмірні спрощення при розробці інформаційної моделі), у такому разі треба повернутися до попереднього етапу і здійснити потрібну корекцію. Результатом процесу тестування та налагодження програми є програмний продукт, придатний для одержання шуканих даних задачі шляхом відповідного опрацьовування її вхідних даних. Це і є комп'ютерна модель задачі.

За півстоліття активної експлуатації комп'ютерів нагромаджено значний досвід розробки програмного забезпечення, і одним із наслідків цієї роботи є створення фонду програмних засобів, орієнтованих на застосування комп'ютера у певній предметній чи професійній області Наприклад, математичні середовища (Gran, DG, MathLab, Derive та інші) призначаються для реалізації математичних моделей; графічні середовища ( Paint, CorelDraw, PhotoShop та інші) для створення графічних моделей і т.д.

етап 4. комп'ютерний експеримент Метою комп'ютерного експерименту є одержання інформації, на основі якої можна приймати рішення, робити висновки про властивості об'єкта моделювання або прогнозувати його поведінку в тій чи іншій ситуації. Цей етап складається з таких дій: розробка плану проведення експерименту; випробування комп'ютерної моделі; аналіз отриманих результатів.

Сутність випробування комп'ютерної моделі полягає у багаторазових запусках програми для опрацювання певних наборів вхідних даних. Аналіз результатів експерименту може дати підставу для його завершення, якщо всі поставлені цілі досягнуто, або для продовження експерименту, корекції плану його проведення, якщо виявилася необхідність доповнення даних чи намітився новий напрям дослідження. Іноді за результатами експерименту виникає потреба в уточненні моделі або навіть у внесенні змін у постановку задачі, і тоді весь процес починається знову.