Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

Современный этап развития человечества отличается тем, что на смену века энергетики приходит век информатики. Происходит интенсивное внедрение новых информационных технологий во все сферы человеческой деятельности. На базе знаний формируются новые информационные ресурсы общества. Формирование и получение новых знаний должно базироваться на строгой методологии системного подхода, в рамках которого особое место занимает модельный подход. Возможности модельного подхода крайне многообразны как по используемым формальным моделям, так и по способам реализации методов моделирования. Физическое моделирование позволяет получить достоверные результаты для достаточно простых систем.

Сложные по внутренним связям и большие по количеству элементов  системы экономически трудно поддаются  прямым способам моделирования и  зачастую для построения и изучения переходят к имитационным методам. Появление новейших информационных технологий увеличивает не только возможности моделирующих систем, но и позволяет применять большее многообразие моделей и способов их реализации. Совершенствование вычислительной и телекоммуникационной техники привело к дальнейшему развитию методов машинного моделирования, без которых невозможно изучение процессов и явлений, а также построение больших и сложных систем. Поэтому дисциплина «Моделирование систем» стала базовой в структуре подготовки бакалавров и специалистов по ряду направлений высшего профессионального образования. Среди этих направлений прежде всего следует отметить «Информатика и вычислительная техника» В настоящее время нельзя назвать область человеческой деятельности, в которой в той или иной степени не использовались бы методы моделирования. Особенно это относится к сфере управления  различными системами, где основными являются процессы принятия решений на основе получаемой информации. Остановимся на  общей теории  моделирования.

Понятие модели

Модель — это такой материальный или мысленно представляемый объект, который замещает объект-оригинал с целью его исследования, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные черты и свойства оригинала.

Хорошо построенная  модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект (например, такой, как экономика страны). Другое, не менее важное назначение модели состоит в том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формирующие те или иные свойства объекта. Модель также позволяет учиться управлять объектом, что важно в тех случаях, когда экспериментировать с объектом бывает неудобно, трудно или невозможно (например, когда эксперимент имеет большую продолжительность или когда существует риск привести объект в нежелательное или необратимое состояние).

Таким образом, можно сделать вывод, что модель необходима для того, чтобы:

• понять, как устроен конкретный объект — каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;
• научиться управлять объектом или процессом и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
• прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект, процесс.

Структура — это определенный способ объединения элементов, составляющих единый сложный объект.

Система — это сложный объект, представляющий собой совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных в некоторую структуру.

Методологическая  основа моделирования.

Все то, на что направлена человеческая деятельность, называется объектом (лат. objection — предмет). Выработка методологии направлена на упорядочение получения и обработки информации об объектах, которые существуют вне нашего сознания и взаимодействуют между собой и внешней средой. В научных исследованиях большую роль играют гипотезы, т. е. определенные предсказания, основывающиеся на небольшом количестве опытных данных, наблюдений, догадок. Быстрая и полная проверка выдвигаемых гипотез может быть проведена в ходе специально поставленного эксперимента. При формулировании и проверке правильности гипотез большое значение в качестве метода суждения имеет аналогия.

Определение моделирования.

 Замещение  одного объекта другим с целью  получения информации о важнейших  свойствах объекта-оригинала с помощью объекта-модели называется моделированием.

Таким образом, моделирование может быть определено как представление объекта моделью  для получения информации об этом объекте путем проведения экспериментов  с его моделью. Теория замещения одних объектов (оригиналов) другими объектами (моделями) и исследования свойств объектов на их моделях называется теорией моделирования.

Определяя гносеологическую роль теории моделирования, т. е. ее значение в процессе познания, необходимо прежде всего отвлечься от имеющегося в науке и технике многообразия моделей и выделить то общее, что присуще моделям различных по своей природе объектов реального мира. Это общее заключается в наличии некоторой структуры (статической или динамической, материальной или мысленной), которая подобна структуре данного объекта.

В процессе изучения модель выступает в роли относительного самостоятельного квазиобъекта, позволяющего получить при исследовании некоторые  знания о самом объекте.

Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах, то говорят, что модель адекватна объекту.

При этом адекватность модели зависит от цели моделирования  и принятых критериев. Обобщенно  моделирование можно определить как метод опосредованного познания, при котором изучаемый объект-оригинал находится в некотором соответствии с другим объектом-моделью,

причем модель способна в том или ином отношении  замещать оригинал на некоторых стадиях  познавательного процесса. Стадии познания, на которых происходит такая замена, а также формы соответствия модели и оригинала могут быть различными:

1) моделирование  как познавательный процесс, содержащий  переработку информации, поступающей  из внешней среды, о происходящих в ней явлениях, в результате чего в сознании появляются образы, соответствующие объектам;

2) моделирование,  заключающееся в построении некоторой  системы-модели (второй системы), связанной  определенными соотношениями подобия  с системой-оригиналом (первой системой),

причем в этом случае отображение одной системы  в другую является средством выявления  зависимостей между двумя системами, отраженными в соотношениях подобия, а не результатом непосредственного  изучения поступающей информации.  

Особенности использования моделей.

 Выбор метода  моделирования и необходимая  детализация моделей существенно  зависят от этапа разработки  сложной системы. На этапах  обследования объекта управления, например промышленного предприятия,  и разработки технического задания  на проектирование автоматизированной системы управления модели в основном носят описательный характер и преследуют цель наиболее полно представить в компактной форме информацию об объекте, необходимую разработчику системы.

На этапах разработки технического и рабочего проектов систем, модели отдельных подсистем детализируются, и моделирование служит для решения конкретных задач проектирования, т. е. выбора оптимального по определенному критерию при заданных ограничениях варианта из множества допустимых. Поэтому в основном на этих этапах проектирования сложных систем используются модели для целей синтеза.   

Классификация моделей

1.Классификация  по области использования

Учебные: наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные: уменьшенные или увеличенные копии исследуемого объекта для дальнейшего его изучения (модели корабля, автомобиля, , гидростанции).  
Научно-технические модели создают для исследования процессов и явлений (синхротрон — ускоритель электронов ).

Игровые: военные, экономические, спортивные, деловые игры.  
Имитационные: отражают реальность с той или иной степенью точности (эксперименты по внедрению в производство новой технологии).  

2. Классификация  с учетом фактора времени 

Статическая модель — модель объекта в данный момент времени.  
Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени.

Детерминированное моделирование отображает детерминированные  процессы, то есть процессы, в которых  предвидится отсутствие всяких случайных  влияний.

Стохастическое  моделирование отображает вероятностные процессы и случаи. Анализируется ряд реализаций случайного процесса и оцениваются средние характеристики, то есть набор однородных реализаций.

Дискретное моделирование  отображает дискретные процессы, непрерывное  моделирование - непрерывные процессы, дискретно-непрерывное моделирование - оба процесса.

3.Классификация по способу представления

Материальная  модель — это физическое подобие объекта. Они воспроизводят геометрические и физические свойства оригинала (географические и исторические карты, схема солнечной системы).  
Информационная модель — это совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром.

Любая информационная модель содержит лишь существенные сведения об объекте с учетом той цели, для которой она создается. Информационные модели одного и того же объекта, предназначенные для разных целей, могут быть совершенно разными.  
Вербальная модель — информационная модель в мысленной или разговорной форме.  
Знаковая модель — информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка. Знаковые модели — это рисунки, тексты, графики, схемы, таблицы ...  
Компьютерная модель — модель, реализованная средствами программной среды.

Основные  цели моделирования

1. Познание  окружающего мира.  
   Зачем человек создает модели? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть в далекое прошлое. Несколько миллионов лет назад, на заре человечества, первобытные люди изучали окружающую природу, чтобы научиться противостоять природным стихиям, пользоваться природными благами, просто выживать. Накопленные знания передавались из поколения в поколение устно, позже письменно, наконец с помощью предметных моделей. Так родилась, к примеру, модель земного шара — глобус, — позволяющая получить наглядное представление о форме нашей планеты, ее вращении вокруг собственной оси и расположении материков. Такие модели позволяют понять, как устроен конкретный объект, узнать его основные свойства, установить законы его развития и взаимодействия с окружающим миром моделей.
2. Создание объектов с заданными свойствами (задача типа «Как сделать, чтобы...»). Накопив достаточно знаний, человек задал себе вопрос: «Нельзя ли создать объект с заданными свойствами и возможностями, чтобы противодействовать стихиям или ставить себе на службу природные явления?» Человек стал строить модели еще не существующих объектов. Так родились идеи создания ветряных мельниц, различных механизмов. Многие из этих моделей стали в настоящее время реальностью. Это объекты, созданные руками человека.
3. Определение последствий воздействия на объект и принятие правильного решения (задача типа «Что будет, если...»: что будет, если увеличить плату за проезд в транспорте, или что произойдет, если закопать ядерные отходы в такой-то местности?)  
   Эффективность управления объектом (или процессом).  
   Поскольку критерии управления бывают весьма противоречивыми, то эффективным оно окажется только при  выполнении множества условии. Как совместить несовместимое? Построение модели поможет найти приемлемое решение.

Модели еще  не воплощенных в реальные разработки объектов называются предвосхищающими. Модель создается ради исследований, которые на реальном объекте проводить  либо невозможно, либо дорого, либо просто неудобно. Можно выделить несколько целей, ради которых создаются модели и ряд основных типов исследований: - модель как средство осмысления помогает выявить взаимозависимости переменных, характер их изменения во времени, найти существующие закономерности. При составлении модели становится более понятной структура исследуемого объекта, вскрываются важные причинно - следственные связи. В процессе моделирования постепенно происходит разделение свойств исходного объекта на существенные и второстепенные с точки зрения сформулированных требований к модели. Мы пытаемся найти в исходном объекте только те черты, которые имеют непосредственное отношение к интересующей нас стороне его функционирования. В определенном смысле вся научная деятельность сводится к построению и исследованию моделей природных явлений; - модель как средство прогнозирования позволяет научиться предсказывать поведение объекта и управлять им, испытывая различные варианты управления на модели. Экспериментировать с реальным объектом часто, в лучшем случае, бывает неудобно, а иногда и просто опасно или вообще невозможно в силу ряда причин: большой продолжительности эксперимента, риска повредить или уничтожить объект, отсутствия реального объекта в случае, когда он еще только проектируется; - построенные модели могут использоваться для нахождения оптимальных соотношений параметров, исследования особых (критических) режимов работы; - модель также может в некоторых случаях заменять исходный объект при обучении, например, использоваться в качестве тренажера при подготовке персонала к последующей работе в реальной обстановке, или выступать в качестве исследуемого объекта в виртуальной лаборатории. Модели, реализованные в виде исполняемых модулей, применяются и как имитаторы объектов управления при стендовых испытаниях систем управления, и, на ранних стадиях проектирования, заменяют сами будущие аппаратно реализуемые системы управления.