какая модель реализуется средствами программной среды

Объекты, системы, модели

Описание разработки

I вариант

1.Некоторая часть окружающего мира, воспринимаемая человеком как единое целое, называется …
а) предметом

г) системой
2. Основной характеристикой объекта является:

3. Укажите отношение для пары «процессор и системный блок»:
а) является элементом множества

в) является разновидностью

г) является причиной

4. Информационной моделью части земной поверхности является:

5.Какая модель реализуется средствами программной среды?

а) информационная вербальная модель

б) информационная некомпьютерная модель

в) информационная компьютерная модель

г) материальная компьютерная модель

6. В информационной модели автомобиля в описании «По дороге, как ветер, промчался лимузин» отражается его:

7. Составить в табличной форме информационную модель элементов системы «классная комната».

II вариант

1. Целое, состоящее из объектов взаимосвязанных между собой?

2. К признакам объекта не относится:

3. Укажите отношение для пары «графический редактор и MS Paint»:
а) является элементом множества

в) является разновидностью

г) является причиной

4. При создании игрушечного корабля для ребёнка трёх лет существенным является:

5. Выберите, что можно моделировать.

д) все выше перечисленное

6. В информационной модели компьютера, представленной в виде схемы, отражается его:

7. Составить в табличной форме информационную модель элементов системы «садовый участок».

III вариант

1. Аналог оригинала, отражающий некоторые его характеристики, называется…

г) системой
2. К величинам объекта не относится:

3. Укажите отношение для пары «василёк и полевые цветы»:
а) является элементом множества;

в) является разновидностью;

г) является причиной.

4. В информационной модели жилого дома, представленной в виде чертежа, отражается его:

5. Какую модель нельзя потрогать или увидеть воочию, т.к. она не имеет материальной основы, а строится только на информации?

6. Модель человека в виде детской куклы создана с целью:

7. Составить в табличной форме информационную модель элементов системы «компьютер».

IV вариант

1. Целенаправленно отобранная информация об объекте, представленная в некоторой форме…

а) информационная структура

б) информационный объект

в) информационная модель

3. Укажите отношение для пары «взрыв и пожар»:
а) является элементом множества

б) входит в состав
в) является разновидностью

г) является причиной

а) все существующие признаки объекта

б) некоторые из существующих признаков объекта

в) существенные признаки в соответствии с целью моделирования

г) некоторые из существенных признаков объекта

д) все существенные признаки объекта

5. Какая модель создана с помощью традиционных инструментов инженера, художника, писателя?

а) информационная вербальная модель

б) информационная некомпьютерная модель

в) информационная компьютерная модель

г) материальная компьютерная модель

6. В информационной модели военного корабля, представленной в виде детской игрушки, отражается его:

7. Составить в табличной форме информационную модель элементов системы «книжный магазин».

Источник

Компьютерная модель – это модель, реализованная средствами программной среды

Компьютерная модель

Существует множество программных комплексов, которые позволяют проводить исследование (моделирование) инфор­мационных моделей. Каждая программная среда имеет свой инструментарий и позволяет ра­ботать с определенными видами информационных объектов.

Человек уже знает, какова будет модель, и исполь­зует компьютер для придания ей знаковой формы. Например, для построения геометрических моделей, схем используются графические среды, для словесных или табличных описаний — среда текстового редактора.

Феноменологические модели сильно привязаны к конкретному явлению. Изменение ситуации часто приводит к тому, что моделью воспользоваться в новых условиях достаточно сложно. Это происходит оттого, что при составлении модели её не удалось построить с точки зрения подобия внутреннему строению моделируемой системы. Феноменологическая модель передаёт внешнее подобие.

Абстрактная модель воспроизводит систему с точки зрения её внутреннего устройства, копирует её более точно. У неё больше возможностей, шире класс решаемых задач.

Активные модели взаимодействуют с пользователем; могут не только, как пассивные, выдавать ответы на вопросы пользователя, когда тот об этом попросит, но и сами активируют диалог, меняют его линию, имеют собственные цели. Все это происходит за счёт того, что активные модели могут самоизменяться.

Статические модели описывают явления без развития. Динамические модели прослеживают поведение систем, поэтому используют в своей записи, например, дифференциальные уравнения, производные от времени.

Дискретные и непрерывные модели. Дискретные модели изменяют состояние переменных скачком, потому что не имеют детального описания связи причин и следствий, часть процесса скрыта от исследователя. Непрерывные модели более точны, содержат в себе информацию о деталях перехода.

Детерминированные и стохастические модели. Если следствие точно определено причиной, то модель представляет процесс детерминировано. Если из-за неизученности деталей не удаётся описать точно связь причин и следствий, а возможно только описание в целом, статистически (что часто и бывает для сложных систем), то модель строится с использованием понятия вероятности.

Распределённые, структурные, сосредоточенные модели. Если параметр, описывающий свойство объекта, в любых его точках имеет одинаковое значение (хотя может меняться во времени!), то это система с сосредоточенными параметрами. Если параметр принимает разные значения в разных точках объекта, то говорят, что он распределён, а модель, описывающая объект, — распределённая. Иногда модель копирует структуру объекта, но параметры объекта сосредоточенны, тогда модель — структурная.

Функциональные и объектные модели. Если описание идёт с точки зрения поведения, то модель построена по функциональному признаку. Если описание каждого объекта отделено от описания другого объекта, если описываются свойства объекта, из которых вытекает его поведение, то модель является объектно-ориентированной.

Каждый подход имеет свои достоинства и недостатки. Разные математические аппараты имеют разные возможности (мощность) для решения задач, разные потребности в вычислительных ресурсах. Один и тот же объект может быть описан различными способами. Инженер должен грамотно применять то или иное представление, исходя из текущих условий и стоящей перед ним проблемы.

Приведённая выше классификация является идеальной. Модели сложных систем обычно имеют комплексный вид, используют в своём составе сразу несколько представлений. Если удаётся свести модель к одному типу, для которого уже сформулирована алгебра, то исследование модели, решение задач на ней существенно упрощается, становится типовым. Для этого модель должна быть различными способами (упрощением, переобозначением и другими) приведена к каноническому виду, то есть к виду, для которого уже сформулирована алгебра, её методы. В зависимости от используемого типа модели (алгебраические, дифференциальные, графы и т. д.) на разных этапах её исследования используются различные математические аппараты.

Полный (расширенный) вариант схемы, представленной на рис. 1.13, см. на рис. 1.14. После прочтения всего курса лекций рекомендуется вернуться к рис. 1.14 и детально, на более глубоком уровне, ознакомиться с ним.

Рис. 1.13. Схема процесса моделирования (уточнённый вариант)

На рис. 1.15 представлены этапы построения модели.

Рис. 1.15. Этапы процесса моделирования

Спираль, которая была рассмотрена на рис. 1.3, представлена на рис. 1.15 как виток. Но обратите внимание на возможность возвращения с каждого этапа на более ранний (или более ранние) при обнаружении ошибки. Спираль имеет достаточно сложный вид, прошита дополнительными связями.

Общее описание технологии моделирования расположено в файле справки системы «Stratum-2000» в разделе «Теория моделирования» («Помощь» > «Теория моделирования»). Сначала данный раздел стоит прочитать бегло, а затем подробно — после того, как вы усвоите весь курс и накопите опыт описания объектов на примерах и опыте, приобретённом в ходе выполнения курсовой работы.

Конечно, моделирование, как уже было сказано, в соединении с проектированием — это технология решения проблем, задач. Но у каждой технологии все-таки есть граница, за которой она менее эффективна. Такая граница есть и здесь. Посмотрите снова на рис. 1.13. Очевидно, что первые этапы решают менее формализованные задачи, а последующие — все более формальные. Соответственно, методы первых этапов менее формализованы, а последующих — более формальные, мощные. Это означает, что самые трудные и ответственные этапы для моделировщика — первые. Здесь от него требуется больше интуитивных решений. И ошибка на более ранних этапах больше сказывается на дальнейших решениях, возвращаться и переделывать приходится гораздо больше, чем на последних этапах. Поэтому удачные решения на первых этапах вызывают пристальный интерес системотехников, наука моделирования проявляет к ним повышенное внимание. Поскольку формальные методы легко автоматизируются, то последние этапы схемы поддержаны программными продуктами и легко доступны конечным пользователям, но наибольший интерес сегодня представляют программные продукты, поддерживающие первые этапы — системы, помогающие формализовать задачи. А также системы, обеспечивающие сквозное проектирование, доведённое до моделирования и конечной реализации (автоматическое порождение кода по описанию проекта).

Но. Сама математика не даёт возможности выводить из результатов экспериментов какие-либо законы или модели, как это может показаться после рассмотренного только что примера. Математика это только способ изучения объекта, явления, и, причём, один из нескольких возможных способов мышления. Есть ещё, например, религиозный способ или способ, которым пользуются художники, эмоционально-интуитивный, с помощью этих способов тоже познают мир, природу, людей, себя.

Итак, гипотезу о связи переменных А и В надо вносить самому исследователю, извне, сверх того. А как это делает человек? Посоветовать внести гипотезу легко, но как научить этому, объяснить это действо, а значит, опять-таки как его формализовать? Подробно мы покажем это в будущем курсе «Моделирование систем искусственного интеллекта».

А вот почему это надо делать извне, отдельно, дополнительно и сверх того, поясним сейчас. Носит это рассуждение имя Геделя, который доказал теорему о неполноте — нельзя доказать правильность некоторой теории (модели) в рамках этой же теории (модели). Посмотрите ещё раз на рис. 1.12. Модель более высокого уровня преобразует эквивалентно модель более низкого уровня из одного вида в другой. Или генерирует модель более низкого уровня по эквивалентному опять же её описанию. А вот саму себя она преобразовать не может. Модель строит модель. И эта пирамида моделей (теорий) бесконечна.

А пока, чтобы «не подорваться на ерунде», вам надо быть настороже и проверять все здравым смыслом. Приведём пример, старую известную шутку из фольклора физиков.

Огурцы вас погубят! Каждый съеденный огурец приближает вас к смерти. Удивительно, как думающие люди до сих пор не распознали смертоносности этого растительного продукта и даже прибегают к его названию для сравнения в положительном смысле («как огурчик!»). И, несмотря ни на что, производство консервированных огурцов растёт.

С огурцами связаны все телесные недуги и вообще все людские несчастья.

Есть данные и о том, что вредное действие огурцов сказывается очень долго: среди людей, родившихся в 1889 году и питавшихся впоследствии огурцами, смертность равна 100%. Все лица рождения 1889—1909 годов имеют дряблую морщинистую кожу, потеряли почти все зубы, практически ослепли (если болезни, вызванные потреблением огурцов, не свели их уже давно в могилу).

Ещё более убедительный результат, полученный известным коллективом учёных-медиков: морские свинки, которым принудительно скармливали по 20 фунтов огурцов в день в течение месяца, потеряли аппетит!

Единственный способ избежать вредного действия огурцов — изменить диету. Ешьте суп из болотных орхидей. От него, насколько нам известно, ещё никто не умирал.

Движемся дальше. Сложность задачи часто диктует тот способ представления модели, который будет использоваться при её описании. Покажем это на примере простейшей задачи.

Задача 1. Пусть два объекта (например, пешеход и велосипедист) движутся друг другу навстречу (рис. 1.17) со скоростями V₁ и V₂ соответственно. Необходимо узнать: когда и где встретятся эти объекты?

Рис. 1.17. Задача о встрече

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Программные средства моделирования

В качестве программного средства моделирования может быть использована любая из существующих программных сред, однако принято использовать специфические программы, специально предназначенные для компьютерного моделирования.

Наиболее известные и применяемые программы численного моделирования.

MATLAB (сокращение от англ. «Matrix Laboratory») — пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений, а также к используемый в этом пакете язык программирования. Работает на Windows, Linux и Mac OS. Язык MATLAB является высокоуровневым интерпретируемым языком программирования, включающим основанные на матрицах структуры данных, широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.

Имеет прекрасный аппарат представления результатов (графики самых разных типов, средства подготовки печатных документов и Web-страниц).

Simulink— интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработки и других приложений моделирования. В состав Simulink входят наборы Toolbox иBlockset содержащие готовые модели и специальные инструменты для моделирования, интегрирования и имитации различных систем.

MATHCAD – математический редактор, позволяющим проводить разнообразные научные и инженерные расчеты, начиная от элементарной арифметики и заканчивая сложными реализациями численных методов. Основным его достоинством является простота применения, наглядность математических действий, обширная библиотека встроенных функций и численных методов, возможность символьных вычислений, а также аппарат представления результатов (графики самых разных типов, средства подготовки печатных документов и Web-страниц),

Mathcad, в отличие от большинства других современных математических приложений, построен в соответствии с принципом WYSIWYG («What You See Is What You Get» — «что Вы видите, то и получите»). Поэтому он очень прост в использовании, в частности, из-за отсутствия необходимости сначала писать программу, реализующую те или иные математические расчеты, а потом запускать ее на исполнение. Вместо этого достаточно просто вводить математические выражения с помощью встроенного редактора формул, причем в виде, максимально приближенном к общепринятому, и тут же получать результат.

VisSim — это универсальная систе­ма блочного имитационного визуально­-ориентированного математического моделирования и одновременно – это визуальный язык программирования, предназначенный для моделирования динамических систем, а также проектирования, базирующегося на моделях, для встроенных микропроцессоров. Язык разработан американской компанией Visual Solutions. В настоящее время полностью интегрирован с MATHCAD.

SCILAB — пакет прикладных математических программ, предоставляющий открытое окружение для инженерных (технических) и научных расчётов. Был спроектирован как открытая система, и пользователи могут добавлять в него свои типы данных и операции. Scilab имеет схожий с MATLAB язык программирования. В состав пакета входит утилита, позволяющая конвертировать документы Matlab в Scilab. Программа доступна для Linux и Windows.

В состав пакета также входит инструмент для редактирования блочных диаграмм и симуляции Scicos (Scilab Connected Object Simulator) что обеспечивает возможность визуального моделирования динамических систем. Scicos является аналогом Simulink в пакете MATLAB.

Существует возможность совместной работы Scilab с программой LabVIEW.

LabView –программа моделирования систем и анализа данных National Instruments будет рассмотрена детально в последующих лекциях.

Контрольные вопросы к разделу 3

1. Методы моделирования систем, их достоинства и недостатки.

2. Какой метод исследования систем является наиболее точным?

3. Какой метод исследования систем является наиболее универсальным?

4. Какой метод позволяет выполнять исследование систем на моделях любой степени детализации?

5. Какие методы моделирования относятся к компьютерному моделированию?

6. Объясните термин «компьютерная модель».

7. В чем состоит разница между математической и структурно-функциональной моделью?

8. Какие модели называются имитационными?

9. В чем разница между количественными и качественными результатами моделирования?

10. В чем состоит разница между реальным и модельным временем?

11. Охарактеризуйте понятие «вычислительный эксперимент».

12. Опишите цикл вычислительного эксперимента.

13. Какие специализированные программы моделирования Вам известны?

Источник

Компьютерная модель – модель, реализованная средствами программной среды

Классификация моделей

Модель – это, как правило, искусственно созданный объект, который отражает существенные с точки зрения цели проводимого исследования свойства изучаемого реального объекта, явления или процесса.

Моделирование – метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей. т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей.

При проектировании механизмов и устройств, зданий, электрических цепей используют модели – чертежи и макеты. В математике модели используются при изучении объемных фигур.

Биология – анатомические муляжи.

Человечество в своей деятельности (научной, образовательной, художественной, технологической) постоянно создает и использует модели окружающего мира.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ

Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия:

химия – модели кристаллической решетки, молекул;

Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез и т. д.), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов. Иногда создание таких моделей коренным образом меняет представления человека об окружающем мире:

ü гелиоцентрическая система мира Коперника,

ü модель атома Резерфорда-Бора,

ü модель генома человека (геном — совокупность генов, характерных для одиночного набора хромосом данного организма).

Всехудожественное творчество фактически является процессом создания моделей:

ü перенос реальной действительности на полотно,

ü скульптура,

ü театр,

Один и тот же объект может иметь множество моделей:

объект «ЧЕЛОВЕК«, его модели:

Разные объекты могут описываться одной моделью:

модель » КАРТА«, её объекты:

Признаки классификаций моделей:

1) по области использования;

2) по временному фактору;

3) по отрасли знаний;

4)по форме представления.

1) Классификация моделей по области использования:

ü учебные модели – используются при обучении (наглядные пособия, тренажеры, обучающие программы);

ü опытные – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта (кукла, макет дома, корабля, автомобиля). Используют для исследования и прогнозирования его будущих характеристик;

ü игровые – репетиция поведения объекта в различных условиях (экономические, спортивные, интеллектуальные);

üимитационные – отражение реальности в той или иной степени (испытывается лекарство). Это метод проб и ошибок.

2) Классификация моделей по временному фактору:

ü статические информационные модели – модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (Система – совокупность взаимосвязанных объектов, воспринимаемая как единое целое). Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает картину состояния их ротовой полости на данный момент времени: число молочных и постоянных зубов, пломб, дефектов и т.п. Примерами статических информационных моделей являются модели строения растений и животных, молекул и кристаллических решеток и т. д.

ü динамические информационные модели – модели, описывающие процессы изменения и развития систем (изменения объекта во времени). В примере с поликлиникой карточку учащегося, отражающую изменения, происходящие с его зубами за многие годы, можно считать динамической моделью. Примерами динамических информационных моделей являются модели, описывающие движение тел, развитие организмов, процессы прохождения химических реакций и т.д.

3) Классификация моделей по отрасли знаний — это классификация по отрасли деятельности человека:

üисторические и т.д.

4) Классификация моделей по форме представления:

ü материальные – это предметные (натурные) модели. Они воспроизводят геометрические, физические и другие свойства оригинала и всегда имеют реальное воплощение. Примеры: детские игрушки, скелет человека, чучело, модель солнечной системы, модель кристаллической решетки, географические карты и др.;

ü информационные (нематериальные) – не имеют реального воплощения, Их основу составляет информация. Это теоретический метод познания окружающей среды.

Информационная модель – совокупность информации, характеризующая наиболее существенные для исследователя свойства и состояние объекта, процесса, явления. Она отражает знания человека о моделируемом объекте..

К информационным моделям можно отнести вербальные (от лат. «verbalize» — устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т.п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта.

Вербальная модель – информационная модель, выраженная в мысленной или разговорной форме.

Образная модель – информационная модель, выраженная зрительными образами.

Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы. Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы (например, второго закона Ньютона F=m*a), таблицы (например, таблицы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева) и т. д.

Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

Согласно легенде, яблоко, упавшее на голову Ньютона, вызвало в его сознании мысль о земном притяжении. И только впоследствии эта мысль оформилась в закон, т. е. обрела знаковую форму ( ).

Человек прочитал текст, объясняющий некоторое физическое явление, и у него сформировался мысленный образ. В дальнейшем такой образ поможет распознать реальное явление.

Тип информационной модели определяется способом представления данных. Например, словесная, или текстовая, модель представляет собой описание объекта на естественном языке. Словесные модели обычно не носят строгого формального характера и создаются на начальном этапе моделирования.

Математические модели описывают явление или процесс в виде математических соотношений. Они позволяют выполнять анализ модели с помощью математических методов и получать новые сведения о моделируемом объекте.

Графические модели представляют объекты в виде изображений и отличаются наглядностью представления связей между объектами.

Структурные модели (табличные, иерархические, сетевые) отображают информацию о содержании элементов внутренней структуры объекта и о связях между ними.

Типы структурных информационных моделей:

ü табличные – объекты и их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы. Перечень однотипных объектов размещен в первом столбце (или строке), а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках) таблицы. Примеры: расписание поездов и самолетов, уроков и др.

ü иерархические – объекты распределены по уровням. Каждый элемент высокого уровня состоит из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня. Примеры: генеалогическое древо семьи, файловая система компьютера и др.

ü сетевые – применяют для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру. Обычно сетевые модели изображаются в наглядном графическом виде. Пример сетевой модели – схема линий метрополитена.

Рис. Генеалогическое древо Рюриковичей (пример иерархической информационной модели)

На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информационных моделей. Эти способы постоянно совершенствовались. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков. В настоящее время информационные модели обычно строятся и исследуются с помощью современных компьютерных технологий, хотя и ручной способ описания моделей, например, с помощью традиционного набора инженера или конструктора (карандаша, линейки), используется нередко в наши дни.

Рис. Схема линий Московского метрополитена (пример сетевой модели)

Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков.Формализация есть результат перехода от реальных свойств моделируемой системы к их формальному обозначению в определенной знаковой системе.

В процессе познания окружающего мира человечество постоянно использует моделирование и формализацию. При изучении нового объекта сначала обычно строится его описательная информационная модель на естественном языке, затем она формализуется, т.е. выражается с использованием формальных языков (математики, логики).

По степени формализации информационные модели бывают образно-знаковые и знаковые.

Образно-знаковые модели:

ü геометрические (рисунок, пиктограмма, чертеж, карта, план, объемное изображение);

ü структурные (таблица, граф, схема, диаграмма);

ü словесные (описание естественными (разговорными) языками);

ü алгоритмические (нумерованный список, пошаговое перечисление, блок-схема).

ü математические – представлены математическими формулами, отображающими связь параметров;

üспециальные – представлены на специальных языках (ноты, химические формулы);

ü алгоритмические – программы.

Примеры информационных моделей прямоугольного треугольника:

ü геометрическая модель:

ü словесная модель: «Прямоугольным треугольником называется треугольник, у которого один из углов прямой»

üматематическая модель:

Источник