Классификация по способу реализации модели
Рассмотрим более подробно последний вид классификации. Схема классификации представлена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Классификация моделей по способу реализации
По способу реализации модели делятся на материальные (предметные) и идеальные (информационные).
Материальные модели воспроизводят физические, геометрические, функциональные свойства объектов в материальной форме (макет здания, автомобиля).
Самые простые примеры материальных моделей – детские игрушки. По ним человек получает первое представление об окружающем мире.
Примеры материальных моделей: макеты, игрушки, глобус, схемы солнечной системы и звездного неба. К этому классу моделей можно отнести физические и химические опыты, в которых моделируются процессы, например, химические реакции. Подобные модели реализуют материальный подход к изучению объекта, явления или процесса.
Информационные модели могут не иметь материального воплощения. В их основе лежит информационный подход к изучению действительности.
Информационная модель – совокупность информации, характеризующая свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь объекта моделирования с внешним миром.
Источник
Способы реализации моделей
В случае, когда модели сознательно создаются человеком, в зависимости от того, каким образом и с помощью чего они создаются, различают следующие виды моделей.
1. Материальные, или вещественные модели, если при их создании используются средства окружающего мира.
2. Абстрактные, или идеальные модели, если при их создании используются средства сознания человека. По-другому, это идеальные конструкции, построенные посредством мышления.
Примерами материальных моделей могут служить манекены, протезы, масштабные копии сооружений, памятники, скульптуры, картины и т.п.
Примерами идеальных моделей могут служить уравнения, передаточные функции, частотные характеристики, матрицы, графы и другие математические модели, а также различные гипотезы и даже целые теории.
Материальные модели
Материальные модели создаются с помощью материи (средств окружающего мира). Такими моделями являются куклы, реалистические картины, скульптуры, чучела и т.п. Для того чтобы модель была отображением оригинала необходимо, чтобы между моделью и оригиналом было установлено отношение подобия.
Виды подобия
Теория подобия утверждает, что абсолютное подобие может иметь место лишь при замене одного объекта другим точно таким же. При моделировании абсолютное подобие обычно не требуется, однако модель должна достаточно хорошо отображать исследуемую сторону функционирования объекта.
Существуют различные способы задания отношения подобия.
П р я м о е п о д о б и е
Отношение прямого подобия устанавливается в результате физического взаимодействия в процессе создания модели (модель автомобиля, самолета, рис. 1.2 и 1.3).
Рис. 1.2. Модель автомобиля
При прямом виде подобия модель всегда внешне похожа на оригинал, и только при прямом подобии существует взаимозаменяемость модели и оригинала (например, копия живописной картины). Тем не менее, при этом виде подобия, даже в том случае, когда модель субстратна (изготовлена из тех же материалов, что и оригинал) возникает проблема при переносе результата моделирования с модели на оригинал.
Рис.1.3. Модель самолета
К о с в е н н о е п о д о б и е
Отношение косвенного подобия (аналогия) устанавливается не в результате физического взаимодействия, а объективно существует в природе и обнаруживается в форме совпадения абстрактных моделей, а затем используется в практике моделирования (например, электромеханические аналогии).
Рассмотрим пример, использующий электромеханическую аналогию.
Пример. Пусть механическая система состоит из пружины с жесткостью k, подвешенного на ней груза массой m и демпфера с коэффициентом вязкости b (рис. 1.4).
Рис.1.4. Механическая система, состоящая из пружины, груза и демпфера
В качестве входной переменной рассматривается вынуждающая сила F(t), а выходной переменной является расстояние до точки подвеса y(t). В этом случае вертикальные колебания груза можно описать уравнением:
где первое слагаемое в левой части уравнения соответствует второму закону Ньютона для движения тела массой m, второе слагаемое описывает действие демпфера, а третье – пружины.
В общем виде это линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка можно записать:
Теперь рассмотрим электрическую систему, состоящую из источника ЭДС, являющейся внешним воздействием, активного сопротивления R, индуктивности L и емкости С (рис.1.5). Выходной переменной будем считать величину тока i(t).
Рис. 1.5. Электрическая система, состоящая из источника ЭДС, активного сопротивления, индуктивности и емкости
Согласно второму закону Ома сумма падений напряжений в цепи равна сумме ЭДС, поэтому уравнение, описывающее изменение тока в этой системе, будет иметь вид:
или, если продифференцировать по t и умножить на С обе части уравнения:
Обозначив LC=a2, RC=a1, 1= a0, C=b0, dE(t)/dt=x(t), получим:
Таким образом, при описании процесса, протекающего в электрической системе, мы получили линейное дифференциальное уравнение 2-го порядка, абсолютно идентичное тому, которое описывало процесс, протекающий в механической системе. Это и означает, что данные системы косвенно подобны.
У с л о в н о е п о д о б и е
Отношение условного подобия устанавливается в результате специального соглашения (условия). Этот вид подобия не является ни прямым, ни косвенным. Например, деньги как модель стоимости, паспорт как модель личности, сигнал как модель информации. Хотя условное подобие не требует физического сходства, но модели условного подобия должны строиться с учетом возможностей восприятия человека, поэтому выбор символики должен осуществляться очень тщательно, так, чтобы человек легко, быстро и уверенно распознавал символы. 
Рис. 1.6. Деньги как пример модели условного подобия
Например, деньги являются моделью условного подобия стоимости любых товаров или услуг (рис. 1.6). Другим примером модели условного подобия может служить светофор, каждый из цветов которого предписывает по договоренности (условию) выполнение конкретного действия: красный – стоять, желтый – приготовиться к смене действия, зеленый – двигаться (рис.1.7).
Рис. 1.7. Светофор как пример модели условного подобия
Говорят, что наша жизнь полна условностей, следовательно, она полна моделей условного подобия. Приведите самостоятельно новые примеры таких моделей.
1.4.3. Идеальные модели
Идеальными, как уже упоминалось (п. 1.4), являются абстрактные модели, создаваемые с помощью человеческого сознания. К таковым относятся абстрактные рисунки и схемы, символы и знаки и, конечно же, естественные и специальные языки, которыми пользуются люди в профессиональном общении и в быту.
Модели, создаваемые средствами языка
Язык как средство общения может служить известным каждому человеку очевидным примером идеальной модели.
Различают уровни языков. Чем выше уровень языка, тем понятийно более емким он является, т.е. тем более лаконично можно выразить сложную мысль (сообщение). К языкам высокого уровня относят естественные языки (русский, английский и т.д.), а также профессиональные языки специальных наук, использующие много специфических терминов и предназначенные для общения специалистов. Дифференциация языков соответствует дифференциации наук, это приводит к созданию специальных языков более точных, чем естественные. Поэтому модели специальных наук содержат больше информации. Дальнейшая специализация научных дисциплин приводит к развитию и созданию дальнейшей иерархии языков.
К языкам более низкого уровня относят ограниченные языки, например, ограниченный естественный язык (ОЕЯ), используемый для диалогового общения человека с компьютером, уставный армейский язык, языки жестов, морские семафоры, алгоритмические языки и т.д.
Алгоритмические языки также в свою очередь различаются по уровню. Например, языки: С++, Фортран, Java – алгоритмические языки высокого уровня, а Ассемблер – низкого. Языки высокого уровня предъявляют минимальные требования к умению программировать, обладают концептуальной выразительностью, но являются менее гибкими и универсальными, чем языки низкого уровня. Языки низкого уровня напротив, трудоемки при составлении программ и требуют высокой квалификации программиста, но зато позволяют решать очень широкий класс задач, т.е. являются универсальными, а также гибкими с точки зрения многообразия описываемых проблем.
Естественный язык – это универсальное средство построения абстрактных моделей. Единицей языка является слово. Естественные языки отличает многозначность отдельных слов и словосочетаний, и это придает им свойство «размытости».
Универсальность и гибкость языка достигается за счет: 1) возможности введения в словарь новых слов; 2) возможности создания иерархических моделей по следующей схеме: слово – предложение – текст; понятие – отношение – определение – конструкция…
Итак, языковые модели обладают свойством неоднозначности. Например, слово «много» не означает именно сколько. Есть слова, имеющие различные значения (омонимы). С одной стороны, благодаря этому, любую ситуацию можно отобразить посредством языка с любой необходимой точностью. С другой стороны, это затрудняет реализацию процесса моделирования, поэтому обычно при языковом моделировании используют тезаурус.
Тезаурус (греч. thesaurus – сокровище, запас) представляет собой словарь, который освобожден от неоднозначности слов: в нем каждому слову может соответствовать только одно единственное понятие (в отличие от обычного словаря). Тезаурус образуется из фиксированного набора входящих понятий.
Для того чтобы состоялась передача полезной информации, заложенной в языковой модели, т.е. чтобы модель была воспринята, помимо передающей стороны, нужна приемная сторона, способная интерпретировать информацию. От того, как именно приемная сторона интерпретирует и использует полученную информацию, во многом зависят свойства данной языковой модели, в частности, такое свойство, как прагматика (см. ниже).
Знаковые модели
Существует ряд наук, в которых изучаются модели условного подобия, называемые сигналами: теория связи, информатика, теория управления, криптография и т.д.
Сигналы характеризуются различными параметрами: временем существования сигнала, шириной спектра, превышением мощности сигнала над мощностью помех и т.п. Правила построения и способы использования сигналов связаны с процессами кодирования и декодирования. Если модель используется человеком, то сигналы имеют специфику, связанную с органами его восприятия и носят названия «знаки». Исследованием знаковых моделей занимается наука семиотика. Семиотика включает следующие важные части.
1. Синтаксис задает правила, позволяющие отличать знаки друг от друга и строить знаковые конструкции (например, синтаксис русского языка);
2. Семантика задает отношения между знаками и смыслом, который в них первоначально заложен (буквально означает: обозначение);
3. Прагматика задает отношение между знаками и их пониманием воспринимающей стороной, т.е. теми, кто использует эти знаки в своей деятельности (буквально означает: действие).
Разумеется, что языковые модели близки к знаковым, а если принять слово за знак (сочетание символов-букв), то их можно рассматривать как разновидность знаковых моделей. В некоторых классификациях знаковые и языковые модели относят к общему виду символьных моделей (рис. 1.20). Однако огромное значение языков в жизни человека, их сложность и высокий уровень развития ставят языковые модели в особое положение, поэтому они и рассматриваются отдельно.
Пример. Дорожные знаки также представляют собой знаковые модели. Причем синтаксис в данном случае заключается в правилах начертания знаков: форме, цвете и размерах изображений, а также в материалах, используемых при изготовлении (светоотражающая краска) и т.п. Семантика каждого дорожного знака обозначена в Правилах дорожного движения (ПДД). Например, семантика знака, изображенного на рис. 1.8, заключается в смысле его названия: «Въезд запрещен».
Рис.1.8. Дорожный знак «Въезд запрещен»
Что же касается прагматики, то она зависит от пользователя: для обыкновенного дисциплинированного автолюбителя, работника дорожной службы и сотрудника ГИБДД, находящегося при исполнении служебных обязанностей, прагматика этого знака будет различной.
Существуют многочисленные аспекты исследования знаковых моделей, которые являются предметом таких наук, как: языкознание, информатика, криптография, графология, техническое черчение, нумизматика и т.д.
Источник
