Общая классификация

Каждая модель характеризуется тремя признаками, по которым их можно классифицировать:

· принадлежность к определённому классу задач (по классам задач)

· класс систем моделирования (по по предметным областям)

· способ реализации - исполнения (или по форме представления и обработки информации).

 

Классификация по классам задач.

Любой объект, который мы собираемся моделировать является, в общем случае, элементом некоторой системы. А системы могут решать самые различные задачи. Например, мы будем рассматривать систему управления некоторым предприятием. Здесь решается масса задач. Задачи управления экономикой, управления ресурсами, кадрами, задачи логистики и т.п. (планирование ресурсами предприятия – ERP-системы). В то же время на предприятии решаются и задачи управления собственно техническими средствами – управление работой агрегатов, реализующих некоторый технологический процесс. Предметом моделирования может быть и исследовательские задачи – научные исследования физических явлений, или процессов в различных научных областях, исследование свойств живой и неживой природы, социальных и психологических явлений и процессов, модели задач военной области и т.п. В этом смысле можно и модели классифицировать по видам решаемых задач. Такая классификация не очень оригинальна или рациональна, поскольку одна и та же модель может относиться к различным задачам.

 

Классификация по классам систем (по предметным областям).

Например, модели экономических систем, биологических систем, модели квантовой механики, космических объектов, модели управления технологическими процессами, управления человеко-машинными системами, и т. п.

 

Классификация по способам реализации – исполнения.

Это наиболее интересная классификация и достаточно полная, хотя четкой границы между классами провести всегда сложно.

По этому признаку все множество моделей можно разделить на три основных класса: физические, абстрактные и виртуальные.

Физические модели ( оничасто называются предметными).

Физические модели — это " материальные" модели, эквивалентные или подобные в той или иной степени оригиналу. В общем случае физические модели — это модели, процесс функционирования которых такой же, как у оригинала, имеет ту же, или подобную физическую природу. Они бывают трех видов.

· Геометрически подобные масштабные, воспроизводящие пространственно- геометрические характеристики оригинала (макеты зданий и сооружений, учебные муляжи, большинство детских игрушек и др.).

Иногда физические модели выполняют в натуральную величину, например, при создании макетов космических модулей. Здесь очень важна компоновка оборудования, поскольку космонавты в невесомости могут ненароком задеть ручки управления и вызвать нештатные ситуации. Например, компоновочный макет герметической кабины Бурана был выполнен в натуральную величину из дерева, в основном - фанера. При создании орбитальных обитаемых модулей создается очень интересная модель. Все внутренние поверхности модуля обклеиваются искусственным мехом (длинноворсным). Такая модель предназначена для экспериментального размещения вентиляторов в модуле. Проблема заключается в том, что в условиях невесомости отсутствует естественная конвекция воздуха, и могут образовываться области, где отсутствует кислород. Попав туда, космонавт может просто задохнуться. Для устранения этого искусственно создают перемешивание воздуха с помощью вентиляторов. Наклеенные ворсинки показывают, куда не поступают потоки воздуха.

· Физические модели основанные на теории подобия, воспроизводящие с масштабированием свойства и параметры оригинала (аэродинамические модели летательных аппаратов, гидродинамические модели судов).

Для парохода правильный выбор обводов, подбор гребного винта и согласование с характеристиками винта и корпуса мощности и скорости вращения вала. Та же задача существует и в авиации. По существу речь идет о необходимости оптимизировать взаимодействие системы корпус – двигатель – среда по критерию максимального КПД и устойчивости. Решение проблемы опытным путем невозможно по очевидным экономическим соображениям, не поддается она и теоретическому решению. Выход был найден на пути экспериментального исследования геометрически подобных моделей в аэродинамических трубах (для судов – в специальных бассейнах) на основе теории подобия. Теория обеспечивала возможность достоверного переноса данных, полученных на модели, на «натуру», на свойства и параметры реального, но еще не существующего объекта. И сегодня методы масштабного физического моделирования сохраняют свое значение. Макет скульптуры Мухиной «Рабочий и колхозница» был создан так же для продувки в аэродинамической трубе с целью оценки величины нагрузок при штормовых ветрах – выдержат ли старые конструкции

ИМИТАЦИОННЫЕ

ВИРТУАЛЬНЫЕ

АБСТРАКТНЫЕ

МОДЕЛИ

ФИЗИЧЕСКИЕ

АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

ГРАФИЧЕСКИЕ

СТАТИСТИЧЕСКИЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ

Математического программирования (линейного, динамического)

Сетевого планирования

Теории игр

Систем массового обслуживания

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

МЕХАНИЧЕСКИЕ (ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ)

Рис.9. Общая классификации моделей

Аналоговые - приборные, воспроизводящие исследуемые свойства и параметры оригинала в моделирующей системе другой природы на основе некоторой системы прямых аналогий (разновидности электронного аналогового моделирования).

Аналоговое моделирование основано на том, что свойства и параметры воспроизводятся с помощью модели иной, чем у оригинала физической природы. Например, моделью колебательных систем может быть электрический колебательный контур (школа), состоящий из индуктивности, емкости, сопротивлений, проводов, источника электричества. Используя свойство «единства моделей» можно подобрать две системы, которые будут моделями друг друга.

Виртуальные модели.

Виртуальные модели – это в основном компьютерные визуальные модели реального или придуманного пространства (виртуальный – это кажущийся). Из определения понятно, что моделируются свойства некоторого пространства с эффектом присутствия в этом пространстве самого пользователя.

Например, хорошо известные всем различные компьютерные игры, в которых осуществляется управление виртуальными объектами.

Интернет так же является моделью виртуального пространства. В этом пространстве реализуется вполне реально мировая интернет-экономика.

К виртуальным моделям относятся различные тренажеры. Например, тренажеры летного состава. Моделирование различных ситуаций на таком тренажере (модели) настолько реальны, что по физической и психологической нагрузке на человека такие модели практически не отличаются от реальных процессов.

В настоящее время виртуальные модели находят широкое использование в учебной практике. Как известно, процесс обучения может осуществляться в форме усвоения обучаемым «готового» знания и в форме учебного исследования. Источник готового знания – это книга. Учебное исследование – это эксперимент. Виртуальная обучающая модель (манипулятивные динамические модели) как раз и дает возможность проведения экспериментов с объектами виртуальной учебной среды. Это метод компьютерного воссоздания формы, структуры, функций какой либо живой системы, либо неживой природы. Обучающийся в интерактивном режиме может изменять параметры системы, исследуя ее реакцию изучать саму систему с различных сторон ее проявления. Это новая информационная культура обучения.

При этом в виртуальной среде обучения задействованы весьма специфические для нее формы представления учебного материала: гипертекст, анимации, демонстрационные и манипулятивные динамические модели систем, элементы «виртуальной реальности» (тренажеры, конструкторы, имитаторы), аудиоинформация и видеосюжеты.

К некомпьютерным виртуальным моделям можно отнести (с некоторой натяжкой) модель – словесный портрет, используемый в криминалистике. Кроме того – живопись, кинофильм- все это фактически виртуальные модели. Если они на столько хороши, что реализуют эффект присутствия (сопереживания) человека.

Абстрактные модели.

Абстрактные модели часто называются информационными. Они отражают информационную сторону системы с помощью языковых, математических, графических, алгоритмических и других средств абстрагирования. Они не имеют физического сходства с оригиналом и не обладают его физическими свойствами. В абстрактных моделях физические свойства системы представлены их формализованными, абстрактными, символическими отображениями.

Следует отметить, что границы между классами моделей провести, достаточно четко не удается. Поэтому классификация не всегда бывает однозначной. Например, виртуальные компьютерные модели, используемые в процессе преподавания школьникам естественных наук. С одной стороны, действительно, это виртуальные модели. Они организуют деятельность учащихся в виртуальной среде, максимально приближенной средствами компьютерной графики к процессу реализации реальных экспериментов. С другой стороны, эти модели вполне законно можно отнести к классу абстрактных моделей. Они фактически являются компьютерной реализацией дифференциальных уравнений, моделирующих реальные физические процессы.