Что такое объект моделирования
Моделирование объектов
Написано с участием Игоря Катричека katrichek@gmail.com
Введение
4-Д объем, его проекции и интерпретация должны быть согласованы друг с другом. Для того, чтобы понять, как с их помощью можно смоделировать то, что мы обычно понимаем под объектом, рассмотрим наше представление об объекте.
Объект можно определить тремя способами:
Объект как объем
Объект в сознании субъекта не есть статичная замершая картинка. Объект движется, изменяется. Но начнем мы по традиции со статичного объекта.
Обычно мы представляем себе 3-Д объект так: поверхность и что-то неизвестное внутри нее. Возможность представлять себе поверхность 3-Д объема обусловлена нашим стереоскопичным зрением. Мы имеем два глаза, способные построить стереопару, и специальный алгоритм обработки. В практических задачах моделирования поверхностей строят столько проекций, сколько требуется. Количество проекций определяет способность различать детали поверхности. Современные методы позволяют моделировать поверхности при помощи векторов (фактически, дельт), что сильно экономит ресурсы.
Для создания представления о динамике поверхности, мы сравниваем стереопары, разделенные во времени. Мы можем увеличивать или уменьшать время между съемками, проявляя детали, или, наоборот, обобщая наше представление. Современные фильмы демонстрируют нам этот способ моделирования поверхностей. В какой-то момент времени сюжет останавливается, и камера начинает двигаться по сцене, меняя угол обзора (строятся разные проекции одной поверхности).
В проекционном моделировании такого рода конструкция может быть смоделирована следующими способами:
В главе, посвященной моделированию функций, мы увидим, что два последних способа — это способы моделирования функции. Фактически, таким способом мы определили функцию существования объекта.
Объект как результат синтеза или результат анализа
Объект можно синтезировать на основе представления о структуре. Например, можно сказать: это множество домов называется поселком. Моделирование такого объекта сводится к моделированию конструкции. Или можно сказать, что антенна — это часть установки по обнаружению целей. Как моделировать такое определение объекта, я пока не знаю.
Получается, что существуют критерии выделения объекта. Мы выбираем его на основании удовлетворения одному или нескольким критериям:
Связь между объектом, его конструкцией и конструкцией, в которою он включен
Объект как объем связан с объектом как конструкция только в сознании у субъекта. Когда мы говорим: «объект и его конструкция», мы связываем эти два представления только тем, что нам кажется, что такая конструкция объясняет свойства объекта как объема. Объективной связи между объектом, конструкцией и конструкцией, частью которой является объект, нет.
Предубеждения
Для моделирования объектов надо преодолеть два предубеждения. Первое — это то, что объект реален, потому что его вещественный состав постоянен. Достаточно вспомнить такой объект, как пожарный шланг, по которому протекает вода, чтобы понять, что это не так. Но шланг с водой имеет узнаваемую форму. Второе предубеждение — мы думаем, что объекты должны быть плотными и непрерывными. Под плотностью я понимаю невозможность двух объектов быть в одном месте пространства. Но, как газы смешиваются, так и объекты — тоже смешиваются. Объекты могут быть прозрачными друг для друга. Непрерывность связана с идеей о том, что объект должен плавно перемещаться в пространстве. Преодолеть это предубеждение несколько сложнее, чем согласиться с тем, что состав объекта может меняться. Но представьте себе, что стала возможна телепортация, и объект стал иметь разрывы. Разрывы нужны для моделирования таких объектов, как директор предприятия. Этот объект рвется, когда происходит смена руководства.
Понятие модели и объекта, классификация моделей
Вы будете перенаправлены на Автор24
Понятие модели
В ходе своей деятельности люди используют модели, т.е. создают образ, копию того объекта, с которым им приходится работать. Человек, когда продумывает план действий, представляет результат своих действий, строит модель в уме.
Модель – это объект, который был создан искусственно с целью упрощенного представления о реальном объекте, процессе или явлении и отражает существенные стороны объекта, который изучается, с точки зрения цели моделирования.
Моделирование – это процесс построения моделей, которые предназначены для изучения и исследования объектов, процессов или явлений.
Объект, для которого создают его модель, называют оригиналом или прототипом. Модель не является абсолютной копией своего прототипа, а лишь отражает основные его качества и свойства, которые являются наиболее существенными для выбранной цели исследования. При создании модели всегда имеют место определенные допущения и гипотезы.
С помощью системного подхода можно создавать полноценные модели. Особенностями системного подхода является:
Готовые работы на аналогичную тему
Создание универсальных моделей является следствием использования системного подхода.
В некоторых случаях моделирование незаменимо. Нельзя, например, устроить ядерную катастрофу для выяснения масштабов возможного заражения, а с помощью компьютерных программ возможен расчет (причем достаточно точный) параметров, которые интересуют исследователей.
Моделирование является основным способом научного познания. В информатике данный способ именуется вычислительным экспериментом и основан на трех основных понятиях: модель – алгоритм – программа.
Компьютер при моделировании используется в трех направлениях:
Понятие объекта
Объектом моделирования считают любой предмет, процесс или явление, которые изучаются с помощью методов моделирования. При изучении объекта учитывают только те свойства, которые необходимы для достижения цели. Выбор необходимых свойств объекта при построении модели является наиболее важным моментом на первых этапах моделирования.
Модель объекта – это:
Основной функцией модели является описание объекта и получение информации о нём.
Любой объект можно представить как совокупность элементов, объединенных в единое целое. Однако невозможно изучить все свойства объекта в целом, если изучать каждый элемент объекта отдельно. Сила связи между элементами значительно мощнее силы связи с элементами, которые не принадлежат объекту, что позволяет выделить объект из окружающей среды. Любой объект (система), не являющийся неделимым (элементарным), имеет свою структуру.
Структурой объекта является сеть взаимосвязей между его частями, приводящая к появлению свойств, которые отсутствуют у всех и каждой части объекта в отдельности.
Принцип, по которому объединение элементов приводит к появлению у объекта новых свойств, которые являются отличными от свойств элементов, называется принципом организации. Например, из совокупности отдельных деталей можно собрать какой-то целостный прибор.
Классификация моделей
Классификация моделей относится к проблеме распознавания образов. Каждый класс имеет некоторые характеристические признаки и по этим признакам осуществляется классификация.
Классификация моделей основывается на анализе информации об объекте и отнесении объекта к определенному классу из заданного их набора. Одним из наиболее общих критериев классификации служит способ отображения объектов:
Одну модель можно отнести сразу к нескольким классам. В реальности не существует объекта, который принадлежит к какому-либо одному классу моделирования. Множество вариантов классификаций моделей говорит о том, что любая модель зависимо от критерия классификации может относится к различным классам и что между этими классами не всегда проходит четкая грань, которая позволяет выполнять однозначную классификацию моделей.
Что такое модели и моделирование — 5 этапов моделирования, когда и какие модели применяются
Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Что общего между девушкой на подиуме, игрушечной машинкой и изображением атома на экране монитора? Во всех случаях мы говорим о моделях.
Это понятие плотно вошло в повседневную речь, но немногие понимают его подлинное значение и умеют применять осознанно.
Без всякого занудства я расскажу о моделях и моделировании все, что нужно знать.
Что такое модель
Термин образовался от латинского слова modulus — «мера, аналог, образец».
Под «моделью» понимается образ некого объекта или явления, который отражает лишь отдельные свойства.
Например, глобус – это модель земного шара. Он статичен, а не вращается вокруг солнца. Не может похвастаться собственной силой притяжения. Не имеет атмосферы. На поверхности глобуса не живут крошечные человечки. Он воспроизводит внешний вид нашей планеты, не затрагивая другие характеристики.
Военачальник разрабатывает план сражения. Чтобы обозначить ландшафт, он создает модель поля боя на своем столе. Вот этот камень будет горой, коробок спичек – вражеским танком, а зеленый платок – лесом.
При моделировании важна степень соответствия модели и реального объекта.
Поставив камешек не туда, можно проиграть настоящую битву.
Но избыточная схожесть также вредит делу — усложняет процесс и отвлекает от сути.
Стратег слишком увлекся, потратил время на воспроизведение полной копии танка в миниатюре. Враг начал наступление, застал военачальника врасплох, пока тот собирал макет.
Американский словарь английского языка дает такое определение:
«Модель — это упрощенное описание сложного объекта или явления».
Земля имеет шарообразную форму, но для простоты говорят, что она круглая.
Моделирование — это.
Моделирование — это метод познания. Он заключается в исследовании предметов, систем, процессов и явлений на основе их моделей.
Вот мы возвели небоскреб в зоне с высокой сейсмической активностью. Теперь хотим выяснить, выдержит ли постройка толчки земной коры. Как это сделать? Проведем эксперимент: произведем подрыв, чтобы вызвать землетрясение. Если здание устоит — все хорошо.
Но вот проблема — затея дорогостоящая, может привести к человеческим жертвам, уничтожить сам предмет исследования. Гораздо проще создать модель небоскреба в компьютерной программе, задать силу виртуального землетрясения и проверить устойчивость, не вставая с дивана.
Что можно моделировать:
5 этапов моделирования
Процесс состоит из 5 этапов:
Исследователь выбирает те части, которые его интересуют, а остальные отбрасывает, чтобы не мешались. Один объект может иметь несколько моделей, каждая из которых отображает некоторые из его особенностей.
Например, мы хотим изучить человека:
Получаются 3 разных описания человека, которые только частично замещают оригинал.
Моделирование — это циклический процесс. Исследователь возвращается к самому началу, снова строит модель, но уже более точную.
С каждым кругом он получает все больше информации о предмете изучения.
Моделирование – это воссоздание и изучение фрагмента реальности для исследовательских целей.
Метод применяется, когда необходимо:
Когда применяется моделирование
Зачем экспериментировать с моделями, когда есть оригинал?
Существуют ситуации, когда без построения модели не обойтись:
Какие бывают модели (их виды)
По своему характеру они делятся на 2 вида: материальные и информационные.
Материальные модели можно потрогать, увидеть, услышать, понюхать. Они воспроизводят физические особенности изучаемой системы, явления или процесса.
Деревянный макет здания – это изделие, которое отражает некоторые свойства реальной постройки. Плюшевый мишка – упрощенное представление большого медведя. Маленький ребенок приходит в зоопарк и легко узнает в грозном животном прообраз своей игрушки.
Информационные модели не существуют в реальном мире. Это набор информации, выраженный определенным образом – вербальным или знаковым.
Примерами знакового обозначения могут быть математические формулы, схемы, графики и рисунки. Вербальное представление – это слова или мысли. Например, модель поведения при переходе регулируемого перекрестка: посмотреть на светофор, если горит зеленый человечек, нужно убедиться, что нет машин. Только потом можно идти.
Более подробно на эту тему смотрите в видео:
Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru
Эта статья относится к рубрикам:
Комментарии и отзывы (2)
Компьютерное моделирование вряд ли сможет заменить полноценный эксперимент с физической моделью, тем более, что программу пишут люди, а они могут ошибаться. На модели же можно проверить, к примеру, аэродинамические качества объекта, поместив уменьшенную копию в аэродинамическую трубу, чего нельзя сделать с реальным объектом, например, пассажирским самолётом. Потому модели будут существовать всегда.
Раньше и дети моделированием увлекались, самолеты небольшие конструировали, а сейчас только в компьютерные стрелялки играют.
Понятия объекта моделирования и его модели
Дата добавления: 2013-12-23 ; просмотров: 5458 ; Нарушение авторских прав
Модель – реально существующая или мысленно представляемая система, которая, замещая и отображая оригинал с определенной целью, находится с ним в отношениях сходства (подобия).
Цели “замещения и отображения”, т. е. ради чего строится модель, изложены ниже.
Место модели в современной информационной технологии следует из определения информатики как триединства “модель – алгоритм – программа”. Модель дает возможность использовать строгие научные методы преобразования информации. Это гарантирует достоверность информации. Алгоритм есть результат применения современных численных методов к решению поставленного комплекса проблем, это открывает возможность применения ЭВМ для преобразования информации. Программа дает возможность использовать новую информационную технологию. Это открывает возможность человеку быстро, удобно, комфортно обмениваться информацией с ЭВМ.
Сразу же становится очевидной ключевая роль модели в новой информационной технологии. Отсутствие модели соответствует ситуации, когда водитель, управляя автомобилем, не знает, как отреагирует машина на поворот руля.
Говоря о модели, мы имеем в виду некоторый продукт сознания, адекватно отображающий фрагмент объективной реальности. Математическая модель отвечает самым высоким требованиям строгости, эффективности и, следовательно, достоверности получаемых выводов. Модель обязана быть адекватной и давать возможность выводить достоверные следствия.
Если модель неадекватна, то все в новой информационной технологии остается в порядке: и применение ЭВМ, и диалог человека и ЭВМ, и удобное, наглядное, комфортное предоставление информации, кроме одного. Информация становится недостоверной.
Модели характеризуются тремя основными признаками: принадлежностью к определенному классу задач (планово-экономические, управление непрерывными технологическими комплексами и т. д.); классу объектов (физические, биологические и т. д.) и способом реализации.
По третьему признаку модели подразделяют на материальные и идеальные.
Материальные модели объединяют три основные подкласса:
– геометрически-подобные, воспроизводящие пространственно-геометрические характеристики оригинала (макеты зданий, муляжи и т. д.);
– воспроизводящие с масштабированием в пространстве и во времени свойства оригинала той же природы, что и модель (гидродинамические модели судов и т. д.);
– воспроизводящие свойства оригинала в моделирующем объекте другой природы (например, электрогидравлические аналогии) или основанные на изоморфизме между формально описанными свойствами оригинала и объекта (все разновидности электронного моделирования).
Всё последующее изложение посвящено идеальным моделям.
Объектом моделирования (оригиналом) применительно к задачам построения АИС является “царство машин”, состоящее из двух подмножеств: технологических машин, преобразующих материальные и энергетические потоки; и информационных машин, преобразующих потоки информации, т. е. предназначенных для измерения, вычисления, коммуникации и управления.
Итак, в нашем случае объектом математического моделирования является действующая или проектируемая система (на верхнем уровне) или ее часть (на более низких уровнях). Модель управляемой системы дополняется математической моделью принятия решений. Объект моделирования рассматривается во взаимодействии с внешней средой.
В качестве управляемых объектов могут рассматриваться: месторождение полезного ископаемого, информация о котором получена в процессе разведки и эксплуатации; горно-транспортный комплекс; процесс эксплуатации горных машин; изменения состояния геологической среды в процессе отработки месторождения и т. д.
Из сказанного следует, что представляющие интерес объекты моделирования являются сложными, а часто и уникальными системами, состоящими из разнородных элементов.
Любая система S (совокупность взаимосвязанных элементов, обособленная от внешней среды и взаимодействующая с ней как целое) может быть определена:
где N – множество элементов; P – множество операций, определенных на множестве N; R – множество отношений, заданных на множестве N.
Операцией называется совокупность взаимосогласованных действий, направленных на достижение определенной цели.
Оперирующей стороной называются отдельные лица или коллективы, объединенные организационным руководством и стремящихся к достижению поставленных целей.
Активными средствами проведения операций называется совокупность материальных, энергетических, денежных и трудовых ресурсов, используемых оперирующей стороной для достижения целей.
Любой элемент сложной системы можно описать совокупностью X‑входных воздействий и совокупностью Y-выходных переменных (реакций на эти воздействия). Однако такое описание неконструктивно, поскольку не позволяет ответить на вопрос: “Как изменить входные переменные, чтобы достичь желаемых значений выходных переменных?”
Ответить на этот вопрос можно, определив оператор F, связывающий входные (X) и выходные переменные (Y),
Таким образом, оператор F, представляющий собой систему отношений между входными воздействиями и выходными переменными, и является математической моделью объекта управления.
Определив оператор F, выделяем наиболее существенные (с определенной позиции) черты и свойства объекта и описываем их с помощью математических уравнений и формул.
При исследовании, как правило, не удается непосредственно наблюдать сигналы производственных объектов, а лишь сигналы на выходе некоторого измерительного устройства.
Математическую модель измерительного устройства можно записать в виде:
,
где l – вектор погрешностей измерений; B < >– оператор, преобразующий сигналы Y и l на входе в измерительное устройство, в наблюдаемый вектор Z.
Отметим, что если не удается улучшить информационное обеспечение процесса управления, обеспечить системность измерительной информации и на этой основе решать новые задачи, то эффективность управления процессом останется столь же низкой, как и при “ручном” управлении.
Блок-схема объекта управления и измерительного устройства приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Блок- схема объекта управления и измерительного устройства
Определение по экспериментальным данным структуры и параметров объекта называется его идентификацией.
Общая схема моделирования представлена на рис. 1.2.
К математической модели предъявляют следующие требования: она должна быть практически полезна, адекватна реальному объекту, решаемым задачам и замкнута.
Оператор F можно подобрать таким образом, что объект будет описываться достаточно точно. В этом случае говорят, что модель адекватна реальному объекту. Для того, чтобы убедиться в адекватности модели, необходимо сравнить результаты расчетов с экспериментальными данными. Параметры модели выбирают такими, чтобы минимизировать разницу между расчетными и экспериментальными данными.
Рис. 1.2. Общая схема моделирования
Задачу идентификации можно рассматривать как дуальную (сопряженную) по отношению к задаче управления. Мы не можем управлять системой, пока не будем знать, как она будет реагировать на наши управляющие воздействия.
Требование замкнутости означает, что если известно начальное состояние процесса, параметры модели и управления, то можно определить на конкретном интервале времени все переменные и тем самым иметь полное (в рамках данной модели) представление о состоянии процесса на данном интервале.
Подчеркнем, что специалистов различного профиля интересуют различные аспекты функционирования производственного объекта.
Технолога – выполнение плана по объемным и качественным показателям, механика – надежность работы оборудования и т. д. Таким образом, каждому из них нужны свои модели, однако эти модели должны быть связаны друг с другом, поскольку они описывают единый объект.
Задачу можно считать сформулированной, если имеется описание конкретной цели, модели объекта исследования, исходных данных, ожидаемого результата и требований к форме представления результата.
Таким образом, модели, которые надо научиться строить, должны включать в себя структурированное изображение функций системы управления, поддерживающих эти функции информационных связей и собственно математическую модель, представляющую собой приближенное, упрощенное представление объекта и существующей информационной системы.
Перейдем к рассмотрению целей моделирования.
Моделирование
Модели́рование — исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Содержание
Виды моделирования
В силу многозначности понятия «модель» в науке и технике не существует единой классификации видов моделирования: классификацию можно проводить по характеру моделей, по характеру моделируемых объектов, по сферам приложения моделирования (в технике, физических науках, кибернетике и т. д.). Например, можно выделить следующие виды моделирования:
Процесс моделирования
Процесс моделирования включает три элемента:
Первый этап построения модели предполагает наличие некоторых знаний об объекте-оригинале. Познавательные возможности модели обусловливаются тем, что модель отображает (воспроизводит, имитирует) какие-либо существенные черты объекта-оригинала. Вопрос о необходимой и достаточной мере сходства оригинала и модели требует конкретного анализа. Очевидно, модель утрачивает свой смысл как в случае тождества с оригиналом (тогда она перестает быть моделью), так и в случае чрезмерного во всех существенных отношениях отличия от оригинала. Таким образом, изучение одних сторон моделируемого объекта осуществляется ценой отказа от исследования других сторон. Поэтому любая модель замещает оригинал лишь в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько «специализированных» моделей, концентрирующих внимание на определенных сторонах исследуемого объекта или же характеризующих объект с разной степенью детализации.
На втором этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Одной из форм такого исследования является проведение «модельных» экспериментов, при которых сознательно изменяются условия функционирования модели и систематизируются данные о её «поведении». Конечным результатом этого этапа является множество (совокупность) знаний о модели.
На третьем этапе осуществляется перенос знаний с модели на оригинал — формирование множества знаний. Одновременно происходит переход с «языка» модели на «язык» оригинала. Процесс переноса знаний проводится по определенным правилам. Знания о модели должны быть скорректированы с учетом тех свойств объекта-оригинала, которые не нашли отражения или были изменены при построении модели.
Четвёртый этап — практическая проверка получаемых с помощью моделей знаний и их использование для построения обобщающей теории объекта, его преобразования или управления им.
Моделирование — циклический процесс. Это означает, что за первым четырёхэтапным циклом может последовать второй, третий и т. д. При этом знания об исследуемом объекте расширяются и уточняются, а исходная модель постепенно совершенствуется. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, можно исправить в последующих циклах.
Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование.