Модели, фиксирующие особенности свойств оригинала

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 30Следующая ⇒

С кибернетической точки зрения многие модели рассматриваются как некоторый ящик с входами и выходами, о котором может быть что-то известно.

Кибернетическая модель типа «чёрный ящик» (непрозрачный ящик, модель «вход-выход») характеризуется тем, что содержимое ящика неизвестно и доступны для рассмотрения лишь входы и выходы. Это означает, что, воздействуя на входы, можно фиксировать его реакцию либо, располагая входной и выходной информацией, можно говорить о функциональном назначении ящика. Согласно классификации такой тип модели относится к функциональным.

Кибернетическая модель типа «серый ящик» используется в том случае, когда известен полностью состав ящика либо частично его содержание (функциональные элементы, функциональные элементы и отношения между ними). Им определяются структурные модели.

Если структура содержимого ящика задана, но не определены значения её параметров, то имеет место кибернетический «белый, прозрачный ящик». Им по сути дела представляются параметрические модели.

В последние годы анализ и проектирование сложных систем различной природы основаны на объектных и компонентных моделях. Они особенно популярны при разработке информационных систем. В отличие от структурных, функциональных и параметрических моделей объектная модель фиксирует и устройство моделируемой сущности, и её поведение не только во времени, но и в пространстве. Посредством объектной модели рассматривают разные аспекты системы-сущности (физической либо абстрактной, события либо сложного процесса) как раздельно, так и в виде целостности.

Функциональные модели предназначены для выражения функций оригинала и/или его компонентов, а также окружающей среды. Такие модели часто описывают функции оригинала либо каких-то его элементов зависимостями, существующими между его выходными и входными величинами. При этом их содержимое и структура обычно неизвестны. Это свидетельствует о том, что конкретная функция может быть реализована различными сущностями. Например, текущее время могут показывать и солнечные, и электронные часы.

В функциональной модели часто разделяют входные величины на несколько категорий. В одном случае они могут быть сигналами управления, контроля и мешающими факторами, в другом – потоками (вещественным, энергетическим, информационным). Обычно функциональность объекта или процесса проявляется в преобразовательных действиях (вещества, энергии, информации). Например, на этапе выбора физического принципа действия устройства можно считать, что конструктивный элемент типа «чёрный ящик» выполняет операцию или функцию, реализуемую за счёт некоего эффекта. Тогда изучение модели связано с поиском этого эффекта при заданных видах входных и выходных величин. Может оказаться так, что эта операция сопровождается появлением побочного нежелательного эффекта. В таком случае исследование модели будет направлено на поиск воздействия либо дополнительной операции, устраняющей этот эффект (например, с применением вещественно-полевого анализа).

Изучение функций элементов сложных систем сопровождается не только их перечнем, но и заданием отношений (в частном случае – связей) между ними, то есть их структуризацией.

В структурных моделях отражаются элементный состав оригинала, положение и форма его элементов в объёме пространство-время.

Типичными структурами сущностей являются линейная, кольцевая, звездообразная, иерархическая, полносвязная и комбинированная (рисунок 7.2).

Линейная структура указывает на связь элемента с двумя соседними элементами. Здесь отсутствуют отношения подчинённости, что свидетельствует о её ненадежности при разрыве какой-либо связи.

Кольцевая структура обеспечивает два направления отношений.

Звездообразная структура имеет центральный командный узел, с которым связаны все остальные узлы системы.

Иерархическая структура поддерживает неравноправность связей между элементами, проявляющаяся в том, что воздействие в одном из направлений гораздо больше влияет на элемент, нежели в другом. Введение иерархии упрощает создание и описание системы, позволяет рассматривать связи на различных структурных уровнях (концептуальном, топологическом и др.). Однако любая иерархия сужает возможности и гибкость системы при существенных изменениях в окружающей среде;

Полносвязная структура считается наиболее сложной, но обладает высокой надёжностью. В ней каждый элемент связан со всеми имеющимися элементами. Если в модели отсутствует одна или несколько межэлементных связей, то она считается сетевой.

Комбинированная структура представлена совокупностью вышеприведённых структур.

Структуры в зависимости от степени устойчивости межэлементных отношений подразделяются на:

1. детерминированные (в них отношения либо зафиксированы, либо изменяются по некоторому (предопределённому) закону);

2. нечёткие (межэлементные отношения задаются нечёткими множествами);

3. хаотические детерминированные и случайные (стохастические). Детерминированный хаос проявляется в неустойчивых нелинейных системах с ограничениями. В структурах со случайным хаосом элементы вступают в отношения друг с другом непредсказуемым образом (например, броуновское движение частиц);

4. смешанные.

Функциональные и структурные модели сущностей могут быть удачно заданы графами. Создание таких моделей, как правило, связано с декомпозицией – расчленением на ряд компонентов или частей для упрощения анализа и правильности выбора функций и структурных компонентов и системы в целом.

Параметрические модели отображают множество свойств, характеристик и параметров объектов и их компонентов различных уровней сложности. К таким моделям относятся, в частности, спецификации на сборку изделий, оформление нормативно-справочной информации, двух- и трёхмерные изображения деталей, узлов, процесса сборки изделия.

При разработке и проектировании сложных объектов зачастую на разных уровнях расчленения системы используют модели, обобщающие возможности функциональных, структурных и параметрических моделей. К их числу относятся, в частности, процедурные, географические, топографические и геометрические модели.

Процедурные модели диктуют порядок взаимодействия элементов оригинала при выполнении различных операций (например, в ходе процедур принятия решений, деятельности проектировщиков) при реализации тех или иных функций объекта. В состав последних могут входить модели операций, надёжности и живучести.

Географические модели отражают пространственное местоположение и отношения элементов географического объекта (участка, цеха, технологических систем, городского хозяйства, флоры и фауны).

На базе топографических моделей изучаются элементный состав и внутренние межэлементные связи оригинала. Чаще всего такие модели – это графы, матрицы инцидентности (матрица, хранящая информацию о связях элементов в объекте или процессе) или смежности (матрица, хранящая информацию о структуре графа. Элемент матрицы содержит информацию о связи). В общем случае граф определяет две математические величины – множество и соответствие. Так как граф изображается совокупностью связанных определённым образом точек, то математически он описывается множеством вершин и соответствий. Для каждой вершины указывается соответствие, которое представляет собой множество вершин, соединённых дугами с рассматриваемой вершиной.

Геометрическая модель может быть:

· представлена математическим описанием (часто параметрической моделью);

· визуализирована в форме плоского или объёмного изображения;

· представлена фотографическим снимком, отображающим разнообразные геометрические характеристики деталей и узла конструкции; параметры, определяющие форму и положение в пространстве.

На основании геометрических характеристик деталей можно вычислять их массы, центр масс, моменты инерции, жёсткость и демпфирование.

При компьютерном геометрическом моделировании легко изменять размеры модели при заданной топологии изделия и архитектурного объекта, организовать ввод-вывод графической информации. Геометрическое представление, реализуемое средствами компьютерной графики, является одним из основных компонентов проектных процедур прикладного математического обеспечения компьютерного проектирования конструкций, траекторий движения инструмента, домов, строений и т. д.

Алгоритмические модели. Моделирующие алгоритмы предназначены для отображения поведения реальных систем, систем вычисления и обработки информации.

Природа моделей

Материальные модели формируются из реальных объектов либо их частей исходя из объективных законов природы. Моделирование с их использованием более адекватно, но диапазон его возможностей определяется существующими у физических процессов и объектов ограничениями.

Натурные модели предполагают проведение исследований на реальном объекте с последующей обработкой результатов на основе теории подобия.

Полунатурные модели содержат части натуры и физические либо иные заменители элементов оригиналов. В состав такой модели может быть включён и исследователь. Любой тренажёр – пример полунатурной модели. Например, при изучении процессов резания на токарном станке работа системы числового программного управления может быть имитирована работой её аналоговой либо программной модели.

Физические модели могут воспроизводить изучаемый объект или процесс с сохранением его физической природы, реализовать другие аналогичные физические явления (механические, тепловые, электрические, гидравлические, магнитные и др.). Так, изучение поведения во времени механической системы, состоящей из нагруженной пружины, закреплённой одним концом (рис. 7.3), возможно путём исследования процессов в LCR – электрической цепи.

В ходе изучения можно воспользоваться объектом, идентичным оригиналу по форме, но иных размеров, например, моделью самолёта в аэродинамической трубе.

Сходство физических явлений предполагает сходство их математических описаний.

Абстрактные модели сущностей - это продукты чувственного восприятия и деятельности абстрактного мышления человека в виде информации. Первоначально в сознании человека возникают мыслительные модели, которые в последующем представляются в виде материальных и абстрактных моделей. В зависимости от степени привлечения средств формализации абстрактные модели могут быть описательными и формальными. Они выражаются посредством:

l знаковой (семиотической) модели, в которой свойства оригинала представляются условными символами. В таких моделях связи между символами задаются правилами, принятыми в той области, к которой относится знаковая модель;

l образной (иконической, пиктографической) модели, отражающей свойства оригинала наглядными чувственными образами, имеющими прообразы среди элементов оригинала либо сущностей реальности;

l образно-знаковой модели, обладающей признаками семиотических и иконических моделей. Чертежи, схемы, графики, таблицы – примеры таких моделей.

Описательные модели представляют описания сущностей, которые в дальнейшем могут быть представлены формальными моделями. Если описание фиксирует свойства предмета лишь качественно, без очевидной функциональной связи между ними, то имеет место эвристическая модель. Она формируется при недостатке либо большом объёме количественной информации, слабой изученности объектов, процессов и явлений. В частности тогда, когда требуется осуществить:

а) выбор физических принципов действия создаваемых объектов;

б) обоснование полезных и вредных воздействий;

в) трактовку результатов исследований и принятие окончательного решения – создание оригинальной рекламной и производственной продукции.

Для получения таких моделей обычно привлекают экспертов и лиц, принимающих решения (ЛПР). В поиске требуемого решения они руководствуются:

l способами генерации поисковых стратегий, базирующихся на логике мышления и развития техники и технологий;

l методами и формами организации поисковой деятельности и управления ею;

l методами настройки, регулирования и активизации своего психофизиологического и творческого состояния;

l имеющимися традиционными и электронными информационными базами.

Можно выделить три группы методов, обеспечивающих получение эвристических моделей и решений:

1. Методы случайного поиска, основанные на интуиции человека и использовании некоторых средств активизации его мышления. К их числу относят метод проб и ошибок; метод ассоциаций и аналогий; метод фокальных объектов; метод мозгового штурма; синектику; список контрольных вопросов Осборна.

2. Методы систематизированного поиска, опирающиеся на правила и закономерности рационального мышления. Примерами таких методов считаются матричные методы (метод морфологического ящика – нахождение вариантов решений в ходе комбинирования свойств выделенных элементов); метод матриц открытия; метод QUCS, отображающий наиболее значимые и возможные признаки искомых предметов; вепольный анализ (предложен Г. С. Альтшуллером для решения технических задач на структурном уровне); метод Коллера; графовые методы (методы анализа иерархии PATTRN, SEER), ориентированные на получение сетевой либо иерархической структуры влияний признаков, приводящей к решению проблемы.

3. Методы логического мышления, ориентированные на последовательное использование некоторых целеустремлённых предписаний. В частности, таковыми являются метод Бартини; обобщённый эвристический алгоритм поиска новых решений; алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ-77, АРИЗ-85В).

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒