Информационный и вычислительный эксперимент

Эксперимент всегда включает в себя числовую обработку резуль- татов с использованием статистических методов. Для информати- зации этой обработки широко применяются компьютеры с доста- точно большим числом специальных программ, что позволяет со- кратить время статистической обработки полученных данных и представляет возможности многовариантных расчетов. Компью- терные программы позволяют выбрать вид анализа входных дан- ных, представить их в графическом изображении, отразить величи- ны ошибок измерений на диаграмме.

Известно, что в научных исследованиях применяются раз- личные виды эксперимента - информационный и вычислительный, вещественный и энергетический, модельный и технологический, однофакторный и многофакторный, социометрический и другие. В процессе различных экспериментов информационная техника при- меняется в различной степени. Особенно широко информатика применяется в таких видах эксперимента, как информационный, вычислительный и модельный.

Информационный эксперимент применяется для исследова- ния воздействия различной информации на изучаемый объект. Об- ласть применения информационного эксперимента - биология, ки- бернетика, социология и некоторые другие науки.

Информатизация науки привела к появлению нового метода исследования сложных систем и процессов - вычислительного или машинного эксперимента. Этот вид эксперимента основан на при- кладной математике и применении информационных технических средств для создания моделей изучаемых объектов. Вычислитель- ный эксперимент нацелен на создание специфической модели изу- чаемого явления или процессов. Эти модели формируются при по- мощи математических уравнений, отражающих свойства объекта. Однако эти уравнения трансформируются в модели, когда их зна- чениям придается физический смысл и характеристики этих урав- нений приходят в соответствие со свойствами изучаемого объекта. Следовательно, вычислительный эксперимент базируется на мате- матической модели и на методах вычислительной математики.

Собственно говоря, термин < эксперимент> имеет в этом слу- чае условный смысл, так как ученый здесь не экспериментирует с материальными объектами и процессами, а изучает описывающие их математические модели. Однако способы его реализации имеет

значительное структурное сходство с методикой реального экспе- римента. Знаменательно, что в процессе вычислительного экспери- мента могут вносится различные модификации, проигрываться различные ситуации, проверяться разные гипотезы.

Применение методов вычислительной математики и матема- тического моделирования позволило определить основные этапы вычислительного эксперимента, которые в современной теории научных исследований получил следующий вид (см: Основы науч- ных исследований. М., 1989, с. 275-276).

1 этап - Построение для исследуемого объекта сначала физи- ческой модели, которая как бы сортирует все факторы изучаемого явления на главные, которые отображаются в физической модели, и второстепенные, от которых абстрагируются. Формулируя допу- щения, условия и границы применимости созданной физической модели, ее описывают системой уравнений и таким образом вместо физической создают математическую модель.

2 этап - Разрабатывается метод расчета сформулированной математической задачи в виде вычислительного алгоритма, состо- ящего из совокупности математических формул и последователь- ности их применения.

3 этап - Разработанный вычислительный алгоритм перево- дится на машинный язык для чего разрабатывается алгоритм и про- грамма решения задачи на компьютере.

4 этап - На компьютере производятся расчеты и их результа- ты, представленные в виде некоторой цифровой информации, рас- шифровываются.

5 этап - Производится обработка полученных результатов расчетов и делаются соответствующие заключения.

Таким образом, вычислительный или машинный эксперимент основывается на применении информационной техники. Информа- тизация вычислительного эксперимента обеспечила его широкую применимость в тех научных исследованиях, где натурные экспе- рименты и построение физической модели невозможны.

Вычислительный эксперимент тесно связан с таким специ- фическим и широко распространенным методом научного позна- ния, как моделирование. Напомним, что метод моделирования - это воспроизведение свойств объекта познания на специально устроен- ном его аналоге - модели. Последняя представляет собой уловный образ или образец познаваемо предмета или процесса. Между ори-

гиналом и его моделью должно быть подобие, сходство в каком- либо отношении. В современной науке модель - это такая мыслимо представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект, способна замещать его так, что её изучение дает нам новую информацию об этом объекте. Ко- нечно, модель по своему содержанию беднее объекта. Давая упро- щенное представление о реальных явлениях, процессах и объектах, она отображает какой-то аспект, сторону объекта. Так, кинематиче- ская модель станка, отображая его кинематику, не дает информа- ции о его структуре или степени надежности того материала, из которого изготовлен станок. Но достоинства модели заключается в том, что она дает возможность получить определенную информа- цию об объекте в его отсутствии. Модель есть своеобразная форма кодирования информации. Применение информационной техники для решения сложных научных проблем требуют соответствующе- го их переформулирования с обычного языка на математический с целью создания математических моделей. Происходит математиза- ция информации и на первый план выдвигаются модели, имеющие вероятностно-статистический характер, описывающие сложные, самоорганизующиеся системы.

Существуют различные виды моделей. В одном случае раз- личают материальные (геометрически, физически и структурно подобные) и идеальные (образные, знаковые и смешанные). В дру- гом - концептуальные и кибернетические, квазианалоговые и элек- тронные. Информационная технология имеет особенно широкое применение при электронном моделировании, которые имеют дело с синтезом цепей - моделей различных объектов. Электронные мо- дели широко применяются при проектировании и эксплуатации больших технических систем. Они позволяют исследовать предме- ты и процессы на основе создания моделей из комбинированных операционных блоков и последующего проведения синтеза моде- лей. На базе комбинации операционных блоков создаются аналого- вые машины, связанные с компьютером.

Компьютеры в одном случаем моделируют в натуральном времени происходящие процессы. В таком случае данные для вы- числения поступают в компьютер непосредственно от изучаемой или управляемой системы. В другом - отсутствует надобность в моделировании темпа объективного процесса и его темпы можно изменить. Но во всех случаях нужно учесть, что компьютер не мо-

делирует какой-либо конкретный процесс или предмет, Он на ос- нове анализа полученных данных вычисляет определенную функ- цию, создавая формальную модель - алгоритм вычисляемой функ- ции. Вместе с этим алгоритмом компьютер может рассматриваться как модель, обеспечивающая решение определенной задачи.

Отметим, что вполне естественное стремление исследовате- лей вмешаться в процесс исследования и управлять им в последнее время породило эргатическое моделирование, требующее измене- ния в подходе к программированию. Этот видоизмененный подход к программированию в сочетании с вычислительной техникой явился основой появления новых моделей - гибридных.

Современная информационная техника дает возможность представить модели при необходимости в наглядно объемной фор- ме благодаря компьютерной графике, методы которой наделили компьютеры способностью создавать изображения модулируемых объектов Реальный сдвиг в растровой графике произошел с появ- лением на рынке в первой половине 70-х годов интегральных схем запоминающих устройств с произвольным доступом, имеющих большой объем памяти и приемлемую стоимость.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: