ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 22
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Уральский государственный лесотехнический университет»
Сообщение
по дисциплине: «Компьютерное моделирование»
на тему: «Основные понятия моделирования»
Выполнил студент группы
Проверил преподаватель:
Екатеринбург
2022
Объект моделирования (объект-оригинал) – некоторая часть окружающего нас мира, реальной действительности (предмет, процесс, явление), которая может быть 9 рассмотрена как единое целое. Под моделью мы будем понимать объект произвольной природы, отражающий свойства, характеристики и связи моделируемого объекта (объекта-оригинала), которые считаются существенными для решения поставленной задачи. В идеальном случае модель отражает только главные свойства объекта моделирования и не отражает несущественные свойства. Однако модель, как самостоятельный объект, имеет и свои собственные свойства, которые никак не связаны с моделируемым объектом. Главное назначение модели состоит в упрощении получения информации о свойствах объекта-оригинала для решения конкретных задач практической деятельности. Полное соответствие модели оригиналу невозможно по определению (рис. 1.1). В этом случае теряются все преимущества моделей, так как мы будем иметь второй экземпляр объекта-оригинала с малодоступным для изучения бесконечным набором свойств.
Самое распространенное представление о модели связано с материальной моделью, например, с макетом. Однако моделью является экспериментальная установка, словесное описание объекта-оригинала, его мысленный образ и т.д. Понятие модели включает в себя следующие основные компоненты: объекторигинал; решаемая задача; характер отражаемых свойств объекта-оригинала; способ построения и способ реализации модели. Решаемая задача является одним из главных элементов, определяющим характер создаваемой модели. Именно задача определяет отбор существенных свойств моделируемого объекта, вид и способ построения модели. Без связи с конкретной задачей понятие модели не имеет смысла.
Ряд факторов определяют множественность моделей, используемых для описания и исследования объекта:
-
Любой объект имеет бесконечное количество свойств, следовательно, для его разностороннего изучения необходимо построить множество моделей, каждая из которых будет отображать определѐнную группу его свойств; -
Для одного и того же объекта, для отображения одних и тех же свойств, можно построить множество моделей разными способами в зависимости от целей моделирования и доступных средств. -
Так как созданием моделей занимается человек, то построенная модель зачастую существенно зависит от его субъективных предпочтений. -
В зависимости от решаемой задачи для одного и того же объекта, одним и тем же способом, для отображения одних и тех же свойств можно построить множество моделей с разной степенью детализации описания свойств объекта.
Таким образом, технология моделирования подразумевает вариативность в выборе типов моделей и получении ряда различных моделей, которые различаются степенью детализации описания объекта моделирования.
В любой деятельности по созданию новых систем и технических устройств всегда имеется образ будущего объекта. Этот образ первоначально задается в виде технического задания на проектирование. Затем в ходе проектирования создается модель новой технической системы, которая позволяет получить информацию о свойствах еще не существующего объекта. Этим обеспечивается создание объекта с заданными (желаемыми) свойствами. Можно сказать, что моделирование является обязательным элементом во всякой целесообразной деятельности. Условно можно разделить модели на две группы: познавательные и прагматические. Познавательные модели являются формой представления знаний. Поэтому при обнаружении расхождения между моделью и реальностью возникает задача устранения этого расхождения с помощью изменения модели. Познавательная деятельность ориентирована в основном на приближение модели к реальности, которую модель отображает (рис. 1.2а). Познавательные модели широко используются в естественных науках. Примером познавательной модели может служить модель солнечной системы.
Прагматические модели являются средством организации практических действий, являются отображением цели. Примерами прагматических моделей могут служить проекты, рабочие чертежи и т.п. Прагматические модели носят нормативный характер, играют роль стандарта, образца, под который «подгоняются» как сама деятельность
, так и ее результат. Действительно, при создании нового объекта (например, строительство здания) отклонение от проекта считается недопустимым. Рассмотрим основные функции моделей в современной науке, технике и практической деятельности. Еще раз подчеркнем, что главное назначение моделей
– упрощение получения информации об объекте моделирования. Вместе с тем модели выполняют и ряд других важных функций:
- познавательная функция (получение новых знаний, познание законов функционирования объекта); - передача информации и знаний;
- решение задач оптимизации и управления состоянием объекта;
- создание объектов с заданными свойствами;
- диагностика состояния объекта, прогнозирование его поведения или прогнозирование развития процесса;
- имитация объектов и создание тренажеров;
- разработка игровых моделей и моделей обучения.
В целом моделирование – это общенаучный метод изучения свойств объектов и процессов по их моделям, используемый в целях познания, исследования, проектирования, принятия решений.
Процесс моделирования можно представить в виде нескольких этапов: реальный объект → построение модели → изучение модели → получение знаний об объекте на основе модельных экспериментов → перенос результатов моделирования на реальный объект.
Термин «моделирование» используется также и для обозначения собственно процесса построения модели. В этом смысле он понимается как технология построения моделей.
Первоначально, при создании модели, от нее в первую очередь требуется отображение свойств объекта моделирования, актуальных для решения задачи. Далее, при экспериментах с моделью возможен прогноз поведения объекта-оригинала в иных ситуациях по сравнению с теми, на основе которых модель создавалась. При этом сведения, полученные в ходе моделирования, т.е. исследования модели, объективно представляют собой информацию о свойствах самой модели, поэтому далее они должны быть перенесены на оригинал на основе определенных правил перехода с целью предсказания свойств уже самого объекта моделирования. В принципе существует два пути исследования любого объекта или процесса: прямое изучение объекта-оригинала или изучение объекта по его модели. Естественно, что во многих случаях используется и моделирование, и прямое изучение объекта моделирования.
Необходимо признать, что моделирование особо актуально в следующих случаях:
1. Объект либо ещѐ, либо уже не существует, однако необходимо изучить его свойства. Так, например, методами математического моделирования была реставрирована картина развития процессов при падении Тунгусского метеорита, а на основе анализа результатов моделирования были качественно объяснены все последствия падения космического тела и определены его параметры. Модель изменения климата вследствие ядерного конфликта убедительно доказала реальную возможность развития глобальной экологической катастрофы (ядерная зима) и неприемлемость применения ядерного оружия даже в ограниченном варианте. Как уже отмечалось ранее, любое производство предусматривает проектирование. Результатом проектирования является модель будущего объекта, который после его создания (производства) должен обладать определенными свойствами.
2. Масштаб времени реальных процессов или геометрические размеры объекта несоизмеримы с возможностями нашего восприятия. Моделирование позволяет изучать и весьма быстрые (химические и ядерные реакции) и достаточно медленные процессы (старение материалов, движение материков и т.п.), микро и макроскопические объекты (модель атома и модель планеты Земля).
3. Реальный объект или процесс недоступен для прямого изучения. Средства наблюдения (измерения) способны существенно исказить естественный ход событий, либо прямые измерения в принципе невозможны. Такие ситуации возможны и в технике, и в фундаментальных науках, и в социально-экономической сфере. 12
4. Эксперименты с реальным объектом дороги или слишком опасны. Подобная ситуация имеет место в экономических и социальных науках, где эксперименты с реальными системами могут привести к необратимым катастрофическим последствиям. Всем известно, чем закончился натурный эксперимент на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС.
Таким образом, модель служит для получения информации об объекте исследования, которую затруднительно или невозможно получить путем непосредственного исследования оригинала, во многих случаях моделирование – это единственно возможный путь изучения объектов и процессов.
Рассмотрим три типовые задачи моделирования:
Прямая задача моделирования. Требуется определить реакцию объекта или его поведение в ответ на известное внешнее воздействие. Решение данной задачи выполняется с помощью проведения модельных экспериментов. Такие задачи возникают в ходе изучения свойств объектов или процессов.
Обратная задача моделирования. Реакция объекта известна или задана, требуется определить, какое внешнее воздействие способно вызвать подобную реакцию. Для решения этой задачи необходимо также иметь уже разработанную модель. Обратные задачи актуальны, например, в управлении: как необходимо воздействовать на объект, таким образом, чтобы он сохранял заданное состояние или выполнял необходимые действия.
Задача идентификации или синтеза модели. Известно внешнее воздействие на объект, известна реакция объекта, требуется определить параметры модели объекта или построить собственно модель. Подобная задача возникает в тех случаях, когда модель в целом разработана, но требуется по результатам испытаний или экспериментов с реальным объектом определить некоторые ее параметры. Если модель еще не разработана, то методами математической статистики и регрессионного анализа можно построить чисто формальную модель объекта типа «черный ящик».
Рассмотрев основные понятия моделирования, области его применения, решаемые задачи можно перейти к следующему разделу, посвященному особой роли моделей в науке и технике.