Виды моделирования и их класификация

В статье поговорим о видах моделирования. Их довольно много, и каждый имеет множество отличительных особенностей.

Моделирование

Прежде чем рассматривать виды моделирования процессов и явлений, поговорим об их общей классификации. Она очень сложна и запутанна в силу того, что само понятие «модель» имеет много значений в разных областях науки и техники. Классификация возможна с упором на разные основания. Так, она может происходить:

• по характеру объектов моделирования;
• по характеру самих моделей;
• по сферам использования (в физических науках, технике, моделирование психики и т. д.);
• по уровням моделирования (микроуровень, макроуровень, мезоуровень).

При этом надо понимать, что в этом вопросе никакая классификация не будет достаточно полной. Надо учитывать тот факт, что каких-то конкретных правил, по которым происходит распределение групп моделирования, нет. Чаще всего это опирается на практические, научные или языковые традиции. Гораздо чаще всё решают определенные задачи и условия в конкретном случае.

Классификация по характеру моделей

Виды методов моделирования довольно разнообразны, поэтому мы будем рассматривать не одну, а несколько классификаций. Главнейшая из них касается распределения по характеру моделей:

1. Знаковое моделирование, в котором объектом является чертеж, схема или формула. Такие модели стали довольно популярны после развития ЭВМ.
2. Мысленное моделирование, которое заключается в том, что мысли становятся наглядными. Для примера можно взять известную модель атома, которую предложил Нильс Бор.
3. Аналоговое моделирование, при котором оригинал и сама модель описываются при помощи одного и того же математического соотношения. Для примера можно привести электрические модели, которые просто незаменимы при исследовании механических явлений.
4. Предметное моделирование является самым популярным. Оно заключается в том, что в качестве модели могут выступать физические, геометрические, функциональные или геометрические свойства объекта. Для примера приведем модель корпуса швейной машинки или модель сооружения.
5. Модельный эксперимент. Этот вид стоит обособленно, так как в таком случае в эксперименте участвует не сам объект, а его модель, наделенная всеми необходимыми качествами. Этот метод идеально демонстрирует, насколько условна грань между эмпирическим и теоретическим познанием.

Предмет

В разрезе видов моделирования рассмотрим каждый из них отдельно. Техническое, или же предметное, моделирование используется при решении практических задач. Именно поэтому оно так популярно и востребовано. В его основе лежит анализ и теория подобий. Важное условие такого моделирования – это пропорциональность величин, которые характеризуют реальный объект по отношению к величинам модели. Наличие пропорциональной связи очень важно, так как оно позволяет варьировать полученные экспериментальные результаты для реального объекта путем умножения полученных значений на единый коэффициент.

Выражая коэффициенты подобия определенных величин через коэффициенты подобия других величин можно получить безразмерные комбинации для модели и реального предмета. Именно эти комбинации и являются критериями подобия.

Вторым необходимым условием предметного моделирования является полное равенство всех параметров модели и реального объекта. Однако не всегда удается достичь такого равенства. Именно поэтому на практике исследователи часто используют приближенное предметное моделирование, при котором равенство есть не среди всех элементов. Надо заметить, что определить и установить все критерии подобия крайне сложно, а иногда и вовсе невозможно.

Аналог

Виды моделирования систем чрезвычайно разнятся. Аналоговые модели - это такие, которые имеют физическую природу, которая отличается от оригинала полностью, но при этом общим и объединяющим элементом является функционирование оригинала и модели. Для такого вида моделирования обязательно необходима математическая составляющая. В качестве примера аналоговых моделей можно привести пневматические, механические, электрические или гидравлические системы. Описание элементов происходит на логическом и системном уровнях.

Используются специальные соотношения, которые позволяют находить зависимости между реальным объектом и его копией. При этом только в этом методе может использоваться не одна, а сразу несколько моделей. Однако аналоговое моделирование имеет два весомых недостатка. Первый заключается в том, что построение правильной модели требует много затрат финансовых и умственных. Второй недостаток состоит в том, что всё равно точность такого моделирования довольно низка.

Знаки

Виды объектов моделирования могут быть представлены в виде знаков или символов. В таком случае модель может быть представлена в виде различных схем, формул, чертежей и графиков. Разновидностью этого типа является математическое моделирования. Именно символы математики позволяют очень точно и подробно описать свойство, отношения и стороны различных предметов или объектов. При помощи уравнений исследователь выражает взаимосвязи, возникающие в результате функционирования изучаемого предмета.

Численное моделирование на ЭВМ, базой для которого является математика, используется в случаях слишком больших объемов вычислений, которые используются для исследования модели. Для этого создается специальная программа. В таком случае моделью является алгоритм.

Мысли

Многие могут удивиться, но существует мысленное моделирование. Не только виды математического моделирования наиболее трудные, как мы поймем ниже.

Такого моделирования в принципе не может быть, если нет условий для его физического существования. Оно бывает разным. Может быть наглядным или символическим. Давайте немного поговорим о наглядном мысленном моделировании. Это такой вид информационного моделирования, который носит гипотетический характер. То есть он используется в том случае, если реальных и фактических знаний об объекте не хватает для того, чтобы создать формальную модель.

Схожие элементы

Часто она похожа на аналоговое моделирование, когда используются аналогии на различных уровнях. Если объект слишком сложен, то используют разные аналоговые модели, которые отражают несколько или же одну сторону объекта. Также сюда входит макетирование, которое заключается в том, что некоторые процессы, происходящие в реальном объекте, могут просто не поддаваться физическому моделированию или предшествовать ему. Символическое моделирование является искусственным процессом по созданию объекта, который замещает реальный. Но сюда относят языковое моделирование, в основе которого лежит тезаурус. Это словарь, в котором нет никаких неоднозначностей, то есть каждому слову отвечает всего лишь одно понятие. Мы понимаем, что набор слов в тезаурусе все же ограничен. Ещё одним подвидом являются знаковые модели, когда исследователи используют условные обозначения и операции над ними. Таким образом можно составить конкретное описание объекта.

Модельный эксперимент

Модельный эксперимент проводят в том случае, когда прямой эксперимент по разным причинам невозможен или слишком затруднен. Для примера, он может быть просто экономически не выгоден. Суть модельного эксперимента в том, что исследуется не сам объект, а исключительно его модель. Обычно она материальная. Обычно после введения в эксперимент модели исследование усложняется.

Метод экстраполяции

Ученые занимаются подробными теоретическими исследованиями разных сторон объекта для того, чтобы обосновать соотношение между реальным объектом и искусственным, а потом экстраполировать полученные данные. Отметим, что метод экстраполяции заключается в том, что переносятся знания с одной предметной области на другую. То есть с той, которую мы знаем и изучаем, на ту, которая нам ещё неизвестна. Основная функция метода экстраполяции заключается в оптимизации самого процесса познания. К тому же сама процедура переноса знаний только на некоторую часть самостоятельна. В неё, кстати, входят такие методы, как аналогия, индукция, математика, моделирование, статистика.

Виды компьютерного моделирования

Отметим, что моделей очень много. В компьютерном моделировании используются в основном математические, имитационные и графические модели. Изучение их строится на трех этапах. На первом создается модель, на втором этапе она изучается, а на третьем на практике применяются полученные результаты исследования. Математические модели — это знаковые модели, которые могут в числовом соотношении описывать некоторые объекты или процессы. Графические модели — это визуальное представление объекта или процесса, которые настолько сложны, что описать их другим методом для нормального понимания невозможно. Имитационные модели позволяют наблюдать за аналогом какой модели, проводить на ней эксперименты, изменять параметры. Из-за того, что с каждым годом совершенствуется вычислительная техника и вовсю распространяются персональные компьютеры, перед моделированием возникают огромные перспективы развития. При помощи этого метода познания можно не только исследовать окружающий мир и различные процессы, но также заниматься изучением человеческого общества.

Особенности

Главной особенностью компьютерного моделирования является то, что для него очень важно определённое программное обеспечение. Его средствами собственно и осуществляется сам процесс. Программное обеспечение может быть универсальным или же специализированным. Универсальным обеспечением могут пользоваться практически все, оно находится в открытом доступе. Но иногда для эксперимента создаются специализированные программы, которые уникальны. Также компьютерное моделирование отличается тем, что здесь различные виды могут дополнять друг друга. Так, если математическая формула слишком сложная и длинная и не может быть представлена для достаточного понимания, то используют графические или имитационные модели. Отметим, что порой компьютерная визуализация может быть намного дешевле, чем воссоздание реального прототипа объекта. Если модели слишком сложны, а необходимо исследовать каждый элемент, то используют имитацию. Благодаря компьютеру можно воспроизвести определённый цикл временных событий и при помощи специальных программ обработать огромный массив информации. Здесь важно понимать, что компьютер — это мощнейший инструмент для создания и изучения моделей, но всё же он не может их придумывать. Это роль по-прежнему принадлежит человеку. Абстрактный анализ всегда выполняет человек.

Математическое моделирование

Мы рассмотрели виды моделей в моделировании для того, чтобы понимать, что это области очень разнообразна. Они могут быть представлены как сложнейшие формулы, так и как картинки. Чтобы немного подытожить, поговорим о видах математического моделирования. Оно может быть аналитическим, комбинированным или имитационным. Последний вид мы уже рассматривали выше, но немножко в другом контексте, однако останавливаться на нём не будем. Аналитическое моделирование характеризуется тем, что различные процессы описываются в виде функциональных соотношений, например, интегральных, алгебраических, дифференциальных и так далее. Также здесь очень важно логическое условие. При этом аналитическая модель может исследоваться не только аналитическими методами, но численными и качественными тоже. Комбинированное моделирование включает в себя элементы аналитического и имитационного. Это процесс, когда происходит одновременно анализ и синтез информации для объединения её во что-то комплексное. Перед построением комбинированной модели все составляющие разбиваются на подпроцессы. Многие из них заменяются аналитическими моделями. В тех случаях, когда это невозможно, используется имитационное моделирование.

Мы рассмотрели все возможные виды моделей в моделировании. Из этого мы поняли, какой это разнообразный и непростой процесс. В качестве примеров видов моделирования были рассмотрены наиболее распространённые явления.