Понятие об информационном моделировании

2.7.1. Общие принципы моделирования

Модель — это естественный или искусственный объект, используемый для достижения некоторой цели как заменитель другого объекта — оригинала.

Оригиналом может быть, например:

• природная, социальная, политическая, техническая система;
• ситуация, возникающая в любой из этих систем;
• явление или процесс в некоторой системе;
• живое существо в разнообразных проявлениях (физиологических, поведенческих и др.);
• человек как обладатель того или иного социального, эмоционального, психологического, коммуникативного и ролевого статуса.

Моделирование основано на идее абстрагирования. Абстракция — это отвлечение от частных и несущественных сторон рассматриваемого объекта для того, чтобы сосредоточиться на общих, основных, существенных.

Модель строится:

• на основе сложившегося представления об объекте;
• в соответствии с целями моделирования;
• с учетом сведений, которые будут при этом нужны и доступны;
• с учетом средств, на основе которых модель можно создать.

По последней позиции этого списка различают ментальные (мысленные), материальные (имеющие физические свойства) и информационные модели (о них будет сказано дальше).

Модель не должна и не может быть идентична оригиналу — она отражает те свойства, черты, стороны и признаки, которые существенны с точки зрения целей моделирования; выбор модели подчиняется этому принципу.

Пример — различные модели человека:

• манекен в витрине магазина;
• манекен-«охранник» в автомобиле;
• манекен с датчиками при испытаниях техники;
• скелет в аудитории медицинского института;
• огородное пугало;
• фотомодель;
• «живец» в полицейской операции («ловля на живца»);
• фотография, художественный портрет;
• фоторобот разыскиваемого лица;
• рентгеновский снимок, анализ крови, кардиограмма;
• личное дело в деканате, в кадровой службе;
• средний балл успеваемости за семестр, год, пять лет;
• набор спортивных результатов;
• диплом вуза с выпиской о предметах и оценках;
• резюме (curiculum vitae) специалиста при поиске работы;
• психологический тип — холерик, сангвиник, флегматик, меланхолик;
• брачное объявление.

Нетрудно выделить отражаемые этими моделями черты и свойства оригинала, а также определить по составу модели цели ее использования.

2.7.2. Информационное моделирование

Для наших целей этот вид моделирования особенно важен. Информационные модели — это представленные в виртуальной форме упорядоченные наборы данных об объекте-оригинале и связей между этими данными. Возможны различные виртуальные формы представления моделей:

• структурированное текстовое описание;
• математические и логические формулы;
• графические схемы;
• матрицы связей;
• иерархические деревья;
• диаграммы и графики;
• рисунки и фотографии;
• звуковые файлы.

Приведем примеры виртуальных форм модели«девушки — цветы»

Ситуация (оригинал):

Аня любит флоксы, розы, нарциссы, гвоздику.

Нарциссы любит также и Валя.

Вкусы Бэллы те же, что у Ани, кроме гвоздики.

А вот Валя как раз гвоздику очень любит.

Сетевая модель

 

Иерархическая модель

Реляционная модель

Девушки Цветы	Аня	Бэлла	Валя
Гвоздика
Нарцисс
Роза
Флокс

Стадии создания и использования информационной модели таковы:

• формирование стартовой приблизительной ментальной (мысленной) модели;
• конкретизация целей и средств моделирования;
• оценка пользователя результатов и выбор формы их представления;
• оценка ресурсов (сроки, исполнители, финансы, программы и др.);
• структуризация проблемы;
• обзор аналогий, образцов и т. п.;
• стартовый перечень факторов и связей;
• оценка качества и возможностей получения данных;
• формирование и виртуальное представление уточненной модели;
• построение алгоритма использования модели;
• выбор средств компьютерной поддержки;
• реализация алгоритма;
• анализ полученных результатов;
• корректировка (при необходимости) использованной модели;
• целевое применение результатов.

Информационные модели можно разделить по ряду признаков:

1. по главным свойствам оригинала (предметная область, тип объекта);
2. по степени общности и универсальности;
3. по требуемой степени адекватности (грубая — тонкая);
4. по назначению (классификационная, презентационная, операционная, имитационная);
5. по отношению к текущему времени (диагностические — прогностические).

Разъясним четвертую и пятую позиции этого списка.

Классификационные модели служат для отнесения объекта-оригинала к тому или иному виду (типу, категории, разряду и т. д.).

Презентационные модели создаются для ознакомления пользователей с оригиналом (фирмой, изделием, творческим коллективом, индивидуумом).

Через операционные модели могут управляться различные автоматические системы, в том числе роботы.

Имитационные модели используются, главным образом, для выяснения последствий множественных случайных воздействий на объект-оригинал. Этот вид моделей будет подробно изучаться на II курсе в рамках дисциплины «Имитационное моделирование экономических процессов».

Диагностические модели дают возможность выявлять скрытые свойства и характеристики объектов-оригиналов.

Прогностические модели позволяют обоснованно предсказать некоторые характеристики объекта-оригинала, вплоть до глобального масштаба (прогнозы погоды, развития эпидемий, экономического состояния; прогноз потепления мирового климата).

Понятие системы

Подробно различные аспекты теории, технологий и эксплуатации информационных систем изучаются в рамках одноименной дисциплины «Информационные системы» и ряда специальных дисциплин, преподаваемых на последующих курсах. Материал данного параграфа представляет собой краткое введение в тему.

2.8.1. Структура и свойства систем

Система — это сложный объект, представляющий совокупность взаимодействующих разнотипных объектов более простой структуры, которые определенным образом связаны между собой и образуют некоторую целостность. Входящие в систему объекты называют элементами системы, а связи между ними — системообразующими.

В системном мышлении важную роль играет принцип иерархии. В данном применении этот термин означает некую многоуровневую структуру.

Элементы системы чаще всего сами является системами более низкого уровня — в таком случае их называют подистемами. У таких подсистем могут быть свои подсистемы и т. д. В свою очередь, основная система обычно сама является частью некоторой надсистемы. Эта надсистема может входить в надсистему еще более высокого порядка и т. д.

Системный характер объединения всегда связан с определенной формой организации. Такая организация присуща только объединению как целому и не присуща отдельным элементам. Именно поэтому система обретает свойства, которых нет у ее элементов и которые превосходят сумму свойств элементов. Например, жизнь — это процесс целостного функционирования биологической системы (организма), изолированным органам в нормальных условиях она не свойственна. Вычислительная система, включающая компьютер и комплекс программных средств, способна вести автоматическую обработку информации, а «пустой компьютер» и «бесприютные программы» делать этого не могут.

Трактовка системы как единого целого называется принципом холизма (от греч. holos — целый, весь). Этот принцип обратен элементаризму, который рассматривает целое как сумму его отдельных частей.

С позиций холизма к системам различной природы — социальным, биологическим, физическим, организационным, экономическим, техническим и т. д. — можно в определенных пределах применять одинаковые принципы и методы описания, классификации, анализа и синтеза.

Еще один важный элемент системного мышления — открыто-системный подход:системы можно рассматривать как открытые или закрытые. Деление это в определенной мере условное, скорее надо оценивать степень открытости или закрытости.

Открытость системы означает, что она обменивается информацией, энергией или материей с окружающей средой, закрытость — обмена нет.

Социальные, биологические, организационные, экономические системы по своей природе открыты, а вот технические и некоторые физические могут быть как открытыми, так и закрытыми.

С открыто-системнымподходом связано понятие границ системы. Эти границы отделяют ее от окружающей среды. У открытых систем границы между ними и надсистемой проницаемы. У относительно закрытых систем границы устойчивы и непроницаемы. Границы довольно легко определить в биологических, физических, экономических и технических системах, но трудно в социальных и организационных.

Для открытых систем бывает удобно применять модель «черного ящика» (иногда ее называют моделью «вход–преобразование–выход»): при взаимодействии с окружающей средой она получает оттуда различные входные данные, преобразует их и возвращает обратно в окружающую среду. В основном это относится к информационному обмену, но возможен также материальный или энергетический обмен.

2.8.2. Обратная связь и контур управления системы

Если для системы свойственно поддерживать устойчивое состояние, это осуществляется с помощью обратной связи. Информация об изменяющихся «критических» характеристиках и состояниях системы возвращается в виде входных данных в ее регулирующие элементы; анализ этих данных может инициировать воздействие на другие характеристики системы и восстановить ее общее приемлемое состояние.

Обратная связь чаще бывает отрицательной («помещение перегрелось — откроем форточку»), но возможны и варианты положительной связи.

В качестве носителя данных большей частью используются сигналы.

Для реализации обратной связи в системе создается контур управления по следующей схеме:

• субъект управления (человек, автомат, социум)
• управляющее воздействие
• управляющие сигналы
• преобразование сигналов
• канал передачи сигналов
• преобразование сигналов
• объект управления (человек, машина, процесс)
• признаки восприятия объектом сигналов субъекта
• новая информация о состоянии системы
• новое управляющее воздействие.

Сигналы от субъекта управления к объекту и сигналы обратного направления обычно передаются по разным каналам. От качества этих каналов (пропускная способность, помехоустойчивость, защищенность) существенно зависят критические характеристики системы в целом.

2.8.3. Информационные системы

Эти системы предназначены для накопления, упорядочения, хранения, поиска и выдачи информации по запросам пользователей. Они широко распространены. В частности, в нашем Университете такой системой является ЭУМК — электронный учебно-методический комплекс, ориентированный на аудиторную и самостоятельную учебную работу студентов. Его интерфейс (система общения с пользователем) достаточно прост, что особенно важно для публичных (рассчитанных на массового пользователя) систем. Вводится в эксплуатацию информационная система библиотечных ресурсов «Ирбис».

Программное обеспечение

Программное обеспечение является неотъемлемой частью компьютерной вычислительной системы (ВС). Программное обеспечение (ПО) выполняет основные функции управления всеми аппаратными средствами ВС в процессе обработки информации.

ПО разделяют на системное и прикладное.

Системное ПО предназначено для организации выполнения заданий по обработке информации, для автоматизации разработки прикладных программ, для эксплуатации и технического обслуживания аппаратных средств ВС.

Прикладное ПО непосредственно предназначено для решения задач обработки данных.

Основной, базовой частью системного ПО является операционная система (ОС) — совокупность программных средств для управления выполнением прикладных программ, в том числе в условиях многозадачной работы, управления вводом-выводом данных, обеспечения диалога с пользователями.

Современные ОС дополнительно оснащены полезными встроенными прикладными программами общего назначения (для работы с текстами средней сложности, графикой среднего уровня качества, простейшими расчетами и др.), мощными программами для работы с файловой системой и иными полезными компонентами.

Под управлением ОС работают драйверы — специальные служебные программы для совместной работы с периферийными устройствами ВС.

Изучение операционных систем будет проводиться на II курсе в рамках дисциплины «Операционные системы, среды и оболочки».

Из других компонентов системного ПО назовем инструментальное ПО, предназначенное для разработки компонентов прикладного ПО; в частности, к нему относятся системы программирования на языках высокого уровня.

Состав прикладного ПО зависит от характера работ, выполняемых на данной ВС. Как правило, он включает комплект программ офисного назначения (для работы со сложными текстами, расчетами, базами данных, графикой и т. д.), программы для работы в Интернете. Остальные компоненты включаются в состав ПО при появлении соответствующих задач обработки информации.