Министерство образования Российской Федерации Московский Государственный Институт Радиотехники, Электроники и Автоматики (Технический Университет) ФАКУЛЬТЕТ Кибернетики КАФЕДРА Интеллектуальных технологий и систем. Самостоятельная работа по дисциплине: Теория и технология моделирования систем Тема самостоятельной работы: Методологический комплекс системного моделирования: построение и анализ (7 семестр) Студент Морозов Олег Группа ИЖ-1-99 Руководитель Нечаев В.В. 2 Москва 2002 3 Общие вопросы моделирования. Назначение методологического комплекса Моделирование – одна из форм деятельности человека. Модель, с одной стороны – средство познания реального или идеального, мысленно представляемого мира, а с другой – форма и методология отражения реального и идеального мира в искусственно созданных человеком объектах. Моделирование – комплексная методология накопления, организации хранения, обработки, производства и отображения информации. Для построения модели необходимо иметь информацию об объекте моделирования (оригинале) в достаточном для этого объёме. Информация должна быть проанализирована, в необходимой мере обобщена, определенным образом структурирована, т.е. организована. С помощью моделирования решаются задачи анализа и синтеза: Задачи анализа: Анализ объекта моделирования с целью составления того или иного вида описания. Анализ объекта моделирования с целью проверки её адекватности модели и результата решения модельной задачи. Задачи синтеза: Синтез самой модели. Синтез наилучшего результата решения модельной задачи. Часть1. Триада “субъект-объект-модель” А ЭЭ ЭМ FЭМ FЭ FЭ А 0 М F FМЭ М0 АМ М FМ Рис.1.1 Граф-схема триады На рисунке 1.1 представлена граф-схема триады. На этой схема изображены следующие элементы: эксперт по моделированию (ЭМ), объект-оригинал (Σ0) и модель (М0). 1.1. Эксперт по моделированию (ЭМ) – человек или коллектив, обладающий знаниями в области моделирования и выполняющий моделирование некоторого объекта. Инженер моделирования предполагает разработку и создание объекта, который бы замещал оригинал, т.е. некоторой модели как инструментального средства, ориентированного на конкретную задачу моделирования и используемого для решения этой или аналогичной задач. 1.2.Объект моделирования (Σ0) – объект, который необходимо смоделировать. Каждая предметная область деятельности включает в себя совокупности объектов, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой. Моделирование всегда предполагает существования прообраза-оригинала; он может быть в любой области моделирования. 4 1.3.Модель (М ) – образ объекта моделирования. В модели происходит обработка информации и преобразование исходных данных в результате моделирования. Модель можно рассматривать как инструментальное средство, замещающее оригинал и используемое для решения задач моделирования 1.4.Анализ триады на основе бинарных отношений. Все 3 компоненты триады “объект-субъект-модель” взаимосвязаны. Они образуют бинарные сочетания, реализующие между ними эпиморфные отношения: FЭ – восприятие информации об объекте моделирования – эксперт по моделированию изучает объект моделирования, выделяя при этом особенности данного объекта, его свойства. FЭ – воздействие на объект моделирования – для более детального изучения особенностей объекта моделирования эксперт воздействует на объект, изучая его реакцию. FЭМ – построение модели – эксперт по моделированию на основе полученных данных об объекте-оригинале строит модель. FМЭ – изучение полученной модели – эксперт по моделированию после построения модели изучает ее на предмет адекватного замещения объекта-оригинала. Это является условием правильного построения модели. FМ – изучение модели может показать, что объект-оригинал не выполняет свои функции. В этом случае модель дорабатывается, и вносятся изменения в сам объекторигинал. FМ –может получиться, что объект-оригинал имеет новые свойства, которые были ранее не известны. В этом случае необходимо дополнить модель для адекватного замещения оригинала. Также существуют связи исходящие из компоненты и входящие в нее. Это автоморфные отношения: АМ М – предполагается анализ модели с точки зрения ее целевого назначения, функциональных возможностей, структуры, задач, которые рассматриваемая модель позволяет решать. Модель реализуется таким образом, что все последующие изменения основываются на предыдущих, вся заложенная ранее в модель информация отображается снова; А ЭЭ – эксперт по моделированию анализирует имеющуюся информацию и на основе знаний, опыта принимает различные решения; А ΣΣ – под воздействием окружающей среды объект-оригинал может изменяться с целью адаптации к изменениям. 0 В результате взаимодействия между объектом и экспертом в мозгу эксперта происходит формирование некоторой ментальной модели объекта Σ0. Аналитические рассуждения применимы к каждой паре компонент с условием соответствующей адекватной интерпретации. В результате мы смогли записать 6 выражений и 6 схем взаимодействий при анализе триады “объект-субъект- модель” на основе бинарных отношений. Часть2. Модельная деятельность эксперта. Виды и формы деятельности Модельная деятельность эксперта, направленная на создание и использование концептуальных метамоделей (КММ), осуществляется на основе совокупности фундаментальных принципов. Как известно, под принципом принято понимать: основное, исходное положение; первоначало, исходный пункт, предпосылку какой-либо теории или концепции; руководящую идею, основное правило деятельности. КММ должна 5 удовлетворять базовой парадигме принципов, каждый из которых, в зависимости от решаемых задач, имеет соответствующую интерпретацию. Под парадигмой понимают идеологию, теорию или модель постановки проблем, положенную в основу методологии и технологии решения модельных задач. В моделировании деятельность специалиста разбивается на 2 базы: создание и использование модели. С точки зрения методологии осуществления деятельности эксперта, выделяют 2 вида (подхода): теоретический и экспериментальный. С точки зрения целевого назначения, можно указать 2 направления деятельности эксперта: познавательная и созидательная. С точки зрения предмета, на который эта деятельность направлена, выделяют 2 предмета деятельности: объект-оригинал и модель. Структура модельной деятельности эксперта по моделированию изображена на рисунке 2.1. Модельная деятельность ЭМ Теоретическая МДЭ Эксперимент. МДЭ Познавательная МДЭ Созидательная МДЭ Объекторигинал Модель Рис. 2.1 Дихотомическая схема модельной деятельности эксперта 6 Σ0 СΣ RΣ ПΣ ПТ Т СЭ ЭМ RТ RЭ СТ Э ПЭ ПМ RМ СМ М0 Рис. 2.2 Диаграммная схема модельной деятельности эксперта На рисунке 2.2 представлена диаграммная схема модельной деятельности эксперта. В этой схеме используются следующие обозначения: ЭМ – эксперт по моделированию, Σ 0 – объект-оригинал, М 0 – модель, Т – теоретический подход, Э – экспериментальный подход, П – познавательная деятельность эксперта, С – созидательная деятельность эксперта и R – результат деятельности эксперта. 2.1.Макроанализ диаграммы модельной деятельности эксперта В центре схемы находится эксперт по моделированию. Верхняя часть схемы отображает деятельность эксперта связанную с объектом моделирования, нижняя часть – процесс моделирования, левая часть – теоретический подход, а правая – экспериментальный. Таким образом, схема разделяется на четверти: 1) теоретическая деятельность эксперта, связанная с объектом моделирования – изучение объекта моделирования на основе теорий; 2) экспериментальная деятельность эксперта, связанная с объектом моделирования – изучение объекта моделирования на основе экспериментальных данных. 3) теоретическая деятельность эксперта, связанная с разработкой модели – разработка новых подходов к моделированию; 4) экспериментальная деятельность эксперта, связанная с созданием модели – проверка на эксперименте адекватности создаваемой модели; 2.2.Анализ задач моделирования Задачи моделирования могут быть однофазными, двухфазными, трехфазными, четырехфазными и т.д. 2.2.1.Однофазные задачи (общее число – 8): 1) познание объекта-оригинала с получением конкретных результатов: 0 П ЭМ П R ЭМ – эксперт по моделированию изучает объект для получения информации о нем; ЭМ С 0 RС ЭМ – 2) создание действующего объекта-оригинала: деятельность эксперта направлена либо на исходный объект-оригинал, либо на новый; 7 3) познание теории и получение некоторых структурированных знаний: ЭМ ПТ Т RТП ЭМ – эксперт по моделированию познает теорию, что позволяет быстрее понять проблему и способы ее решения; 4) создание теории, применимой для данной проблемной ситуации: С ЭМ СТ Т RТ ЭМ – эксперт по моделированию создает теорию, позволяющую по-новому взглянуть на проблему, что может сказаться на способе решения проблемы; 5) познание экспертом модели для получения информации: 0 П ЭМ П М М RМ ЭМ – эксперт по моделированию познает модель с целью выявления ее недостатков; 6) создание экспертом модели: ЭМ С М М 0 RМС ЭМ – эксперт по моделированию создает модель на основе имеющихся данных; 7) познание экспертом эксперимента с получением некоторых данных: ЭМ П Э Э RЭП ЭМ – эксперт изучает поставленный эксперимент и анализирует его результаты; 8) создание экспертом эксперимента: ЭМ С Э Э RЭС ЭМ – для более детального изучения объекта моделирования эксперт по моделированию проводит эксперимент. 2.2.2.Двухфазные задачи (общее число – 56): 1) создание объекта моделирования и изучение его свойств: 0 С 0 П ЭМ С R ЭМ П R ЭМ – эксперт по моделированию создает новый объект и проверяет его на соответствие требованиям; 2) создание модели и изучение ее свойств: 0 С 0 П эксперт по ЭМ С М М RМ ЭМ П М М RМ ЭМ – моделированию создает модель, а затем проверяет ее реакцию на внешние воздействия; 3) изучение объекта-оригинала и создание нового объекта: 0 П 0 С ЭМ П R ЭМ С R ЭМ – может использоваться при создании идентичного объекта; 4) изучение модели с последующим созданием новой модели: 0 П 0 С ЭМ П М М RМ ЭМ С М М RМ ЭМ – возможен вариант, когда созданная модель не адекватно описывает оригинал, поэтому возникает необходимость изучения модели с целью определения ошибки, а затем создание новой модели на основе имеющихся данных; 5) создание модели и эксперимента: 0 C С ЭМ С М М R М ЭМ С Э Э RЭ ЭМ – экспертом создается модель объекта, а затем эксперимент, позволяющий определить реакцию объекта на внешнее воздействие по реакции модели; 6) изучение модели и создание эксперимента: 0 П С ЭМ П М М R М ЭМ С Э Э RЭ ЭМ – на основе данных, полученных при изучении модели, эксперт создает эксперимент для продолжения изучения; 7) создание конкретной модели с последующим изучением объекта-оригинала: ЭМ С М М 0 R МС ЭМ П 0 RП ЭМ – создав конкретную модель эксперт по моделированию может изучить объект моделирования с целью подтверждения информации, имевшейся у него на момент создания модели; 8) изучение модели и создание объекта: 0 С 0 С ЭМ П М М R М ЭМ С R ЭМ – когда создана модель не существующего в природе оригинала и эта модель испытана, то возникает 8 необходимость создания объекта-оригинала, поэтому эксперт по моделированию изучает модель, а затем на основе имеющейся информации строится оригинал; 9) создание теории с последующим созданием модели: С 0 С экспертом по ЭМ СТ Т RТ ЭМ С М М RМ ЭМ – моделированию создается теория, с использованием которой строится новая модель; 10) изучение модели и создание теории: 0 П С изучив конкретную ЭМ П М М RМ ЭМ СТ Т RТ ЭМ – модель эксперт по моделированию может создать на основе имеющейся информации новую теорию, позволяющую объяснить ранее необъяснимые явления и т.д.; 11) изучение модели и изучение теории: 0 П П ЭМ П М М RМ ЭМ ПТ Т RТ ЭМ – эксперт изучает модель, получая некоторые данные, которые не всегда ему понятны, поэтому он может обратиться к существующей теории с целью формирования знаний; 12) Изучение теории и создание новой теории: П С ЭМ ПТ Т RТ ЭМ СТ Т RТ ЭМ – на основе имеющейся теории эксперт по моделированию создает новую теорию; 13) изучение теории и создание эксперимента: П С ЭМ П Т Т RТ ЭМ С Э Э RЭ ЭМ – возможен вариант, когда результат поставленного эксперимента не удовлетворил эксперта, и он проводит новый эксперимент; 14) изучение эксперимента и создание нового эксперимента: П С ЭМ П Э Э RЭ ЭМ С Э Э RЭ ЭМ – возможен вариант, когда результат поставленного эксперимента не удовлетворяет эксперта, и он проводит новый эксперимент. 2.2.3.Трехфазная задача (р/м типовая задача): познание теории, создание модели и создание эксперимента: П 0 С ЭМ П Т Т RТ ЭМ С М М R М ЭМ С Э Э RЭС ЭМ – эксперт по моделированию изучает теорию, по ней создает модель, на которой проводит эксперимент. 2.2.4.Четырехфазная задача (р/м типовая задача): Познание объекта-оригинала, создание модели, познание теории и создание эксперимента: ЭМ П 0 RП ЭМ С М М 0 R МС ЭМ П Т Т RТП – ЭМ С Э Э RЭС ЭМ эксперт по моделированию, предварительно изучив объект-оригинал, создает модель данного объекта, затем он изучает теорию и проводит на созданной модели эксперимент с целью подтвердить или опровергнуть данную теорию. Анализ модельной деятельности эксперта показал, что существует огромное количество вариантов взаимодействия эксперта с объектом-оригиналом, моделью. Задачи моделирования интерпретируются в зависимости от цели моделирования и объекта оригинала. Заключение Моделирование – одна из форм познания реальной действительности. Моделирование базируется на способности головного мозга человека абстрагировать сходные явления на 9 основе обобщения и осуществить перенос знаний из одной предметной области в другую. Моделирование как метод используется в задачах научного познания и инженерного эксперимента. Его целесобразно использовать, когда имеет место экономическая эффективность решения конкретной задачи; экономические факторы не преобладают над важностью решаемой задачи; сложность задачи настолько велика, что другие методы не работают; невозможно получить единого аналитического описания; требуется для получения результата произвести большой объём вычислений; все другие методы бессильны. Содержание Общие вопросы моделирования. Назначение методологического комплекса ................3 Часть1. Триада “субъект-объект-модель” ............................................................................3 Часть2. Модельная деятельность эксперта. Виды и формы деятельности.......................4 Заключение .............................................................................................................................8