4.21 Методы и технологии моделирования

«Черный ящик» – термин, используемый в точных науках (в частности, системотехнике, кибернетике и физике) для обозначения системы, механизм работы которой очень сложен, неизвестен или неважен в рамках данной задачи. Такие системы обычно имеют некий «вход» для ввода информации и «выход» для отображения результатов работы. Состояние выходов обычно функционально зависит от состояния входов и т.д. Использование модели  «черный ящик» позволяет изучать поведение систем, то есть их реакций на разнообразные внешние воздействия, и в то же время абстрагироваться от их внутреннего устройства.

Основной принцип, который лежит в основе моделей типа «черный ящик», – это реакция на заданные входные данные

Стратегия действий на основе заранее заданных известных параметров, называемых эвристиками, используется в эвристическом программировании. Эвристика – теоретически не обоснованное правило, позволяющее уменьшить количество переборов в поиске оптимального пути.

Нейрокибернетика занимается созданием элементов, аналогичных нейронам, и их объединением в функционирующие системы известной структуры. Эта отрасль моделирования искусственного интеллекта не использует принцип «черного ящика», т.к. внутренняя структура модели является известной. Основная область применения первого нейрокомпьютера, моделирующего структуру человеческого мозга, – это распознавание образов.

Геоинформационное моделирование базируется на создании многослойных электронных карт, в которых опорный слой описывает географию определенной территории, а каждый из остальных – один из аспектов состояния этой территории. На географическую карту могут быть выведены различные слои объектов: города, дороги, аэропорты, численность населения регионов и т.д.

Поиск оптимального пути от входных данных к результату используется в «модели лабиринтного поиска». Эта отрасль моделирования не использует принцип «черного ящика», т.к. внутренняя структура модели – граф состояний объекта и, соответственно, пути – является известной.

При имитационном моделировании воспроизводится алгоритм функционирования системы во времени – поведение системы; причем имитируются элементарные явления, составляющие процесс, с сохранением их логической структуры и последовательности протекания, что позволяет по исходным данным получить сведения о состояниях процесса в определенные моменты времени, дающие возможность оценить характеристики системы. Основным преимуществом имитационного моделирования является возможность решения сложных задач.

Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характеристики элементов системы, многочисленные случайные воздействия и другие, которые часто создают трудности при аналитических исследованиях.

В настоящее время имитационное моделирование – наиболее эффективный метод исследования систем, а часто и единственный практически доступный метод получения информации о поведении системы.

Достоверную информацию можно получить с помощью физического эксперимента. Физический эксперимент – способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях. В отличие от теоретической физики, которая исследует математические модели природы, физический эксперимент призван исследовать саму природу. Главным критерием жизнеспособности физической теории является проверка экспериментом.

Компьютерный (численный) эксперимент – это эксперимент над математической моделью объекта исследования на ЭВМ, который состоит в том, что по одним параметрам модели вычисляются другие ее параметры и на этой основе делаются выводы о свойствах объекта, описываемого математической моделью. При  некорректности в модели  ее численное решение может быть сильно расходящимся с реальностью.

Натурное исследование (см. натурная модель, физический эксперимент)