1.2 Виды моделирования

Все модели можно условно поделить на материальные и идеальные.

Материальное моделирование основано на принципах геометрического или физического подобия; основными его разновидностями являются натурное и аналоговое моделирование.

Натурное моделирование ставит в соответствие реальному объекту его материальный макет (например, макет здания, ракеты, корабля и т.д.).

Аналоговое моделирование основано на аналогиях процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (например, электрические и механические колебания). Фактически процесс исследования материальных моделей сводится к проведению ряда натурных экспериментов, где вместо реального объекта используется его физическая или аналоговая модель [2].

Возможные цели материального моделирования:

- выявление общего характера поведения системы под нагрузкой;

- проверка правильности принятого метода расчета, отдельных допущений или исходных гипотез;

- экспериментальное определение характеристик объекта взамен теоретического расчета.

Научную основу материального моделирования составляет теория подобия, которая изучает свойства подобных систем и требования, которым должна удовлетворять модель для осуществления подобия протекающих процессов. Методы теории подобия при описании конкретного процесса позволяют перейти от исходных физических величин к некоторым обобщенным переменным – критериям подобия. Этим достигается уменьшение количества физических параметров, описывающих явление, и большая общность получаемых результатов.

Одним из основных вопросов при разработке физически подобных моделей является выбор масштабов моделирования. Масштабом моделирования (коэффициентом подобия) называется отношение двух физических объектов, один из которых представляет собой модель, а другой – реальный объект.

Метод экспериментального исследования моделей механических процессов и явлений основан на анализе размерностей физических величин. Анализ размерностей предполагает систематическое изучение свойств размерностей различных параметров, описывающих механический процесс, установление структуры наиболее общих функциональных связей между ними, выбор систем единиц измерения и способа перехода от одних единиц измерения к другим.

Идеальное моделирование по своей природе является знаковым, т.е. использует в качестве моделей знаковые системы какого-либо вида: схемы, графики, чертежи, любые наборы символов.

Идеальное моделирование часто разделяют на два основных типа: интуитивное и научное. Интуитивные модели помогают строить жизненный опыт, знания, умения и навыки. Интуитивное моделирование обычно трудно поддается формализации. Научное моделирование всегда логически обосновано. В его основе лежат аксиомы и гипотезы. Совокупность конкретных моделей научного характера в отдельной предметной области составляет теорию этого предмета. Т.е. если модель является в первую очередь инструментом, ориентированным на исследование поведения и свойств конкретного объекта, то теория является средством, объясняющим поведение или свойства уже не конкретного объекта, а некоторого класса объектов.

Кроме того, идеальные модели можно подразделить на когнитивные, концептуальные и формальные.

Когнитивная модель – это некий субъективный мысленный образ объекта, его идеальная модель, которая формируется в голове исследователя. Представление когнитивной модели на естественном языке называется содержательной моделью. Содержательная модель может быть описательной (например, любое описание какого-либо объекта), объяснительной (позволяет ответить на вопрос, почему что-либо происходит) и предсказательной (описывает будущее поведение объекта).

Концептуальной моделью называют содержательную модель, при построении которой используются понятия и представления предметных областей знания, занимающихся изучением объекта моделирования. Концептуальные модели делят на три вида: логико-семантические, структурно-функциональные и причинно-следственные.

Логико-семантическая модель – это описание объекта в терминах и определениях соответствующих предметных областей знаний, включая все логически непротиворечивые утверждения и факты.

Структурно-функциональная модель представляет объект как целостную систему, которую расчленяют на отдельные элементы и подсистемы. Причинно-следственная модель используется для объяснения и прогнозирования поведения объекта.

Формальная модель является представлением концептуальной модели с помощью формального языка (например, алгоритмического или языка формул). Формальную модель называют математической, если описание объекта осуществляется на языке математики, а исследование модели проводится математическими методами.

Другая разновидность формальной модели – информационная модель, по существу, реализуемая в форме автоматизированных справочников с помощью систем управления базами данных.