Моделиране – Природни науки
Има много дефиниции на модела, в зависимост от областта, в която е изграден. Ето само няколко примера
1) Устройство, което възпроизвежда, имитира структурата и работата на всяко друго („симулирано“) устройство за научни, индустриални (по време на тестване) или спортни цели.
2) В широк смисъл всяко изображение, аналог (ментален или условен: изображение, описание, диаграма, чертеж, графика, план, карта и т.н.) на всеки обект, процес или явление („оригиналът“ на този модел), използван като негов „заместител“, „представител“.
3) В математиката и логиката модел на всяка система от аксиоми е всяко множество от (абстрактни) обекти, чиито свойства и отношения между тях удовлетворяват дадените аксиоми, като по този начин служат като съвместно (неявно) определение на такова множество.
4) Модел в лингвистиката, абстрактна концепция за стандарт или извадка от всяка система (фонологична, граматична и т.н.), представяне на най-общите характеристики на всяко езиково явление; обща схема за описание на езикова система или някои нейни подсистеми.
Но въпреки такова разнообразие от формулировки, ние все пак ще се опитаме да дадем правилно определение на моделирането.
Изграждането на модели като една от страните на диалектическата двойка противоположности анализ-синтез има много аспекти, някои от които излизат на преден план.
Особено значим при изграждането на моделите е аспектът на рефлексията, разбиран в смисъла на теорията на познанието.
Всеки модел съхранява знания в подходяща форма; в същото време запомнянето на знания, като правило, е свързано с намаляване на излишъка. Следователно всеки модел има и езикова функция. Съдържанието на знанието е семантичната страна; начини, сс чиято помощ се въвеждат знания в модела, закодирани в него са синтактичната страна. Последният езиков компонент е от голямо значение за активирането на модела при всяко извикване.
Но в същото време моделът във функцията си на структура за съхранение на знания е връзка между теоретичното и емпиричното знание. Фразата "няма нищо по-просто от добрата теория" трябва да се разбира буквално. Формализираната теория дава възможност да се опишат голям брой конкретни факти с помощта на най-голям брой основни резултати. Следователно, основната цел на теорията е да се намали излишъкът, причинен от изобилието от конкретни факти, и по-задълбоченото познаване на регулярните връзки, свързани с това.
Всеки модел се основава на повече или по-малко развита теория на показвания обект; тази теория се вписва в синтактично установената рамка, в концепцията за системата, която е в основата на конкретното изграждане на модела.
Системната концепция фиксира общата рамка на модела, с други думи, определя структурата на паметта на модела. Специфичната форма на модела, в която той може да действа като заместител само на един конкретен обект, се получава поради факта, че експерименталните, тоест емпиричните данни са дадени в съответствие с тази рамка, тоест за параметрите на модела, неговите степени на свобода, стъпка по стъпка се установяват все по-надеждни стойности. В този смисъл всеки разработен модел изразява компромис между теория и практика, между теоретични знания и емпирични данни.
Трябва да се отбележат някои неща и процеси, използвани в процеса на моделиране.
Например хибридна изчислителна система е комплекс от няколко компютъра или изчислителни устройства (аналогови и цифрови), обединени от единконтролна система. Използва се при моделиране на сложни системи, за оптимизиране на системи за автоматично управление, решаване на нелинейни частични диференциални уравнения и др.
Трябва да споменем и идеализацията - процесът на идеализация, умственото изграждане на концепции за обекти, процеси и явления, които не съществуват в реалността, но тези, за които има прототипи в реалния свят (например „точка“, „абсолютно твърдо тяло“, „идеален газ“). Идеализацията дава възможност да се формулират закони и да се изграждат абстрактни схеми на реални процеси.
И накрая, вероятностният автомат е устройство (система), което автоматично променя състоянието си в зависимост от последователността от предишни състояния и произволни входни сигнали. Вероятностният автомат се използва при моделиране на сложни процеси, например системи за автоматично управление на трафика на кръстовището на две улици.
Езиците за програмиране също са тясно свързани с моделирането. Това са формални езици за описание на данни (информация) и алгоритъм (програма) за тяхната обработка на компютър. Езиците за програмиране се основават на алгоритмични езици. Първите езици за програмиране са машинни езици, които са системи от команди за конкретни компютри. С развитието на компютърните технологии се появиха по-сложни езици за програмиране, фокусирани върху решаването на различни проблеми: обработка на икономическа информация (COBOL), инженерни и научни изчисления (Fortran), обучение по програмиране (Algol-60, Pascal), моделиране (жаргон, стимул) и други.
Важен аспект на изграждането на модели е, че моделът трябва да бъде, в приблизителен смисъл, заместител на реалното състояние на нещата, реалната система. Следователно не става въпрос само за намаляване на излишъка от запаметяванеинформация, но и за такава семантика и такъв синтаксис на модела, при които поведението му е съпоставимо с поведението на реален обект. Това е ролята на модела като заместител на обекта, поне при моделиране на реални типове поведение. Когато се поставят други цели на моделирането, ролята на модела, която се състои в това да бъде до известна степен адекватен на оригиналния обект, трябва да се разбира по подобен начин.
Оптимизацията описва контролния аспект или аспекта на синтеза. Тъй като говорим за „не обяснение на света, а за промяна на света“, едва ли е възможно да се отдели епистемологичната страна на моделирането от контролната функция, присъща на модела, следователно, в духа на компромиса в практиката, понякога трябва да се откаже от евентуална печалба в знания в полза на по-целенасочен модел. Един модел, изграден въз основа на системен анализ, трябва да бъде съществена помощ при намирането на решения.
В практическите приложения обикновено сме ограничени в средствата, които могат да бъдат изразходвани за моделиране и оптимизиране; следователно ние автоматично се изправяме пред изискванията за изграждане на модели с минимални разходи.
Типично за една теория е, че нейните разпоредби са получени в резултат на обобщаване на конкретни факти, а надеждността се проверява чрез прилагане на теорията към случаи, които, въпреки че са обхванати от теорията, не принадлежат към областта на източниците на нейните първоначални разпоредби. Факти, които не са свързани с тези източници по отношение на техния обхват, са чисто емпирични и не могат да се считат за свързани с теорията.
От древни времена хората се занимават с моделиране. Вземете например Леонардо да Винчи. Как ученият и инженер Леонардо да Винчи обогати почти всички области на знанието с проницателни наблюдения и предположенияот онова време, разглеждайки записките и рисунките си като скици за гигантска натурфилософска енциклопедия. Той беше виден представител на новата естествена наука, основана на експеримента. Леонардо обръща специално внимание на механиката, наричайки я „раят на математическите науки” и виждайки в нея ключа към тайните на Вселената; той се опитва да определи коефициентите на триене при плъзгане, изучава съпротивлението на материалите и се занимава с ентусиазъм от хидравликата. Страстта към моделирането води Леонардо до невероятни технически прозрения, далеч изпреварващи времето си: такива са скиците на проекти за металургични пещи и валцови мелници, станове, печатарски, дървообработващи и други машини, подводница и танк, както и проекти на самолети и парашути, разработени след задълбочено изследване на летенето на птици.
Следващият пример за моделиране е разработването на модел на Земята През първата половина на 20 век норвежки, белгийски, френски и български пътешественици изследват полярните области, съставят техни описания и карти. През 1909 г. А. Мохорович отделя планетарната разделителна линия, която е подметката на земната кора. През 1916 г. сеизмологът Б.Б. Голицин фиксира границата на горната мантия, а през 1926 г. Б. Гутенберг установява наличието на сеизмичен вълновод в нея. Същият учен определя положението и дълбочината на границата между земната мантия и ядрото. През 1935 г. К. Рихтер въвежда концепцията за магнитуд на земетресението и заедно с Гутенберг разработват скалата на Рихтер през 1941-45 г. По-късно на базата на тези сеизмологични и гравиметрични данни е разработен модел на вътрешната структура на Земята, който остава практически непроменен и до днес. От 1980-90-те години. развива се геофизичната томография, с помощта на която се изграждат сеизмични разрези на долната и горната мантия, които заедно с геотермалните идруги геофизични данни позволиха да се извърши качествено и количествено моделиране на мантийната конвекция на циркулационното движение на мантийната материя.
Изстрелването на междупланетни космически кораби до Меркурий, Марс, Венера, както и до по-далечни планети също позволи да се задълбочат познанията за положението и еволюцията на Земята въз основа на сравнително изследване на планетите. Получените данни, заедно с информация за структурата на земната кора и дълбоките недра на планетата, послужиха като основа за разработването на модели за развитието на Земята, като се започне от момента на нейното формиране от протопланетен облак.
След Втората световна война техническата кибернетика се развива интензивно. Едно от най-важните му направления беше изграждането на модели, което беше особено очевидно поради многостранната научна дейност на IFAC. В резултат на това възникна широко разпространено убеждение, че изграждането на модели е по същество същото като идентифицирането на параметри в определени типове характеристики. Това представяне е неправилно.
Развитието на кибернетиката през последните години, което даде по-специално систематичен подход към така наречените големи системи, което се прояви най-силно в различни опити за глобално моделиране, доведе до много по-широко разбиране на моделирането.
В същото време се стигна до преосмисляне на източниците на моделни структури, които всъщност съществуват много преди периода на бързо развитие на науката и технологиите. Оказа се, че дълго време най-значимата наука, занимаваща се с изграждането на модели, е физиката, в частност механиката. Още от традиционните подходи към описанието на физическите обекти могат да се получат важни идеи за изграждането на модели. Разбира се, методологията на такава конструкция се е развила далеч отвъд познатите и обичайни зафизика.
Като цяло, изграждането на модели и тяхната оптимизация са основните направления на интердисциплинарната работа, което позволява надеждно описание на системи и процеси. Те са предпоставка за целенасоченото използване на техните имоти в интерес на обществото.
Моделите допринасят за плодотворното производство във всички сфери на живота, защото:
- показват провала на някои идеи;
- спестява време (моделите се довеждат до съвършенство и едва след това на тяхна база започва производство, конструиране и др.)
Списък на литературата: Vernadsky V.I. Избрани трактати по история на науката. М., 1981 Енциклопедия "Кирил и Методий" 1998-2000:
- Енциклопедия на персоналния компютър
3. Заворотов В.А. От идея до модел. М., 1990