Оптимизационные модели

При управлении каким-либо объектом или процессом иногда важно знать, какое действие приведет к лучшим результатам, а какое к худшим. Поиск оптимальных условий для процесса называется оптимизацией, и соответствующие задачи поиска таких условий называются оптимизационными. Также оптимизацией можно назвать модификацию системы для улучшения ее эффективности. Такой системой может быть одиночная компьютерная программа, набор компьютеров или даже целая их сеть.

Примерами таких моделей могут быть: модели оптимального раскроя ткани, заготовка деталей при сборке мебели. Также в качестве примера можно привести экологическую модель (рис. 3).

Рис. 3. Схема круговорота азота в природе

 

Моделирование

Моделирование – важный метод научного познания. Создавая модели, мы можем не только открывать новые свойства объектов, но также делать прогнозы или открывать новые закономерности.

Процесс моделирования включает в себя три элемента:

• субъект;
• объект исследования;
• модель, определяющую (отражающую) отношения познающего субъекта и познаваемого объекта.

Сейчас трудно указать область человеческой деятельности, где не применялось бы моделирование. Разработаны, например, модели производства автомобилей, выращивания пшеницы, функционирования отдельных органов человека, жизнедеятельности Азовского моря, последствий атомной войны. В перспективе для каждой системы могут быть созданы свои модели, перед реализацией каждого технического или организационного проекта должно проводиться моделирование. Рассмотрим еще один вид моделей – графическую.

 

 

Графическая модель

Графическая модель – это представление объектов и процессов в виде их изображений. Примером графической модели может служить план зрительного зала в театре, изображение какой-либо детали, географическая карта (рис. 4). На примере географических карт можно увидеть, как один и тот же объект может быть представлен различными способами, как при помощи модели могут быть выделены только определенные свойства этого объекта. К примеру, существуют карты физические, административного деления, политическая и т. д. На физической карте мы видим горы, равнины, леса; на административной карте перечисленные вещи не показываются, но зато на них присутствуют границы между территориальными областями. На карте почв видны кривые зимних и летних температур. Получается, что для каждой модели выделяются те свойства, которые интересны для изучения.

Рис. 4. Политическая карта мира как пример графической модели

 

Табличная модель

Табличная модель – это представление свойств объектов и процессов в виде таблиц. Например, процесс сжатия газа под поршнем: зависимость давления газа от объема можно представить в виде таблицы. Таким образом, создается табличная модель этого процесса. Одним из наиболее наглядных примеров табличной модели является периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Табличная модель представления данных – периодическая система химических данных

 

Компьютерная модель

Компьютерная модель – это представление объектов, процессов, явлений средствами специальных компьютерных программ: графических, анимационных редакторов, табличных процессоров, программ для создания баз данных, специализированных компьютерных тренажеров-симуляторов, виртуальных лабораторий. В Интернете присутствует большое количество виртуальных лабораторий. С одним из примеров таких лабораторий вы сможете ознакомиться при просмотре урока либо на сайте этого проекта: http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/livechem/transitionmetals_content.html (рис. 6).

Рис. 6. Интерфейс виртуальной лаборатории LiveChem

Опыты в виртуальных лабораториях удобно проводить, если в реальных условиях они, например, связаны с риском для жизни (подразумевается работа с кислотами, щелочами, взрывчатыми веществами) или если они требуют дорогостоящего оборудования для проведения.

Виртуальный мир (виртуальная реальность) – созданный техническими средствами мир, передаваемый человеку через его ощущения: зрение, слух, обоняние, осязание и пр. Объекты виртуальной реальности обычно ведут себя близко к поведению аналогичных объектов материальной реальности.

Также примером компьютерной модели являются симуляторы (имитаторы). Симулятор – это комплекс программных и технических средств, которые имитируют управление каким-либо процессом, устройством (рис. 7). В качестве примера симуляторов можно привести компьютерные игры, летные тренажеры. К такому типу моделей можно отнести и компьютерную модель электронного микроскопа. Более подробно с таким примером можно ознакомиться на сайте разработчика: http://micro.magnet.fsu.edu/.

Рис. 7. Симулятор вождения автомобиля

В качестве примера имитатора можно привести пример шифровальной машины «Энигма». Она использовалась для шифрования и дешифрования секретных сообщений.

Графические редакторы предоставляют широкие возможности для создания всевозможных компьютерных моделей, как двухмерных так и трехмерных. В последнее время появилось такое понятие, как «графическая информационная система». Это система, которая позволяет представлять информацию, обрабатывать ее в виде графических изображений. Примером может служить модель земного шара. В данном случае при помощи спутника выполняется съемка различных областей земного шара, потом результаты съемок объединяются в единую модель, в результате чего мы имеем возможность находить на созданной модели нужные нам географические координаты. В отличие от реальной модели глобуса мы можем не только вращать компьютерную модель, а можем еще и приближать, увеличивать различные ее участки.