Особенности информационного моделирования

Тема: Программная реализация несложного алгоритма

Учебник: Семакин И.Г. и др. Информатика. 10 класс. Базовый уровень- 6-е издание, М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2016.

Задание: Повторить параграф 16 учебника.

Выполнить задачи №№ 1-5 (только номера а-в) на стр. 115.

Полученный документ прошу сфотографировать и переслать на электронную почту stpsp3011@mail.ru

Срок исполнения: до 17.04.2020

 

Группа 107 (Урок № 28)

Дисциплина: Информатика.

Дата: 14.04.2020 года

Тема: Компьютерное моделирование. Компьютерные модели различных процессов

Учебник: Семакин И.Г. и др. Информатика. 10 класс. Базовый уровень- 6-е издание, М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2016.

Понятие модели

Модель – это условный или мыслимый образ объекта (предмета, явления, процесса), который используется в определенных условиях в качестве его представителя («заместителя») и отражает его свойства и взаимосвязи.

Моделирование – это процесс исследования объекта познания на его модели.

Между объектом и его моделью существует некоторое подобие, которое проявляется либо в сходстве физических характеристик, либо в сходстве реализуемых (осуществляемых) функций, либо в тождестве их поведения в конкретной среде.

Модель возникает из реальной ситуации, когда мы огрубляем ситуацию, отбрасывая менее значимые факты (естественно, с точки зрения решаемой задачи) и оставляя наиболее важные – этап формализации. После этого модель «живет» своей жизнью – этап имитации – до тех пор, пока мы снова не соотносим ее с реальной ситуацией – этап интерпретации.

Жизненный цикл модели представлен на схеме:

Важный вопрос – соответствие свойств модели свойствам исходного (натурного) объекта. По мере усиления степени формализации знание интерпретируется наиболее точно («махолет» - пример увлечения формализацией). Крайняя степень формализации – компьютер как субъект познания.

Типы и свойства моделей Системное моделирование рассматривает реальную ситуацию как взаимодействие множества объектов.

Примеры:
1) модель вселенной (Птолемей, Коперник);
2) религиозные модели (христианство, мусульманство);
3) модели общественного устройства (Древнерусское государство, Римская республика, Мафия).

Модели социально-экономических систем характеризуют информационные связи в системе управления и мощность информационных потоков, а также алгоритмы получения показателей, необходимых руководителям всех рангов для выработки управленческих решений.

Примеры:
1) организационно-административные системы (автоматизированная система «Университет»);
2) организационно-экономические системы (автоматизированная система «Регион»);
3) производственно-экономические системы (автоматизированная система «Комбинат»);
4) робототехнические системы (автоматизированная система «Транспорт»).

Математическое моделирование устанавливает связи между объектами в виде математических соотношений.

Пример. Модель равноускоренного движения:
St = So + VoT + aT^2/2

Физическое моделирование позволяет изучать физико-химические и технологические процессы на моделях, имеющих ту же физическую природу, что и оригинал.

Примеры:
1) «силовая» модель (критерий Ньютона):
Ne = FT/mv
Это – соотношение силовых и скоростных полей.
2) гидравлическая модель (критерий Рейнолдса):
R = vL/ nu
Здесь L [м] – характеристический размер;
nu [м ^2/с] – кинематическая вязкость.

Геометрическое моделирование (предметное) – это изучение свойств реальных объектов по их макетам (плоскостные, объемные).

Пример. Модель самолета для продувки в аэродинамической трубе:
Kl = Ln/Lm
Здесь Kl - коэффициент геометрического подобия натурного Ln и модельного Lm объектов.

Информационное моделирование предназначено для исследования процессов сбора, хранения, переработки и передачи информации в изучаемой системе.

Пример:
формальный язык как подмножество естественного языка.

Имитационно моделирование служит для получения (определения) исходных данных реального объекта (процесса) с помощью имитации реальной обстановки.

Пример:
электронное диагностирующее устройство.

Компьютерной моделью называют модель, построенную для исполнителя, ориентированного на вычислительное устройство. Это не особый вид модели, а способ изучения известных моделей с помощью компьютера.

Особенности информационного моделирования

В основе информационного моделирования лежат три постулата:
1. Любая сущность состоит из элементов (объектов).
2. Объекты характеризуются количественными и качественными свойствами.
3. Объекты связаны определенными отношениями.
Любая сущность, которая отвечает приведенным постулатам, может быть представлена информационной моделью.

Примеры
1. «Богатырь на распутье»
Модель сводится к задаче нахождения минимума в одномерном массиве экспертных оценок. 2. «Двоичное дерево»
Модель сводится к задаче поиска целого числа в заданном диапазоне за минимальное число шагов.

Информационные модели подразделяются на классификационные (статические) и динамические.

Классификационные модели строятся для решения таких задач, как диагностика, распознавание образов, анализ схем.

Пример. Классификация органического мира:
.

Динамические модели служат для решения таких задач как прогнозирование и управление.

Пример:
автоматизированная система управления технологическими процессами.

Существуют следующие методы построения информационных моделей:
графический, сетевой, матричный, графо-аналитический, вероятностный, имитационный.

Графический метод включает графическую часть и описание.
Сетевой метод отражает логико-временную последовательность проведения работ.
Матричный метод сводится к сбору документации, пополнению их недокументированными сведениями и анализу построенной матрицы.
Графо-аналитический метод предполагает построение модели в виде ориентированного графа с последующим расчетом промежуточных и итоговых показателей.
Вероятностный метод применяется для анализа информационных систем, в которых потоки информации носят случайный характер (теория массового обслуживания).
Имитационный метод позволяет имитировать реальные процессы и вырабатывать исходные данные для формирования моделей (например, расчет процента ошибочных действий на имитаторе вождения).
Основы информационного моделирования

Уровни моделирования

Информационная система – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Информационный объект – это описание некоторой сущности (реального объекта, явления, процесса, события) в виде совокупности логически связанных атрибутов (реквизитов): вуз, студент, сессия.

Структурирование – это процесс создания полуформализованного описания предметной области:
Pz = {Sk, Sf}
Здесь Pz – поле знаний;
Sk – концептуальная структура;
Sf – функциональная структура.

Концептуальная структура служит для описания объектов предметной области и связи между ними:
S = {A, R}
Здесь A – множество объектов;
R - множество связей между объектами.

Организационный уровень моделирования заключается в разработке организационных мероприятий и нормативных документов, обеспечивающих функционирование системы.

Функциональный уровень моделирования обеспечивает решение прикладных задач, требующих предварительного анализа информации.

Информационный уровень моделирования обеспечивает формирование массивов, между которыми установлены связи, позволяющие осуществлять поиск и выбор требуемой информации в соответствии с реализуемыми функциями.

Отношения между объектами
Отношения между объектами моделируются связями трех типов (смотри схемы).

Первая схема. Связь типа «один к одному» (1:1).
В каждый момент времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует не более одного экземпляра информационного объекта В и наоборот (однозначная идентификация). Экземпляр – это конкретная реализация объекта: конкретный набор атрибутов и наличие ключевого атрибута (остальные являются описательными).

Вторая схема. Связь типа «один ко многим» (1:М).
Одному экземпляру информационного объекта А соответствует ни одного, один или более одного экземпляров информационного объекта В, но каждый экземпляр объекта В связан не более чем с одним экземпляром объекта А (используются цепочки указателей).

Третья схема. Связь типа «много ко многим» (М:М).
В каждый момент времени одному экземпляру информационного объекта А соответствует ни одного, один или более экземпляров объекта В и наоборот (используются составные ключи).

Частным случаем первой схемы является условная связь (тип С), когда не существует или существует односторонняя связь.

Пример
Сдача сессии в учебном заведении определяется отношениями:
СТУДЕНТ(зачетная_книжка, фамилия, пол, дата, группа)
СЕССИЯ(зачетная_книжка, экзамен_1, экзамен_2,…, результат)
СТИПЕНДИЯ(результат, процент)
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ(код, группа)
Связи между указанными отношениями целесообразно представить в виде:
1. СТУДЕНТ СЕССИЯ
Связь отражает, что каждому студенту соответствует определенный набор оценок в сессию.
2. СТИПЕНДИЯ СЕССИЯ
Связь отражает, что установленный размер стипендии многократно повторяется (для различных студентов).
3. СТУДЕНТ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
Связь отражает, что каждый студент обучается у многих преподавателей, а каждый преподаватель обучает многих студентов.

Нормализация отношений - это формальный аппарат, который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в информационной базе данных, уменьшает трудозатраты на сопровождение этой базы (термин ввел Е. Кодд).

Этапы (процедуры) моделирования
Подготовительные этапы (производственные):
1. Построение функционального графа (спецификация работ).
2. Построение информационного графа.
3. Описание функционально-ориентированных наборов данных.

Информационные этапы:
1. Построить граф связей между элементами предметной области (объектами).
2. Выделить атрибуты и ключи.
3. Удалить избыточные связи.
4. Идентифицировать корневой ключ (связь сверху вниз).
5. Изолированные атрибуты заменить одиночными ключами.
6. Пересекающиеся атрибуты связать с существующими ключами.
7. Идентифицировать вторичные ключи.
8. Выделить информационные группы (кортежи, записи, сегменты).
9. Привязать разработанную структуру к используемому программному обеспечению.

Моделирование как метод решения прикладных задач