Моделирование. Типы моделей

Моделирование – это один из важнейших методов научного познания, с помощью которого создается модель (условный образ) объекта исследования. Сущность его заключается в том, что взаимосвязь исследуемых явлений и факторов передается в форме конкретных математических уравнений.

Моделирование в научных исследованиях используется практически в любых отраслях национального хозяйства, как эффективный инструмент познания того или иного явления или процесса.

Так как реальный процесс представляет собой, как правило, сложную систему взаимодействия внутренних и внешних частей и факторов, для их изучения абстрагируются от части взаимодействий и их природы и выделяют те из них, которые в настоящий момент интересуют исследователя. В этом случае принято говорить о модели процесса. Кратко назовем модель процесса, явления или объекта - моделью системы.

Различают по форме представления модели систем: физические, математические, логические, иконографические и др.

Физические модели представляют собой некоторые реальные системы, в которых реализуются те или иные взаимодействия, а также части изучаемого объекта. Физические модели могут быть полными, частичными и аналоговыми.

Полные модели представляют собой реальный объект, выполненный в измененном масштабе с возможностью выполнять полностью или частично функции реального объекта. Так, например, при изучении эффективности очистки воды, строится опытная очистная станция, ее конструкция выполняется в реальном масштабе. Для изучения отдельных частей этой станции могут быть созданы частичные модели, например система обеззараживания воды.

Полные и частичные модели строятся на принципе подобия.

Аналоговые модели строятся на известных аналогиях протекания тех или иных процессов в гидравлике, электротехнике и т.д., с помощью которых можно изучить некоторые экологические процессы в исследуемых системах, например, с помощью создания электрической схемы и ее изучения, полу­ченные результаты можно перенести на экологические систе­мы.

Логические модели реальных систем и процессов представ­ляют собой описания типа "если-то...", "если "А, то и В...", "если А и В, то G" и т.д. Логические модели используются в основном для описания тех процессов, которые определяются качественными параметрами.

Иконографические модели реальных систем представляют собой рисунки, схемы, графики и т.п., поясняющие устройст­во, принцип действия или наглядность тех или иных парамет­ров экологических систем и т.п.

Чаще всего в экологических исследованиях применяются смешанные модели, например, логико-математические и др.

Модели систем имеют целевое назначение, например, для исследования структуры, функционирования, расхода и т.д.

Модели структуры предназначены для изучения взаимопо­ложения и связи элементов системы, как внутри ее, так и с внешней средой. Такие модели могут быть представлены в виде схем, сетевых графиков, матриц связи и т.п.

Модели функционирования предназначены для изучения систем в динамике. Так, модели изменения воздушной среды в течение определенного времени; модели операций при изуче­нии технологических процессов и т.д. Характерным призна­ком таких моделей, в большинстве случаев, является измене­ние параметров системы в функции от времени.

Модели расхода или прибыли используются при определе­нии технико-экономических или иных показателей систем, оптимизации процессов по отдельным критериям и т.д.

При изучении экологических процессов и явлений матема­тические модели рассматриваются в тесной связи с целевыми системами и представляют из себя некоторые целостные структуры, которые называют эколого-математическими мо­делями.

Эколого-математические модели представляют из себя смешанные модели (логико-математические, математико-иконографические и т.д.), представляющие определенную со­вокупность математических зависимостей, логических по­строений, схем, матриц и т.д., связанных в некоторую единую систему, имеющую экологический смысл.

Однако, какие бы модели объектов мы не строили, в конце концов, мы должны их сравнивать с реальными объектами, что чаще всего возможно в процессе проведения эксперимента (натурного испытания). В экологии здесь мы сразу же встречаемся со значительными трудностями, так как ее харак­теризуют в основном процессы, имеющие значительную про­должительность во времени и большие трудности воспроиз­водства эксперимента. Поэтому главным направлением в мо­делировании экологических процессов является информаци­онное моделирование, создание изоморфных (каждому эле­менту структуры объекта соответствует один элемент структу­ры модели) абстрактных имитационных моделей, построен­ных на математическом и логическом аппарате и реализуемых на ЭВМ.

По характеру учета времени модели разделяются на динамические, где процесс рассматривается во времени; статические, где состояние процесса изучается в фикси­рованный момент времени, и кинемати­ческие, где течение процесса во времени рассматривается при упрощающих допу­щениях. Наибольшую сложность пред­ставляет построение и изучение динами­ческих процессов.

По форме математического описания модели делятся на две большие группы: стохастические, учитывающие случайные процессы, и детерминированные, в которых элементы случайности не учитываются.

Стохастические модели значительно сложнее детерминированных. По форме их описаний различают модели динамики средних, вероятностные (дискретные и не­прерывные) и статистические.