Общее определение модели

Практика свидетельствует о том, что самое лучшее средство для определения свойств объекта — натурный эксперимент, т. е. исследование свойств и поведения самого объекта в нужных условиях. Дело в том, что при проектировании невозможно учесть многие факторы, расчет ведется по усредненным справочным данным, используются новые, недостаточно проверенные элементы (прогресс нетерпелив!), меняются условия внешней среды и многое другое. Поэтому натурный эксперимент — необходимое звено исследования. Неточность расчетов компенсируется увеличением объема натурных экспериментов, созданием ряда опытных образцов и доводкой изделия до нужного состояния. Так поступали и поступают при создании, например, любого нового образца, в том числе техники и вооружения.

Однако во многих случаях натурный эксперимент невозможен.

Моделирование предоставляет возможность исследования таких объектов, прямой эксперимент с которыми:

• • опасен;
• • экономически невыгоден;
• • долговременен;
• • кратковременен;
• • протяжен в пространстве;
• • невозможен;
• • неповторим;
• • ненагляден.

Остановимся на некоторых причинах необходимости применения моделирования.

Например, наиболее полную оценку новому виду вооружения и способам его применения по назначению может дать война. Но не будет ли это слишком поздно?

Натурное исследование с новой конструкцией самолета, с элементами космических станций может вызвать гибель людей.

Долговременность: натурный долговременный эксперимент может быть и экономически невыгодным, и исследуемая в ходе его система может потерять актуальность.

Невозможность: часто человек имеет дело с ситуацией, когда объекта нет, он еще только проектируется. При проектировании важно не только представить себе будущий объект, но и испытать его виртуальный аналог до того, как дефекты проектирования проявятся в оригинале.

Важно!

Моделирование теснейшим образом связано с проектированием. Обычно сначала проектируют систему, потом ее испытывают, потом снова корректируют проект и снова испытывают, и так до тех пор, пока проект не станет удовлетворять предъявляемым к нему требованиям. Процесс «проектирование — моделирование» цикличен. При этом цикл имеет вид спирали — с каждым повтором проект становится все лучше, так как модель становится все более детальной, а уровень описания — точнее.

Неповторимость: это достаточно редкий случай, когда эксперимент повторить нельзя; в такой ситуации модель — единственный способ изучения таких явлений. Пример — исторические процессы, ведь повернуть историю вспять невозможно.

Ненаглядность: модель позволяет заглянуть в детали процесса, его стадии. При построении модели исследователь вынужден описать причинно-следственные связи, позволяющие понять все в единстве, системе. Построение модели дисциплинирует мышление.

Важно!

Модель играет системои смыслообразующую роли в научном познании, позволяет понять явление, структуру изучаемого объекта. Не построив модель, вряд ли удастся понять логику действия системы. Это означает, что модель позволяет разложить систему на элементы, связи, механизмы, требует объяснить действие системы, определить причины явлений, характер взаимодействия составляющих.

Время подготовки натурного эксперимента и проведения мероприятий по обеспечению безопасности часто значительно превосходит время самого эксперимента. Многие испытания, близкие к граничным условиям, могут протекать настолько бурно, что возможны аварии и разрушения части или всего объекта.

Из сказанного следует, что натурный эксперимент необходим, но в то же время может быть невозможен либо нецелесообразен.

Выход из этого противоречия есть, и называется он «моделирование».

Моделирование — это замещение одного исходного объекта-оригинала другим объектом с целью получения информации о свойствах объекта-оригинала. Отсюда следует, что моделирование — это, во-первых, процесс создания или отыскания в природе объекта, который в интересующем исследователя смысле может заменить исследуемый объект. Этот промежуточный объект называется моделью (рис. 1.1).

Моделирование.

Рис. 1.1. К понятию «моделирование»

Модель может быть материальным объектом той же или иной природы по отношению к изучаемому объекту (оригиналу). Модель может быть мысленным объектом, воспроизводящим оригинал логическими построениями или математическими формулами и компьютерными программами.

Во-вторых, моделирование — это испытание, исследование модели, т. е. моделирование связано с экспериментом, отличающимся от натурного тем, что в процесс познания включается промежуточное звено — модель. Следовательно, модель является одновременно средством эксперимента и объектом эксперимента, заменяющим изучаемый объект.

В-третьих, моделирование — это перенос полученных на модели сведений на оригинал, или, иначе, приписывание свойств модели оригиналу. Чтобы такой перенос был оправдан, между моделью и оригиналом должно быть сходство, подобие.

Подобие может быть физическим, геометрическим, структурным, функциональным и т. д. Степень подобия может быть разной — от тождества во всех аспектах до сходства только в главном. Очевидно, что модели не должны воспроизводить полностью все стороны изучаемых объектов. Достижение абсолютной одинаковости сводит моделирование к натурному эксперименту, о возможности или целесообразности которого было уже сказано.

Моделирование — сложнейший многоэтапный процесс исследования систем, направленный на выявление свойств и закономерностей, присущих исследуемым системам, с целью создания или модернизации этих систем.

Остановимся на основных целях моделирования.

Прогноз — оценка поведения системы при некотором сочетании ее управляемых и неуправляемых параметров. Прогноз — главная цель моделирования.

Объяснение и лучшее понимание объектов. Здесь чаще других встречаются задачи оптимизации и анализа чувствительности. Оптимизация — это точное определение такого сочетания факторов и их величин, при котором обеспечиваются наилучший показатель качества системы, наилучшее по какому-либо критерию достижение цели моделируемой системой. Анализ чувствительности — выявление из большого числа факторов тех, которые в наибольшей степени влияют на функционирование моделируемой системы. Исходными данными при этом являются результаты экспериментов с моделью.

Часто модель создается для применения в качестве средства обучения: модели-тренажеры, стенды, учения, деловые игры, компьютерные игры и т. п.

Моделирование как метод познания применялось человечеством — осознанно или интуитивно — всегда. На стенах древних храмов предков южно-американских индейцев обнаружены графические модели мироздания. Учение о моделировании возникло в Средние века. Выдающаяся роль в этом принадлежит Леонардо да Винчи (1452—1519).

Гениальный полководец А. В. Суворов (1730—1800) перед атакой крепости Измаил тренировал солдат на модели измаильской крепостной стены, построенной специально в тылу.

Наш знаменитый механик-самоучка И. П. Кулибин (1735—1818) создал модель одноарочного деревянного моста через реку Неву, а также ряд металлических моделей мостов. Они были полностью технически обоснованы и получили высокую оценку российских академиков Л. Эйлера (1707—1783) и Д. Бернулли (1700—1782). К сожалению, ни один из этих мостов не был построен.

Огромный вклад в укрепление обороноспособности нашей страны внесли работы по моделированию взрыва — выпускник Михайловского артиллерийского училища 1869 г. генерал-инженер Н. Л. Кирпичев (1850—1927), моделированию в авиастроении — М. В. Келдыш (1911— 1978), С. В. Ильюшин (1894—1977), А. Н. Туполев (1888—1972) и др., моделированию ядерного взрыва — И. В. Курчатов (1903—1960), А. Д. Сахаров (1921—1989), Ю. Б. Харитон (1904—1996) и др.

Широко известны работы Н. Н. Моисеева (1917—2000) по моделированию систем управления. В частности, для проверки одного нового метода математического моделирования была создана математическая модель Синопского сражения — последнего сражения эпохи парусного флота. В 1833 г. адмирал П. С. Нахимов (1802—1855) разгромил главные силы турецкого флота. Моделирование на вычислительной машине показало, что Нахимов действовал практически безошибочно. Он настолько верно расставил свои корабли и нанес первый удар, что единственным спасением турок было отступление. Иного выхода у них не было. Они не отступили и были разгромлены.

Сложность и громоздкость технических объектов, которые могут изучаться методами моделирования, практически неограничены. Многие крупные сооружения, построенные в нашей стране, исследовались на моделях — плотины, каналы, Братская и Красноярская ГЭС, системы дальних электропередач, образцы военных и космических систем и другие объекты.

Исторический экскурс Поучительный пример недооценки моделирования — гибель английского броненосца «Кэптен» в 1870 г. В стремлении еще больше увеличить свое тогдашнее морское могущество и подкрепить империалистические устремления в Англии был разработан суперброненосец «Кэптен». В него было вложено все, что нужно для «верховной власти» на море: тяжелая артиллерия во вращающихся башнях, мощная бортовая броня, усиленное парусное оснащение и очень низкие борта — для меньшей уязвимости от снарядов противника.

Консультант — инженер Рид построил математическую модель остойчивости «Кэптена» и показал, что даже при незначительном ветре и волнении ему грозит опрокидывание. Но лорды Адмиралтейства настояли на строительстве корабля. На первом же учении после спуска на воду налетевший шквал перевернул броненосец. Погибли 523 моряка. В Лондоне на стене одного из соборов прикреплена бронзовая плита, напоминающая об этом событии и, добавим мы, о пренебрежении самоуверенными лордами Британского Адмиралтейства результатами моделирования.

Моделирование является технологией решения задач. Это замечание — очень важное. Так как технология есть способ достижения результата с известным заранее качеством и гарантированными затратами и сроками, то моделирование как дисциплина:

• • изучает способы решения задач, т. е. является инженерной наукой;
• • является универсальным инструментом, гарантирующим решение любых задач независимо от предметной области.