Моделирование

Термин "адекватность" как видно носит весьма расплывчатый смысл. Понятно, что результативность моделирования значительно возрастет, если при построении модели и переносе результатов с модели на систему - оригинал может воспользоваться некоторой теорией, уточняющей идею подобия, связанную с используемой процедурой моделирования.

К сожалению  теории, позволяющей оценить, адекватность математической модели и моделируемой системы нет, в отличие от хорошо разработанной теории подобия явлений  одной и той же физической природы.

Проверку  адекватности проводят на всех этапах построения модели, начиная с самого первого этапа - концептуального  анализа. Если описание системы будет  составлено не адекватно реальной системе, то и модель, как бы точно она  не отображала описание системы, не будет адекватной оригиналу. Здесь сказано "как бы точно", так как имеется в виду, что вообще не существуют математические модели, абсолютно точно отображающие процессы, существующие в реальности.

Если  изучение системы проведено качественно  и концептуальная модель достаточно точно отражает реальное положение дел, то далее перед разработчиками стоит лишь проблема эквивалентного преобразования одного описания в другое.

Итак, можно  говорить об адекватности модели в  любой ее форме и оригинала, если:

описание поведения, созданное на каком-либо этапе, достаточно точно совпадает с поведением моделируемой системы в одинаковых ситуациях;

описание  убедительно представительно относительно свойств системы, которые должны прогнозироваться с помощью модели.

Предварительно исходный вариант математической модели подвергается следующим проверкам:

все ли существенные параметры включены в  модель;

нет ли в модели несущественных параметров;

правильно ли отражены функциональные связи между  параметрами;

правильно ли определены ограничения на значения параметров;

не дает ли модель абсурдные ответы, если ее параметры принимают предельные значения;

Такая предварительная оценка адекватности модели позволяет выявить в ней  наиболее грубые ошибки.

Но все  эти рекомендации носят неформальный, рекомендательный характер. Формальных методов оценки адекватности не существует! Поэтому, в основном, качество модели (и в первую очередь степень ее адекватности системе) зависит от опыта, интуиции, эрудиции разработчика модели и других субъективных факторов.

Окончательное суждение об адекватности модели может  дать лишь практика, то есть сравнение  модели с оригиналом на основе экспериментов  с объектом и моделью. Модель и  объект подвергаются одинаковым воздействиям и сравниваются их реакции. Если реакции одинаковы (в пределах допустимой точности), то делается вывод, что модель адекватна оригиналу. Однако надо иметь в виду следующее:

воздействия на объект носят ограниченный характер из-за возможного разрушения объекта, недоступности к элементам системы и т. д.;

воздействия на объект имеют физическую природу (изменение питающих токов и напряжений, температуры, скорости вращения валов  и т. д.), а на математическую модель - это числовые аналоги физических воздействий.

Для оценки степени подобия структур объектов (физических или математических) существует понятие изоморфизма (изо - одинаковый, равный, морфе - форма, греч.).

Две системы  изоморфны, если существует взаимно  однозначное соответствие между  элементами и отношениями (связями) этих систем.

Изоморфны, например, множество действительных положительных чисел и множество их логарифмов. Каждому элементу одного множества - числу соответствует значение его логарифма в другом, умножению двух чисел в первом множестве - сложение их логарифмов в другом. C точки зрения пассажира план метрополитена, находящийся в каждом вагоне поезда метро, изоморфен реальному географическому расположению рельсовых путей и станций, хотя для рабочего, ремонтирующего рельсовые пути, этот план естественно не является изоморфным. Фотография является изоморфным отображением реального лица для милиционера, но не является таковым для художника.

При моделировании  сложных систем достигнуть такое  полное соответствие трудно, да и нецелесообразно. При моделировании абсолютное подобие  не имеет места. Стремятся лишь к тому. чтобы модель достаточно хорошо отражала исследуемую сторону функционирования объекта. Модель по сложности может стать аналогичной исследуемой системе и никакого упрощения исследования не будет.

Для оценки подобия в поведении (функционировании) систем существует понятие изофункционализма.

Две системы  произвольной, а подчас неизвестной  структуры изофункциональны, если при  одинаковых воздействиях они проявляют  одинаковые реакции. Такое моделирование  называется функциональным или кибернетическим и в последние годы получает все большее распространение, например, при моделировании человеческого интеллекта (игра в шахматы, доказательство теорем, распознавание образов и т. д.). Функциональные модели не копируют структуры. Но копируя поведение, исследователи последовательно "подбираются" к познанию структур объектов (человеческого мозга, Солнца, и др.). 
 
 
 
 
 
 
 

1.5. Требования, предъявляемые к моделям

Итак, общие  требования к моделям.

Модель  должна быть актуальной. Это значит, что модель должна быть нацелена на важные для лиц, принимающих решения, проблемы.

Модель  должна быть результативной. Это значит, что полученные peзyльтaты мoдeлиpoвaния  мoгyт найти ycпeшнoe пpимeнeниe. Данное требование может быть реализовано  только в случае правильной формулировки требуемого результата.

Модель  должна быть дocтoвepнoй. Это значит, что  результаты моделирования не вызoвyт coмнeния. Данное требование тесно связано  с понятием адекватности, то есть, если модель неадекватна, то она не может  давать достоверных результатов.

Модель  должна быть экономичной. Это значит, что эффект от использования результатов  мoдeлиpoвaния превышает расходы  ресурсов на ее создание и исследование.

Эти требования (обычно их называют внешними) выполнимы  при условии обладания моделью внутренними свойствами.

Модель  должна быть:

Cyщecтвeннoй,  т. е. пoзвoляющeй вcкpыть cyщнocть  поведения системы, вcкpыть неочевидные,  нетривиальные детали.

Moщнoй,  т. е. пoзвoляющeй пoлyчить шиpoкий  набop существенных cвeдeний. 

Пpocтoй  в изyчeнии и иcпoльзoвaнии, лeгкo пpocчитывaeмoй на компьютере.

Открытой, т.е. позволяющей ее модификацию. В  заключение темы сделаем несколько  замечаний.

Трудно  ограничить область применения математического  моделирования. При изучении и создании промышленных и военных систем практически всегда можно определить цели, ограничения и предусмотреть, чтобы конструкция или процесс подчинялись естественным, техническим и (или) экономическим законам.

Круг  аналогий, которые можно использовать в качестве моделей, также практически неограничен. Следовательно, надо постоянно расширять свое образование в конкретной области, но, в первую очередь, в математике.

В последние  десятилетия появились проблемы с неясными и противоречивыми  целями, диктуемыми политическими и  социальными факторами. Математическое моделирование в этой области пока еще проблематично. Что это за проблемы? Защита от загрязнения окружающей среды; предсказаний извержений вулканов, землетрясений, цунами; рост городов; руководство боевыми действиями и ряд других. Но, тем не менее, "процесс пошел", прогресс не остановим, и проблемы моделирования таких сверхсложных систем постоянно находят свое разрешение. Здесь следует отметить лидирующую роль отечественных ученых и, в первую очередь, академика Н. Н. Моисеева, его учеников и последователей.