Программы компьютерного моделирования относятся к программам назначения
Современное программное и аппаратное обеспечение совершило настоящую революцию в работе инженеров-проектировщиков и дизайнеров. Проектирование с использованием моделирования несет с собой немало преимуществ, среди которых:
- Экономия времени и денег благодаря меньшему числу физических тестов;
- Возможность быстро выявлять лучшие решения еще на старте;
- свобода экспериментов по принципу «что если», особенно при создании продуктов для новых рынков.
Дальнейшее внедрение моделирования даст инженерам-проектировщикам еще больше преимуществ. Но технологические и кадровые проблемы, привычка действовать «по накатанной» не позволяют компаниям в полной мере раскрыть потенциал методики. Что же способно изменить ситуацию?
1. Достижения в области аппаратного и программного обеспечения
Вычислительные мощности становятся все доступнее, а ПО моделирования оптимизировано таким образом, чтобы задействовать их в полной мере. Благодаря этому проектировщики могут использовать все преимущества моделирования.
Интересно, например, сравнить программное обеспечение COMSOL Multiphysics на рабочей станции Dell Precision трехлетней давности с их сегодняшними аналогами (подробности — ниже). Как выяснилось, современное аппаратное и программное обеспечение проводит эксперименты с моделями до шести раз быстрее!
Программный пакет для мультифизического моделирования
Чтобы избежать «узких мест» при работе с моделированием, требуется не только новейшее аппаратное и программное обеспечение. Для создания моделей, проведения расчетов и анализа результатов нужны обширные знания, которых большинству компаний не хватает. Даже обладая самыми быстрыми компьютерами и новейшим ПО, предприятия не могут работать без помощи экспертов.
Одно из решений проблемы — распространять нужные навыки среди широкого круга специалистов с помощью приложений, которые относительно просты в освоении. Так, технологии COMSOL Application Builder и COMSOL Server позволяют моделировать в COMSOL Multiphysics всему коллективу проектировщиков.
Даже сотрудники, не сведущие в отрасли, могут без помощи экспертов решать сложные задачи — настраивать переменные, запускать процессы моделирования и получать нужные ответы.
Приложения можно загружать в COMSOL Server — программу, которая позволяет запускать их откуда угодно в любом браузере или специализированном настольном клиенте.
Таким образом, Application Builder и COMSOL Server демократизируют моделирование. Организации используют эти приложения, чтобы оптимизировать исследования и разработки, расширить возможности своих инженеров и освободиться от рутинных задач, сосредоточившись на высокоуровневых решениях.
3. Распространение «культуры моделирования»
На фоне увеличения сложности продуктов и сокращения времени их выхода на рынок инженеры и предприниматели готовы менять рабочий процесс ради своей главной цели — инноваций. И все же внедрение проектирования, основанного на моделировании — это большое событие, которое требует совместных усилий руководства и рядовых сотрудников. Руководители должны понимать преимущества моделирования и правильно оценивать окупаемость инвестиций в эту технологию.
Массовое внедрение моделирования позволит компаниям разрабатывать лучшие и более качественные продукты, сокращать время их выхода на рынок и, соответственно, опережать конкурентов. Сейчас большинство инженерных организаций уже не представляют, как без моделирования создавать продукты уровнем выше базового. Но до недавнего времени сложность технологии ограничивала ее использование и не позволяла раскрыть весь потенциал ее потенциал.
ПО для моделирования с его математическими уравнениями, непростой процедурой установки и сложным пользовательским интерфейсом долго оставалось «на обочине» инженерии. Оно было предназначено небольшой группе подготовленных исследователей и разработчиков, которые хорошо понимали, как настраивать те или иные параметры. Также ПО имело ограниченную функциональность, поэтому было плохо приспособлено для решения многогранных задач при создании сложных инновационных продуктов.
Аппаратные ограничения
Область применения моделирования еще больше сужалась, когда речь заходила о технических требованиях для анализа конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD). Старым рабочим станциям не хватало мощности для адекватного управления сложными моделями и интенсивных вычислительных процессов.
Итак, нехватка квалифицированных специалистов и недостаточная мощность рабочих станций долгое время мешали организациям использовать весь потенциал моделирования. Но сегодня препятствия устранены. Методику могут применять почти все проектировщики — особенно на ранних этапах, когда она сильнее всего влияет на результат. Привлечение к моделированию всей команды на всех стадиях работы позволяет получить максимальную отдачу.
Компьютерное моделирование или физические испытания?
Компьютерное моделирование различных физических процессов существенно ускоряет процесс разработки продукции, позволяет значительно сэкономить на сборке испытательных моделей. С помощью современных вычислительных мощностей и программного обеспечения инженеры могут моделировать работу отдельных компонентов и узлов сложных систем, а в результате — сократить количество проводимых физических испытаний, необходимых перед запуском нового продукта. Промышленность сталкивается с такими проблемами как время на разработку нового изделия и стоимость разработки. А в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли без моделирования практически невозможно обойтись. Оно помогает значительно ускорить разработку и снизить затраты.
Эволюция: хард и софт
Производители и эксперты приложили немало усилий, чтобы преимущества моделирования при создании проектов были доступны широкому кругу специалистов. Тем не менее, сейчас организации лишь начинают получать выгоду от массового внедрения методики. Этому способствуют достижения во многих технологических областях и их широкое применение на практике. Мощные процессоры, высокопроизводительные твердотельные накопители (SSD) и большая емкость памяти позволяют современным рабочим станциям успешно решать задачи с крупными моделями. Здесь на новом уровне применяются возможности параллельной обработки данных.
Снижение цен на рабочие станции сделало их доступными для широкого круга пользователей. Теперь компании могут значительно увеличить свою вычислительную мощность при тех же инвестициях.
Решать задачи по моделированию, слишком сложные для средней рабочей станции, позволяют достижения в области высокопроизводительных вычислений (HPC). Сегодня компаниям доступна кластерная технология. Ведущее ПО для моделирования сертифицировано для работы на кластерах HPC, а новое поколение ПО облегчает управление этим оборудованием.
Программное обеспечение для моделирования также значительно изменилось за последние годы. Новые интуитивно понятные пользовательские интерфейсы сглаживают сложность технологий, а сами приложения стали намного мощнее и одновременно проще в настройке.
Поставщики ПО для моделирования активно работают над сертификацией. Они оптимизируют программы, чтобы использовать все функции современной рабочей станции: мультиядерность, обновленный набор инструкций, более быстрые SSD. Параллельная обработка данных и многопотоковость работы позволяют решать сложнейшие задачи намного быстрее и точнее.
Машина времени: из 2012 в 2015
На фоне таких радикальных перемен мы рассмотрели, какие результаты приносят увеличение аппаратной производительности и обновление ПО до последней версии. Для примера мы сравнили современную конфигурацию рабочей станции Dell и новейшую версию COMSOL Multiphysics с этими же продуктами трехлетней давности.
Средняя компания каждые три года оценивает свои возможности для обновления аппаратного и программного обеспечения. Для этого ее руководство анализирует формальную рентабельность инвестиций (ROI).
Давайте сравним последнюю версию ПО COMSOL Multiphysics на современной рабочей станции с аппаратным и программным обеспечением, которое было стандартным три года назад. В частности, рассмотрим, сколько времени занимает создание различных моделей на рабочей станции Dell Precision T3500 и рабочей станции текущего поколения — Dell Precision Tower 7810.
Станция Dell Precision T3500 оснащена одним процессором Intel Xeon W3505 с тактовой частотой 2,53 ГГц, двумя ядрами, 12 ГБ оперативной памяти и жестким диском на 300 ГБ. Она работает под Windows 7 Pro и использует COMSOL Multiphysics 4.2.0.288.
Современная рабочая стация Dell Precision Tower 7810 оснащена двумя процессорами Intel Xeon E5-2687W v3, которые работают на частоте 3,1 ГГц и задействуют 20 ядер. Система снабжена 64 ГБ оперативной памяти, диском SCSI на 500 ГБ и твердотельным накопителем Samsung SS85 SSGB емкостью 512 ГБ. Интерфейс MPI обеспечивает поддержку гибридной параллельной обработки кластерного типа. Программное обеспечение — по-прежнему Windows 7 Pro (так наше сравнение будет объективным), но версия COMSOL установлена последняя — 5.0.1.276.
Мы выбрали модели различных типов, чтобы увидеть, как на новом оборудовании проявляются все преимущества COMSOL.
- 3D Fluid-Structure Interaction (трехмерная модель жидкостно-структурного взаимодействия), где задействованы ламинарное течение и структурная механика.
- Tonpilz Piezo-Transducer (модель пьезопреобразователя Тонпильца), требующая параметрического исследования.
- Aluminum Extrusion (модель экструзии алюминия), которая сочетает структурную механику, ламинарное течение и теплообмен.
- Electrical Switch (модель электрического выключателя), которая задействует структурную механику, электрический ток и теплопередачу.
Результаты моделирования
Моделирование физических процессов на рабочих станциях за три года значительно продвинулось вперед — и по размеру моделей, и по их сложности, и конечно, по скорости работы. Станция Dell Precision Tower 7810 благодаря намного большему числу ядер и объему памяти, параллельной обработке данных и возможностям для гибридного моделирования в последней версии COMSOL показала рост производительности до шести раз (в зависимости от типа модели и области физики). Например, работа с моделью Aluminium Extrusion с 4,23 млн степеней свободы три года назад занимала 920 секунд, а теперь — всего 153 секунды: в шесть раз меньше.
Модель 3D Fluid-Structure Interaction со 290 000 степенями свободы на Dell Precision T7810 и COMSOL 5.0.1.276 была обработана за 906 секунд по сравнению с 4617 секундами на Dell Precision T3500 и COMSOL 4.2.0.288. Это пятикратное увеличение скорости. Модель электрического выключателя теперь обрабатывается в четыре раза быстрее — за 255 секунд вместо 1028. Модель пьезопреобразователя Tonpilz с 56 000 степенями свободы показала более скромные результаты из-за своего небольшого размера. Тем не менее, на новом оборудовании с использованием последней версии COMSOL скорость выросла более чем вдвое: 209 секунд по сравнению с 481 секундой на аппаратном и программном обеспечении трехлетней давности.
Эксплуатация старых рабочих станций или версий программного обеспечения — привычное дело для компаний с ограниченным бюджетом. Но на самом деле они больше теряют, пытаясь моделировать на устаревших ресурсах, которые не соответствуют растущим размерам и сложности проектов.
Достижения в области аппаратного обеспечения за последние три года помогли серьезно увеличить объемы моделирования и скорость обработки данных. Современные рабочие станции оснащены процессорами с большим количеством ядер, что позволяет использовать их для параллельной обработки — опции, которая три года назад была доступна только в кластерах.
Современное ПО для моделирования имеет автоматическую поддержку нескольких ядер и функцию параллельной обработки данных. Раньше специально обученный профессионал должен был вручную вносить изменения, чтобы настроить ПО для параллельной обработки на той или иной платформе.
Задача: Aluminum Extrusion
Число степеней свободы: 4 235 000
Области физики: взаимодействие структурной механики, ламинарного течения и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 920 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 153 сек
Прирост скорости: 6,01 раза
Задача: 3D Fluid-Structure Interaction
Число степеней свободы: 290 000
Области физики: тесное взаимодействие ламинарного течения и структурной механики
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 4617 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 906 сек
Прирост скорости: 5,1 раза
Задача: Multiphysics Electrical Switch
Число степеней свободы: 115 000
Области физики: тесное взаимодействие структурной механики, электрического тока и теплопередачи
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 1028 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 255 сек
Прирост скорости: 4,03 раза
Задача: Tonpilz Piezo-Transducer
Число степеней свободы: 56 000
Области физики: параметрическое исследование взаимодействия акустической структуры с пьезоэлектрическим преобразователем
Время решения
Рабочая станция и ПО трехлетней давности: 481 сек
Современная рабочая станция и текущая версия ПО: 209 сек
Прирост скорости: 2,3 раза
Рабочая станция Dell Precision Tower 7810
Современное поколение рабочих станций Dell Precision включает в себя модель Dell Precision Tower 7810 с двумя процессорами Intel Xeon E5-2600 v3 (до 18 ядер каждый), новейшими видеокартами NVIDIA Quadro и AMD FirePro, а также до 256 ГБ системной памяти с инновационной технологией DDR4 RDIMM. Особая конструкция шасси облегчает доступ к компонентам системы и упрощает ее обновление.
Среди опций Dell Tower 7810 — твердотельный накопитель PCIe с активным охлаждением, который работает на 180% быстрее, чем традиционный SSD-накопитель SATA. Доступны и варианты с традиционным жестким диском. Такая комплектация почти не влияет на производительность: программные решения Intel CAS-W обеспечивают скорость ввода-вывода, сравнимую с твердотельным накопителем, по цене обычного HDD.
Станции Dell Precision сертифицированы независимыми поставщиками ПО, что обеспечивает бесперебойную работу всех популярных приложений для проектирования. ПО Dell Precision Optimizer повышает производительность системы, автоматически настраивая ее для запуска любых программ с максимальной скоростью.
Также Dell Precision 7810 предлагает решения для безопасности: шифрование, расширенную проверку подлинности, защиту от вредоносных программ.
В следующем материале мы подробно расскажем, какие задачи по проектированию решают компании на рабочих станциях Dell, как они применяют моделирование и каких результатов достигают с его помощью.
Программное обеспечение – это совокупность всех программ, предназначенных для выполнения на компьютере.
Программа – это описание на формальном языке, «понятном» компьютеру, последовательности действий, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи.
Операционная система – это комплекс программ, обеспечивающих совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляющих пользователю доступ к ресурсам компьютера.
Аппаратный интерфейс – средства, обеспечивающие взаимодействие между устройствами компьютера.
Пользовательский интерфейс – средства, обеспечивающие взаимодействие человека и компьютера.
Загрузка компьютера – это последовательная загрузка программ операционной системы из долговременной памяти в оперативную память компьютера.
Сервисные программы – это программы-архиваторы, антивирусные программы, коммуникационные программы и другие.
Прикладными программами или приложениями называют программы, с помощью которых пользователь может работать с разными видами информации, не прибегая к программированию.
Комплекс программных средств, предназначенных для разработки компьютерных программ на языке программирования, называют системой программирования.
Программирование ‑ процесс создания программ, разработки всех типов программного обеспечения.
Основная литература:
- Босова Л. Л. Информатика: 7 класс. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2017. – 226 с.
Дополнительная литература:
- Босова Л. Л. Информатика: 7–9 классы. Методическое пособие. // Босова Л. Л., Босова А. Ю., Анатольев А. В., Аквилянов Н.А. – М.: БИНОМ, 2019. – 512 с.
- Босова Л. Л. Информатика. Рабочая тетрадь для 7 класса. Ч 1. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2019. – 160 с.
- 3. Босова Л. Л. Информатика. Рабочая тетрадь для 7 класса. Ч 2. // Босова Л. Л., Босова А. Ю. – М.: БИНОМ, 2019. – 160 с.
- Гейн А. Г. Информатика: 7 класс. // Гейн А. Г., Юнерман Н. А., Гейн А.А. – М.: Просвещение, 2012. – 198 с.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Что же такое компьютерная программа? Это описание на понятном компьютеру языке последовательности действий, которые нужно выполнить над данными для решения конкретной задачи.
Без программного обеспечения компьютер работать не сможет. Поэтому компьютер рассматривают как систему взаимосвязанных частей: аппаратного обеспечения и программного обеспечения. Программным обеспечением компьютера называют совокупность всех программ, предназначенных для выполнения различных задач.
В настоящее время насчитывается огромное количество программ, они непрерывно развиваются, совершенствуются, на смену одним программам приходят другие.
Все программы можно разделить на три группы: системное программное обеспечение, прикладное программное обеспечение и системы программирования.
Системное программное обеспечение включает в себя операционную систему и сервисные программы.
Главной частью программного обеспечения является операционная система. Без неё компьютер работать не сможет.
Самыми распространёнными на сегодняшний день считаются операционные системы Windows, Linux, Mac OS.
Операционная система обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к ресурсам компьютера. Средства, обеспечивающие взаимосвязь между объектами операционной системы, называют интерфейсом.
Аппаратный интерфейс обеспечивает взаимодействие между устройствами компьютера. Он содержит программы – драйверы, которые отвечают за работу подключённых к компьютеру устройств, например, принтера, монитора, клавиатуры и других.
Пользовательский интерфейс содержат программы, которые поддерживают диалог пользователя с компьютером, то есть, запуск программ, печать текста на принтере и так далее.
Загрузка операционной системы из долговременной памяти в оперативную память компьютера происходит поэтапно. Сначала загрузчик BIOS из постоянного запоминающего устройства производит тестирование и настройку всех аппаратных средств. Этот процесс виден на экране монитора. Если всё оборудование функционирует нормально, происходит поиск начального загрузчика операционной системы на внешнем носителе, который является системным. Например, на жёстком диске. После обнаружения, программа-загрузчик загружается в оперативную память. После этого операционная система начинает функционировать.
К сервисным программам относятся различные программы, которые обслуживают диски: проверяют их, восстанавливают, очищают. А также программы-архиваторы, программы для борьбы с компьютерными вирусами, коммуникационные программы и многие другие.
Архиваторы – это программы, которые обеспечивают уменьшение объёма хранимой информации.
Антивирусные программы защищают компьютер от вирусов, обнаруживают и удаляют компьютерные вирусы.
Коммуникационные программы необходимы для обеспечения доступа к сети Интернет.
Прикладными программами или приложениями называют программы, с помощью которых можно работать с различными видами информации, не прибегая к программированию. Выделяют приложения общего и специального назначения.
К приложениям общего назначения относятся: текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы, редакторы презентаций, мультимедийные проигрыватели, системы управления базами данных.
К программам специального назначения можно отнести: издательские системы, бухгалтерские программы, системы проектирования, программы компьютерного моделирования, математические пакеты, геоинформационные системы, медицинские экспертные системы.
Комплекс программных средств, предназначенных для разработки компьютерных программ на языке программирования, называют системой программирования. Такие программы разрабатывают программисты. Программирование является процессом создания программ, то есть разработки всех типов программного обеспечения.
Для записи программ используют специальные языки – языки программирования. Сейчас насчитывается несколько тысяч таких языков.
Все программы можно разделить ещё на две большие группы по их правовому статусу: программное обеспечение, которое является частной собственностью авторов или правообладателей, и свободное программное обеспечение.
Программы, входящие в первую группу, также можно разделить на: коммерческие, условно бесплатные и свободно распространяемые.
Свободное программное обеспечение даёт возможность пользователям иметь доступ к исходным кодам программ.
Материал для углублённого изучения темы.
Операционная система Linux.
«Linux» ‑ это компьютерная операционная система, которая распространяется бесплатно.
ОС Linux никому не принадлежит. Точнее можно сказать, что она принадлежит сообществу программистов. На бесплатной основе каждый желающий может вносить свои изменения, которые в дальнейшем принимаются сообществом.
История этой операционной системы началась в 1983 году, тогда Linux ещё не носила своего современного названия, работать над ней начал Ричард Столлман. Примерно через восемь лет он уже практически закончил разработку всех системных программ входящих в её состав.
В 90-ые годы к работе над системой присоединился молодой хакер и программист Линус Торвальдс, он и разработал ядро для операционной системы. И, как видно из имени этого человека, своё название система получила именно в честь него. Кстати и пингвин, ставший эмблемой системы, был до этого личным талисманом Линуса, а вот сделать этого пингвина символом операционной системы придумала жена программиста – Туве.
Широкое распространение система получила после того, как сообщество программистов подхватило основную идею Linux и стало вкладывать свои усилия в развитие проекта.
Довольно часто к операционной системе Linux относят программы, которые дополняют эту OС, и прикладные программы, которые делают её полноценной многофункциональной операционной средой.
Бесплатность. Установив Linux, вы получите набор из тысяч бесплатных программ. Хоть они и не столь привычны как Windows-программы, но абсолютно функциональны.
Надёжность. Корректная работа аппаратной части ПК, позволит Linux работать годы без перезагрузки и зависаний. А кнопка Reset вообще никогда не понадобится.
Безопасность. В Linux практически нет вирусов. Само построение операционной системы исключает работу вредоносных программ.
На данный момент вокруг ОС Linux сформировалось огромное сообщество программистов, которые постоянно совершенствуют систему. Они разрабатывают новые версии и разновидности данной ОС, пишут самые разнообразные программы, работающие под Linux.
Разбор решения заданий тренировочного модуля.
№1.Тип задания: подстановка элементов в пропуски в таблице.
Предложите имена известных вам программ, открывающие файлы со следующими расширениями:
Расширение doc имеют только текстовые редакторы, например, MSWord; расширение bmp у графических редакторов, например, Paint. Программы-архиваторы имеют расширение zip, поэтому можно выбрать, например, программу WinZip, ну, а расширение txt есть только у программы Блокнот.
2. Моделирование. Виды моделей . Компьютерное моделирование.
1. Модель, ее признаки
2. Свойства моделей.
3. Назначение моделей.
4. Классификация моделей.
5. Моделирование, виды моделирования.
6. Компьютерное моделирование.
Модель и моделирование – это универсальные понятия, атрибуты одного из наиболее мощных методов познания в любой профессиональной области, познания объекта, процесса, явления (через модели и моделирование ).
Модели и моделирование объединяют специалистов различных областей, работающих над решением межпредметных проблем, независимо от того, где эта модель и результаты моделирования будут применены.
1. Модель – это некоторое упрощенное подобие реального объекта. Например, робот – модель человека. Модель – это новый объект, который отражает некоторые свойства изучаемого объекта (процесса или явления), существенные с точки зрения моделирования. Модель – это физический или информационный аналог объекта (процесса или явления), функционирование которого по определенным параметрам подобно функционированию реального объекта.
Моделью можно назвать систему, мысленно представленную или реально существующую, которая находится в определенных отношениях с другой системой (называемой обычно оригиналом, объектом или натурой) так, что при этом выполняются следующие условия:
· между моделью и оригиналом имеется отношение сходства, форма которого выражена и точно зафиксирована;
· модель в процессе научного познания является заместителем изучаемого объекта;
· изучение модели позволяет получать информацию об оригинале.
Эти три условия являются необходимыми и достаточными признаками модели.
2. Свойства моделей.
Общим свойством всех моделей является их достоверность.
Основные свойства любой модели :
- целенаправленность;
- конечность;
- упрощенность;
- приблизительность;
- адекватность;
- информативность;
- полнота;
- замкнутость и др.
3. Хорошо построенная модель, как правило, доступнее для исследования, чем реальный объект. Например, экономика страны, Солнечная система. Другое назначения модели состоит в том, что с ее помощью выявляются наиболее существенные факторы, формулирующие те или иные свойства объекта. Модель позволяет управлять объектом в тех случаях, когда экспериментировать с объектом трудно бывает неудобно, или невозможно. Например, когда эксперимент имеет большую продолжительность (избирательная компания, политическая ситуация).
Модель необходима для того, чтобы
1. понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;
2. научиться управлять объектом (процессом или явлением) и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (оптимизация);
3. прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект.
Важное свойство модели заключается в том, что ее изучение может дать некоторое новое знание об объекте–оригинале. Это свойство очень важно в процессе моделирования можно представить в виде схемы
Это замкнутая схема.
4. Классификация моделей.
Основания для классификации моделей:
· по области использования;
· по временному фактору;
· по отрасли знания;
· по способу представления.
По области использования
По способу представления
Материальные – предметные, физические (детские игрушки, физические и химические опыты).
Информационные – совокупность информации, характеризующей свойства и состояние объекта (процесса или явления), взаимосвязь с внешним миром. Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков
Вербальная – информационная модель, выраженная в мысленной или разговорной форме.
Знаковая модель – информационная модель, выраженная специальными знаками, т.е. средствами любого формального языка (графика, рисунок, текст).
5. Моделирование — замещение исследуемого объекта его условным образом, прототипом или другим объектом (моделью) и изучение свойств исследуемого объекта путем исследования свойств модели.
Материальное (предметное) – это такие способы моделирования, при которых исследование ведется на основе моделей, воспроизводящих геометрические, физические, динамические, функциональные характеристики изучаемого объекта.
Физическое моделирование – при котором реальному объекту противопоставляется его увеличенная или уменьшенная копия, допускающая исследование с помощью перенесения свойств изучаемого процесса или явления с модели на объект на основе теории подобия.
Аналоговое – основано на аналогии процессов и явлений, имеющих различную физическую природу, но одинаково описываемых формально (изучение построенное на аналогии электрических и механических колебаний).
Интуитивное – основано на интуитивном представлении об объекте исследования, не поддающемся формализации, либо не нуждающемся с ней (жизненный опыт).
Знаковое – использование в качестве моделей знаковые преобразования какого-либо вида: графики, схемы, формулы, включающие совокупность законов, по которым можно оперировать с выбранными знаковыми преобразованиями и их элементами.
Проблема моделирования состоит из трех взаимосвязанных задач: построение новой (адаптация известной) модели ; исследование модели (разработка метода исследования или адаптация, применение известного); использование (на практике или теоретически) модели .
Схема построения модели
Если на вход М поступают сигналы из X и на выходе появляются сигналы из Y , то задан закон, правило f функционирования модели , системы.
Принцип «черного ящика».
«Черный ящик» динамическая система, у которой явно прослеживаются входящие сигналы и моделируется выходящий сигнал. При этом внутренние строение системы нас не интересует.
Наука моделирования состоит в разделении процесса моделирования (системы, модели ) на этапы (подсистемы, подмодели), детальном изучении каждого этапа, взаимоотношений, связей, отношений между ними и затем эффективного описания их с максимально возможной степенью формализации и адекватности.
Жизненный цикл моделируемой системы:
- сбор информации;
- проектирование;
- построение;
- исследование;
- оценка;
- модификация.
6. Современное моделирование сложных процессов и явлений невозможно без компьютера, без компьютерного моделирования .
Компьютерное моделирование – основа представления (актуализации) знаний с помощью компьютера и с использованием любой информации, которую можно актуализировать с помощью ЭВМ.
Разновидность компьютерного моделирования – вычислительный эксперимент, осуществляемый экспериментатором над исследуемой системой или процессом с помощью компьютера и компьютерной технологии.
Вычислительный эксперимент позволяет находить новые закономерности, проверять гипотезы, визуализировать события и т.д.
Компьютерное моделирование от начала и до завершения проходит следующие этапы.
Что называется моделью? Для чего необходима модель? Какие бывают компьютерные модели? Что такое вычислительный эксперимент?
Моделью называется объект , который заменяет реальный предмет или явление для изучения его свойств . Модель называют инструментом познания объекта .
Известно , что , правильно построенная модель информативнее и доступнее при изучении свойств , чем реальный объект . Существует несколько требований к модели , после выполнения которых модель можно считать информативной . К ним относятся :
наглядность и видимость основных свойств и построения ;
доступность ее для исследования или воспроизведения ;
простота исследования , воспроизведения ;
сохранение информации , содержащейся в оригинале и способность получение новой информации .
Для того , чтобы результаты моделирования можно было использовать при работе с реальным объектом , модель должна быть адекватной , то есть свойства модели должны совпадать со свойствами реального объекта . Смысл замены реального объекта для исследования его моделью в том , что исследовать модель дешевле и проще , к тому же в некоторых случаях безопаснее .
Модель отражает наиболее значимые свойства объекта , оставляя без внимания второстепенными .
К основному предназначению моделирования можно отнести изучение поведения сложных систем физических процессов и явлений . Некоторые объекты и явления не могут быть изучены естественным образом ввиду различных факторов . В других случаях , исследования компьютерных моделей могут предшествовать реальным экспериментам для оценки необходимых ресурсов .
Естественно , модель любого реального явления или объекта недостаточно точна , нежели само явление или объект , но хорошо построенная модель способна отобразить все свойства и нюансы поведения системы в целом . Благодаря отображению всех характеристик объекта разом .
Модель способна научить надлежащим образом управлять реальным объектом путем проб и ошибок . Использовать для этой цели реальный объект бывает невозможно либо рискованно и неоправданно .
Итак , модель необходима для :
Модели можно разделить на вербальные , математические и компьютерные . Вербальные модели представляют собой утверждения , записанные на естественном или формализованном языке , которые описывают изучаемый объект . Математические модели представляют собой совокупность математических операторов и действий с ними , часто это есть система уравнений . Компьютерная модель это программа или их совокупность , которая благодаря математическим преобразованиям имитирует поведение изучаемой системы .
Одним из эффективных способов изучения явлений является научный эксперимент, то есть воспроизведение изучаемого явления в контролируемых условиях, которыми можно управлять. Исследуемый объект часто заменяют компьютерной моделью ввиду большей удобности и экономичности. Благодаря распространению мощных ЭВМ и информационных технологий в настоящее время компьютерное моделирование можно назвать самым результативным методом исследования физических, технических и других систем. Компьютерные модели позволяют выявить основные условия, которые определяют свойства изучаемых явлений и объектов, изучить обратную связь системы на изменяющиеся условия.
Компьютерная модель – это отдельная программа либо программный комплекс, которые позволяют при помощи вычислений и графического отображения результатов воспроизводить реальные объекты и процессы при воздействии на них различных факторов. Такие модели еще называют имитационными.
Компьютерное моделирование – метод решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе изучения ее компьютерной модели. Смысл такого моделирования состоит в получении количественных и качественных результатов по созданной модели, что позволяет изучить неизвестные ранее свойства системы. Компьютерная модель должна отображать максимальное количество взаимосвязей и характеристик реального объекта, существующие ограничения. Модель следует строить универсальной, чтобы использовать ее для описания подобных объектов; простой, чтобы обойтись разумными тратами на исследование.
Компьютерная модель также является отличным наглядным и обучающим пособием для учащихся. При использовании компьютерной модели в качестве обучающего механизма существуют возможности:
- рассмотреть сложные явления и процессы на доступном уровне;
- сделать акцент на главных свойствах системы благодаря гибкой форме ее представления и наличию эффектов мультимедиа;
- наблюдать за процессом в динамике, учитывая все его изменения;
- представлять работу системы в наглядном виде: графики, схемы, диаграммы;
- предпринимать действия невозможные в реальности из-за пространственно-временных рамок или опасения за безопасность модели и окружающей среды.
Виды компьютерных моделей.
Для начала определимся, каким может быть компьютерное моделирование.
- Физическое моделирование – моделирование, при котором создается целая установка для проведения экспериментов либо отдельный тренажер, например, для тренировки управления самолетом. Такая модель принимает внешние сигналы, осуществляет необходимые математические операции и выдает соответствующие сигналы для управления моделью.
- Численное моделирование – решение системы уравнений математическими методами, проведение вычислительного эксперимента на основе входных параметров системы и внешних воздействий на нее. Примером может служить моделирование любых природных и искусственных процессов.
- Суть имитационного моделирования в создании программы, которая будет имитировать поведение сложной системы. Такая имитация основана на формальном описании логики существования системы, при котором учитываются взаимодействия всех ее составляющих. Примерами являются исследования биологических, физических и других систем, а также создание игр, обучающих программ.
- Информационное моделирование – создание информационной модели, то есть объединенных вместе данных, классифицированных по определенным признакам, определяющих суть исследуемого объекта. Информационной моделью являются таблицы, графики, анимации, диаграммы, карты.
- Моделирование знаний, к которому относится создание систем искусственного интеллекта. За основу таких моделей берутся знания какой-либо области, состоящие из данных и правил. Примером служат экспертные системы, логические игры, программы для роботов, создания эффектов виртуальной реальности и прочее.
Исходя из всего вышеперечисленного, компьютерные модели можно разделить на:
- дискриптивные модели, описывающие исследуемый объект и факторы, влияющие на изменения в его поведении.
- оптимизационные модели помогают определить наиболее подходящий способ взаимодействия со сложной системой, управления ею.
- прогностические модели предсказывают состояние объекта в конкретные моменты в будущем.
- учебные модели, используемые для наглядного обучения обучающихся, их тестирования.
- игровые модели создают несуществующие ситуации, имитирующие реальность, играют в логические игры.
Под компьютерным моделированием изначально подразумевалось только имитационное моделирование, однако, не трудно заметить, что использование компьютера для других целей может значительно помочь для решения поставленных задач. Например, построение современных математических моделей по входным экспериментальным данным невозможно или труднодостижимо без использования компьютера.
Первые задач, решаемые с помощью компьютерного моделирования, были связаны с физикой и представляли собой в основном сложные нелинейные задачи физики с помощью итерационных схем и по сути являлось математическим моделированием. Хорошие результаты в моделировании в области физики распространили использование этого метода исследования и на другие области. Сложность решаемых моделированием задач зависела только от мощности используемых компьютеров, тем самым и ограничивалась несовершенными мощностями
После публикации в 1948 году статьи Дж. Неймана и С. Улама, в которой впервые было описано применение метода Монте-Карло, многие исследователи стали называть компьютерное моделирование методами Монте-Карло. Это не верно, правильней будет выглядеть разделение компьютерного моделирования на несколько направлений[6]:
- Методы Монте-Карло или методы вычислительной математики. Используются численные методы, объекты заменяются числами, результаты формируются в таблицы или графики;
- Методы имитационного моделирования;
- Методы статистической обработки данных на основе метода планирования эксперимента;
- Комплексы имитационного моделирования, в которых объединяются все вышеупомянутые методы.
Разновидностью компьютерного моделирования является вычислительный эксперимент, который предполагает дальнейшее численное исследование модели после ее создания, позволяющее исследовать объект в различных его модификациях и при различных условиях.
С использованием ЭВМ для выполнения арифметических и логических операций производительность интеллектуального труда человека значительно возросла. Первые задачи, для которых создавались ЭВМ, были связаны с ядерной энергией и освоением пространства космоса. Сейчас же компьютер принимает участие в различных задачах и исследованиях, эта технология теоретических экспериментов получила название вычислительного эксперимента. Основой вычислительного эксперимента является математическое моделирование, теоретической базой – прикладная математика, а технической – мощные электронные вычислительные машины.
Компьютерное моделирование и вычислительный эксперимент становятся новым методом научного познания для исследования сложных моделей систем. Цикл вычислительного эксперимента принято разделять на несколько этапов для лучшего восприятия сути этого метода.
Читайте также: