Например, компьютер — это целостно функционирующая система, образуется только после физического подключения устройств друг к другу, включения питания и загрузки ОС.
Если из системы удалить хотя бы один элемент, то она может перестать функционировать.
Свойства систем. Каждая система обладает определенными свойствами, которые, в первую очередь, зависят от набора составляющих ее элементов (объектов). Свойства системы зависят также от структуры системы, т.е. от типа отношений и связей элементов системы между собой (алмаз и графит — атомы углерода, но их кристаллические решетки, т.е. связи между атомами существенно различаются).
В систему входят следующие компоненты:
1. Структура — множество элементов системы и взаимосвязей между ними. Все объекты, все системы и все элементы любой системы находятся между собой в определенных взаимосвязях — отношениях. Отношение — это тоже объект, который имеет имя — «равно», «ниже», «больше», «богаче», «старше» и т.д.
2. Входы и выходы — материальные потоки или потоки сообщений, поступающие в систему или выводимые ею.
3. Закон поведения системы — функция, связывающая изменения входа и выхода системы.
4. Цель и ограничения.
Известные свойства системы:
1. Относительность. Это свойство устанавливает, что состав элементов, взаимосвязей, входов, выходов, целей и ограничений зависит от целей исследователя. Реальный мир богаче системы. Поэтому от исследователя и его целей зависит, какие стороны реального мира и с какой полнотой будет охватывать система.
2. Делимость. Означает, что систему можно представить состоящей из относительно самостоятельных частей — подсистем, каждая из которых может рассматриваться как система. Возможность выделения подсистем упрощает анализ всей системы в целом.
3. Свойство целостности. Указывает на согласованность цели функционирования всей системы с целями функционирования ее подсистем и элементов.
Под объектом можно понимать нечто, существующее помимо человека (субъекта), воспринимаемое им своими ощущениями. Любой объект характеризуется свойствами, которые проявляются не только при взаимодействии с субъектом, но и при взаимодействии с другими объектами, входящими в систему. Некоторые свойства могут быть описаны количественно — иметь конкретный набор значений, причем набор конкретных значений различных параметров определяет состояние объекта. Изменение свойств объекта в зависимости от условий называется поведением объекта, а изменение свойств во времени называется процессом (процесс может быть непрерывным, а может быть ограниченным во времени по каким-то критериям, в этом случае он называется событием).
Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и поэтому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели.
Понятие моделирования — понятие очень широкое. Практически во всех науках (о природе, живой и неживой, об обществе) построение и использование моделей является мощным орудием познания.
Истоки моделирования обнаруживаются в далеком прошлом. Наскальные изображения мамонта, пронзенного копьем, на стене пещеры можно рассматривать как модель удачной охоты, созданную древним художником (художественное творчество).
Развитие науки невозможно без создания теоретических моделей (теорий, законов, гипотез), отражающих строение, свойства и поведение реальных объектов.
Проектирование и создание различных технических устройств (зданий) невозможно без предварительного создания чертежей (макетов).
Но что бы ни выступало в роли модели, постоянно прослеживается процесс замещения реального объекта объектом-моделью с целью изучения реального объекта. Этот процесс называется моделированием. Замещаемый объект называется оригиналом, замещающий — моделью.
Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.
Модель создается человеком в процессе познания окружающего мира и отражает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.
Не бывает просто модели, «модель» — это термин, требующий уточняющего слова или словосочетания, например: модель атома, модель Вселенной. В каком-то смысле моделью можно считать картину художника или театральный спектакль.
Для описания и исследования одного и того же объекта может использоваться несколькомоделей (человек в механике — это материальная точка, в химии — объект, состоящий их различных химических веществ, в биологии — это система, стремящаяся к самосохранению).
Для описания и исследования разных объектов может использоваться одна и та же модель (описание движения планет, автомобиля, мяча можно рассматривать как описание движения материальной точки).
Никакая модель не может заменить сам объект, но при решении конкретной задачи, когда интересуют определенные свойства изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас единственным инструментом исследования.
К созданию моделей прибегают, когда исследуемый объект либо очень велик (модель солнечной системы), либо очень мал (модель атома), когда процесс протекает очень быстро (модель двигателя внутреннего сгорания) или очень медленно (геологические модели), исследование объекта может привести к его разрушению (модель самолета) или создание модели очень дорого (архитектурный макет города) и т. д.
Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, те которые интересуют исследователя. В этом главная особенность и главное назначение моделей.
Основные цели моделирования:
1. понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (ПОНИМАНИЕ).
2. научиться управлять объектом (процессом) и определить наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (УПРАВЛЕНИЕ).
3. прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (ПРОГНОЗИРОВАНИЕ).
Все модели можно разбить на два больших класса: материальные и информационные.
Материальныемодели. Предметные модели позволяют представить в наглядной материальной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного исследования (очень большие — очень маленькие объекты; очень быстрые — очень медленные процессы и т.д.). Примеры: макеты зданий, модели авто- и авиа-двигателей, глобус как модель планеты Земля, модели молекул и кристаллических решеток, анатомические муляжи и т.п.
Информационныемодели. Эти модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме, а также в форме таблиц, блок-схем, графов и т.д.
Образныемодели представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе, например произведения искусства.
Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Такая модель может быть представлена в форме текста (милицейский протокол, правила дорожного движения, программа, записанная на языке программирования) или формулы (описание движения некоторого реального тела системой нелинейных уравнений, по второму закону Ньютона или описание процесса распространения тепла дифференциальными уравнениями 2 порядка по закону теплопроводности).
Информационную модель можно представить также в виде таблицы (таблица элементов Менделеева), блок-схемой (алгоритмы).
Иерархические информационные модели. В такой модели объекты распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент. Основное отношение между уровнями — элемент более высокого уровня может состоять из нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня. Например, животный мир: тип класс отряд семейство род вид; файловая структура: носитель папка папка … файл.
Удобным наглядным представлением иерархической структуры информационных моделей являются графы.
Граф состоит из вершин, связанных дугами или ребрами. Вершины могут быть изображены кругами, овалами прямоугольниками и др. Связи между вершинами изображаются линиями. Если линия со стрелками, то она называется дугой, если без стрелки, то ребром.
Граф, в котором все линии со стрелками, называют ориентированным графом. Граф, в котором с вершинами или линиями связана некоторая дополнительная информация, называется взвешенным. Вес позволяет отобразить на графе не только структуру системы, но и различные свойства объектов и связей, количественные характеристики и т.д. Графы, имеющие одну вершину верхнего уровня, напоминают деревья, которые растут сверху вниз. Дуги дерева могут связывать объекты только соседних иерархических уровней, причем каждый объект нижнего уровня может быть связан дугой только с одним объектом верхнего уровня.
Пример взвешенного графа — задача коммивояжера. Пример дерева — файловая структура, генеалогическое дерево.
Для построения моделей используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему). При первом подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели, которая приспосабливается к условиям моделируемого объекта с учетом конкретных обстоятельств. Второй способ предполагает декомпозицию сложного объекта, анализ, а затем синтез (таблица Менделеева).