Моделирование как метод познания. Основные этапы построения моделей. Формализация моделирования

Описание задачи
Цель моделирования
Анализ объекта
Постановка задачи
Под задачей в самом общем смысле этого слова понимается некоя проблема, которую надо решить. На этапе постановки задачи необходимо отразить три основных момента:описание задачи, определение целей моделирования и анализ объекта или процесса
Описание задачи
По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы:первая группа - как изменятся характеристики объекта или процесса, при некотором воздействии на него(задачи типачто будет,если... ) и вторая группа - какое воздействие нужно произвести, чтобы произвести изменение характеристик объекта или процесса до определенных значений(как сделать,чтобы...
Цель моделирования
Познание окружающего мира, создание объектов с заданными свойствами, определение последствий воздействия на объект, эффективность управления объектом или процессом.
Анализ объекта
Результат анализа объекта появляется в процессе выявления его составляющих(элементарных объектов) и связей между ними.

Разработка модели
Информационная модель
Выбор наиболее существенной информации при создании информационной модели и ее сложность обусловлены целью моделирования .Построение информационной модели является отправным пунктом разработки модели.
Все входные параметры объектов, выделенные при анализе, располагают в порядке убывания значимости и проводят упрощение модели в соответствии с целью моделирования.При этом отбрасываются факторы, несущественные с точки зрения того, кто определяет модель. Если отбросить существенные факторы, то модель может оказаться неверной.
Все элементарные объекты, выделенные при анализе должны бытьпоказаны во взаимосвязи. В информационной модели отображаются только бесспорные связи и очевидные действия. Такая модель дает первичную идею, определяющую дальнейший ход моделирования.
Знаковая модель
Информационная модель, как правило, представляется в той или иной знаковой форме,которая может быть компьютерной или некомпьютерной.
Компьютерная модель
Компьютерная модель- модель реализованная средствами программной среды При моделировании на компьютере необходимо иметь представление о классах программных средств, их назначении, инструментарии и приемах работы. Тогда легко можно преобразовать информационную знаковую модель в компьютерную и провести соответствующий эксперемент.
между ними.

Компьютерный эксперемент
План моделирования
С развитием вычислительной техники появился новый уникальный метод исследования - компьютерный эксперемент. В помощь, а иногда и на сменуэксперементальным образцам и испытательным стендам во многих случаях пришли компьютерные исследования моделей. Этап проведения компьютерного эксперемента включает две стадии: составление плана моделирования и технологию моделирования.
План моделирования должен четко отражать последовательность работы с моделью. Первым пунктом плана часто является разработка теста, а вторым -тестирование модели.
Тестирование - проверка правильности модели. Тест - набор исходных данных, для которых заранее известен результат
После тестирования, когда есть уверенность в правильности функционирования модели, можно переходить непосредственно к технологии моделирования.
Технология моделирования - совокупность целенаправленных действий пользователя над компьютерной моделью .
Каждый эксперемент должен сопровождаться осмыслением результатов моделирования, которые станут основой анализа результатов моделирования.

Анализ результатов моделирования
Конечная цель моделирования - принятие решения, которое должно быть выработано на основе всестороннего анализа полученных результатов. Этот этап решающий - либо вы продолжаете исследования, либо заканчиваете.Если известен результат, то можно сравнитьего с полученным результатом моделирования. Полученные выводы часто способствуют прведению дополнительной серии эксперементов, а иногда и к изменению модели.
Основой для выработки решения служат результаты тестирования и эксперементов. Если результаты не соответствуют целям моделирования,значит, допущены ошибки на предыдущих этапах.

1) Первым этапом любого исследования является постановка задачи, которая определяется заданной целью.

Задача формулируется на обычном языке. По характеру постановки все задачи можно разделить на две основные группы. К первой группе можно отнести задачи, в которых требуется исследовать, как изменятся характеристики объекта при некотором воздействии на него, "что будет, если?…". Вторая группа задач: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию, "как сделать, чтобы?..".

2) Второй этап - анализ объекта. Результат анализа объекта - выявление его составляющих (элементарных объектов) и определения связей между ними.

3) Третий этап - разработка информационной модели объекта. Построение модели должно быть связано с целью моделирования. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства, которые соответствуют цели.

Все то, о чем говорилось выше - это формализация.

Формализация - это процесс выделения и перевода внутренней структуры объекта в определенную информационную структуру - форму.

Построив информационную модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул.

Моделирование любой системы невозможно без предварительной формализации. По сути, формализация - это первый и очень важный этап процесса моделирования.

Построение и использование компьютерных моделей

В наиболее общем виде процесс построения и использования компьютерных моделей можно представить как последовательность этапов:

1) Постановка задачи

a) Описание задачи

b) Цель моделирования

c) Анализ объекта

2) Разработка модели

a) Информационная модель

b) Знаковая модель

c) Компьютерная модель

3) Компьютерный эксперимент

4) Анализ результатов моделирования (результат соответствует цели/результат не соответствует цели).

Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок может быть убран или усовершенствован. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.

3D Моделирование

Трехмерная модель - это воссозданная на базе рабочей проектной документации точная геометрическая копия объекта

3D графика - это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. На основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации, 3D дизайнер создает объемное изображение. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.

Трехмерная графика может быть любой сложности. Вы можете создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы. Или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее). Конечно, это всерьез влияет на стоимость готовой трехмерной модели, однако позволяет расширить применение трехмерной модели.

Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Вы можете изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Ваша фантазия практически ни чем не ограничена, и вы сможете быстро выбрать именно тот вариант, который подойдет вам наилучшим образом. моделирование вербальный компьютерный формализация

Однако трехмерное моделирование удобно не только для клиента. Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудоемкий процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.

Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.

Программы для трехмерного моделирования:

Существует довольно большое количество самых разных программ для 3D моделирования. Так, одной из популярных программ, которые специально разработаны для создания трехмерной графики и дизайна интерьеров, является программа 3D Studio MAX. Она позволяет реалистично визуализировать объекты самой разной сложности. Кроме того, "3D Studio MAX" дает возможность компоновать их, задавать траектории перемещений и в конечном итоге даже создавать полноценное видео с участием трехмерных моделей. Хотя такая работа, конечно же, требует у специалиста серьезных навыков, а также больших компьютерных ресурсов, в первую очередь объемов памяти и быстродействие процессора.

Другой широко используемой программой является AutoCAD. Она также используется для трехмерного моделирования и визуализации, профессионального архитектурно-строительного проектирования, постоянно дополняется новыми возможностями. Довольно большое количество программ могут быть интегрированы с базовым ядром "AutoCAD". Например, приложение для визуализации в таких областях, как вентиляция, трубопроводы, электрика и так далее. Если программу "3D Studio MAX" больше предпочитают дизайнеры и аниматоры, то программой "AutoCAD" в основном пользуются профессиональные архитекторы для реализации сложных проектов.

Рисунок 3.Модель кабинета, выполненная в программе 3D Studio MAX

По мере развития человечества происходит структуризация и оптимизация наличных у нас данных и возможностей их использования. При этом ключевой является информационная модель. На сегодняшний день она является существенно недооценённым инструментов планирования. Чтобы сломать эту тенденцию, необходимо рассказывать аудитории о её возможностях, чем и займётся автор этой статьи.

Что называют информационной моделью? Описание и структура

Так называют модель объекта. Она представлена в виде информации, что описывает существенные для конкретного случая параметры и переменные, связи между ними, а также входы и выходы для данных, при подаче на которые можно влиять на получаемый результат. Их нельзя увидеть или потрогать. В целом они не имеют материального воплощения, поскольку строятся на использовании одной информации. Сюда относятся данные, что характеризуют состояния объекта, существенные свойства, процессы и явления, а также связь с внешней средой. Это процесс называется описанием информационной модели. Это самый первый шаг проработки. Полноценной информационной моделью является обычно сложная разработка, которая может иметь много структур, что в рамках статьи сведены в три основных типа:

1. Описательная. Сюда относятся модели, которые создаются на естественных языках. Они могут иметь любую произвольную структуру, которая удовлетворит составляющего их человека.
2. Формальная. Сюда относят модели, которые создаются на формальных языках (научных, профессиональных или специализированных). В качестве примеров можно привести такое: все виды таблиц, формул, граф, карт, схемы и прочих подобных структурных формаций.
3. Хроматические. Сюда относят модели, которые были созданы с применением естественного языка семантики цветовых концептов, а также их онтологических предикатов. Под последними понимают возможность распознавания значений цветовых канонов и смыслов. В качестве примера хроматических моделей можно навести те, что были построены с использованием соответствующей теоретической базы и методологии.

Как видим, основной составляющей являются данные, их структура и процедура обработки. Развивая мысль, можно дополнить, что информационная модель является схемой, в которой описана суть определённого объекта, а также все необходимые для его исследования процедуры. Для более полного описания характеристик используют переменные. Они замещают атрибут цели, которая прорабатывается. И здесь имеет значительную важность структура информационной модели.

Давайте приведём пример. Описание веника и инструкция по его использованию является информационной моделью для уборщика. Но это не всё. Описание и технологический процесс изготовления веника, изложений в соответствующей документации, является информационной моделью и алгоритмом, по которому его делает производитель. Как видите, отражаются наиболее важные свойства объекта. В действительности, конечно, информационная модель – это лишь приближенное описание. В результате можно сказать, что эти данные, с помощью которых осуществляется познание реальности, являются относительно истинными.

Общая классификация

Какие информационные модели существуют? Классификация сформирована на основе самого определения:

1. Зависимо от количества значений переменных они делятся на динамические и статистические.
2. По способу описания бывают знаковыми, натурными, формализованными.
3. Зависимо от особенностей конструирования переменных делятся на графовые, графические, идеографические, текстовые, алгоритмические, табличные.

Виды информационных моделей

Исследованию поддаётся как физический, так и идеальный объект анализа. Это приводит к тому, что существование одинаковых информационных моделей, к которым можно подойти с тем же самых набором инструментариев, нет. Поэтому приходится использовать отдельные подходы и что-то особенное, что позволит изучить или исследовать предметную область. На основании таких суждений принято выделять три виды информационных моделей:

1. Математические. Благодаря им изучают явления и процессы, что являются представленными в виде наиболее общих математических закономерностей или абстрактных объектов, которых достаточно, чтобы выразить законы природы или внутренние свойства наблюдаемого. Также применяются для подтверждения правила логических рассуждений.
2. Компьютерные. Используется для описания совокупности переменных, что представлены абстрактными типами данных и поданы в соответствии с выдвигаемыми требованиями среды обработки ЭОМ.
3. Материальные. Так называют предметное отражение объекта, сохраняющее геометрические и физические свойства (глобус, игрушки, манекены). Также к материальным моделям относят химические опыты.

Типы информационных моделей

Поскольку они являются совокупностью информации, то часто характеризуют состояние и свойства объекта, явления, процесса и их взаимодействие с окружающим их миром. Зависимо от того, как они представлены и выражены, выделяют два типы информационных моделей:

1. Вербальные. Они создаются как результат умственной деятельности человека и представляются в словесной форме или при помощи жестикуляции.
2. Знаковые. Для их выражения используются рисунки, схемы, графики, формулы.

Что необходимо для их создания?

Информация, причём как можно более точная. Чем больше предоставленные данные отвечают реальным показателем, тем эффективней применяется модель на практике. Чтобы разработать модель, сначала проводится сбор всей возможной информации. Она отсеивается и остаётся та, что предоставляет наибольшую ценность для исследователя. Проводится анализ предоставляющей интерес информации, на основании которого она структурируется. И зависимо от целей исследователь из отдельных блоков данных строит необходимую модель. Потом проводится поиск ошибок и ликвидация противоречий. Когда этот шаг закончен, то разработка информационной модели тоже считается завершённой.

Где применяются информационные модели?

Везде. Только такое обозначение не всегда применяется на практике из-за его излишней научности. Инструкции для компьютеров, телевизоров, телефонов, использованных бутылей воды, автомобильных аккумуляторов – вот лишь отдельные примеры. Информационной моделью является и технология производства комбайнов, тракторов, самолётов, грузовиков, прицепов, строений. Как видите, для неё есть применение и в быту, и в промышленности. Но сам термин «информационная модель» больше применяется в последней сфере из-за того, что здесь протекают более сложные процессы с участием большого количества людей.

Пример создания

Давайте попробуем детально проанализировать, что такое информационная модель. Это не так сложно, как может показаться. В качестве примера возьмём клавиатуру. Можно определить два направления относительно пользователя: описание и вопросы настройки. Во-первых, производительно пишет в аннотации, какой это хороший продукт, что он может, как с ним удобно работать. Анализирует передовые технологии, применённые при её создании, экологические преимущества и прочие подобные вещи. Главное – понравиться. Но лгать всё же не надо, поскольку это будет иметь нежелательные последствия.

Во-вторых, прорабатываются вопросы настройки. Можно ответить на них с помощью картинок на листке-вкладыше, где будет изображено, куда вставить разъём клавиатуры в компьютер. Также может прилагаться небольшой ремонтный комплект, инструкция по его использованию, особенности построение устройства, как его следует разбирать в случае возникновения определённых проблем – и ряд других вопросов, которые можно только продумать и дать ответ пользователям на них.

Особенности

Чем больше данных, тем описание информационной модели будет сложнее. Это две стороны медали: следует выбирать между точностью и функциональностью. Чтобы не перегибать палку или избежать слабой проработки вопроса следует заранее очертить задачи для проработки и глубину их разбора. Следует позаботиться обо всех имеющихся моментах, поскольку любая проблема, допущенная на этом этапе, в будущем только добавит работы и необходимость затраты денежных средств на устранение конфликта.

Изучение аспектов информационного моделирования

С научной точки зрения этим вопросом занимается кибернетика. Поэтому, если у вас есть желание углубить свои познания в этой области, запаситесь несколькими недавно вышедшими книгами и внимательно изучите их. Хотя можно и по-другому осведомиться, что такое простейшие информационные модели. Информатика может дать необходимый базис, но для получения всей полноты знаний нужна именно кибернетика. В её рамках можно будет ознакомиться не только с детализированными принципами моделирования, но и узнать про существующие разработки, а также возможности их применения.

Заключение

Информационная модель – это важный и полезный инструмент, если правильно его использоваться. При создании сложных систем (например, программного обеспечения) он позволяет проработать основные технические вопросы и устранить возможные не состыковки. В рамках статьи были размещены знания про то, какие информационные модели есть, как они создаются и другая полезная информация, что пригодится на практике.

В данной работе мы предлагаем как можно подробно разобрать тему моделирования в информатике. Этот раздел имеет большое значение для подготовки будущих специалистов в сфере информационных технологий.

Для решения любой задачи (производственной или научной) информатика использует следующую цепочку:

В ней стоит уделить особое внимание понятию «модель». Без наличия данного звена решение задачи не будет возможным. Зачем же используется модель и что под данным термином понимается? Об этом мы и поговорим в следующем разделе.

Модель

Моделирование в информатике - это составление образа какого-либо реально существующего объекта, который отражает все существенные признаки и свойства. Модель для решения задачи необходима, так как она, собственно, и используется в процессе решения.

В школьном курсе информатики тема моделирования начинает изучаться еще в шестом классе. В самом начале детей необходимо познакомить с понятием модели. Что это такое?

• Упрощенное подобие объекта;
• Уменьшенная копия реального объекта;
• Схема явления или процесса;
• Изображение явления или процесса;
• Описание явления или процесса;
• Физический аналог объекта;
• Информационный аналог;
• Объект-заменитель, отражающий свойства реального объекта и так далее.

Модель - это очень широкое понятие, как это уже стало ясно из вышеперечисленного. Важно отметить, что все модели принято делить на группы:

• материальные;
• идеальные.

Под материальной моделью понимают предмет, основанный на реально существующем объекте. Это может быть какое-либо тело или процесс. Данную группу принято подразделять еще на два вида:

• физические;
• аналоговые.

Такая классификация носит условный характер, ведь четкую границу между двумя этими подвидами провести очень трудно.

Идеальную модель охарактеризовать еще труднее. Она связаны с:

• мышлением;
• воображением;
• восприятием.

К ней можно отнести произведения искусства (театр, живопись, литература и так далее).

Цели моделирования

Моделирование в информатике - это очень важный этап, так как он преследует массу целей. Сейчас предлагаем с ними познакомиться.

В первую очередь моделирование помогает познать окружающий нас мир. Испокон веков люди накапливали полученные знания и передавали их своим потомкам. Таким образом появилась модель нашей планеты (глобус).

В прошлые века осуществлялось моделирование несуществующих объектов, которые сейчас прочно закрепились в нашей жизни (зонт, мельница и так далее). В настоящее время можелирование направлено на:

• выявление последствий какого-либо процесса (увеличения стоимости проезда или утилизации химических отходов под землей);
• обеспечение эффективности принимаемых решений.

Задачи моделирования

Информационная модель

Теперь поговорим еще об одном виде моделей, изучаемых в школьном курсе информатики. Компьютерное моделирование, которое необходимо освоить каждому будущему IT-специалисту, включает в себя процесс реализации информационной модели при помощи компьютерных средств. Но что это такое, информационная модель?

Она представляет собой целый перечень информации о каком-либо объекте. Что данная модель описывает, и какую полезную информацию несет:

• свойства моделируемого объекта;
• его состояние;
• связи с окружающим миром;
• отношения с внешними объектами.

Что может служить информационной моделью:

• словесное описание;
• текст;
• рисунок;
• таблица;
• схема;
• чертеж;
• формула и так далее.

Отличительная особенность информационной модели заключается в том, что ее нельзя потрогать, попробовать на вкус и так далее. Она не несет материального воплощения, так как представлена в виде информации.

Системный подход к созданию модели

В каком классе школьной программы изучается моделирование? Информатика 9 класса знакомит учеников с данной темой более подробно. Именно в этом классе ребенок узнает о системном подходе моделирования. Предлагаем об этом поговорить немного подробнее.

Начнем с понятия «система». Это группа взаимосвязанных между собой элементов, которые действуют совместно для выполнения поставленной задачи. Для построения модели часто пользуются системным подходом, так как объект рассматривается как система, функционирующая в некоторой среде. Если моделируется какой-либо сложный объект, то систему принято разбивать на более мелкие части - подсистемы.

Цель использования

Сейчас мы рассмотрим цели моделирования (информатика 11 класс). Ранее говорилось, что все модели делятся на некоторые виды и классы, но границы между ними условны. Есть несколько признаков, по которым принято классифицировать модели: цель, область знаний, фактор времени, способ представления.

Что касается целей, то принято выделять следующие виды:

• учебные;
• опытные;
• имитационные;
• игровые;
• научно-технические.

К первому виду относятся учебные материалы. Ко второму уменьшенные или увеличенные копии реальных объектов (модель сооружения, крыла самолета и так далее). позволяет предугадать исход какого-либо события. Имитационное моделирование часто применяется в медицине и социальной сфере. Наример, модель помогает понять, как люди отреагируют на ту или иную реформу? Прежде чем сделать серьезную операцию человеку по пересадке органа, было проведено множество опытов. Другими словами, имитационная модель позволяет решить проблему методом «проб и ошибок». Игровая модель - это своего рода экономическая, деловая или военная игра. С помощью данной модели можно предугадать поведение объекта в разных ситуациях. Научно-техническую модель используют для изучения какого-либо процесса или явления (прибор имитирующий грозовой разряд, модель движения планет Солнечной системы и так далее).

Область знаний

В каком классе учеников более подробно знакомят с моделированием? Информатика 9 класса делает упор на подготовку своих учеников к экзаменам для поступления в высшие учебные заведения. Так как в билетах ЕГЭ и ГИА встречаются вопросы по моделированию, то сейчас необходимо как можно подробнее рассмотреть эту тему. И так, как происходит классификация по области знаний? По данному признаку выделяют следующие виды:

• биологические (например, искусственно вызванные у животных болезни, генетические нарушения, злокачественные новообразования);
• поведения фирмы, модель формирования рыночной цены и так далее);
• исторические (генеалогическое дерево, модели исторических событий, модель римского войска и тому подобное);
• социологические (модель личного интереса, поведение банкиров при адаптации к новым экономическим условиям) и так далее.

Фактор времени

По данной характеристике различают два вида моделей:

• динамические;
• статические.

Уже, судя по одному названию, не трудно догадаться, что первый вид отражает функционирование, развитие и изменение какого-либо объекта во времени. Статическая наоборот способна описать объект в какой-то конкретный момент времени. Этот вид иногда называют структурным, так как модель отражает строение и параметры объекта, то есть дает срез информации о нем.

Примерами являются:

• набор формул, отражающих движение планет Солнечной системы;
• график изменения температуры воздуха;
• видеозапись извержения вулкана и так далее.

Примерами статистической модели служат:

• перечень планет Солнечной системы;
• карта местности и так далее.

Способ представления

Для начала очень важно сказать, что все модели имеют вид и форму, они всегда из чего-то делаются, как-то представляются или описываются. По данному признаку принято таким образом:

• материальные;
• нематериальные.

К первому виду относятся материальные копии существующих объектов. Их можно потрогать, понюхать и так далее. Они отражают внешние или внутренние свойства, действия какого-либо объекта. Для чего нужны материальные модели? Они используются для экспериментального метода познания (опытного метода).

К нематериальным моделям мы уже тоже обращались ранее. Они используют теоретический метод познания. Такие модели принято называть идеальными либо абстрактными. Эта категория делится еще на несколько подвидов: воображаемые модели и информационные.

Информационные модели приводят перечень различной информации об объекте. В качестве информационной модели могут выступать таблицы, рисунки, словесные описания, схемы и так далее. Почему данную модель называют нематериальной? Все дело в том, что ее нельзя потрогать, так как она не имеет материального воплощения. Среди информационных моделей различают знаковые и наглядные.

Воображаемая модель - это один из Это творческий процесс, проходящий в воображении человека, который предшествует созданию материального объекта.

Этапы моделирования

Тема по информатике 9 класса «Моделирование и формализация» имеет большой вес. Она обязательна к изучению. В 9-11 классе преподаватель обязан познакомить учеников с этапами создания моделей. Этим мы сейчас и займемся. Итак, выделяют следующие этапы моделирования:

• содержательная постановка задачи;
• математическая постановка задачи;
• разработки с использованием ЭВМ;
• эксплуатация модели;
• получение результата.

Важно отметить, что при изучении всего, что окружает нас, используется процессы моделирования, формализации. Информатика - это предмет, посвященный современным методам изучения и решения каких-либо проблем. Следовательно, упор делается на модели, которые можно реализовать при помощи ЭВМ. Особое внимание в этой теме следует уделить пункту разработки алгоритма решения при помощи электронно-вычислительных машин.

Связи между объектами

Теперь поговорим немного о связях между объектами. Всего выделяют три вида:

• один к одному (обозначается такая связь односторонней стрелкой в одну или в другую сторону);
• один ко многим (множественная связь обозначается двойной стрелкой);
• многие ко многим (такая связь обозначается двойной стрелкой).

Важно отметить, что связи могут быть условными и безусловными. Безусловная связь предполагает использование каждого экземпляра объекта. А в условной задействованы только отдельные элементы.

Информационная модель есть организованная по определенным правилам совокупность информации о состоянии и функционировании объекта управления и внешней среды. Она является для оператора своеобразным имитатором существенно важных для управления свойств реальных объектов, т.е. тем источником информации, на основе которого он формирует образ реальной обстановки, производит анализ и оценку сложившейся ситуации, планирует управляющие воздействия, принимает решения, обеспечивающие эффективную работу системы, а также оценивает результаты их реализации. Другими словами, оператор имеет дело не с объектом как таковым, а с его знаковым представлением. При любых видах работы с информацией всегда идет речь о ее представлении в виде определенных символи­ческих структур. Формирование представления инфор­мации - это ее кодирование.

Концептуальная модель - это совокупность представлений оператора о рабочих задачах, состоянии и функционировании рабочей системы и собственных способах управляющих воздействий на них. Образы и представления, составляющие содержание концептуальной модели, не являются только отражением реальности. Они играют роль обобщенных схем деятельности, сформированных в процессе обучения и тренировок. Концептуальная модель характеризуется огромной информационной избыточностью, но актуализируются и осознаются в тот или иной момент лишь образы и схемы деятельности, связанные с непосредственно решаемой задачей. При создании информационных моделей, необходимо руководствоваться следующими эргономическими требованиями:

♦ по количеству информации они должны обеспечивать оптимальный информационный баланс и не приводить к таким нежелательным явлениям, как дефицит или избыток информации;

♦ по форме и композиции они должны соответствовать задачам трудового процесса и возможностям человека по приему, анализу, оценке информации и осуществлению управляющих воздействий.

Учет этих требований в процессе проектирования информационных моделей позволяет оператору выполнять возложенные на него функции с необходимой оперативностью и точностью, предотвращает появление ошибочных действий, обеспечивает эффективное функционирование системы "человек-машина". Опыт разработки и использования информационных моделей, а также анализ деятельности операторов с ними позволяют сформулировать ряд важнейших характеристик информационных моделей.

Отображение существенной информации и проблемной ситуации. В информационной модели должны быть пред­ставлены лишь основные свойства, отношения, связи управляемых объектов. В этом смысле модель воспроиз­водит действительность в упрощенном виде и всегда является некоторой ее схематизацией. Степень и характер упрощения и схематизации могут быть определены на основе анализа задач систем "человек - машина". При возникновении проблемной ситуации в управ­лении ее восприятие облегчается, если в информацион­ной модели предусмотрено отображение:

♦ изменений свойств элементов ситуации, которые происходят при их взаимодействии. В этом случае измене

ния свойств отдельных элементов воспринимаются не изолированно, а в контексте ситуации в целом;

♦ динамических отношений управляемых объектов, при этом связи и взаимодействия информационной модели должны отображаться в развитии. Допустимо и даже полезно утрирование или усиление отображения тенденций развития элементов ситуации, их связей или ситуации в целом;

♦ конфликтных отношений, в которые вступают элементы ситуации.

1. Этапы построения информационной модели.

Порядок построения информационной модели, как правило, следующий:

1) определение задач системы и очередности их решения;

2) определение источников информации, методов решения задач, времени, необходимого на их решение, а также требуемой точности;

3) составление перечня типов объектов управления, определение их количества и параметров работы системы;

4) составление перечня признаков объектов управления разных типов;

5) распределение объектов и признаков по степени важности, выбор критичных объектов и признаков, учет которых необходим в первую очередь;

6) выбор системы и способов кодирования объектов управления, их состояний и признаков;

7) разработка общей композиции информационных моделей;

8) определение перечня исполнительных действий операторов, осуществляемых в процессе решения задачи и после принятия решения;

9) создание макета, моделирующего возможную ситуацию, проверка эффективности избранных вариантов информационных моделей и систем кодирования информации. Критерием эффективности служат время, точность и напряженность работы оператора;

10) определение изменений по результатам экспериментов с композицией информационных моделей и систем ко­дирования, проверка эффективности каждого нового варианта на макете;

11) определение на макете уровня профессиональной подготовки операторов и его соответствия заданному;

12) составление инструкций работы операторов в системе управления.

Предложенный порядок построения информационных моделей намечен лишь в общем виде. Он может меняться в зависимости от специфики тех или иных систем управления и функций операторов.

Кодирование информации.

Под кодированием информации понимают операцию отождествления условных знаков (символов, сигналов) с тем или иным видом информации. Оптимальность кода предполагает обеспечение максимальной скорости и надежности приема и переработки информации человеком, т.е. максимальной эффективности выполнения операций зрительного поиска, обнаружения, различения, идентификации и опознания сигналов.

Существует ряд относительно независимых параметров, по которым должны строиться и оцениваться алфавиты кодовых сигналов: модальность сигнала; вид алфавита (категория кода); длина алфавита (основание кода); мерность кода; мера абстрактности кода; компоновка кодового знака и группы. Выбор модальности сигналов, вида алфавита и его длины, способа предъявления знаков и т.п. - все эти вопросы могут быть решены только при компромиссном соглашении, поскольку часто улучшение параметров кодов в одной задаче приводит к снижению эффективности решения другой.

Выбор модальности сигнала. Модальность (от лат. modus - способ) - одно из основных свойств ощущений, их качественная характеристика. Понятие модальности относится и ко многим другим психическим процессам. В системах управления информация, передаваемая оператору, воспринимается преимущественно зрительной системой. Нередко возникает необходимость перераспределения потоков информации, передаваемой человеку, между различными воспринимающими системами с целью снятия перегрузки со зрительной системы оператора. Вибротактильная форма предъявления информации представляет дополнительный источник информации о характере движущегося объекта управления (автомобиля, самолета, судна, железнодорожного состава и т.д.). Ее используют при кодировании органов управления разной формы, при дублировании зрительной и слуховой форм предъявления информации.

Определение меры абстрактности кода. Существуют два варианта: абстрактный код, не связанный с содержанием сообщения, и конкретный код, в определенной мере связанный с содержанием сообщения. В соответствии с мерой абстрактности кода выделяют абстрактные, схематические, иконические и пиктографические типы знаков . Конкретность, наглядность опознавательных признаков знака ускоряют процесс декодирования, поскольку в этом случае процессы различения, опознания и декодирования осуществляются одновременно. Вопрос о мере абстрактности имеет наибольшее значение для категории формы.

Кодирование сложного сообщения. Кодирование сложного сообщения включает три этапа: подбор оптимального алфавита или алфавитов, которыми кодируются отдельные элементы сообщения; установление оптимального соотношения между различными алфавитами в пределах одного сообщения; нахождение оптимальной логической структуры закодированного сообщения. Один из наиболее распространенных способов кодирования сложного сообщения - формулярный, т.е. объединение букв, цифр и условных знаков в компактные.

1. Кодирование формой и размером.

Кодирование формой. Легко различаются и распознаются простые геометрические фигуры, состоящие из не­большого количества элементов. Фигуры, составленные из прямых линий, различаются лучше, чем фигуры, имеющие кривизну и много углов. На этом основании треугольники и прямоугольники выделяются как формы, более легкие для восприятия, чем крути и многоугольники. При выборе между контурными и силуэтными знаками предпочтение следует отдавать последним

Кодирование размером. При использовании размера в качестве кодовой категории следует соотносить площадь знака с какой-либо характеристикой объекта, например с его размером, удаленностью и т.п. При трех градациях размеров фигур существует тенденция к переоценке наименьшего и к недооценке наибольшего размера, иначе говоря, к стягиванию крайних размеров фигур к среднему. При увеличении длины алфавита до четырех размеров отмечаются большие трудности в дифференцировании средних размеров по сравнению с крайними. При использовании более пяти градаций признака число ошибок опознания резко возрастает.

1. Буквенно-цифровое кодирование.

Выбор вида алфавита. Различные качественные и количественные характеристики управляемых объектов кодируются разными способами: условными знаками, буквами, цифрами, цветом, яркостью и т.п. Каждый способ кодирования называется видом алфавита, или категорией кодирования. Установлено, что при решении оператором различных задач проявляются преимущества тех или иных видов алфавитов. Поскольку различные признаки сигнала обеспечивают различную эффективность выполнения операций опознания, декодирования, поиска и т.п., алфавит выбирают с учетом стоящих перед оператором задач. Буквы используются для передачи информации о названии объекта, цифры - о его количественных характеристиках, цвет - о значимости. Геометрические фигуры могут быть использованы для кодирования информации в тех случаях, когда оператору необходима наглядная картина для быстрой переработки информации. Для решения задач опознания наиболее эффективны категории цвета и формы. В задачах зрительного поиска преимущество имеет цветовое кодирование. Самое мень­шее время поиска объектов - по цвету, а самое большее - по яркости и размеру. При использовании в качестве кодовых категорий формы, размера, цвета и пространственной ориентации фигур наибольшую эффективность выполнения операций идентификации, опознания и поиска обеспечивают категории цвета и формы, наименьшую точность имеет идентификация по размеру. Объединение в одном алфавите двух его видов - знакового и цифрового - приводит к существенному возрастанию скорости работы вследствие увеличения объема оперативного поля зрения.

Определение основания кода. Общий диапазон абсолютно различаемых градаций одномерного сигнала колеблется от 4 до 16 в зависимости от качества используемого признака. Допустимая длина алфавита должна определяться экспериментальным путем для каждого вида алфавита.

Выбор мерности кода. Наиболее целесообразным спосо­бом увеличения длины кодового алфавита является многомерное кодирование, т.е. увеличение числа значи­мых и меняющихся параметров сигнала. При использовании многомерных сигналов необходимо определять оптимальное соотношение числа переменных параметров сигнала и числа градаций каждого из параметров. Количество передаваемой информации различно для разных параметров многомерного сигнала. При построении многомерных алфавитов следует учитывать преимущества того или иного вида алфавита в решении различных задач.

Средства отображения информации: стрелочные индикаторы, счетчики, индикаторы с подсветом, печатающие устройства, графопостроители, знаковые светящиеся индикаторы, звуковые сигнализаторы.

Стрелочные индикаторы – обычно используются при считывании количественных и качественных показателей, поверочном (контрольном) чтении, сравнении показателей. Существует два типа стрелочных индикаторов:

· с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой;

· с движущейся шкалой и неподвижной стрелкой.

В зависимости от характера поставленных задач могут использоваться стрелочные индикаторы двух разновидностей: либо с рукоятками управления, либо без них. Стрелочные индикаторы с рукоятками управления применяют для установки заданной величины параметра или для восстановления положения стрелки при ее отклонении от заданной величины. Лучшим типом индикатора в этом случае является индикатор с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой. Точность и скорость считывания показаний со шкалы прибора зависят от ее вида, формы, размера, расстояния наблюдения, интервала между отметками. По точности считывания информации предпочтение отдается индикаторам с круглой шкалой, на втором месте – полукруглая шкала, на третьем – прямолинейная горизонтальная, на четвертом – прямолинейная вертикальная (за исключением приборов для контроля глубины, высоты, температуры – ассоциации мышления). Шкалы приборов градуируют штриховыми отметками, которые подразделяют на главные, средние и мелкие. Точность считывания зависит от размеров отметок и расстояния между ними. Оптимальная длина интервала между главными отметками 12,5 – 18 мм при дистанции наблюдения 750 мм. Увеличение числа мелких отметок приводит к снижению скорости и точности считывания. Между цветом фона шкалы и цветом делений и надписей нужно сохранять максимальную контрастность, причем контраст должен быть прямым.

Цифры (или какой-либо другой код) наносятся у основания главных отметок с наружной стороны шкалы. Точность считывания цифр зависит от их высоты, формата, толщины обводки, расстояния между соседними цифрами. Важное значение при считывании показаний со шкал имеет форма и расположение стрелок и указателей. Наибольшее преимущество перед остальными имеет клиновидная стрелка. Толщина ее острия должна быть не более ширины самой малой отметки шкалы, кончик стрелки не должен касаться отметок шкалы (расстояние между отметками и стрелкой от 0,4 до 1,6 мм). Стрелка должна быть того же цвета что и отметки шкалы и находиться как можно ближе к плоскости циферблата, чтобы свести к минимуму параллакс.

При конструировании и размещении стрелочных индикаторов необходимо учитывать следующие требования:

1. Стрелочные индикаторы на панели следует устанавливать в плоскости, перпендикулярной линии взора.

2. Градуировка шкал не должна быть более мелкой, чем того требует точность самого прибора.

3. Для шкал, установленных на одной панели, необходимо выбирать одинаковую систему делений и одинаковые цифры.

4. При одновременном контрольном считывании с нескольких приборов стрелки устанавливаются так, чтобы они при нормальной работе имели одинаковое направление.

5. Для облегчения контрольного считывания рабочие и перегрузочные диапазоны следует выделять цветом.

6. Необходимо, чтобы фон шкалы был матовым, а на стенках прибора не наблюдалось бликов.

7. Фон шкалы не должен быть темнее панели, в то время как каркас шкалы может быть темнее.

8. Освещение шкалы должно быть равномерным, а степень освещенности должна регулироваться.

Счетчики – используются для получения количественных данных, когда требуется быстрая и точная индикация.

Счетчики следует ставить как можно ближе к поверхности панели, чтобы свести к минимуму параллакс и тени, обеспечить максимальный угол видения. При последовательном считывании цифры должны следовать друг за другом, но не чаще двух за 1 секунду. Показания счетчиков по завершении работы оборудования должны сбрасываться автоматически, однако, необходимо предусматривать и возможность ручного сброса.

Целесообразен высокий цветовой контраст цифр и фона. Блескость должна быть сведена к минимуму.

Индикаторы с подсветом – применяются для отображения качественной информации, когда требуется немедленная реакция оператора. Имеется два основных типа индикаторов с подсветом:

· подсвечиваемые панели с одной или несколькими надписями;

· простые индикаторные (или сигнальные) лампочки.

Если индикаторы предназначаются для использования в условиях различной освещенности, в них следует предусмотреть регулировку яркости. Пределы регулировки яркости должны обеспечивать хорошую различимость информации, отображаемой на индикаторе, при всех предполагаемых условиях освещенности. Индикаторы не должны казаться светящимися, когда они не светятся, и восприниматься погасшими, когда светятся.

Для индикаторов на лампах накаливания рекомендуется либо использовать лампы с резервными нитями накаливания, либо сдвоенные лампы, чтобы в случае отказа одной нити лампы сила подсвета уменьшалась, но не настолько, чтобы оператор не мог работать. Индикаторные цепи проектируются так, чтобы лампы можно было снимать и заменять, не отключая электропитания, не вызывая опасности повреждения компонентов индикаторной цепи и не подвергая опасности обслуживающий персонал. Индикаторы, содержащие информацию о критических ситуациях необходимо располагать в зонах оптимальной видимости. Индикаторные лампы, которые используются редко или исключительно для целей технического обслуживания и регулировки, должны быть закрыты или невидимы при эксплуатации системы, но легко досягаемы. Расстояние между соседними лампами должно быть достаточным для однозначного их распознавания, правильной интерпретации индуцируемой информации и удобной замены.

Печатающие устройства (самописцы) – обеспечивают простое и быстрое получение информации в виде печатных материалов. Должна быть предусмотрена надежная индикация расхода носителя.

Графопостроители – используются для записи непрерывных графических данных. Вычерчиваемые штрихи не должны закрываться элементами конструкции графопостроителя. Контраст между изображением и фоном не должен быть менее 50% (отличие по яркости не менее чем в два раза).

Знаковые светящиеся индикаторы – предназначены для вывода смысловой буквенно-цифровой (символьной) информации с электронных вычислительных устройств (аналоговых, цифровых вычислительных машин, преобразователей, бортовых вычислителей и т.п.). В настоящее время широко применяются электронно-лучевые трубки и жидкокристаллические экраны.

Сигнализаторы звуковые – предназначены для привлечения внимания оператора. К ним относятся неречевые сообщения – источники звука, используемые на рабочем месте для подачи аварийных, предупреждающих и уведомляющих сигналов в тех случаях, когда:

· сообщение одномерное и короткое;

· требует немедленных действий;

· место приема информации слишком освещено или затемнено;

· зрительная система оператора перегружена.

Конструкция звуковых сигнализаторов должна исключать возможность создания ложной тревоги. Устройство для звуковой сигнализации и его электрические цепи должны быть сконструированы так, чтобы тревожный сигнал сохранялся при отказе системы или оборудования. В звуковых сигнализаторах при наличии ручного отключения должен быть обеспечен автоматический возврат схемы в исходное положение для получения очередного управляющего сигнала. Предупреждающие и аварийные сигналы должны быть прерывистыми. Уровень звукового давления сигналов на рабочем месте должен быть в пределах от 30 до 100 дБ на частоте 200 – 5000 Гц. Длительность отдельных сигналов и интервалов между ними должна быть не менее 0,2 с. Длительность звучания интенсивных звуковых сигналов не должна превышать 10 с. При маскировке шумом необходимо обеспечивать превышение порога маскировки звуковых сигналов от 10 до 16 дБ, предельно допустимые уровни звукового давления сигналов должны быть от 110 до 120 дБ на частоте 200 – 10000 Гц. Уровень звукового давления аварийных сигналов должен быть не выше 100 дБ на частоте 800 – 2000 Гц при длительности интервалов между сигналами 0,2 – 0,8 с, предупреждающих – не выше 80 – 90 дБ на частоте 200 – 600 Гц при длительности сигналов и интервалов между ними 1 – 3 с, а уведомляющих – не менее чем на 5% ниже по отношению к уровню звукового давления аварийных сигналов

Похожая информация.