Модел и метод на моделиране в научните изследвания. Методът на моделиране и неговото значение при разработването на нови технологии и дизайни

Един от най-често срещаните термини в областта на човешката дейност е „модел“, тъй като е трудно да се намери друго понятие, което да включва толкова голямо количество информация. Като цяло, моделът е материален или мисловен обект, който в процеса на своето изследване може да замени оригиналния обект или, когато го изучава, да предостави нова информация относно неговото подобряване или модернизиране. Методът на моделиране е един от най-разпространените днес, благодарение на който изследователят има възможност не само да приложи практически знания при конструирането на нова структурна схема, но и да вземе това или онова решение. Важно е да се отбележи, че работи добре в производствен секторпри разработване на нови решения по отношение на конструкцията, подобряване на завод или фабрика, проектиране на нови видове самолети, автомобили, влакове и др. В допълнение, методът на моделиране намери широко приложение в икономическа сфера, защото днес никое пускане на пазара не е пълно без него.

Трябва да се има предвид, че тя задължително включва изграждането на научни хипотези, изграждането на абстракции, както и изводите по аналогии. Основната характеристика на този метод е, че тук процесът на познание се извършва с помощта на заместващи обекти, а самият модел действа под формата на уникален инструмент за това познание. Необходимостта от използването на този метод възниква поради факта, че много обекти просто не могат да бъдат изследвани по друг начин или изискват доста време, усилия и пари.

И така, методът на моделиране включва три основни компонента:

1. Субектът на изследването (този, който прави изследването).
2. Обект на изследване (към какво е насочено търсенето).
3. Директно самият модел, който субектът изгражда по отношение на обекта.

Има много видове модели, които могат да бъдат конструирани по време на изследването на даден обект. Неговите познавателни възможности се определят от факта, че по време на самото изследване моделът отразява съществените признаци на обекта, който е оригинален по отношение на изучавания. За да се анализира приликата между оригиналния и новия обект, трябва да се направят и съответните изследвания. Трябва също така да се има предвид, че ако моделът стане напълно идентичен с оригинала, тогава той по същество губи смисъла си. В края на краищата методът на математическото моделиране задължително трябва да доведе до получаване на нови данни за конкретен обект, тъй като точно това е неговият смисъл.

Също така е важно да се разбере, че за един и същ обект могат да бъдат изградени няколко модела, които ще се различават по своите характеристики в зависимост от конкретната ситуация. В края на краищата има характеристики на даден обект, които могат да бъдат заменени само с други, без да могат да се използват едновременно. Следователно методът на моделиране може също да замени оригинала в строго ограничен смисъл, тъй като дори в детайлите може да има значителни разлики.

Благодарение на модерните компютърни технологиии последно разработка на софтуер, „изкуственият интелект“ може да се включи в търсенето на нови методи за моделиране, които за кратък период от време могат да произведат голям бройрешения на този или онзи проблем. Благодарение на това методите на математическото моделиране днес са изключително популярни в почти всички сфери на човешката дейност, в резултат на което можем да наблюдаваме ускореното развитие на науката и технологиите. Можем също така да се надяваме, че в много близко бъдеще с помощта на методите за моделиране ще бъде възможно да се решат глобалните проблеми на човечеството, върху които десетки хиляди учени по света работят през последните няколко десетилетия.

Основни понятия за икономическа система

Системата е строго подреден набор от взаимосвързани, взаимодействащи и взаимозависими елементи и техните части, които заедно определят протичането на конкретно насочени процеси и явления. В този случай елементът се нарича такъв компонентсистема, която не подлежи на по-нататъшно разделяне.

Системни свойства:

1) почтеност;

2) възникване, се състои в наличието на свойства в системата, които отделните й компоненти не притежават;

3) еквипотенциалност, делимост на системата на части;

4) хомеостаза, желанието на системата да поддържа баланс.

Системна класификация

1. Въз основа на промените в системата във времето: динамични и статични

2. Въз основа на връзката на причините и следствията: детерминистични и стохастични (вероятностни)

3. Въз основа на връзката на системата с външна среда: отворен и затворен

4. Въз основа на сложността: големи (сложни) и прости

5. Въз основа на автономност на управлението: саморегулиращи се и регулирани

6. В зависимост от вида на връзката между подсистеми и елементи: с пряка и обратна връзка. Директната връзка е връзка, при която изходното действие на един елемент се прехвърля на входа на друг. съответно обратна връзка- това е връзката между изхода и входа на даден елемент.

Основни функции на системите:

1. Пасивно съществуване като материал за други системи.

2. Поддръжка на системи от по-висок порядък.

3. Конфронтация с други системи.

4. Усвояване на други системи.

5. Преобразуване на други системи.

Моделирането като метод на изследване

Моделът е условно изображение на обекта, който се изследва. Изграждането на модел започва с натрупването на определена информация, факти за поведението на обектите на изследване. В началото моделът действа като работна хипотеза. Ако в резултат на тестване на модела хипотезата се потвърди, тогава се казва, че моделът е адекватен на изследвания обект. Очевидно е, че степента на адекватност на практика никога не е равна на 100%. В тази връзка моделът се счита за добър (правилен), ако показва най-съществените характеристики на даден обект, демонстрира неговите свойства, връзки и позволява, в рамките на необходимата точност, да предскаже поведението на обекта, който се изследва.

Класификация на моделите.

1. Според формата на представяне моделите се делят на: физически, символни и смесени. Физическите модели включват сходни и аналогови модели. Символни модели са тези, при които параметрите на реален обект и връзките между тях са представени със символи (семантични, математически, логистични). Смесените модели са модели човек-машина.

2. Чрез предназначениеразграничават се: структурни модели, модели на функциониране и модели на разходите.

Моделите на структурата отразяват връзките между компонентите на обекта и външната среда и от своя страна са от следните видове: канонични, вътрешна структура, йерархичен. Каноничните модели характеризират взаимодействието на обект с средапрез входове и изходи. Моделите на вътрешната структура характеризират състава на компонентите на обекта и връзките между тях. Моделите на йерархична структура отразяват разделянето на обект на елементи от по-ниско ниво.

Функциониращите модели характеризират различни процеси, възникващи както вътре в изследвания обект, така и по време на взаимодействието на обекта с външната среда. Сред моделите от този тип има: модели жизнен цикъл, модели на работа, информационни модели, процедурни модели и други модели на жизнения цикъл описват процесите на съществуване на обект от момента на неговото създаване до края на неговото функциониране. Моделите на операциите, извършвани от даден обект, са описание на взаимосвързан набор от процеси на функциониране на отделни елементи на обекта при изпълнението на определени негови функции. Информационните модели отразяват връзките между източниците и потребителите на информация, видовете информация и характера на нейното преобразуване. Процедурните модели описват реда на взаимодействие на елементите на изследвания обект при извършване на различни операции.

Моделите на разходите обикновено придружават моделите на експлоатация на даден обект и позволяват цялостна технико-икономическа оценка на обекта или неговата оптимизация по икономически критерии.

3. В зависимост от начина на работа с модела биват: физични, математически и материално-абстрактни модели. Физическите (материални) модели се основават на възпроизвеждането на обекта, който се изучава. Те включват модели, симулатори и др. Математическите (абстрактни) модели описват параметрите на обекта, който се изучава, като се използват математически символи. Материално-абстрактните (аналогови) модели са синтез на математически модел и физически образ на обекта, който се изследва.

Математическите модели са най-разпространени в икономическите изследвания. Разделят се на две групи: оптимизационни и описателни (дескриптивни). Описателните модели се използват само за описание на връзките между елементите на обекта, който се изследва, или самия обект с външната среда. Оптимизация позволяват от целия комплект възможни решенияизберете най-подходящия, според използвания критерий за оптималност.

Структурата на оптимизационния икономико-математически модел включва две основни части. Първо, система от ограничения, които определят границите, които стесняват обхвата на приемливото или допустими решенияи записвайте основните външни и вътрешни свойства на обекта. Ограниченията определят областта на процеса, границите на промяна на параметрите и характеристиките на обекта. Второ, целевата функция, която математически свързва факторите на модела и нейната стойност се определя от стойностите на тези величини.

Нека изброим основните принципи на конструиране на икономически и математически модели. От това следват общите принципи на системното икономическо и математическо моделиране общи принциписистемен анализ. Те трябва да отговорят на следните въпроси: 1) какво трябва да се направи, 2) кога трябва да се направи, 3) с чия помощ трябва да се направи, 4) въз основа на каква информация се предприемат действията, 5) какъв резултат трябва да се получи в резултат на всички действия.

Основните принципи за конструиране на икономически и математически модели включват следното.

1. Принципът на достатъчност на използваната информация. Този принцип означава, че във всеки частен моделТрябва да се използва само информация, която е известна с точността, необходима за резултатите от моделирането. Под известна информация се разбират нормативни справочни данни за реални производствена система, налични в началото на симулацията.

2. Принципът на инвариантност на използваната информация. Този принцип изисква входната информация, използвана в моделите, да бъде независима от параметрите на моделираната система, които все още не са известни на този етап от изследването.

3. Принципът на непрекъснатост на моделите. Същността на този принцип е, че всеки следващ модел не трябва да нарушава свойствата на обекта, установени или отразени в предишни модели на комплекса.

Един от ефективни методиИзследването на системите за управление е моделиране- разработване на модели, които позволяват вземането на обективни решения в ситуации, които са твърде сложни за проста причинно-следствена оценка на алтернативите. Въпреки факта, че много модели на изследваните социално-икономически системи са толкова сложни, че често е невъзможно да се направи без компютър, концепцията за моделиране е проста. Според дефиницията на Шанън "моделът е представяне на обект, система или идея в някаква форма, различна от самото цяло". Органиграмата, например, е модел, който представя нейната структура. Основната характеристикамоделът може да се счита за опростяване на реалната житейска ситуация, към която се прилага. Тъй като формата на модела е по-малко сложна и неподходящите данни са елиминирани, моделът подобрява способността на мениджъра да решава проблеми, пред които е изправен. Редица причини налагат използването на модел, вместо опит за директно взаимодействие с реалния свят:

· сложността на много организационни ситуации: тъй като реалният свят на една организация е изключително сложен и действителният брой променливи, свързани с определен проблем, далеч надхвърля възможностите на всеки човек, трудно е да се разбере
възможно е чрез опростяване на реалния свят чрез моделиране;

· трудности, свързани с провеждането на експерименти в реалния живот, по-специално необходимостта от значителни разходи, включително материални;

· ориентация на управлението към бъдещето: невъзможно е да се наблюдава явление, което все още не съществува и може би никога няма да се случи; Моделирането е единственият понастоящем систематичен начин да се видят бъдещи опции и да се определят потенциалните последици от алтернативни решения.

Видове модели и процесът на тяхното изграждане

Моделът е система, разположена между изследователя и обекта на неговото изследване. Съществуват следните видове модели: физически (модел на сграда, устройство, машина), математически (система от формули, тъждества и неравенства, която описва процес, явление), логически (система от понятия, която описва явление, процес, обект), модели на обществено-икономически формации, модели на структури, методи и др.

Нека да разгледаме основните.

Физически модел представлява това, което се изучава, като се използва разширено или намалено описание на обект или система в определен мащаб.Според Шанън отличителната характеристика на физическия модел (понякога наричан портретен модел) е, че той изглежда като „симулирано цяло“. Пример за физически модел е чертеж на растение, начертан в определен мащаб. Този физически модел опростява визуалното възприятие и помага да се определи дали определено оборудване може физически да се побере в определеното за него пространство. Автомобилните и авиационни компании винаги правят физически умалени копия на нови превозни средства, за да ги тестват. определени характеристики.

Аналогов модел представлява обектът на изследване - аналог, който се държи като реален обект, но не изглежда като такъв.Пример за аналогов модел - схема организационна структурапредприятия. Изграждайки го, ръководството е в състояние лесно да си представи командните вериги и формалната зависимост между индивидите и техните дейности. Аналоговият модел е по-прост и по ефективен начинпрояви на сложните взаимовръзки на структурата на голяма организация, отколкото съставянето на списък на взаимовръзките между всички служители.

В математическия модел (наричан още символичен) използва символи, за да опише свойствата или характеристиките на обекти или събития.Пример за математически модел като инструмент, който помага изключително за решаване сложни проблеми, е известната формула на А. Айнщайн Ε = me2. Ако А. Айнщайн не беше успял да изгради този математически модел, в който символите заместват реалността, едва ли физиците биха имали дори най-отдалечена представа за връзката между материя и енергия. Математическите модели са типът модели, които най-често се използват при вземането на организационни решения.

Основните етапи на процеса на изграждане на модела:

· изложение на проблема;

· изграждане на модел;

· проверка на модела за надеждност;

· приложение на модела.

Постановка на проблема - повечето важен етапизграждане на модел, способен да осигури правилното решениепроблем с управлението.Използването на математика или компютър няма да е от полза, освен ако самият проблем не е точно диагностициран. А. Айнщайн отбеляза, че правилната формулировка на проблем е дори по-важна от неговото решение. Всяка година се харчат огромни суми пари в търсене на елегантни и обмислени отговори на неправилно зададени въпроси.

При изграждане на модел Разработчикът трябва да определи основната цел на модела, изходните стандарти или информацията, която се очаква да бъде получена, за да помогне на ръководството да разреши конкретен проблем. В допълнение към установяването на основните цели, дизайнерът трябва да определи каква информация е необходима за изграждане на модела.Друг важен фактор, който трябва да имате предвид при изграждането на модел, е цената. Модел, който струва повече от целия проблем, който решава, разбира се, няма да допринесе за постигане на целите на организацията.

Един аспект проверка на модела за надеждност- определяне на степента на съответствие на модела с реалния свят. Дизайнерът трябва да определи дали всички основни компоненти на реалната ситуация са вградени в модела. Колкото по-пълно даден модел отразява реалния свят, толкова по-висок е неговият потенциал като средство за подпомагане на мениджъра при вземането на ефективни управленски решения. Друг аспект на валидирането на модел е определянето на степента, в която информацията, която предоставя, помага на мениджъра да реши проблема. Добър начинпроверка на модела – тестване върху ситуации от миналото.

След проверка за точност моделът е готов за употреба. Според Шанън нито един модел „не може да се счита за успешно конструиран, докато не бъде приет, разбран и приложен на практика“.Това е очевидно, но често този етап на изграждане на модели е един от най-трудните. Според резултатите от проучването само около 60% от моделите на науката за управление са използвани в пълната или почти пълната им степен - поради факта, че мениджърите проявяват страх или неразбиране.

Моделиране (в широк смисъл)– основният метод на изследване във всички области на знанието, в различни полетачовешка дейност.

Моделирането в научните изследвания се използва от древни времена. Елементите на моделирането се използват от самото начало на точните науки и неслучайно някои математически методи носят имената на такива велики учени като Нютон и Ойлер, а думата „алгоритъм“ идва от името на средновековния арабски учен Ал-Хорезми.

Постепенно моделирането завладява все повече и повече нови области научно познание: технически дизайн, строителство и архитектура, астрономия, физика, химия, биология и накрая социални науки. Методологията на моделирането обаче отдавна е разработена от отделни науки независимо една от друга. отсъства единна системапонятия, обща терминология. Едва постепенно започна да се осъзнава ролята на моделирането като универсален метод научно познание. Големи успехи и признание в почти всички индустрии съвременна наукадонесе метода на моделиране до 20 век. В края на 40-те и началото на 50-те години на ХХ век бързото развитие на методите за моделиране се дължи на появата на компютрите, което спаси учените и изследователите от огромно количество рутинна компютърна работа. Компютрите от първо и второ поколение бяха използвани за решаване на изчислителни проблеми, за инженерни, научни, финансови изчисления и за обработка на големи количества данни. Започвайки от третото поколение, обхватът на компютърните приложения включва и решаване на функционални проблеми: обработка на бази данни, управление, проектиране. Модерният компютър е основното средство за решаване на всеки проблем с моделирането.

Нека представим основните понятия, свързани с моделирането.

Обект (от лат. objectum – предмет) на изследване- всичко, към което е насочена човешката дейност.

Модел (на оригиналния обект)(от латински modus - „мярка“, „обем“, „изображение“) - спомагателен обект, който отразява най-значимите модели за изследване, същността, свойствата, характеристиките на структурата и функционирането на оригиналния обект.

Първоначалното значение на думата "модел" се свързва с изкуството на строителството и то в почти всички европейски езициизползва се за обозначаване на изображение или прототип, или нещо подобно в някакво отношение на друго нещо.

В момента терминът „модел“ се използва широко в различни области на човешката дейност и има много семантични значения. В този учебник се разглеждат само тези модели, които са инструменти за получаване на знания.

Моделиране– изследователски метод, основан на замяната на оригиналния изследван обект с неговия модел и работа с него (вместо с обекта).

Теория на моделирането– теорията за замяна на оригиналния обект с неговия модел и изучаване на свойствата на обекта върху неговия модел.

По правило определена система действа като моделиращ обект.

система– съвкупност от взаимосвързани елементи, обединени за постигане на обща цел, изолирани от околната среда и взаимодействащи с нея като едно цяло и проявяващи основни системни свойства. Документът идентифицира 15 основни свойства на системата, включително: възникване (възникване); почтеност; структура; почтеност; подчинение на целта; йерархия; безкрайност; ергичност.

Системни свойства:

1. Възникване (поява).това системно свойство, според който резултатът от поведението на системата дава ефект, различен от „добавянето“ (независимата връзка) по какъвто и да е начин на резултатите от поведението на всички „елементи“, включени в системата. С други думи, според тази характеристика на системата нейните свойства не се свеждат до съвкупността от свойствата на частите, от които се състои, и не се извеждат от тях.

2. Свойството на почтеността, целенасочеността.Системата винаги се разглежда като нещо цялостно, интегрално, относително изолирано от околната среда.

3. Свойство на структурата.Системата има части, които са целенасочено свързани помежду си и с околната среда.

4. Свойство на целостта.По отношение на други обекти или околната среда системата действа като нещо неразделно на взаимодействащи си части.

5. Свойството на подчинение на цел.Цялата организация на системата е подчинена на някаква цел или няколко различни цели.

6. Свойство на йерархия.Една система може да има няколко качествено различни нива на структура, несводими едно към друго.

7. Свойство на безкрайност.Невъзможността за пълно познаване на системата и нейното цялостно представяне чрез краен набор от модели, по-специално описания, качествени и количествени характеристики и др.

8. Свойството ергичност.Система, която има части, може да включва човек като една от частите си.

По същество, под моделиране разбира процеса на конструиране, изучаване и прилагане на модели на обект (система). Той е тясно свързан с такива категории като абстракция, аналогия, хипотеза и т.н. Процесът на моделиране задължително включва изграждането на абстракции, изводи по аналогия и изграждането на научни хипотези.

Хипотеза– определена прогноза (предположение), основана на експериментални данни, ограничени наблюдения, предположения. Тестването на предложените хипотези може да се извърши по време на специално проектиран експеримент. При формулиране и проверка на правилността на хипотези голяма стойностаналогията се използва като метод за преценка.

По аналогиянаправете преценка относно всяко конкретно сходство между два обекта. Съвременната научна хипотеза се създава, като правило, по аналогия с научни принципи, тествани на практика. Така аналогията свързва хипотезата с експеримента.

Основна характеристикамоделирането е, че това е метод за непряко познание с помощта на спомагателни заместващи обекти. Моделът действа като своеобразен познавателен инструмент, който изследователят поставя между себе си и обекта и с помощта на който изучава обекта, който го интересува.

В най-общия случай, когато конструира модел, изследователят отхвърля онези характеристики и параметри на оригиналния обект, които не са от съществено значение за изучаването на обекта. Изборът на характеристиките на оригиналния обект, които се запазват и включват в модела, се определя от целите на моделирането. Обикновено този процес на абстракция от несъществени параметри на даден обект се нарича формализация. По-точно формализацията е замяната на реален обект или процес с неговото формално описание.

Основното изискване към моделите е тяхната адекватност към реални процеси или обекти, които моделът замества.

В почти всички науки за природата, живата и неживата, за обществото, изграждането и използването на модели е мощен инструмент на познанието. Реалните обекти и процеси са толкова многостранни и сложни, че най-добрият (а понякога и единственият) начин за изучаването им често е да се изгради и проучи модел, който отразява само някои аспекти на реалността и следователно е многократно по-опростен от тази реалност. Вековният опит в развитието на науката е доказал на практика ползотворността на този подход. По-конкретно, необходимостта от използване на метода на моделиране се определя от факта, че много обекти (системи) или е невъзможно да се изследват директно, или това изследване изисква твърде много време и пари.