Информационная модель

Человечество в своей деятельности (научной, образовательной) постоянно создает и использует модели окружающего мира. Строгие правила построения моделей сформулировать невозможно, однако человечество накопило богатый опыт моделирования различных объектов и процессов.

Модели позволяют в наглядной форме представить объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель - глобус, в курсе физики изучаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем модели молекул и кристаллических решеток, в биологии изучаем строение человека по анатомическим муляжам и т.д.

Модели играют чрезвычайно важную роль в проектировании и создании различных технических устройств. машин и механизмов, зданий , электрических цепей и т.д.

Моделирование - это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Моделировать можно:

1. Объекты

o копии архитектурных сооружений

o модель атома водорода или солнечной системы

o глобус

o детские игрушки

2. Явления

§ модели физических явлений: грозового разряда, магнитных сил

§ геофизические модели: модель селевого потока, модель землетрясения

3. Процессы

§ модель развития вселенной

§ модели экономических процессов

4. Поведение При выполнении человеком какого-либо действия ему обычно предшествует возникновение в его создании модели будущего поведения. Собирается ли он строить дом или решать задачу, преходит улицу или отправляется в поход - он непременно сначала представляет все это в уме. Это главное отличие человека мыслящего от всех других существ на земле. Один и тот же объект в различных ситуациях может описываться различными моделями.

С другой стороны разные объекты могут описываться одной моделью.

Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения моделей выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследования свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модли самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электрических схем - моделей электрических цепей - необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее.

Модель - это некий новый объект, который отражает существенные особенности изучаемого объекта, процесса или явления.

Формы представления моделей

Все модели можно разбить на два больших класса: модели предметные (материальные) и модели информационные. Предметные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи).

Информационные модели представляют объекты и процессы в образной или знаковой форме.

Образные модели (рисунки, фотографии) представляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, кинопленке). Широко используются образные информационные модели в образовании (плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классифицировать объекты по их внешним признакам.

Знаковые информационные модели строятся с использованием различных языков (знаковых систем). Знаковая информационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы, таблицы и так далее.

Статическая модель -- это как бы одномоментный срез информации по объекту. Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает картину состояния их ротовой полости на данный момент времени: число молочных и постоянных зубов, пломб, дефектов и т.п. Динамическая модель позволяет увидеть изменения объекта во времени. В примере с поликлиникой карточку школьника, отражающую изменения, происходящие с его зубами за многие годы, можно считать динамической моделью. При строительстве дома рассчитывают прочность и устойчивость к постоянной нагрузке его фундамента, стен, балок -- это статическая модель здания. Но еще надо обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Это можно решить с помощью динамических моделей

Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Знаковые и вербальные информационные модели

К информационным моделям можно отнести вербальные (от лат. «verbalize» -- устный) модели, полученные в результате раздумий, умозаключений. Они могут так и остаться мысленными или быть выражены словесно. Примером такой модели может стать наше поведение при переходе улицы. Человек анализирует ситуацию на дороге (что показывает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает свою модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти авария. К таким моделям можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в голове композитора, и рифму, прозвучавшую пока еще в сознании поэта. Вербальная модель - информационная модель в мысленной или разговорной форме. Знаковая модель - информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Знаковые модели окружают нас повсюду. Это рисунки, тексты, графики и схемы... Вербальные и знаковые модели, как правило, взаимосвязаны. Мысленный образ, родившийся в мозгу человека, может быть облечен в знаковую форму. И наоборот, знаковая модель помогает сформировать в сознании верный мысленный образ.

Согласно легенде, яблоко, упавшее на голову Ньютону, вызвало в его сознании мысль о земном притяжении. И только впоследствии эта мысль оформилась в закон, т. е. обрела знаковую форму. Человек прочитал текст, объясняющий некоторое физическое явление, и у него сформировался мысленный образ. В дальнейшем такой образ поможет распознать реальное явление.

Типы информационных моделей

Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные типы структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Табличные информационные модели

Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является прямоугольная таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковым набором свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статистические так и динамические модели информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

В табличной информационной модели перечень однотипных объектов или свойств размещен в первом столбце (или строке) таблицы, значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках) таблицы.

Иерархические информационные модели

При табличном моделировании сложных систем модели могут оказаться слишком большими и неудобными для использования. Причина этого в формате табличных моделей, требующем представлять данные единообразно - в форме прямоугольной таблицы. Так, например, если мы представим схему линий московского метрополитена в виде таблицы объектов-станций, где на пересечении каждых строки и столбца будет стоять “+” для соседних станций и пересадок и “-” для всех остальных, то такая таблица будет состоять из более чем 10000 ячеек и пользоваться ей будет практически невозможно.

В сетевых моделях компактно отображаются наиболее существенные отношения между объектами. Обычно сетевые модели изображаются в наглядном графическом виде.

Пример сетевой модели - схема линий метрополитена.

Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Наши знания о реальном мире складываются из множества информационных моделей. Это сведения о свойствах разнообразных объектов и их взаимодействии между собой. С развитием производства и общества поток информации непрестанно растет. Все труднее становится найти в этом мощном потоке те сведения, которые интересуют нас в данный момент. Чтобы ориентироваться в таком обилии и разнообразии данных, мы стремимся их систематизировать. Это особенно актуально в тех случаях, когда нужно описать совокупность объектов, у которых можно выделить общие свойства, например книг в библиотеке или пациентов поликлиники. Традиционно такую информацию систематизировали во всевозможных картотеках, где на небольших листах или картах собирали сведения по какому-либо одному признаку, по какой-то одной теме. Найти нужную информацию в картотеке гораздо проще, чем в кипе списков, анкет или отчетов. Но постоянное заполнение и обновление карточек -- дело кропотливое и ответственное, отнимающее очень много времени.

Современное развитие компьютерной техники помогает справляться с колоссальными объемами информации. Компьютер позволяет технически развитым странам перейти на безбумажную технологию хранения, обмена и обработки информации -- электронные картотеки. Специальные программы -- Системы Управления Базами Данных (СУБД) -- позволяют упорядочить многообразие накопленной человечеством информации об окружающем мире в виде компьютерных информационных моделей.

Как и любая картотека, компьютерная информационная модель должна отвечать интересам определенного пользователя. Поэтому постановка задачи создания информационной модели тесно увязана с целями моделирования. В самом общем приближении можно выделить следующие цели:

· хранение информации;

· возможность упорядочения данных по некоторым признакам;

· возможность создания различных критериев выбора данных;

· представление информации в удобном для пользователя виде.

Обсудим особенности этапа разработки компьютерной информационной модели в среде баз данных. Основные стадии построения модели представлены на рис. 4.1.

Обсудим особенности этапа разработки компьютерной информационной модели в среде баз данных. Основные стадии построения модели представлены на рис. 4.1.

Вначале необходимо выделить из разнообразной информации, характеризующей объект, только ту, которая обусловлена целями моделирования. Затем на основе исходных данных формируется структура будущей базы данных с указанием типов и ширины полей.

Рис. 4.1. Стадии разработки компьютерной информации

Наиболее простой способ организации данных в компьютере -- реляционный, когда информационная модель объекта представлена в виде знакомой нам таблицы, состоящей из столбцов и строк. Число столбцов определяется количеством параметров (признаков) объекта, по которым строится его информационная модель. Каждый столбец имеет имя, непосредственно указывающее на его содержимое. Число строк соответствует количеству описываемых объектов. Каждая строка содержит информацию об одном объекте по множеству параметров. По терминологии баз данных столбцы называются полями, строки -- записями.

Формирование структуры информационной модели и, соответственно, структуры базы данных означает определение полей или, иначе говоря, параметров, по которым будет систематизироваться информация о различных объектах.

Структура информационной модели в базах данных -- описание полей, соответствующих параметрам объекта или процесса.

После определения и задания структуры базы данных компьютерная среда предлагает перейти в режим заполнения. Заполнив даже одну запись, можно выявить ошибки и неточности в задании типов полей, формата вводимых данных. Это первичное, самое простое тестирование.

Реальная информационная модель может содержать от нескольких до десятков тысяч записей. Наполнение базы -- это ввод записей в созданную структуру. Система управления базами данных позво- -- ляет осуществлять ввод новых записей, редактировать имеющиеся, удалять устаревшие. И в этом смысле база данных напоминает живой организм.

Пользователь, работающий с базой данных в среде Works, име ет возможность видеть информа-

цию на экране в разных видах, ото отражено опциями меню Вид: Форма (рис. 4.2) или Список (рис. 4.3).

Рис 4.2. Форма представления данных в виде карточки

Опция Форма представляет нам записи в виде отдельных карточек по каждому объекту, наподобие тех, которые мы видим в библиотеке.

Этот вид представления информации удобен при наполнении базы данных записями, т. к. позволяет оперативно выделить под каждое поле необходимое количество места.

Список -- наиболее наглядная форма отображения информации. В ней поля и записи представлены в классическом для реляционных баз данных табличном виде. Такой вид представления данных удобен на этапе разработки и тестирования модели.

Рис. 4.3. Классический табличный вид представления данных

Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп. Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов. Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы,, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и так далее. Такой процесс систематизации объектов называется процессом классификации.

В процессе классификации объектов часто строятся информационные модели, которые имеют иерархическую структуру. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и так далее.

Статическая иерархическая модель. Рассмотрим процесс построения информационной модели, которая позволяет классифицировать современные компьютеры. Класс Компьютеры можно разделить на три подкласса: Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры.

Компьютеры, входящие в подкласс Суперкомпьютеры, отличаются сверхвысокой производительностью и надежностью и используются в крупных научно-технических центрах для управления процессами в реальном масштабе времени.

Компьютеры, входящие в подкласс Серверы, обладают высокой производительностью и надежностью и используются в качестве серверов в локальных и глобальных сетях.

Компьютеры, входящие в подкласс Персональные компьютеры, обладают средней производительностью и надежностью и используются в офисах и дома для работы с различными приложениями.

Подкласс Персональные компьютеры делится, в свою очередь, на Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

В иерархической структуре элементы распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент, который является «вершиной» иерархической структуры. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня.

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням. Каждый элемент более высокого уровня может состоять из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня.

В рассмотренной иерархической модели, классифицирующей компьютеры, имеются три уровня. На первом, верхнем, уровне располагается элемент Компьютеры, в него входят три элемента второго уровня Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В состав последнего входят три элемента третьего, нижнего, уровня Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

Изображение информационной модели в форме графа. Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа (овалы) отображают элементы системы.

Элементы верхнего уровня находятся в отношении «состоять из» к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной линии в форме стрелки). Графы, в которых связи между объектами несимметричны (как в данном случае), называются ориентированными.

Построим теперь компьютерную модель Компьютеры с использованием приложения Иерархика, которое позволяет создавать иерархические модели.

Изобразим иерархическую модель, классифицирующую компьютеры, в виде графа (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Классификация компьютеров

Полученный граф напоминает дерево, которое растет сверху вниз, поэтому иерархические графы иногда называют деревьями.

Иерархическая модель Компьютеры

1. Запустить программу Иерархика. С помощью панели инструментов вставить элементы трехуровневой иерархической модели.

2. Для просмотра модели ввести команду [База данных - Дерево данных...]- Появится окно Дерево данных, содержащее иерархическую модель.

Динамическая иерархическая модель. Для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического Дерева. В качестве примера можно рассмотреть фрагмент (Х-Х1 века) генеалогического дерева династии Рюриковичей (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Генеалогическое дерево Рюриковичей (Х-Х1 века)