Рис. 8.3. Схема связей и отношений в системе ТОРГОВОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
Рассмотренные в качестве примеров модели отображают достаточно простые системы. Чем сложнее система, тем труднее ее исследовать и строить модель. Такая задача не каждому по силам. Поэтому построением моделей сложных систем обычно занимаются специалисты высокой квалификации. Про таких специалистов говорят, что они обладают системным мышлением, навыками системного подхода.
Системный подход применяется в любой области знания, особенно при изучении сложных систем. В этой теме вы познакомились с его основами на примерах из повседневной жизни. Коротко суть системного подхода можно отобразить в виде этапов анализа:
- сложный объект (система) рассматривается в виде набора более простых элементов (объектов);
- для каждого элемента определяется роль, которую он выполняет в системе;
- определяются отношения между элементами;
- устанавливается влияние параметров каждого элемента (объекта) на поведение системы в целом.
В заключение следует заметить, что для всестороннего изучения системы требуется множество разных моделей. Но, как правило, конкретного исследователя интересует какая-то одна сторона системы. Поэтому важно с самого начала определить цель исследования конкретной системы и только затем приступать к созданию ее модели.
Контрольные вопросы и задания
- Приведите примеры пространственных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать пространственные отношения?
- Приведите примеры временных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать временные отношения?
- Приведите примеры отношений части и целого между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать отношения части и целого?
- Составьте таблицу отношений однотипных объектов «товары».
- Какая связь существует между лампой и электрической розеткой? В чем она проявляется?
- Какая связь существует между водопроводным краном и водой, протекающей по трубе? В чем она проявляется?
- Когда два человека беседуют, существует ли связь между ними? Почему?
- Приведите примеры географических связей.
- Когда объект можно назвать системой? Приведите примеры систем.
- Можно ли назвать объект «ножницы» системой? Обоснуйте свой ответ.
- Из каких объектов состоит система «очки»? Как связаны между собой эти объекты?
- Придумайте системы, которые можно построить из объектов «доски», «гвозди»?
- Назовите характеристики системы в целом и ее составляющих (свойства, действия) для объектов «стол»; «класс учащихся».
- Составьте информационные модели систем «классная комната»; «садовый участок».
Изучив эту тему, вы узнаете:
- что такое классы и подклассы;
- что такое основание для классификации;
- что такое наследование свойств;
- для чего нужна классификация;
- как проводить классификацию разнообразных объектов;
- как классифицируются компьютерные документы.
9.1. Классы и классификация
Человеку присуща способность обобщать и упорядочивать все многообразие объектов. Каждое имя существительное отражает представление человека об обширной группе объектов: дом, стол, книга. Объекты одной группы обладают общими для всей группы характеристиками, а также некоторыми чертами, позволяющими отличить их от других объектов.
Человеку свойственно отождествлять несколько объектов, родственных по какому-то признаку, рассматривая их как самостоятельный объект.
Например, про скрипку, виолончель, альт, контрабас, флейту, гобой, фагот, трубу мы говорим, что это «музыкальные инструменты». Видя на столе чашки, блюдца, сахарницу, чайник, называем это общим словом «посуда». У этих групп объектов существуют некоторые общие свойства, на них можно одинаково воздействовать для получения определенного результата. Обычно они существуют в одной среде. Такие группы объектов получили название «класс».
Класс - группа объектов с одинаковым набором характеристик.
Объекты, входящие в класс, называются экземплярами класса. Необходимо понять, что объекты, которые вы по каким-то параметрам объединили в класс с общим названием, отличаются друг от друга конкретными значениями параметров. Например, мячи, сохраняя основные свойства данного класса объектов (легкость, упругость), могут различаться материалом (каучуковые, резиновые, кожаные), цветом, размером. Птицами называют орла и курицу, страуса и колибри. Даже внутри узкого класса экземпляры могут сильно различаться: среди крылатых насекомых под названием «пчелы» существует матки, трутни, рабочие пчелы. В этом проявляется важное свойство классов - многообразие экземпляров, входящих в класс. Эти различия позволяют выделять внутри классов более узкие группы - подклассы, то есть проводить классификацию объектов в окружающем мире.
Классификация - распределение объектов на классы и подклассы на основании общих признаков.
Результаты классификации принято отображать в виде иерархической (древовидной) схемы. Общий вид такой схемы изображен на рисунке 9.1.
Внешне схема классификации напоминает перевернутое дерево, за что и получила название иерархической (древовидной). Пунктирными линиями на схеме выделены уровни иерархии. Самый верхний уровень (корень дерева) задает основные признаки, позволяющие отличить объекты данного класса от других. Каждый следующий нижестоящий уровень выделяет из вышестоящего группы объектов на основании совпадения одного или нескольких признаков. На нижнем уровне располагаются конкретные экземпляры выделенных подклассов.
С подобными схемами вы, возможно, уже встречались при изучении биологии, истории и других предметов.
Рис. 9.1. Общий вид иерархической схемы
В виде такой схемы часто изображают родословную1. Ее принято называть генеалогическим древом.
9.2. Основание классификации
С известными примерами классификации вы уже знакомы. Например, в биологии это классификация растений и животных. С глубокой древности люди, знакомясь с многообразием форм жизни на Земле, стремились распределить это многообразие по группам. Так сложилась естественная классификация, основанная на наблюдении и группировке по некоторым признакам. Идеи, изложенные в книге К. Линнея «Виды растений», изданной в 1753 году, до сих пор служат исходной точкой при классификации растений. С того времени используется и двойное название растений: первая часть имени указывает на подкласс (семейство), а вторая - на конкретные особенности экземпляра этого подкласса. Например, название Citrus limon указывает, что речь идет о семействе цитрусовых, а конкретно - о лимонном дереве.
Классификации поддаются не только природные, но и искусственные объекты: в грамматике принято разделение слов по частям речи, в физике - классификация видов движения, в математике - классификация чисел. В их основе лежит группировка объектов по одному или нескольким намеренно выбранным признакам. В разных отраслях науки и техники классы и подклассы могут иметь свои специфические названия: виды, семейства, отделы, разряды, группы и т. п. При этом суть их не меняется.
Рассмотрим объект «книга». Под этим словом мы подразумеваем множество разнообразных книг: художественных и технических, разных авторов, разной стоимости, толстых и тонких, в подарочном издании и в мягкой обложке...
А теперь представьте, что вам необходимо разложить все это многообразие «по полочкам» в буквальном смысле слова, например упорядочить свою библиотеку.
Каждый подойдет к этому вопросу по-разному. Один человек расставит все книги в алфавитном порядке, по фамилии автора. Другой разделит их на жанры: детективы, фантастика, приключения, любовные или исторические романы. Третий поместит их на полки, руководствуясь цветом переплета и размером книг (наверняка вы сталкивались и с таким подходом). Несмотря на разницу в способах классификации, все эти примеры роднит нечто общее: подразделение объектов на «родственные» группы (классы), для которых существует один или несколько общих параметров.
Во всех приведенных примерах при группировке был выбран общий признак: в первом случае это автор, во втором - жанр, в третьем - цвет и размер. Именно по этим признакам затем производилось выделение из общей массы тех объектов, у которых его значение совпадает. Таких общих признаков может быть несколько. Они являются основанием классификации. Выбрав основание, из класса с общим названием «книга» можно выделить подклассы: «книга определенного автора», «книга определенного жанра», «книга определенного размера».
1 Родословная - перечень поколений одного рода, устанавливающий происхождение и степени родства.
Классификация - творческий процесс, поэтому у каждого человека может получиться своя схема. Один из возможных вариантов выделения подклассов из класса книг показан на рисунке 9.2.
Рис. 9.2 . Классификация книг
На первом уровне за основу разбиения книг на две группы выбран признак «вымысел» (да, нет). По этому признаку произошло разделение на художественную и техническую литературу.
На втором уровне признак выделения подклассов можно было бы назвать «форма подачи информации» (художественная проза, поэзия, словари и т. д.).
Третий уровень разбиения можно охарактеризовать признаком «стиль изложения».
Четвертый уровень классификации выделен только для романов, чтобы не загромождать схему. Признаком этого уровня выбран «жанр».
На самом нижнем уровне находятся конкретные экземпляры разнообразных книг.
9.3. Наследование свойств
Важнейшим свойством классов является наследование. Это слово вам хорошо знакомо. Дети наследуют от родителей черты характера и внешние признаки. Каждый подкласс, выделяющийся из класса, наследует свойства и действия, присущие этому классу. В приведенном на рисунке 9.2 примере и роман Д. С. Мережковского, и все другие изданные романы, и вся художественная литература вообще - наследуют от класса «книга» общие свойства и действия. Все они напечатаны на бумаге, переплетены и предназначены для чтения.
Из приведенной выше классификации видно, что образовалась иерархическая структура (дерево). Во главе ее класс-прародитель - «книга». В самом основании экземпляры подклассов - конкретные книги конкретных авторов.
Такая древовидная структура с общим корнем называется «иерархией наследования». Характеристики и поведение, связанные с экземплярами определенного класса, становятся доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.
Утверждая, что «книга - источник знаний», вы подразумеваете как все книги вообще, так и конкретную книгу, например «О вкусной и здоровой пище». В этом проявляется наследование.
Для чего же нужна классификация?
- Классификация позволяет выделить из всего многообразия объектов группы с интересующими исследователя свойствами и сосредоточиться на их изучении.
- Классификация объектов проводится с целью установления наследственных связей между объектами. Свойство наследования позволяет изучать характеристики всех объектов класса, не привязываясь к конкретному экземпляру.
- Классификация позволяет систематизировать знания об объектах любой природы и назначения.
9.4. Примеры классификации различных объектов
Исследуя один и тот же объект с разными целями, можно увидеть его различные грани. Например, врач, описывая конкретного человека, сделает акцент на симптомах возможной болезни. Психолога заинтересуют черты характера и особенности психики. Социальные службы обратят внимание на возраст, наличие родственников, условия жизни. Поэтому одни и те же объекты можно классифицировать по-разному, выбрав те или иные основания. Вы уже столкнулись в учебнике с примерами различных
Классификаций. Например, изучая раздел 1, вы классифицируете информацию по разным признакам: по способу восприятия и по форме представления.
На рисунке 9.3 приведен еще один пример классификации информации - по содержанию.
Рис. 9.3. Классификация информации по содержанию
В этой классификации на основании признака «содержание» на первом уровне выделены следующие группы информации:
- статистическая - показатели развития производства и общества;
- коммерческая - наиболее важные сведения о производственных, торговых и финансовых операциях;
- экологическая - сведения о состоянии окружающей среды и влиянии деятельности человека на природу;
- политическая - информация о деятельности государственной власти, общественных движений и партий;
- другая (демографическая, медицинская и т. д.).
Приведем еще один пример классификации, касающейся наиболее значимых систем (рисунок 9.4).
В качестве основания для классификации на первом уровне выбрано участие человека в создании системы (естественные и искусственные).
На втором уровне основанием для классификации был выбран признак «сфера жизнедеятельности человека». Здесь выделены такие подклассы систем:
- духовные, касающиеся духовной жизни человека;
- технологические, связанные с производственной деятельностью человека;
- организационные, обеспечивающие обслуживание всех видов деятельности.
Рис. 9.4. Классификация наиболее значимых систем
На схеме не показано дальнейшее разветвление дерева, так как это сделало бы рисунок громоздким. Но подразумевается, что дальнейшее выделение подклассов возможно. Например, рассматривая класс систем, называемых «Искусство», можно было выделить следующие подклассы по средствам воплощения замыслов авторов: Живопись, Скульптура, Архитектура, Литература, Театр, Музыка, Кино и т. д.
Наряду с устоявшимися и общепризнанными классификациями имеет право существовать любая классификация объектов, если за ее основу взят характерный признак и соблюдены правила выделения классов и подклассов. На рисунке 9.5 приведен пример классификации используемых в реальной жизни и встречающихся в сказках средств передвижения.
Здесь на нулевом уровне расположен класс объектов с общим названием «средства передвижения».
На первом уровне выделено два подкласса по признаку «реальность» (существуют в реальной жизни или в сказках, фантазиях).
Рис. 9.5. Классификация средств передвижения
Второй уровень выделяет из реальных и сказочных средств передвижения новые подгруппы по признаку «среда передвижения».
Третий уровень делит реальные средства передвижения на подгруппы по признаку «вид транспортного средства». На схеме не указано выделение подгрупп из реальных наземных средств передвижения, чтобы не загромождать ее. Но эти группы могли быть следующими: рельсовые, дорожные. Возможно и дальнейшее подразделение. Важно понять, что нижние уровни наследуют все характерные признаки, свойственные более высоким уровням: например, объект Ка-26, принадлежащий к подклассу вертолетов, наследует от вышестоящего уровня среду перемещения (воздух), а также является реальным средством передвижения со всеми сопутствующими признаками (существует в реальной жизни, осуществляет перевозки людей и грузов).
9.5. Классификация компьютерных документов
В самом общем смысле компьютер можно назвать инструментом для обработки информации. Для этого существует множество разнообразных программных сред. Разработчики постоянносовершенствуют программы, упрощая работу с ними и предусматривая в них новые возможности.
Чтобы не «утонуть» в море программных продуктов, пользователь очень хорошо должен представлять, с какой информацией ему предстоит работать. Каждая программная среда предназначена для создания документов определенного вида.
На практических занятиях вы уже познакомились со многими видами компьютерных документов, которые будут упоминаться при классификации документов.
Приведенная на рисунке 9.6 схема показывает классификацию, в которой в качестве основания выбран признак «назначение документа». Основным назначением компьютерных документов является представление информации в удобном для пользователя виде. В таблице 9.1 дана более конкретная характеристика каждого класса документов.
Рис. 9.6. Классификация компьютерных документов
Обратите внимание, что название среды, как правило, совпадает с видом документа и формой представленной в нем информации.
Приведенная классификация поможет вам выбрать среду в соответствии с предполагаемой формой представления информации.
В настоящее время документы, используемые в различных областях человеческой деятельности, создаются на компьютере. Рассмотрим примеры документов различного назначения и сферы применения.
Литературное произведение, газетная статья, приказ - примеры текстовых документов.
Рисунки, чертежи, схемы - это графические документы.
Таблица 9.1. Виды компьютерных документов
Вид документа | Форма представления информации
| Объекты документа | Среда |
ТЕКСТ | Символьная | Символ Предложение Страница Фрагмент текста Текст | Текстовый процессор или редактор |
ГРАФИКА | Графическая (точечное изображение) | Пиксель Графический примитив Фрагмент рисунка Рисунок | Графический редактор |
ТАБЛИЦА (Электронная таблица) | Табличная | Ячейка (клетка таблицы) Блок ячеек Таблица Диаграмма | Табличный процессор |
БАЗА ДАННЫХ | Список или картотека | Элемент поля Экземпляр записи Совокупность База данных | Система управления базой данных (СУБД) |
СОСТАВНОЙ ДОКУМЕНТ | Символьная Графическая Табличная Список или картотека и др. | Внедренные объекты разных сред: текст, графика, таблицы, формулы, фигурный текст, гипертекст, звук, видео и др. | Текстовый процессор Редактор презентаций Редактор web-страниц и др. |
Бухгалтер на предприятии представляет в табличном виде данные для расчета зарплаты сотрудников. Основная особенность электронных таблиц состоит в том, что они позволяют не только представлять информацию в табличной форме, но и производить автоматические вычисления по формулам, связывающим ячейки таблицы.
Один из видов компьютерных документов - база данных. Она представляет собой совокупность упорядоченных сведений об объектах. В обычной жизни вы не раз встречались с базами данных. Это и картотека с названиями книг в библиотеке, и телефонный справочник, и каталог товаров. В настоящее время вместо обычных «бумажных» баз данных повсеместно создаются компьютерные, представленные документами соответствующего вида. Диспетчер справочной службы имеет в своем распоряжении всеобъемлющую компьютерную базу данных, позволяющую ответить на любой ваш вопрос. Система управления базой данных обеспечивает быстрый поиск интересующей вас информации.
Текст, графика, таблица, база данных - это примеры документов, в которых представлена информация какого-то одного вида.
Однако наиболее часто мы имеем дело с составными документами, в которых информация присутствует в разных формах. Такие документы могут содержать и текст, и формулы, и рисунки, и таблицы, и многое другое. Школьные учебники, журналы, газеты - это хорошо знакомые всем примеры составных документов.
Для создания составных документов используются программные среды, в которых предусмотрена возможность представлять информацию в разных формах.
Развитие программного обеспечения привело к тому, что в настоящее время появились новые виды компьютерных документов. В частности, это презентации и гипертекстовые документы.
Презентация представляет собой совокупность компьютерных слайдов. Специальная программа обеспечивает не только подготовку информации, но и показ ее по заранее созданному сценарию.
Гипертекст - это документ, который содержит так называемые гиперссылки на другие части документа или другие файлы, где содержится дополнительная информация.
Контрольные вопросы и задания
- Для чего нужно классифицировать объекты?
- Что лежит в основе любой классификации?
- Приведите пример классификации объектов по общим свойствам.
- Приведите пример классификации объектов по общим действиям.
- Может ли среда существования» стать основанием классификации?
- Произведите классификацию объектов с общим названием «велосипед».
- Классифицируйте домашнюю посуду по следующим признакам: материал, назначение, долговечность.
- Предложите несколько вариантов упорядочения (классификации) разнообразных объектов на вашем письменном столе.
- Назовите основание, по которому в одну группу могли бы попасть следующие объекты:
- кенгуру, утконос, кролик, броненосец;
- роза, колесо, футбольные бутсы, кактус;
- молоко, бензин, кислота, магма.
- Назовите разнородные объекты окружающего мира, которые вошли бы в одну группу по основанию «одно вещество».
- Какие классификации используют в вашей школьной среде?
- Перечислите наиболее распространенные группы компьютерных документов.
- Приведите примеры классов программных продуктов. Какое можно выбрать для этого основание классификации?
- Какое основание классификации можно использовать для выделения групп аппаратной части компьютера?
- Какие вы знаете классы памяти компьютера?
Изучив эту тему, вы узнаете:
- что может служить основанием для классификации моделей;
- как классифицируются модели по области использования;
- как классифицируются модели по способу представления;
- каковы формы представления информационных моделей;
- что такое компьютерная модель.
10.1. Виды классификации моделей
В теме 9 вы познакомились с основными принципами классификации. Для моделей можно составить различные виды классификаций в зависимости от выбранного основания. Таким основанием служат один или несколько признаков, общих для некоторых групп моделей. Рассмотрим несколько наиболее распространенных видов классификации, определяемых следующими признаками:
- областью использования;
- учетом в модели временного фактора (динамики);
- отраслью знаний;
- способом представления моделей.
Учебные модели используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.
Опытные модели - это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Они используются для исследования объекта и прогнозирования его будущих характеристик.
Например, модель корабля исследуется в бассейне для изучения устойчивости судна при качке, модель автомобиля «продувается» в аэродинамической трубе с целью исследования обтекаемости кузова, модель сооружения используется для привязки здания к конкретной местности, модель гидросооружений (водохранилищ, гидростанций) помогает на стадии их разработки решить разнообразные технические, экологические и другие проблемы.
Рис. 10.1. Классификация моделей по области использования
Научно-технические модели создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести, например, прибор для получения грозового электрического разряда или стенд для проверки телевизоров.
Игровые модели - это военные, экономические, спортивные, деловые игры. Эти модели как бы репетируют поведение объекта в различных ситуациях, проигрывая их с учетом возможной реакции со стороны конкурента, союзника или противника. С помощью игровых моделей можно оказывать психологическую помощь больным, разрешать конфликтные ситуации.
Имитационные модели не просто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперименты с моделью проводятся при разных исходных данных. По результатам исследования делаются выводы. Такой метод подбора правильного решения получил название метода проб и ошибок. Например, для выявления побочных действий лекарственных препаратов их испытывают в серии опытов на животных.
Другим примером имитационного моделирования может служить экспериментальная деятельность в школах. Предположим, в обучение хотят ввести новый предмет «Основы вождения». Для эксперимента отбирается ряд школ. Где-то учат водить школьный грузовик, где-то - собранный учащимися легковой автомобиль, а в некоторых школах все сводится к изучению правил дорожного движения (моделирование с различными входными данными). Последующая проверка и анализ результатов по внедрению нового предмета в множестве школ помогают сделать вывод о целесообразности обучения этой дисциплине во всех школах страны.
Как уже упоминалось, одна из классификаций связана с фактором времени. Модели можно разделить на статические и динамические по тому, как отражается в них динамика происходящих процессов (рисунок 10.2).
Рис. 10.2 . Классификация моделей -
Статическая модель - это единовременный срез информации по данному объекту. Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает состояние их зубов на данный момент времени: соотношение молочных и постоянных, наличие пломб, дефектов и т. п.
Динамическая модель представляет картину изменения объекта во времени. В примере с поликлиникой медицинскую карту ученика, отражающую изменение состояния его зубов в течение многих лет, можно считать динамической моделью.
При строительстве дома рассчитывают прочность его фундамента, стен, балок и устойчивость их к постоянной нагрузке. Это статическая модель здания. Но надо также обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим изменяющимся во времени факторам. Эти вопросы можно решить с помощью динамических моделей.
Как видно из примеров, один и тот же объект можно охарактеризовать и статической, и динамической моделью.
Можно классифицировать модели и по тому, «к какой отрасли» знаний или деятельности человека они относятся (биологические, социологические, экономические, исторические и т. п.), и по множеству других факторов.
10.2. Классификация моделей по способу представления
Подробнее рассмотрим классификацию всего многообразия моделей по способу представления. Схема такой классификации изображена на рисунке 10.3.
Рис. 10.3. Классификация моделей по способу представления
В соответствии с ней модели делятся на две большие группы: материальные и абстрактные (нематериальные). Эти две группы как бы характеризуют то, «из чего сделаны модели». И материальная, и абстрактная модели содержат информацию об исходном объекте. Только в случае материальной модели эта информация имеет реальное воплощение - цвет, форму, пропорции и т. п. Ее можно получить с помощью органов чувств: зрения, осязания, обоняния, а также воспользовавшись измерительными приборами и инструментами. В нематериальной модели та же информация представляется в абстрактной форме (мысль, формула, чертеж, схема).
Материальная и абстрактная модели могут отражать один и тот же прототип и взаимно дополнять друг друга. Некоторые из вас видели в цирке эффектный номер с мотоциклистом, движущимся с большой скоростью по отвесной стене. В аттракционе «Сюрприз» в парке культуры и отдыха кабинки с людьми вращаются на большой скорости в вертикальной плоскости. Причина, почему удерживается мотоциклист и не выпадают из кабинок люди, объясняется центробежными силами, действующими на каждый объект при вращении. Их можно изобразить на чертеже и описать формулами. Это различные абстрактные формы представления информации. Не каждому они понятны. Однако этот процесс можно продемонстрировать и на примере простейшего опыта. Возьмите ведро с водой и раскрутите его. Вода не выливается благодаря действию тех же сил. Этот опыт наглядно убеждает, что, действительно, возникают какие-то силы при вращении. На аттракционе вы имеете возможность почувствовать их на себе. Так материальная модель помогает понять суть сложного физического процесса. Приведем еще один пример. Модель маятника в виде камушка, подвешенного на нити, наглядно показывает, что при колебаниях плоскость движения остается неизменной. Это - материальная модель. С другой стороны, неизменность плоскости можно доказать на основании 2-го закона Ньютона, рассматривая силы, действующие на маятник. Это абстрактная модель. И в том и в другом варианте объектом изучения является маятник. В первом случае моделируется и сам объект «маятник», и его действие - колебание, а во втором - абстрактная модель описывает только действия.
Кстати, с помощью той же материальной модели можно продемонстрировать еще один процесс - вращение Земли. В недавнем прошлом в Исаакиевском соборе Ленинграда висел маятник Фуко, на полу был нанесен своеобразный циферблат. Плоскость движения маятника не менялась, а циферблат вращался вместес Землей. Через некоторое время можно было заметить смещение делений циферблата по отношению к маятнику.
Материальные модели
Материальные модели иначе можно назвать предметными, физическими. Они всегда имеют реальное воплощение. Такие модели могут отражать:
- внешние свойства исходных объектов;
- внутреннее устройство исходных объектов;
- суть процессов и явлений, происходящих с объектами-оригиналами.
Процессы, в которых участвует реальный объект, в материальной модели могут быть заменены процессами другой физической природы. Например, в той же детской машинке процесс движения обеспечивается не работой двигателя внутреннего сгорания, а закрученной пружиной или инерционным механизмом. Но при этом принцип преобразования вращательного движения колес в поступательное движение автомобиля соблюдается.
Материальные модели могут не походить на свои прототипы. Например, робот, заменяющий людей на тяжелом и вредном производстве, совершенно не похож на человека. Это механическое устройство, манипулятор. Только в детских книжках и мультфильмах робота представляют как механического человека.
Так как материальные модели помогают узнать свойства реальных объектов и понять «механизм» сложных явлений, они часто используются в процессе обучения. Материальными моделями являются скелет человека и чучело птицы в кабинете биологии, объемная модель Солнечной системы и макет многоступенчатой ракеты в кабинете астрономии, наклонная плоскость с шарами в кабинете физики и т. д.
К материальным моделям относятся не только школьные пособия, но и различные физические и химические опыты. В опытах моделируются действия над объектами, например реакция (действие) между водородом и кислородом (веществами, объектами исследования). Эта реакция даже при малых количествах исходных веществ происходит с оглушительным хлопком. Модель является предупреждением о последствиях возникновения «гремучей смеси» из безобидных и широко распространенных в природе веществ.
Создание и использование материальных моделей относится к экспериментальному методу познания окружающего мира.
Абстрактные (нематериальные) модели
Абстрактные модели нельзя потрогать, они не имеют вещественного воплощения. Основу таких моделей составляет информация, а такой тип моделирования реализует теоретический метод познания окружающей действительности.
Основанием для дальнейшей классификации абстрактных моделей выберем возможность их реализации и исследования при помощи компьютера. По этому признаку выделяются следующие подклассы:
- мысленные и вербальные;
- информационные.
Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий, умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Примером мысленной модели является модель поведения при переходе через дорогу. Человек анализирует ситуацию на дороге (какой сигнал подает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т. п.) и вырабатывает модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти дорожно-транспортное происшествие.
Такие модели сопутствуют любой сознательной деятельности человека. Собираясь делать покупки, человек мысленно представляет, что и сколько можно купить на имеющуюся у него сумму. Строя планы на отпуск, он мысленно проигрывает различные варианты отдыха и возможные затраты. Ожидая транспорт на остановке, прикидывает, как быстрее добраться до нужного места.
К моделям такого типа можно отнести и идею, возникшую у изобретателя, и музыкальную тему, промелькнувшую в мыслях у композитора, и рифму, родившуюся в голове поэта. Во всех приведенных примерах модели предшествовали созданию объекта (нового устройства, музыкального произведения, стихотворения), являлись одним из этапов творческого процесса. Подобные модели могут возникнуть у зрителя, слушателя, читателя как реакция на уже существующие объекты (музыку, картину, поэму).
Мысленная модель может быть выражена в разговорной форме. В этом случае она часто называется вербальной (от лат. ver-balis - устный). Вербальную модель человек использует для передачи своих мыслей другим.
Информационные модели
Образы, возникающие у разных людей как реакция на одни и те же объекты и явления, могут сильно различаться. Поэтому образная модель очень индивидуальна и не отображает прототип с достаточной степенью достоверности. Невозможно получить впечатление от музыкального произведения, услышав не музыку, а рассказ о ней.
Чтобы информацию можно было использовать для обработки на компьютере, необходимо выразить ее при помощи системы знаков, то есть формализовать. Правила формализации должны быть известны и понятны тому, кто будет создавать и использовать модель.
Поэтому наряду с вербальными и мысленными моделями используются более строгие - информационные модели.
Существуют разнообразные системы условных обозначений, символов, соглашений, относящихся к разным областям деятельности и пригодных для описания моделей. Подобную систему и правила использования ее элементов называют языком. Язык может быть разговорным, алгоритмическим, математическим, языком кодирования и пр.
Информация, характеризующая объект или процесс, может иметь разную форму представления, выражаться различными средствами. По степени формализации, строгости описания это многообразие можно условно разделить на образно-знаковые и знаковые модели.
Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное мышление. По цвету на карте можно сразу оценить рельеф. Например, с голубым цветом у человека ассоциируется вода, с зеленым - цветущий луг, равнина. Карта изобилует условными обозначениями. Зная этот язык, человек может получить достоверную информацию об интересующем его объекте. Информационная модель в этом случае будет результатом осмысления сведений, полученных при помощи органов чувств и информации, закодированной в виде условных изображений.
То же можно сказать о живописи. Неискушенный зритель воспримет картину душой, в виде образной модели. Но существуют некоторые художественные языки, соответствующие различным живописным жанрам и школам: сочетание цветов, характер мазка, способы передачи воздуха, объема и т. д. Человеку, знающему эти условности, легче разобраться в том, что имел в виду художник, особенно если произведение не относится к реализму. При этом общее восприятие картины (информационная модель) станет результатом осмысления информации как в образной, так и в знаковой формах.
Еще один пример такой модели - фотография. Фотоаппарат позволяет получить изображение оригинала. Обычно фотография дает нам довольно точное представление о внешнем облике человека. Существуют некоторые признаки (высота лба, посадка глаз, форма подбородка), по которым специалисты могут определить характер человека, его склонность к тем или иным поступкам. Этот специальный язык формируется из сведений, накопленных в области физиогномики и собственного опыта. Знающие врачи, взглянув на фото незнакомого человека, увидят признаки некоторых заболеваний. Задавшись разными целями, по одной и той же фотографии можно получить различные информационные модели. Они будут результатом обработки образной информации, полученной при разглядывании фотографии, и информации, сложившейся на основе знания специального профессионального языка.
На рисунке 10.4 представлена образно-знаковая модель расходов города в виде круговой диаграммы.
Рис. 10.4 . Образно-знаковая модель расходов города
По форме представления образно-знаковых моделей среди них можно выделить следующие группы:
- геометрические модели, отображающие внешний вид оригинала (рисунок, пиктограмма, чертеж, план, карта, объемное изображение);
- структурные модели, отображающие строение объектов и связи их параметров (таблица, граф, схема, диаграмма);
- словесные модели, зафиксированные (описанные) средствами естественного языка;
- алгоритмические модели, описывающие последовательность действий.
- математические модели, представленные математическими формулами, отображающими связь различных параметров объекта, системы или процесса;
- специальные модели, представленные на специальных языках (ноты, химические формулы и т. п.);
- алгоритмические модели, представляющие процесс в виде программы, записанной на специальном языке.
10.3. Инструменты моделирования
Многообразие моделей предполагает использование огромного спектра инструментов для реализации и описания этих моделей.
Если модель имеет материальную природу, то есть представлена в вещественном воплощении, то для ее создания годятся традиционные инструменты: резец скульптора, токарный или фрезерный станок, пресс, пила и топор, наконец.
Если модель имеет абстрактную форму, то речь идет о некоторых знаковых системах, позволяющих описать данный тип модели. Это специальные языки, чертежи, схемы, графики, таблицы, алгоритмы, математические выражения и т. п. Здесь может быть использовано два варианта инструментария: либо традиционный набор инженера или конструктора (карандаш, линейка, ручка), либо самый совершенный на данный момент инструмент - компьютер. Таким образом, мы подошли еще к одной возможности классификации информационных моделей: по способу реализации они подразделяются на компьютерные и некомпьютерные модели.
Когда речь идет об инструменте-компьютере, то следует понимать, что он работает с информацией. Поэтому нужно исходить из того, какую информацию и в каком виде может воспринимать и обрабатывать компьютер. Современный компьютер способен работать с текстом, графикой, схемами, таблицами, звуком, видеоизображением и т. д. Но для работы со всем этим многообразием информации нужна как техническая {аппаратная), так и программная поддержка. Эти две составляющие и являются инструментами компьютерного моделирования.
Прикладные программные среды используются человеком как эффективное вспомогательное средство для реализации собственных замыслов. Иначе говоря, человек уже знает, какова будет модель, и использует компьютер для придания ей знаковой формы. Например, для построения геометрических моделей, схем используются графические среды. Текстовые процессоры обладают широкими возможностями оформления знаковых моделей. Это и встроенная деловая графика, и наборы автофигур, и программные приложения, позволяющие включать в описание формулы, таблицы, электронные схемы, диаграммы и т. п.
Другие программные среды человек использует как средство обработки исходной информации и анализа результатов. Здесь компьютер выступает как интеллектуальный помощник.
В качестве примера такой компьютерной обработки информации можно привести обработку звука. Для этого используется специализированное программное обеспечение, в частности - музыкальный редактор. Он позволяет не только набирать нотный текст и распечатывать его, но и выполнять аранжировку и прослушивать произведение. Другие программы позволяют соединять цифровую запись голоса певца со звуковой моделью мелодии, а также синтезировать (моделировать) человеческий голос разной высоты и тембра (тенор, драматический бас и т. п.). Существуют программы, с помощью которых компьютер может создавать композиции самостоятельно в соответствии с введенными соглашениями: ритмом, темпом, музыкальным стилем и т. п.
Обработку больших объемов информации можно осуществлять в среде баз данных. Если же вы собираетесь исследовать математическую модель, то вам не подойдут среды ни графического или музыкального редакторов, ни базы данных, ни текстового процессора. Мощным инструментом исследования таких моделей является среда табличного процессора. В этой среде исходная информационная знаковая модель будет представлена в табличной форме, связывающей элементарные объекты по правилам построения связей в этой среде.
Другим эффективным средством исследования математических моделей, а также построения геометрических моделей является среда программирования. Компьютерная модель будет представлена в ней в форме программы.
Контрольные вопросы и задания
- По каким признакам можно классифицировать модели?
- Приведите примеры применяемых в вашей школе учебных моделей.
- Можно ли стратегическую компьютерную игру назвать игровой моделью? Чему учат такие игры?
- По какому признаку модели делятся на статические и динамические?
- Что такое материальные модели? Приведите примеры.
- К какому типу моделей вы бы отнесли былины? Что они моделируют?
- Какие образные модели возникают у вас, когда, входя в дом, вы чувствуете какой-либо запах?
- Что такое информационные модели? Из чего они «сделаны»?
- Школьные учебники истории содержат схемы военных сражений. Можно ли их назвать моделями? К какому типу моделей их можно отнести?
- Что такое математическая модель? Приведите примеры.
- Можно ли назвать поясняющий чертеж к задаче моделью? Поясните ответ.
- Что вы понимаете под компьютерной моделью?
Изучив эту тему, вы узнаете:
- что такое моделирование;
- что может служить прототипом для моделирования;
- какое место занимает моделирование в деятельности человека;
- каковы основные этапы моделирования;
- что такое компьютерная модель;
- что такое компьютерный эксперимент.
11.1. Место моделирования в деятельности человека
В теме 7 мы определили, что такое модель. Моделью может быть абстрактный или физический объект, исследование которого позволяет познавать существенные черты другого объекта - оригинала. Построение и изучение моделей является сферой человеческой деятельности, которая называется моделированием.
Моделирование - исследование объектов путем построения и изучения их моделей.
Почему не исследовать сам оригинал, зачем создавать модель?
Во-первых, оригинала может не существовать в настоящем: это объект прошлого или будущего. Для моделирования время не помеха. На основании известных фактов, методом гипотез и аналогий можно построить модель событий или природных катаклизмов далекого прошлого. Так, к примеру, были созданы теории вымирания динозавров, зарождения жизни на Земле. С помощью такого же метода можно заглянуть в будущее. Ученые-физики построили теоретическую модель «ядерной зимы», которая наступит на нашей планете в случае ядерной войны. Эта модель - предостережение человечеству.
Во-вторых, оригинал может иметь много свойств и взаимосвязей. На модели, являющейся упрощенным представлением объекта, можно изучать некоторые интересующие исследователя свойства, не учитывая других. Например, при изучении сложнейшего человеческого организма на уроках биологии используются его разнообразные модели.
В-третьих, часто модель является абстрактным обобщением реально существующих объектов. Манекенщица (модель), демонстрирующая новый фасон одежды, представляет не какого-то реального человека с его особенностями и недостатками, а некоторый обобщенный идеальный образ, стандарт. Говоря о природных явлениях на уроках географии, мы имеем в виду не какое-то конкретное природное явление, например землетрясение, а некоторое обобщение, модель этого явления. В таких случаях прототипом модели является целый класс объектов с какими-то общими свойствами.
В-четвертых, оригинал может быть недоступен исследователю по каким-либо причинам: модель атома водорода, рельефа лунной поверхности, парламентской власти в стране.
Что поддается моделированию? Объектом моделирования мо-жет быть материальный объект, явление, процесс или система.
Моделями материальных объектов могут служить наглядные пособия в школьном кабинете, чертежи архитектурных сооружений, уменьшенные или увеличенные копии самих объектов.
Для предотвращения катастроф и применения природных сил на благо человека создаются и изучаются модели явлений живой природы. Академик Георг Рихман, сподвижник и друг великого Ломоносова, еще в первой половине XVIII века моделировал магнитные и электрические явления с целью их изучения и дальнейшего применения.
Можно также создавать модели процессов : ход, последовательную смену состояний, стадии развития объекта или системы. Вы, вероятно, слышали о моделях экономических или экологических процессов, модели развития Вселенной, общества и т. п.
Если объект рассматривается как система, то строится и исследуется модель системы . Перед строительством жилого массива архитекторы создают натурную модель района застройки, учитывающую расположение зданий, скверов, парков и дорог.
Моделирование является одним из ключевых видов деятельности человека и всегда в той или иной форме предшествует другим ее видам.
Прежде чем браться за любую работу, нужно четко представлять себе отправной и конечный пункты деятельности, а также ее примерные этапы. То же можно сказать о моделировании.
Отправной пункт здесь - прототип (рисунок 11.1). Как было сказано ранее, это может быть существующий или проектируемый объект, явление, процесс или система.
Рис. 11.1 . Обобщенные этапы деятельности человека при исследовании объекта
Конечный этап моделирования - принятие решения. В результате моделирования приобретается новая информация и принимается решение о создании нового объекта либо о модификации и использовании существующего.
Примером моделирования при создании новых технических средств может служить история развития космической техники. Для реализации космического полета надо было решить две проблемы: преодолеть земное притяжение и обеспечить продвижение в безвоздушном пространстве. О возможности преодоления притяжения Земли говорил еще Ньютон в XVII веке. К. Э. Циолковский предложил для передвижения в пространстве использовать реактивный двигатель. Он составил довольно точную описательную модель будущего межпланетного корабля с чертежами, расчетами и обоснованиями.
Не прошло и полувека, как описательная модель Циолковского стала основой для реального моделирования в конструкторском бюро С. П. Королева. В натурных экспериментах испы-тывались различные виды жидкого топлива, форма ракеты, системы управления и жизнеобеспечения, приборы для научных исследований и т. п. Результатом разностороннего моделирования стали мощные ракеты, которые вывели на околоземную орбиту искусственные спутники Земли, корабли с космонавтами на борту и космические станции.
Рассмотрим другой пример. Известный химик XVIII века Антуан Лавуазье, изучая процесс горения, проводил многочисленные опыты. Он моделировал процессы горения с различными веществами, которые нагревал и взвешивал до и после опыта. При этом выяснилось, что некоторые вещества после нагревания становятся тяжелее. Лавуазье предположил, что к этим веществам в процессе нагревания что-то добавляется. Так моделирование и последующий анализ результатов привели к определению нового вещества - кислорода, к обобщению понятия «горение». Это дало объяснение многим известным явлениям и открыло новые горизонты в других областях науки, в частности в биологии. Кислород оказался одним из основных компонентов дыхания и энергообмена животных и растений.
Схема, представленная на рисунке 11.1, показывает, что моделирование занимает центральное место в исследовании объекта. Построение модели позволяет обоснованно принимать решения по усовершенствованию имеющихся объектов и созданию новых, изменению процессов управления ими и, в конечном счете, изменению окружающего нас мира в лучшую сторону.
Моделирование - творческий процесс и поэтому заключить его в формальные рамки очень трудно. В наиболее общем виде его можно представить этапами, как изображено на рисунке 11.2.
Рис. 11.2. Этапы моделирования
Каждый раз при решении конкретной задачи такая схема может подвергаться некоторым изменениям: какой-то блок будет исключен или усовершенствован, какой-то - добавлен. Все этапы определяются поставленной задачей и целями моделирования.
11.2. Постановка задачи
Жизнь постоянно ставит перед человеком проблемы, требующие разрешения. Эти проблемы по своей сложности нельзя сравнить ни с одной, даже самой трудной задачей из школьных учебников. В школьных задачах вам четко указано, что дано и что требуется получить, а в разделе, где приводится задача, рекомендованы возможные методы ее решения. Как правило, в реальной жизни человек имеет дело с задачами (проблемами), где этого в явной форме нет. Поэтому важнейшим признаком грамотного специалиста является умение поставить задачу, то есть сформулировать ее таким образом и на таком языке, чтобы ее однозначно понял любой, кто будет участвовать в ее решении.
Этап постановки задачи характеризуется тремя основными моментами: описание задачи, определение целей моделирования и формализация задачи.
Описание задачи
Постановка задачи, как правило, начинается с ее описания. Делается это на обычном языке, самыми общими фразами. При этом подробно описывается исходный объект, условия, в которых он находится, и желаемый результат, иначе говоря, отправной и конечный пункты моделирования.
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. Такую постановку задачи принято называть «что будет, если?..». Например, будет ли сладко, если в чай положить две чайные ложки сахара? Или: что будет, если повысить плату за коммунальные услуги в два раза?
Некоторые задачи формулируются несколько шире. Что будет, если изменять характеристики объекта в заданном диапазоне с некоторым шагом? Такое исследование помогает проследить зависимость параметров объекта от исходных данных. Например, модель информационного взрыва: «Один человек увидел НЛО и рассказал об этом своим знакомым. Те, в свою очередь, распространили новость дальше и т. д.» Необходимо проследить, каково будет количество оповещенных через заданные интервалы времени.
Вторая группа задач имеет такую обобщенную формулировку: какое надо произвести воздействие на объект, чтобы его параметры удовлетворяли некоторому заданному условию? Такая постановка задачи часто называется «как сделать, чтобы?..». Например, какого объема должен быть воздушный шар, наполненный гелием, чтобы он мог подняться вверх с грузом 100 кг?
Наибольшее количество задач моделирования, как правило, являются комплексными. Решение таких задач начинается с построения модели для одного набора исходных данных. Иначе говоря, прежде всего решается задача «что будет, если?..». В редких случаях, но все же бывает, что конечная цель достигается после первого же эксперимента. Чаще этого не случается, и тогда проводится исследование объекта при изменении параметров в некотором диапазоне. И наконец, по результатам исследования производится подбор параметров с тем, чтобы модель удовлетворяла некоторым проектируемым свойствам. Важно понимать, что чем опытнее исследователь, тем точнее он выберет диапазон входных данных и шаг, с которым этот диапазон будет проверяться, и, как следствие, тем скорее он достигнет прогнозируемого результата.
Примером такого комплексного подхода может служить решение задачи о получении химического раствора заданной концентрации: «Химический раствор объемом 5 частей имеет начальную концентрацию 70 %. Сколько частей воды надо добавить, чтобы получить раствор заданной концентрации?»
Сначала проводится расчет концентрации при добавлении 1 части воды. Затем строится таблица концентраций при добавлении 2, 3, 4... частей воды. Полученный результат позволяет быстро пересчитывать модель с разными исходными данными. По расчетным таблицам можно дать ответ на поставленный вопрос: сколько частей воды надо добавить для получения требуемой концентрации.
Рассмотрим три простые задачи, на примере которых в дальнейшем проследим этапы моделирования.
Задача 1 . Набор текста.
Набрать и подготовить к печати текст.
Такая задача часто возникает при создании составных документов, в которых одним из элементов является текст. Эта задача относится к постановке «что будет, если?..».
Задача 2. Движение автомобиля.
Как изменяется скорость автомобиля при движении?
В данной задаче предполагается проследить, как будет изменяться скорость автомобиля в некотором диапазоне времени. Это расширенная постановка задачи «что будет, если?..».
Задача 3. Расстановка мебели.
Найти наиболее удобную расстановку подросткового мебельного гарнитура в комнате.
Эта задача относится к постановке «как сделать, чтобы?..».
11. Цветков В.Я. Пространственные отношения в геоинформатике // Международный научно-технический и производственный журнал «Науки о Земле». – Вып. 01. – 2012. – С. 59–61.
2. Цветков В.Я. О пространственных и экономических отношениях // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 3. – С. 115–117.
3. Логика в науке и методы доказательств. – LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbrücken, Germany 2012. – 84 с.
4. Майоров А.А., Цветков В.Я. Геореференция как применение пространственных отношений в геоинформатике // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2012. – № 3. – С. 87–89.
5. Цветков В.Я. Геореференция как инструмент анализа и получения знаний // Международный научно-технический и производственный журнал «Науки о Земле». – 2011. – № 2. – С. 63–65.
6. Paul Getty Trust Getty Thesaurus of Geographic Names Online: Place Type Looking. – 2004. – http://www.getty.edu./research/conducting_research/vocabularies/tgn/
7. Moritz T. Geo-referencing the natural and cultural world, past and present: Towards building a distributed, peer-reviewed gazetteer system // Digital Gazetteer Information Exchange Workshop. Smithsonian Institute, October 12–14, 1999.
8. Цветков В.Я. Геостатистика // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2007. – № 3. – С. 174–184.
9. Цветков В.Я., Зайцева О.В. Геостатистика как инструмент управления // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2007. – № 5. – С. 134–137.
10. Rendu J.M. An introduction to geostatistical methods of mineral evaluation. Technical Report. South African Institute of Mining and Metallurgy, Johannesburg, 1981.
11. Pichler G. Computer-Programme der Geostatistik. Master’s Thesis. Institut für Statistik, Technische Universität, Graz, Austria, 1982.
12. Майоров А.А., Матерухин А.В. Геоинформационный подход к задаче разработки инструментальных средств массовой оценки недвижимости // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2011. – № 4. – С. 92–97.
Проведен анализ видов пространственных отношений, которые являются важным фактором исследования в геоинформатике, региональном управлении, экологии, геологии и пространственной экономике. Рассмотрены четыре вида пространственных отношений. показаны различные подвиды иерархических отношений на примере объектов кадастра. Отмечены топологические пространственные отношения. Раскрыты особенности геореференции. Описаны основы геостатистики. Раскрыты геостатистические отношения. Показано, что пространственные отношения являются важным фактором, который позволяет решать по новому известные задачи и создают условия для решения новых задач.
Фактором, который исследуется в геоинформатике и применяется достаточно давно в региональной и пространственной экономике являются пространственные отношения . На практике они выражаются в основном в четырех формах: иерархические , топологические, геореференцные и геостатистические .
Иерархические пространственные отношения наиболее ярко проявляются в кадастре. В этой сфере имеет место четкая иерархия кадастровых объектов, которая используется на рынке недвижимости, при управлении землепользованием, в государственном управлении при учете природных и земельных ресурсов.
Самым распространенным типом пространственных отношений при изучении пространственных объектов является иерархический тип, описывающий отношения между элементами, множествами и частями объектов. Иерархические отношения образуют древовидную структуру. К ним относятся отношения, которые обозначают : ISA, AKO.
Отношение классификации ISA происходит от английского «is a». Говорят, что множество (класс) классифицирует свои экземпляры (например, «улица есть часть городской территории»). Иногда это отношение именуют «member of». По-русски это может называться «есть» (единственное число) или «суть» (множественное число). Связь ISA предполагает, что свойства объекта наследуются от множества.
Обратное отношение - «example of» или «пример». Поэтому процесс порождения элементов из множества называется экземпляцией/
Отношение между множеством и подмножеством AKO происходит от английского «a kind of», например, «городские районы есть подмножество городской территории».
Отличие AKO от отношения ISA заключается в том, что ISA - отношение «один ко многим», а AKO отношение - «многое к многим».
Применяя иерархические типы отношений, следует четко различать, какие объекты являются классами, а какие - экземплярами классов. При этом вовсе не обязательно одно и то же понятие будет классом или экземпляром во всех предметных областях.
Так, «студент» всегда будет классом в базах знаний типа «студенческая группа» или «вуз», но может быть экземпляром класса учащихся.
Наличие отношения классификации еще не говорить о существовании системы классификации, а только служит основой для нее. Исключение составляют те случаи, когда классификация уже создана.
Объект, как сложная система, состоит из нескольких частей, или элементов. Например, город включает улицы, площади, дома, объекты инфраструктуры, инженерные сооружения и т.д. Это определяет еще один тип отношения - Отношение целого и части.
Отношение меронимии - отношение целого к части («has part»). Мероним - объект, включающий другого объекта как часть. «Город включает городские районы. Городская территория включает улицы».
Отношение холонимии - отношение части к целому («is a part»). «Улица часть городской территории». Улица - холоним для городской территории. Городская территория - мероним для улицы.
Топологические отношения широко используются в картографии и на транспорте. Для описания топологических отношений пространственных объектов широко применяют графовые модели. В этих моделях могут быть использованы разные виды отношений. При этом следует отличать пространственный граф, который содержит пространственную топологию от описательного графа, который содержит дополнительное описание. В моделях топологических отношений используют следующие отношения: функциональные (определяемые обычно глаголами «производит», «влияет»…); количественные (больше меньше, равно…); пространственные (далеко от, близко от, за, под, над…); временные (раньше, позже, в течение…); атрибутивные (иметь свойство, иметь значение); логические (И, ИЛИ, НЕ); лингвистические.
Геореференцные отношения представляют собой специфический инструмент пространственного поиска, получения знаний и как результат инструмент поддержки принятия решений. Геореференция отражает связи между пространственно локализованными объектами и информацией об этих объектах. В сферу геореференции входят, в частности, зависимости между любой информацией (например, документами, картами, изображениями, биографической информацией) и географической локализацией с помощью местонаименований , кодов места (например, почтовые коды), координат и других методов, описывающих пространственные связи и отношения. Существуют специальные справочники географических названий и так называемые газеттиры , которые отражают отношение геореференций.
Геостатистические отношения - отношения выявляемые методами геостатистики . Развитием и применением методов геостатистики занимаются: экологи, инженеры-нефтяники, гидрологи, почвоведы, геологи , а также статистики.
В теоретическом плане геостатистику можно рассматривать как методологию для интерполяции пространственно локализованных данных на нерегулярной сетке . Ряд методов интерполяции и обработки таких данных были хорошо известны, когда геостатистику стали применять. Например, метод обратного взвешивания и анализа, алгоритм (метод) ближайшего соседа и др.
Геостатистика концентрируется, прежде всего, на пространственных данных. То есть, каждое значение исследуемых данных связанно с локализацией в пространстве. Существует, по крайней мере, одна связь (одномерная связь) между расположением и значением данных.
Локализация в геостатистике имеет, по крайней мере два значения, одно это просто положение точки в пространстве (которое существует только в абстрактном математическом смысле) и, во-вторых, площадь или объем в пространстве. Геостатистические отношения - это отношения между геостатистической локализацией и значением некого параметра в пространстве. Для данной точки пространства это может быть концентрация вредных веществ, содержание металла в руде, стоимость недвижимости и так далее. Но значение этих величин зависят от пространственных координат. Например, значение локализованных данных, связанных с областью может быть среднее значение наблюдаемой величины, среднее значение на площадь области, значение на объем области. В последнем случае площадь или объем часто называют «поддержкой» данных. Это тесно связано с идеей поддержки измерений.
Выводы. Пространственные отношения являются важным фактором, который позволяет решать по новому известные задачи и создают условия для решения новых задач.
Библиографическая ссылка
Цветков В.Я. ВИДЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОТНОШЕНИЙ // Успехи современного естествознания. – 2013. – № 5. – С. 138-139;URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=31718 (дата обращения: 06.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
Дерево грамматического разбора, описанное в предыдущем разделе, дает лишь грубое описание сцены с использованием связей между его терминальными и нетерминальными символами. Часто бывает доступна и другая, более подробная информация. Например, может быть известно, что объект расположен выше объекта и что область окружает оба объекта. Информацию такого типа можно представить в виде графа отношений, в котором ребра, соединяющие символы дерева разбора, размечены по типу связи и пространственных отношений между символами. На рис. 20.4.1 приведен соответствующий пример. Стрелки на ребрах показывают направление отношения; например, КРЫША выше СТЕНЫ. Граф отношений с такими указателями называется направленным. Теоретический анализ методов, основанных на системах отношений, отсутствует. Остановимся на конкретных подходах к разработке систем понимания изображений, в которых явно или неявно используются эти отношения.
Рис. 20.4.1. Пример направленного графа отношений.
Впервые знания об отношениях между объектами были использованы для построения системы понимания изображений в работе Робертса , который разработал довольно полную систему программ анализа сцен, содержащих многогранники с плоскими поверхностями. Логично начать анализ сцен именно с многогранников, так как их можно относительно легко описать и пространственные отношения между ними четко определены. В системе, предложенной Робертсом, анализ начинается с представления многогранника в виде контурного рисунка, который заносится в память в виде списка прямолинейных отрезков, заданных декартовыми координатами концевых точек. Этот список анализируется с целью обнаружения соединенных линейных отрезков, формирующих многоугольники. Рис. 20.4.2 иллюстрирует три типа многоугольников, которые могут находиться в сцене: выпуклый многоугольник, невыпуклый многоугольник и многоугольник, образованный границами изображения многогранника. На следующем этапе обработки множество вершин многоугольника сопоставляется с множеством вершин простых моделей объекта для того, чтобы разбить исходный объект на составные элементы, как показано в примере на рис. 20.4.3. Если найдено, что модель простого объекта является частью исходного объекта, то эта часть исключается из исходного объекта путем вычеркивания из списка и добавления соответствующих отрезков линий.
Рис 20.4.2. Составлениеизображения многогранника из многоугольников
а - Объект; б - многоугольник, образованный внешним контуром; в - невыпуклый многоугольник; г - выпуклый многоугольник.
Процесс продолжается до тех пор, пока не будет найдено соответствие исходного объекта одной из моделей простого объекта. Процесс сопоставления учитывает пространственные сдвиги, вращение и изменения масштаба моделей простых объектов по отношению к деталям исходного объекта.
Идея Робертса относительно разбиения сложного многогранника на простые объекты породила направление исследовательских работ, которые теперь называются анализом блочных схем. Гузман и Фальк продолжили исследования сцен, содержащих «непрозрачные» объекты и представленных в виде неполного контурного рисунка. В предложенных ими системах выделение областей изображения, соответствующих плоским поверхностям сцены, осуществляется по специальным эвристическим правилам. Уинстон предложил методы обучения, с помощью которых информация, полученная из анализируемых сцен, используется для наращивания набора зрительных моделей сцен.
Рис. 20.4.3. Разборка многогранника а – объект; б – призма; в – основание в форме параллелепипеда; г – спинка в форме параллелепипеда.
Модели запоминаются в виде направленного графа отношений, в котором дуги помечены простыми отношениями типа «соседство» и «опора» между объектами. На рис. 20.4.4 приведены направленный граф для сцены, состоящей из арки, и несколько примеров ее построения. Ключевым элементом работы Уинстона является понятие «почти то». В примере арки «почти то» может означать, что два объекта типа «опора» не могут быть смежными.
Представление многогранников в виде контурных рисунков не может быть произвольным; некоторые комбинации прямых линий и вершин не допускаются при контурном представлении многогранников. Клоуз и Хаффман разработали процедуры, позволяющие выяснить, реальные или нереальные (бессмысленные) объекты представлены на контурном рисунке. Уолц продолжил разработку этого подхода, установив 11 категорий для разметки контурных линий (рис. 20.4.5). Если две или больше линий сходятся в некоторой вершине, то должны быть выполнены определенные ограничения. Например, в узле типа градиенты тени, соответствующие двум линиям, должны быть одинаково направлены. Анализ всевозможных комбинаций разметок показал, что большая их часть физически не допустима. Полное число реальных типов вершин для многогранников составляет лишь несколько тысяч. В системе Уолца анализ начинается с разметки линий, выходящих из каждой вершины. Затем программа «фильтр» проверяет последовательность линейных меток связанных между собой вершин и исключает несовместимые метки. На следующем этапе с помощью набора комбинационных правил согласовываются неоднозначные метки. Их, число в дальнейшем может быть ограничено при анализе типов смежных вершин.
Рис. 20.4.4. Пример направленного графа отношений для арки : а - направленный граф отношений; б - примеры.
Указанные способы анализа блочных сцен обладают общим свойством: отправной точкой является либо абстрактный контурный рисунок, либо контурный рисунок, выделенный из реальной сцены.
Рис. 20.4.5. Типы линий, образующих контуры многогранников .
Сираи развил другой подход к анализу сцен из многогранников, при котором реальные сцены анализируются непосредственно как массивы точек изображения. Программа Сираи - это первая программа, которая пытается выполнить гетерархический анализ осмысленных сцен. Знание типа объектов, с которыми она встречается, используется для управления поиском слабых перепадов яркости, соответствующих вогнутостям поверхностям объектов.
Важный шаг в направлении анализа сцен, содержащих тела с криволинейными поверхностями, сделан Хорном , а также Биифордом, Эйджипом и Невейшиа . Хорн использовал светотень освещенных объектов с гладкими криволинейными поверхностями для определения их физической формы. Работа Бинфорда, Эйджина и Невейшиа направлена на получение трехмерных описаний формы объектов; при этом были использованы срединноосные остовы и системы конических сечений объектов.
Одной из первых попыток анализа достаточно сложных реальных сцен с привлечением информации об отношениях между объектами была работа, выполненная Брайсом и Феннема 1311. В их системе первый этап обработки состоит в сегментации изображения по принципу наращивания областей. Затем граница каждой выделенной области аппроксимируется отрезками прямых. Далее на этапе анализа для группировки областей и распознавания объектов используются семантические знания. Например, в сцене «служебное помещение» семантические знания представляют собой следующие факты: пол находится в нижней части сцены, стена - на краю сцены, картина - на стене. Барроу и Поппльстоун также разработали систему анализа сцен, основанную на сегментации метода наращивания областей. В их системе векторы признаков измеряются для каждой сегментированной области; при этом используются такие признаки, как форма, толщина, размер и отношение к соседним областям, а именно: выше, ниже, слева и т. д. Вектор признаков каждой области затем сопоставляется с наборами векторов признаков областей в зрительной модели класса сцен, подлежащих анализу. В некоторых случаях при сопоставлении возникают трудности, вызванные тенями и преградами.
Одна из трудностей, встречающихся непосредственно при анализе естественных сцен, состоит в том, что количество признаков изображения и символов слишком велико. Это множество данных вместе с огромным числом возможных комбинаций взаимных отношений переполняет структуры данных и делает бесполезным поиск по дереву.
Келли сделал важное предложение: использовать планирование анализа сцен как способ ограничения размерности задач поиска по дереву. По схеме Келли признаки и символы выделяются сначала из изображения сцены, полученной с малым разрешением. Затем распознаются и размечаются объекты и вырабатывается гипотетическая модель сцены. Далее для выделения признаков и символов выполняется управляемый моделью поиск областей на картинке, полученной с полным разрешением.
Продолжая исследования Келли, Тененбаум и др. предложили систему анализа, которая включает два этапа: ознакомление и обоснование. На этапе ознакомления исследуются простые характеристики изображения, основанные на зрительной модели; при этом для управления поиском используется информация о содержании сцены. Например, в сцене служебного помещения поиск первоначально направлен на обнаружение плоской поверхности в средней части изображения, где предполагается наличие верхней поверхности письменного стола. Затем поиск продолжается в пределах этой поверхности для обнаружения интересующих нас объектов, которые анализируются и предварительно классифицируются. На этапе обоснования выполняется более тщательная обработка для выделения по возможности более надежных признаков в окрестности, где предполагается наличие объектов.
Полученная информация анализируется для определения правильности выдвинутой гипотезы. Таким образом ресурсы «дорогой» системы обработки информации можно распределить более эффективно.
Из приведенных материалов видно, что содержание данного раздела представляет собой просто краткий обзор результатов исследований в области построения систем понимания изображений.
В общем, достигнут некоторый прогресс, однако из большого числа интересных, но частных идей трудно выделить наиболее существенные. Ясно, что в этой важной области обработки изображений еще нужно проделать большую работу.
Система – это совокупность взаимосвязанных объектов, воспринимаемая как единое целое. Входящие в состав системы объекты называются элементами. Степень дробления системы на составляющие ее элементы определяется целью изучения. Система – это совокупность взаимосвязанных объектов, воспринимаемая как единое целое. Входящие в состав системы объекты называются элементами. Степень дробления системы на составляющие ее элементы определяется целью изучения.
Системы, как и объекты, существуют в определенной среде. Действия отдельных элементов обеспечивают работоспособность всей системы. Системы, как и объекты, существуют в определенной среде. Действия отдельных элементов обеспечивают работоспособность всей системы.
В Вопросы: 1.Приведите примеры общественных отношений. Какими сравнительными характеристиками можно описать пространственные отношения? 2.Приведите примеры временных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать временные отношения? 3.Приведите примеры отношений части и целого между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать отношения части и целого? 4.Составьте таблицу отношений однотипных объектов «товары»? 5.Придумайте системы, которые можно построить из объектов «доски», «гвозди»? Вопросы: 1.Приведите примеры общественных отношений. Какими сравнительными характеристиками можно описать пространственные отношения? 2.Приведите примеры временных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать временные отношения? 3.Приведите примеры отношений части и целого между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать отношения части и целого? 4.Составьте таблицу отношений однотипных объектов «товары»? 5.Придумайте системы, которые можно построить из объектов «доски», «гвозди»?
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Приведите примеры материальных объектов.
2. Приведите примеры нематериальных объектов.
3. Можно ли с помощью имени дать полную характеристику объекта?
4. Как можно с помощью имени конкретизировать объект?
5. Какими свойствами можно охарактеризовать объекты «ручка для письма», «автомобиль», «стихотворение»?
6. В чем состоит отличие понятия «свойство объекта» от его значения? Приведите примеры свойств и их значений.
7. Что такое параметры объекта? Приведите примеры.
8. Какие значения могут принимать параметры «вес» и «длина хвоста» объекта «кошка»?
9. Какие значения могут быть у свойства «вид линовки» для объекта «тетрадь»?
10. Что такое действия объекта? Приведите примеры.
11. Что такое состояние объекта? Приведите примеры.
12. Что такое процесс? Приведите примеры.
13. Опишите биологический процесс роста растения.
14. Опишите, в чем состоит процесс обучения и какие свойства ученика изменяются в этом процессе.
15. Что такое среда существования объекта? Приведите примеры.
16. Какими характеристиками можно описать объект?
17. Для чего нужны разнообразные характеристики объекта?
18. Сыграйте в игру, в которой требуется угадать объект по его характеристикам. Один человек загадывает слово (имя какого-то объекта). Остальные играющие, чтобы отгадать слово, начинают задавать наводящие вопросы, пытаясь определить как можно более точно свойства задуманного объекта. Вопросы надо формулировать так, чтобы ответ на него был либо «да», либо «нет».
Например, задумано слово «верблюд». Примерные вопросы и ответы могли бы звучать так.
■ Это объект живой природы? – Да.
■ Это растение? – Нет (вывод: значит, животное).
■ Это животное может летать? – Нет.
■ Оно живет в северных широтах? – Нет.
И так далее... Если кто-то из игроков решил, что он догадался, о чем идет речь, он может напрямую назвать имя объекта. Если игрок не угадал задуманное слово, то выбывает из игры. Как видите, в этой игре, чтобы отгадать задуманный объект, надо как можно точнее определить и свойства, и действия, и среду.
1. Что такое модель объекта?
2. Приведите примеры материальных и абстрактных моделей.
3. Приведите примеры материальных и абстрактных моделей для объекта «дом».
4. Приведите примеры моделей, созданных с разной целью.
5. С какими моделями вы встречаетесь в повседневной жизни?
6. Приведите примеры моделей технических устройств. Где вам приходилось видеть такие модели?
7. Что такое информационная модель?
8. Составьте информационную модель объекта «самолет» с целью характеристики его для пассажиров. Как изменится эта модель, если цель – характеристика самолета как технического устройства?
9. Составьте информационные модели объекта «арбуз» для разных целей: нарисовать рисунок, выбрать самый вкусный, вырастить?
10. Можно ли один объект описать с помощью разных информационных моделей? Если да, то чем они будут отличаться?
1. Приведите примеры пространственных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать пространственные отношения?
2. Приведите примеры временных отношений между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать временные отношения?
3. Приведите примеры отношений части и целого между объектами. Какими сравнительными характеристиками можно описать отношения части и целого?
4. Составьте таблицу отношений однотипных объектов «товары».
5. Какая связь существует между лампой и электрической розеткой? В чем она проявляется?
6. Какая связь существует между водопроводным краном и водой, протекающей по трубе? В чем она проявляется?
7. Когда два человека беседуют, существует ли связь между ними? Почему?
8. Приведите примеры географических связей.
9. Когда объект можно назвать системой? Приведите примеры систем.
10. Можно ли назвать объект «ножницы» системой? Обоснуйте свой ответ.
11. Из каких объектов состоит, система «очки»? Как связаны между собой эти объекты?
12. Придумайте системы, которые можно построить из объектов «доски», «гвозди»?
13. Назовите характеристики системы в целом и ее составляющих (свойства, действия) для объектов «стол»; «класс учащихся».
14. Составьте информационные модели систем «классная комната»; «садовый участок».
(экзистенциональная философия
Серен Кьеркегор (1813-1855) «Страх и трепет», чувство страха
Карл Ясперс (1883-1969) «Истоки истории и ее цель»,
Мартин Хайдеггер (1889-1976) «Бытие и время», индивидуальное простраство-время,
Ж-П. Сартр (1905-1980) «Бытие и ничто», проблема выбора,
Альберт Камю (1913-1960) «Бунтующий человек», проблема смысла жизни.)
Экзистенциализм – направление философии, главным предметом изучения которого стал человек, его проблемы, трудности существования в окружающем мире .
Экзистенциализм как направление философии начал зарождаться еще в середине XX в., а в 20-е – 70-е годы XX в. приобрел актуальность и стал одним из популярных философских направлений в Западной Европе.
Актуализации и расцвету экзистенциализма в 20-е - 70-е гг. XX в. способствовали следующие причины :
1. нравственные, экономические и политические кризисы , охватывавшие человечество перед первой мировой войной, во время первой и второй мировых войн и между ними;
2. бурный рост науки и техники и использование технических достижений во вред человеку (совершенствование военной техники, автоматы, пулеметы, мины, бомбы, применение отравляющих веществ в ходе боевых действий и т. д.);
3. опасность гибели человечества (изобретение и применение ядерного оружия, приближающаяся экологическая катастрофа);
4. усиление жестокости , бесчеловечное отношение к человеку (70 миллионов погибших в двух мировых войнах, концлагеря, трудовые лагеря);
5. распространение фашистских и иных тоталитарных режимов , полностью подавляющих человеческую личность;
6. бессилие человека перед природой и перед техногенным обществом.
Экзистенциалистская философия распространилась в ответ на эти явления. Можно выделить следующие проблемы, которым уделяли внимание философы-экзистенциалисты:
1. уникальность человеческой личности , глубина его чувств, переживаний, тревог, надежд, жизни в целом;
2. разительное противоречие между человеческим внутренним миром и окружающей жизнью ;
3. проблема отчуждения человека (общество, государство стали для человека абсолютно чужими, реальностью, которая полностью пренебрегает человеком, подавляет его "Я");
4. проблема одиночества, заброшенности человека (человек одинок в окружающем мире, у него нет "системы координат", где он чувствовал бы себя нужным);
5. проблема бессмысленности жизни ;
6. проблема внутреннего выбора ;
7. проблема поиска человеком своего как внутреннего "Я", так и внешнего - места в жизни .
Основателем экзистенциализма считается датский философ Серен Кьеркегор (1813 - 1855).
Он поставил вопрос: почему философия занимается таким большим количеством всевозможных вопросов – сущностью бытия, материей, Богом, духом, пределами и механизмами познания – и почти не уделяет внимания человеку , более того, растворяет конкретного человека с его внутренним миром, переживаниями во всеобщих, абстрактных, как правило, не интересующих его и не касающихся его насущной жизни вопросах?
Кьеркегор считал, что философия должна повернуться к человеку, к его маленьким проблемам, помочь ему найти истину, понятную ему , ради которой он мог бы жить, помочь человеку сделать внутренний выбор и осознать свое "Я" .
1. Существование (existentia, лат. существование) в экзистенциализме обозначает всегда именно человеческое существование . Стол существованием не обладает.
«Существование предшествует сущности».
2. Экзистенция – наша душа, наш внутренний мир.
Экзистенция – проявляет себя в чувствах, переживаниях, эмоциях.
Экзистенция – специфически человеческий способ существовать в мире.
Человек есть несовпадение с самим собой , присутствие с собой и с миром; он – не некая "устойчивая субстанция", а "беспрерывная неустойчивость" , "отрыв всем телом от себя", постоянное выступание вовне, в мир.
Человек должен постоянно делать себя человеком, его бытие есть постоянная постановка себя под вопрос, и он "должен быть тем, что он есть", а не "просто быть".
Подлинная экзистенция – это быть человеческой личностью .
Экзистенциализм или философия человеческого существования. Центральные понятия (категории) этой философии, это понятия :
Страх, смерть, свобода и выбор, вина и любовь (всего шесть понятий).