Кіріспе
Модельдерді құратын ғылыми қызмет. Ғылыми модельдеу – бұл эмпирикалық объектілерді, құбылыстарды және физикалық процестерді бейнелейтін, әлемнің белгілі бір бөлігін немесе ерекшелігін түсінуді, анықтауды, сандық өлшеуді, визуализациялауды немесе модельдеуді жеңілдетуге арналған модельдерді құратын қызмет. Ол нақты әлемдегі жағдайдың маңызды аспектілерін таңдап, анықтауды, содан кейін осы ерекшеліктері бар жүйені қайта жасайтын модельді әзірлеуді қажет етеді. Модельдердің түрлері әртүрлі мақсаттарға қолданылуы мүмкін, мысалы, тақырыпты жақсырақ түсіну үшін түсіндірмелік модельдер, операциялық модельдер, сандық өлшеу үшін математикалық модельдер, модельдеу үшін есептеу модельдері және тақырыпты визуализациялау үшін графикалық модельдер. Модельдеу – көптеген ғылыми салалардың маңызды және ажырамас бөлігі болып табылады, олардың әрқайсысы модельдеудің нақты түрлері туралы өз пікірлеріне ие. Джон фон Нойман былай деді. Сонымен қатар, ғылым білімі, ғылым философиясы, жүйелер теориясы және білімді визуализациялау сияқты салаларда ғылыми модельдеуге қызығушылық артып келеді. Әртүрлі мамандандырылған ғылыми модельдеудің әдістері, техникалары және метатеориясы жинақталып келеді.
Scientific modelling is an activity that produces models representing empirical objects, phenomena, and physical processes, to make a particular part or feature of the world easier to understand, define, quantify, visualize, or simulate. It requires selecting and identifying relevant aspects of a situation in the real world and then developing a model to replicate a system with those features. Different types of models may be used for different purposes, such as conceptual models to better understand, operational models to operationalize, mathematical models to quantify, computational models to simulate, and graphical models to visualize the subject. Modelling is an essential and inseparable part of many scientific disciplines, each of which has its own ideas about specific types of modelling. The following was said by John von Neumann. There is also an increasing attention to scientific modelling in fields such as science education, philosophy of science, systems theory, and knowledge visualization. There is a growing collection of methods, techniques and meta theory about all kinds of specialized scientific modelling.
Шолу
Ғылыми модель эмпирикалық объектілерді, құбылыстарды және физикалық процестерді логикалық және объективті түрде бейнелеуге ұмтылады. Барлық модельдер – шындықтың қарапайым көшірмелері, яғни симулякра, олар шамамен болғанымен, өте пайдалы болуы мүмкін. Модельдерді құру және оларды сынау ғылыми ізденістің негізгі бөлігі болып табылады. Толық және нақты бейнелеу мүмкін болмаса да, ғылыми пікірталастар көбінесе нақты бір міндет үшін қай модель жақсырақ екеніне, мысалы, маусымдық болжамдар үшін қай климаттық модель дәлірек екеніне қатысты болады. Эмпирикалық ғылымдардың қағидаларын формалдау үшін, логиктер логика қағидаларын аксиомаға айналдырғандай, шындықты модельдеу үшін интерпретация қолданылады. Мұндай әрекеттердің мақсаты – нақтылыққа қайшы келетін теориялық салдарларды тудырмайтын формалды жүйені құру. Мұндай формалды жүйеден шығарылған болжамдар немесе басқа да мәлімдемелер, осы ғылыми модельдер шындыққа сәйкес болған жағдайда ғана, нақты әлемді шағылыстырады немесе карталайды. Ғалым үшін модель – адамның ойлау процестерін күшейтудің бір жолы. Мысалы, бағдарламалық құралдарда жасалған модельдер ғалымдарға есептеу қуатын пайдаланып, бейнеленген нысан, құбылыс немесе процесс туралы симуляция жасауға, визуализациялауға, өзгертуге және түйсік алуға мүмкіндік береді. Мұндай компьютерлік модельдер in silico деп аталады. Ғылыми модельдердің басқа түрлері – in vivo (тірі модельдер, мысалы, зертханалық егеуқұйрықтар) және in vitro (лабораториялық ыдыстардағы, мысалы, тіндерді өсіру).
Модельдеу тікелей өлшеу мен тәжірибе жүргізудің орнына
Модельдер әдетте ғалымдар нәтижелерді тікелей өлшейтін тәжірибелік жағдайларды жасау мүмкін болмаған немесе практикалық тұрғыдан қиын болған кезде қолданылады. Бақыланатын жағдайларда нәтижелерді тікелей өлшеу (Ғылыми әдіс қараңыз) нәтижелердің модельдеу арқылы бағалануынан әрқашан сенімді болады. Модельдеу және симуляция аясында модель – физикалық, құқықтық және танымдық шектеулермен қалыптасқан шындық туралы түсініктердің мақсатқа бағытталған, ыңғайластырылған және абстракцияланған нұсқасы. Модель мақсатқа бағытталған, себебі ол белгілі бір сұрақ немесе міндетті шешу үшін жасалады. Ыңғайластырулар міндет үшін маңызды емес барлық белгілі және байқалатын объектілер мен олардың арақатынастарын ескермейді. Ал абстракция қызығушылық тудыратын объекті сияқты толық емес, бірақ маңызды ақпаратты біріктіреді. Екі процесс – Ыңғайластыру және абстракция мақсатты түрде жүзеге асырылады. Дегенмен, олар шындық туралы түсінік негізінде жасалады. Бұл түсінік өзі де модель болып табылады, себебі ол физикалық шектеулермен бірге келеді. Сонымен қатар, қазіргі құралдар мен әдістерімізбен заңды түрде байқауға болатын нәрселерге де шектеулер бар, және қазіргі теорияларымызбен түсіндіре алатынымызды шектейтін танымдық шектеулер де бар. Бұл модель ұғымдарды, олардың мінез-құлқы мен қарым-қатынастарын бейресми түрде қамтиды және көбінесе тұжырымдамалық модель деп аталады. Модельді іске асыру үшін оны компьютерлік симуляция ретінде жүзеге асыру қажет. Бұл сандық жуықтаулар немесе эвристика қолдану сияқты қосымша таңдауларды қажет етеді. Осы эпистемологиялық және есептеулік шектеулерге қарамастан, симуляция ғылыми әдістердің үшінші тірегі ретінде мойындалды: теория құру, симуляция және эксперименттер.
Эмоция
Модельдеу – модельді іске асырудың тәсілі, көбінесе модель аналитикалық шешімге қолдану үшін тым күрделі болған жағдайда пайдаланылады. Тұрақты күйдегі модельдеу жүйенің белгілі бір сәттегі жай-күйі туралы ақпаратты береді (әдетте, егер мұндай күй болса, тепе-теңдікте). Динамикалық модельдеу уақыт өте қалай өзгеретіні туралы ақпаратты ұсынады. Модельдеу нақты бір объектінің немесе құбылыстың қалай өтетінін көрсетеді. Мұндай модельдеу нақты әлемдегі жүйелер мен түсініктерді модельдер арқылы бейнелеуге болатын жағдайларда сынақ жүргізуге, талдау жасауға немесе оқытуға пайдалы болуы мүмкін.
Құрылымы
Құрылым – бұл нысандардың үлгілері мен байланыстарын тану, байқау, олардың мәні мен тұрақтылығын қамтитын маңызды және кейде көзге көрінбейтін ұғым. Баланың қар ұйыршығын ауызша сипаттауынан бастап, магниттік өрістердің қасиеттерін толыққанды ғылыми талдауға дейін, құрылым түсінігі ғылым, философия және өнердегі барлық зерттеулер мен жаңалықтардың аса маңызды негізі болып табылады.
Жүйелер
Жүйе – өзара әрекеттесетін немесе өзара тәуелді, нақты немесе абстрактілі бірліктердің жиынтығы, біртұтас бүтінді құрайтын. Жалпы алғанда, жүйе – әр түрлі элементтерден тұратын құрылым немесе жиын, олар бірлесіп, жеке алғанда қол жеткізе алмайтын нәтижелерді шығарады. "Біртұтас бүтіндік" ұғымын жүйе ретінде де түсіндіруге болады, ол элементтер жиынының басқа элементтермен арақатынасынан ерекшеленетін және жиынның бір элементі мен қатынас режимінің бөлігі емес элементтер арасындағы қатынастарды құрайтын қатынастар жиынтығын қамтиды. Жүйелік модельдердің екі түрі бар: 1) дискретті, онда айнымалылар уақыт бойынша бөлек нүктелерде дереу өзгереді және 2) үздіксіз, онда күй айнымалылары уақытқа қатысты үздіксіз өзгереді.
Үлгі құру
Модельдеу – белгілі бір құбылыстың тұжырымдамалық бейнесі ретінде модельді жасау процесі. Әдетте модель, қарастырылып отырған құбылыстың барлық емес, тек кейбір аспектілерін ғана қамтиды, ал бір құбылыстың екі моделі түбірінен бөлек болуы мүмкін – яғни, олардың арасындағы айырмашылықтар компоненттердің жай ғана атауын өзгертуден артық. Мұндай айырмашылықтар модельдің соңғы пайдаланушыларының әртүрлі талаптарынан, модельдеушілердің тұжырымдық немесе эстетикалық пікірлердің айырмашылығынан, сондай-ақ модельдеу процесінде қабылданған жағдайға байланысты шешімдерден туындауы мүмкін. Модельдің құрылымына модельдеушінің шектеулі онтологияны қалауы, статистикалық модельдерге қарсы детерминистік модельдерді ұнататыны, дискретті уақытқа қарсы үздіксіз уақытты таңдауы сияқты факторлар әсер етуі мүмкін. Қандай жағдайда болсын, модельді пайдаланушылар оның белгілі бір қолдану үшін жарамдылығына қатысты жасалған негізгі болжамдарды түсінуі керек. Модельді құру абстракцияны қажет етеді. Модельдің қолданылу аймағын нақтылау үшін модельдеуде болжамдар қолданылады. Мысалы, арнайы салыстырмалылық теориясы инерциялық ережелі жүйені қабылдайды. Бұл болжам жалпы салыстырмалылық теориясымен кеңейтіліп, түсіндірілді. Модель, оның болжамдары орындалғанда ғана дұрыс болжамдар жасайды, ал болжамдары орындалмағанда қате болжамдар жасауы мүмкін. Осындай болжамдар көбінесе ескі теориялардың жаңа теориялармен алмастырылуына себеп болады (жалпы салыстырмалылық теориясы инерциялық емес ережелі жүйелерде де жұмыс істейді).
Көрнекілендіру
Визуализация – бұл хабарды жеткізу үшін кескіндер, диаграммалар немесе анимация құрудың кез келген тәсілі. Адамзат тарихының басынан бері, көрінетін бейнелер арқылы визуализация абстрактілі де, нақты да идеяларды жеткізудің тиімді жолы болған. Тарихтағы мысалдарға үңгір суреттері, египеттік иероглифтер, грек геометриясы және Леонардо да Винчидің инженерлік және ғылыми мақсаттар үшін техникалық сурет салудың революциялық әдістері кіреді.
Ғарыш картасы
Ғарыш картасы – әр түрлі күрделіліктегі "қалың" (идеалдық немесе төмен дәлдікті) және "жақсы" (практикалық немесе жоғары дәлдікті) модельдерді байланыстыратын "шамалы жаһандық" модельдеу түрі қолданатын әдістеме. Инженерлік оңтайландыруда ғарыш картасы өте жылдам қалың модельді оның байланысты, есептеуге қымбат жақсы модельімен сәйкестендіріп (карталап), жақсы модельді тікелей, қымбат бағамен оңтайландырудан аулақ болады. Сәйкестендіру процесі "карталанған" қалың модельді (сурогат модель) қайталап жетілдіреді.
Модельдеу және симуляция
Ғылыми модельдеутің бір қолданысы – модельдеу және симуляция саласы, көбінесе "M&S" деп аталады. M&S қолданыс спектрі тұжырымдаманы әзірлеу және талдаудан бастап, тәжірибелер жүргізу, өлшемдер алу және растауға дейін, сондай-ақ пайдадан шығару талдауын қамтиды. Жобалар мен бағдарламалар жүздеген түрлі симуляцияларды, симуляторларды және модельді талдау құралдарын қолдануы мүмкін. Суретте қорғаныс қабілетін дамыту процесіндегі интеграцияланған бағдарламаның маңызды бөлігі ретінде модельдеу мен симуляцияның қалай пайдаланылатыны көрсетілген.