Введение

Теоретическая основа
Термин «концептуальная модель» относится к любой модели, сформированной в результате концептуализации или обобщения. Концептуальные модели часто являются абстракциями объектов реального мира, будь то физические или социальные. Семантические исследования актуальны на различных этапах формирования концептов. Семантика по своей сути – это изучение концептов, значения, которое мыслящие существа придают различным элементам своего опыта.

Концептуальные модели и концептуальные модели

Ценность концептуальной модели обычно прямо пропорциональна степени её соответствия прошлому, настоящему, будущему, фактическому или потенциальному состоянию дел. Концептуальная модель (модель концепта) существенно отличается, поскольку для того, чтобы быть хорошей моделью, ей необязательно иметь такое соответствие реальному миру. В искусственном интеллекте концептуальные модели и концептуальные графы используются для создания экспертных систем и систем, основанных на знаниях; здесь аналитики стремятся отразить мнение экспертов о том, что истинно, а не собственные представления об этом.

Тип и объем концептуальных моделей

Концептуальные модели варьируются по типу от более конкретных, таких как ментальный образ знакомого физического объекта, до формальной обобщенности и абстрактности математических моделей, которые не воспринимаются разумом как образ. Концептуальные модели также различаются по масштабу охватываемой предметной области, которую они призваны представлять. Модель может, например, представлять отдельный объект (например, Статую Свободы), целые классы объектов (например, электрон) и даже очень обширные области знаний, такие как физическая вселенная. Разнообразие и масштаб концептуальных моделей обусловлены разнообразием целей, которые преследуют люди, использующие их. Концептуальное моделирование – это деятельность по формальному описанию определенных аспектов физического и социального мира вокруг нас с целью понимания и коммуникации.

Методы моделирования

Многочисленные методы могут быть применены в различных областях для повышения понимания пользователем системы, подлежащей моделированию. Некоторые из этих методов кратко описаны ниже, однако существует и разрабатывается гораздо больше. К наиболее распространенным методам и техникам концептуального моделирования относятся: моделирование рабочих процессов, моделирование рабочей силы, быстрая разработка приложений, ролевое моделирование объектов и унифицированный язык моделирования (UML).

Моделирование потоков данных

Моделирование потоков данных (DFM) — это базовый метод концептуального моделирования, графически представляющий элементы системы. DFM — достаточно простой метод, однако, как и многие методы концептуального моделирования, позволяет создавать диаграммы разного уровня детализации. Диаграмма потоков данных обычно не отражает сложные детали системы, такие как аспекты параллельной разработки или временные характеристики, а служит для выявления и контекстуализации основных функций системы. Моделирование потоков данных является ключевым методом, используемым при разработке систем в рамках методологии структурированного анализа и проектирования систем (SSADM).

Моделирование отношений между субъектами

Моделирование «сущность-связь» (ERM) — это концептуальная техника моделирования, используемая главным образом для представления программных систем. Диаграммы «сущность-связь», являющиеся результатом применения техники ERM, обычно используются для представления моделей баз данных и информационных систем. Основными компонентами диаграммы являются сущности и связи. Сущности могут представлять независимые функции, объекты или события. Связи отвечают за установление взаимосвязей между сущностями. Для формирования системного процесса связи объединяются с сущностями и любыми атрибутами, необходимыми для более детального описания процесса. Существует несколько соглашений о построении диаграмм для этой техники, например IDEF1X, Bachman и EXPRESS. Эти соглашения — это лишь различные способы представления и организации данных для отображения различных аспектов системы.

Цепочка процессов, обусловленных событиями

Цепочка процессов, управляемая событиями (EPC), — это методика концептуального моделирования, которая в основном используется для систематической оптимизации бизнес-процессов. Как и большинство методик концептуального моделирования, EPC состоит из сущностей/элементов и функций, позволяющих устанавливать и обрабатывать взаимосвязи. В частности, EPC строится на основе событий, которые определяют состояние процесса или правила его функционирования. Для перехода между событиями необходимо выполнить функцию/активное событие. В зависимости от логики процесса, функция может изменять состояния событий или связываться с другими цепочками процессов, управляемыми событиями. В EPC также существуют другие элементы, которые в совокупности определяют, как и по каким правилам работает система. Методика EPC может применяться в различных областях бизнеса, таких как планирование ресурсов, совершенствование процессов и логистика.

Совместная разработка заявки

Метод динамической разработки систем использует специальный процесс под названием JEFFF для концептуального моделирования жизненного цикла системы. JEFFF призван сосредоточиться на высокоуровневом планировании разработки, предшествующем инициализации проекта. Процесс JAD предполагает проведение серии семинаров, в ходе которых участники совместно выявляют, определяют и в целом разрабатывают план успешного проекта от идеи до реализации. Этот метод оказался неэффективным для крупномасштабных приложений, однако в случае небольших приложений обычно наблюдается некоторая общая выгода в плане эффективности.

Место/переходная сеть

Также известная как сети Петри, эта концептуальная техника моделирования позволяет создать систему из элементов, которые можно описать строгими математическими методами. Сеть Петри, благодаря своим недетерминированным свойствам исполнения и чётко определённой математической теории, является полезным инструментом для моделирования поведения конкурентных систем, то есть одновременного выполнения процессов.

Моделирование перехода от одного состояния к другому

Моделирование переходов состояний использует диаграммы переходов состояний для описания поведения системы. Эти диаграммы используют различные состояния для определения поведения и изменений системы. Большинство современных инструментов моделирования предоставляют возможности для представления моделей переходов состояний. Применение моделей переходов состояний наиболее узнаваемо в виде логических диаграмм состояний и ориентированных графов для конечных автоматов.

Оценка и выбор техники

Поскольку метод концептуального моделирования иногда намеренно может быть расплывчатым, чтобы охватить широкую область применения, практическое применение концептуального моделирования может оказаться затруднительным. Чтобы смягчить эту проблему и прояснить, что следует учитывать при выборе подходящей концептуальной техники моделирования, в дальнейшем тексте будет рассмотрена структура, предложенная Gemino и Wand. Однако, прежде чем оценивать эффективность концептуальной техники моделирования для конкретного применения, необходимо понять важный аспект: сравнение концептуальных моделей, основанное исключительно на их графическом или верхнеуровневом представлении, является недальновидным. Gemino и Wand справедливо отмечают, что при выборе подходящей техники следует уделять основное внимание концептуальному языку моделирования. Как правило, концептуальная модель разрабатывается с использованием той или иной концептуальной техники моделирования. Эта техника, в свою очередь, использует концептуальный язык моделирования, который определяет правила построения модели. Понимание возможностей конкретного используемого языка необходимо для правильной оценки концептуальной техники моделирования, поскольку язык отражает ее описательные возможности. Кроме того, концептуальный язык моделирования напрямую влияет на степень детализации, с которой система может быть представлена, будь то сложная или простая система.

Рассмотрение факторов, влияющих

Основываясь на некоторых своих предыдущих работах, Gemino и Wand выделяют основные моменты, которые необходимо учитывать при изучении влияющих факторов: содержание, которое должна отражать концептуальная модель, способ представления модели, характеристики пользователей модели и конкретная задача, для которой используются концептуальные языки модели. Однако, ментальная модель может также относиться к нефизической внешней модели самого сознания.

Метафизические модели

Метафизическая модель – это тип концептуальной модели, отличающийся от других концептуальных моделей своим охватом; метафизическая модель стремится представить реальность в максимально широком смысле. То есть она объясняет ответы на фундаментальные вопросы, такие как, является ли материя и сознание одной или двумя субстанциями, или обладают ли люди свободой воли.

Концептуальная модель против семантической модели

Концептуальные и семантические модели имеют много общего, однако отличаются способом представления, уровнем гибкости и областью применения. Концептуальные модели создаются с определенной целью, поэтому ключевые семантические концепции предопределены в так называемой метамодели. Это обеспечивает практичное моделирование, но ограничивает гибкость, поскольку можно использовать только заранее определенные семантические концепции. Примерами служат блок-схемы для описания поведения процессов или организационные структуры в виде деревьев. Семантические модели более гибкие и открытые, и поэтому их сложнее создавать. Потенциально можно определить любую семантическую концепцию, поэтому инструменты моделирования обычно очень универсальны. Примерами являются терминологии, таксономии или онтологии. В концептуальной модели каждое понятие имеет уникальное и различимое графическое представление, в то время как семантические понятия по умолчанию идентичны. В концептуальной модели каждое понятие имеет предопределенные свойства, которые можно заполнить, а семантические понятия связаны с другими понятиями, которые интерпретируются как свойства. В концептуальной модели можно встроить операционную семантику, например, обработку последовательности, тогда как для семантической модели требуется явное семантическое определение последовательности. Выбор между концептуальной и семантической моделью зависит от "исследуемого объекта", поставленной цели, необходимой гибкости и способа интерпретации модели. Если модель предназначена для интерпретации человеком, предпочтение может быть отдано графическим концептуальным моделям, а если для машинной интерпретации – семантическим моделям.

Эпистемологические модели

Эпистемологическая модель – это тип концептуальной модели, область применения которой охватывает известное и познаваемое, а также то, во что верят и что кажется правдоподобным.

Логические модели

В логике модель — это тип интерпретации, при которой конкретное высказывание истинно. Логические модели можно широко разделить на те, которые стремятся лишь представлять понятия, такие как математические модели, и те, которые стремятся представлять физические объекты и фактические взаимосвязи, к которым относятся научные модели. Теория моделей изучает (классы) математических структур, таких как группы, поля, графы или даже вселенные теории множеств, с использованием инструментов математической логики. Система, придающая смысл предложениям формального языка, называется моделью для этого языка. Если модель языка, кроме того, удовлетворяет конкретному предложению или теории (множеству предложений), она называется моделью этого предложения или теории. Теория моделей тесно связана с алгеброй и универсальной алгеброй.

Математические модели

Математические модели могут принимать множество форм, включая, но не ограничиваясь ими, динамические системы, статистические модели, дифференциальные уравнения или модели теории игр. Эти и другие типы моделей могут пересекаться, и конкретная модель может включать в себя различные абстрактные структуры. Более комплексный тип математической модели использует лингвистическую версию теории категорий для моделирования конкретной ситуации. Аналогично моделям «сущность-связь», пользовательские категории или эскизы могут быть напрямую преобразованы в схемы баз данных. Отличие состоит в том, что логика заменяется теорией категорий, что позволяет применять мощные теоремы к задаче моделирования, особенно полезные для перевода между различными моделями (как функторы между категориями).

Научные модели

Научная модель — это упрощенное абстрактное представление сложной реальности. Научная модель логически отражает эмпирические объекты, явления и физические процессы. Попытки формализации принципов эмпирических наук используют интерпретацию для моделирования реальности, подобно тому, как логики аксиоматизируют принципы логики. Цель этих попыток — создать формальную систему, не порождающую теоретических следствий, противоречащих наблюдаемой реальности. Прогнозы или другие выводы, полученные из такой формальной системы, соответствуют или отражают реальный мир лишь в той степени, в которой эти научные модели истинны.

Статистические модели

Статистическая модель — это функция распределения вероятностей, предлагаемая для генерации данных. В параметрической модели функция распределения вероятностей имеет изменяемые параметры, такие как среднее значение и дисперсия в нормальном распределении или коэффициенты для различных степеней независимой переменной в линейной регрессии. Непараметрическая модель имеет функцию распределения без параметров, например, при бутстрэп-анализе, и лишь слабо ограничена предположениями. Выбор модели — это статистический метод выбора функции распределения из некоторого класса таких функций; например, в линейной регрессии, где зависимая переменная является полиномом независимой переменной с параметрическими коэффициентами, выбор модели заключается в определении наивысшей степени, и может выполняться непараметрическими методами, такими как перекрёстная проверка. В статистике могут существовать модели как для психических, так и для физических явлений. Например, статистическая модель поведения потребителей — это концептуальная модель (поскольку поведение является физическим явлением), но статистическая модель удовлетворенности потребителей — это модель концепта (поскольку удовлетворенность — это ментальное, а не физическое явление).

Экономические модели

В экономике модель — это теоретическая конструкция, представляющая экономические процессы с помощью набора переменных и набора логических и/или количественных взаимосвязей между ними. Экономическая модель — это упрощенная структура, разработанная для иллюстрации сложных процессов, часто, но не всегда, с использованием математических методов. Экономические модели часто используют структурные параметры. Структурные параметры — это фундаментальные параметры, лежащие в основе модели или класса моделей. Модель может включать различные параметры, и изменение этих параметров позволяет создавать различные характеристики.

Модели в архитектуре систем

Системная модель — это концептуальная модель, описывающая и представляющая структуру, поведение и различные аспекты системы. Системная модель может отображать множество аспектов системы, используя два различных подхода. Первый – неархитектурный, а второй – архитектурный. Неархитектурный подход выбирает отдельную модель для каждого аспекта, в то время как архитектурный подход, также известный как системная архитектура, вместо использования множества разнородных и несвязанных моделей, применяет единую интегрированную архитектурную модель.

Моделирование бизнес-процессов

В моделировании бизнес-процессов модель бизнес-процессов часто называют корпоративной моделью процесса. Процессные модели – ключевые понятия в области проектирования процессов. Процессные модели это:
Группировка процессов сходного типа в единую модель. Описание процесса на уровне типа. Поскольку процессная модель является уровнем типа, процесс представляет собой ее экземпляр. Одна и та же процессная модель может многократно использоваться при разработке множества приложений и, следовательно, имеет множество экземпляров. Одно из возможных применений процессной модели – предписание того, как действия должны/следует/могут быть выполнены, в отличие от самого процесса, который отражает реальное выполнение этих действий. Процессная модель – это, по сути, прогноз того, как будет выглядеть процесс. Окончательное определение процесса происходит в ходе реальной разработки системы.

Концептуальные модели систем человеческой деятельности

Концептуальные модели систем человеческой деятельности используются в методологии мягких систем (SSM) – методе системного анализа, ориентированном на структурирование проблем в области управления. Эти модели являются моделями концепций, и авторы специально подчеркивают, что они не предназначены для отражения реального положения дел в физическом мире. Они также применяются в анализе информационных потребностей (IRA) – разновидности SSM, разработанной для проектирования информационных систем и разработки программного обеспечения.

Логико-лингвистические модели

Логико-лингвистическое моделирование – это еще один вариант SSM, использующий концептуальные модели. Однако данный метод объединяет модели концептов с моделями предполагаемых реальных объектов и событий. Это графическое представление модальной логики, в котором модальные операторы применяются для разграничения высказываний о концепциях и высказываний о реальных объектах и событиях.

Модель отношений между субъектами

В разработке программного обеспечения модель «сущность-связь» (ERM) представляет собой абстрактное и концептуальное представление данных. Моделирование «сущность-связь» – это метод моделирования баз данных, используемый для создания концептуальной схемы или семантической модели данных системы, часто реляционной базы данных, и ее требований, осуществляемый сверху вниз. Диаграммы, создаваемые в этом процессе, называются диаграммами «сущность-связь», ER-диаграммами или ERD. Модели «сущность-связь» широко применяются при создании информационных систем, предназначенных для поддержки деятельности, связанной с объектами и событиями реального мира. В этих случаях они являются концептуальными моделями. Однако этот метод моделирования может быть использован для создания компьютерных игр или генеалогического древа греческих богов, в этих случаях он будет использоваться для моделирования концептов.

Модель домена

Доменная модель — это тип концептуальной модели, используемый для представления структурных элементов и их концептуальных ограничений в интересующей области (иногда называемой проблемной областью). Доменная модель включает в себя различные сущности, их атрибуты и взаимосвязи, а также ограничения, обеспечивающие концептуальную целостность структурных элементов, составляющих эту проблемную область. Доменная модель может также включать в себя ряд концептуальных видов, где каждый вид относится к определенной предметной области домена или к определенному подмножеству доменной модели, представляющему интерес для заинтересованной стороны. Как и модели «сущность-связь», доменные модели могут использоваться для моделирования концепций или для моделирования реальных объектов и событий.