Введение

Научное моделирование – это деятельность, направленная на создание моделей, представляющих эмпирические объекты, явления и физические процессы, с целью упрощения понимания, определения, количественной оценки, визуализации или имитации определенной части или характеристики мира. Оно требует отбора и выявления релевантных аспектов реальной ситуации, а затем разработки модели, воспроизводящей систему с этими характеристиками. Для различных целей могут использоваться различные типы моделей, такие как концептуальные модели для лучшего понимания, операционные модели для практического применения, математические модели для количественного анализа, вычислительные модели для симуляции и графические модели для визуализации исследуемого объекта. Моделирование является существенной и неотделимой частью многих научных дисциплин, каждая из которых имеет собственные представления об определенных типах моделирования. Следующее высказывание принадлежит Джону фон Нейману. Растет также интерес к научному моделированию в таких областях, как научное образование, философия науки, теория систем и визуализация знаний. Накапливается все больше методов, техник и метатеорий, касающихся различных видов специализированного научного моделирования.

Обзор

Научная модель стремится представить эмпирические объекты, явления и физические процессы логически и объективно. Все модели являются симулякрами, то есть упрощенными отражениями реальности, которые, несмотря на то, что являются лишь приближениями, могут быть чрезвычайно полезны. Создание и опровержение моделей – фундаментальный аспект научной деятельности. Полное и достоверное представление может быть недостижимо, однако научные дискуссии часто сводятся к определению наилучшей модели для конкретной задачи, например, к выбору наиболее точной климатической модели для сезонного прогнозирования. Попытки формализации принципов эмпирических наук используют интерпретацию для моделирования реальности, подобно тому, как логики аксиоматизируют принципы логики. Цель этих попыток – построить формальную систему, которая не будет генерировать теоретические следствия, противоречащие наблюдаемой реальности. Прогнозы или другие утверждения, вытекающие из такой формальной системы, отражают или соответствуют реальному миру лишь в той степени, в какой эти научные модели соответствуют действительности. Для учёного модель также является способом усиления когнитивных процессов. Например, модели, реализованные в программном обеспечении, позволяют учёным использовать вычислительные ресурсы для моделирования, визуализации, манипулирования и развития интуиции в отношении представляемой сущности, явления или процесса. Такие компьютерные модели называются in silico. Другие типы научных моделей – in vivo (живые модели, такие как лабораторные крысы) и in vitro (в лабораторных условиях, например, культура тканей).

Моделирование как замена прямому измерению и экспериментам

Модели обычно используются, когда создание экспериментальных условий для непосредственного измерения результатов невозможно или нецелесообразно. Непосредственное измерение результатов в контролируемых условиях (см. Научный метод) всегда будет более надежным, чем модельные оценки результатов. В моделировании модель представляет собой целенаправленное упрощение и абстракцию представления реальности, обусловленное физическими, правовыми и когнитивными ограничениями. Она целенаправленна, поскольку создается с учетом конкретного вопроса или задачи. Упрощение исключает все известные и наблюдаемые сущности и их связи, не имеющие значения для решения задачи. Абстракция объединяет информацию, важную для задачи, но не требующую такой же детализации, как объект исследования. Оба процесса – упрощение и абстракция – выполняются осознанно. Однако они основаны на представлении о реальности, которое само по себе является моделью, поскольку ограничено физическими возможностями. Существуют также правовые ограничения на то, что мы можем наблюдать с помощью существующих инструментов и методов, и когнитивные ограничения, которые ограничивают наши возможности объяснять явления с помощью существующих теорий. Эта модель включает в себя понятия, их поведение и взаимосвязи в неформальном виде и часто называется концептуальной моделью. Для реализации модели необходимо ее представление в виде компьютерной симуляции, что требует дополнительных решений, таких как численные приближения или использование эвристических методов. Несмотря на все эти эпистемологические и вычислительные ограничения, моделирование признано третьим столпом научных методов: построение теории, моделирование и эксперимент.

Симуляция

Моделирование – это способ реализации модели, часто применяемый, когда модель слишком сложна для аналитического решения. Моделирование стационарного состояния предоставляет информацию о системе в конкретный момент времени (обычно в состоянии равновесия, если такое состояние существует). Динамическое моделирование предоставляет информацию об изменениях во времени. Моделирование показывает, как будет вести себя тот или иной объект или явление. Такое моделирование может быть полезно для тестирования, анализа или обучения в ситуациях, когда реальные системы или концепции могут быть представлены моделями.

Структура

Структура – это фундаментальное и порой неуловимое понятие, включающее в себя распознавание, наблюдение, природу и устойчивость закономерностей и взаимосвязей между объектами. От словесного описания снежинки ребенком до детального научного анализа свойств магнитных полей, концепция структуры является важнейшей основой практически любого способа познания и открытия в науке, философии и искусстве.

Системы

Система — это совокупность взаимодействующих или взаимозависимых сущностей, реальных или абстрактных, формирующих единое целое. В общем случае, система — это конструкция или набор различных элементов, которые, действуя совместно, способны давать результаты, недостижимые каждым элементом по отдельности. Понятие «единого целого» также можно выразить через систему, воплощающую набор отношений, отличных от отношений этого набора к другим элементам, и формирующих связи между элементом набора и элементами, не входящими в состав этой системы отношений. Существуют два типа системных моделей: 1) дискретные, в которых переменные изменяются мгновенно в отдельные моменты времени, и 2) непрерывные, где переменные состояния изменяются непрерывно во времени.

Создание модели

Моделирование — это процесс создания модели как концептуального представления некоторого явления. Как правило, модель рассматривает лишь некоторые аспекты рассматриваемого явления, и две модели одного и того же явления могут существенно различаться — то есть различия между ними заключаются не просто в переименовании компонентов. Эти различия могут быть обусловлены различными требованиями конечных пользователей модели, концептуальными или эстетическими различиями между разработчиками модели, а также ситуативными решениями, принятыми в процессе моделирования. На структуру модели могут влиять такие факторы, как предпочтение разработчика упрощенной онтологии, выбор между статистическими и детерминированными моделями, дискретным и непрерывным временем и т. д. В любом случае, пользователям модели необходимо понимать лежащие в ее основе предположения, имеющие значение для ее применимости в конкретной ситуации. Построение модели требует абстракции. Предположения используются в моделировании для определения области применения модели. Например, специальная теория относительности опирается на предположение об инерциальной системе отсчета. Это предположение было конкретизировано и далее развито общей теорией относительности. Модель дает точные прогнозы, когда ее предположения верны, и может давать неточные прогнозы, когда эти предположения не выполняются. Именно эти предположения часто становятся причиной смены старых теорий новыми (общая теория относительности применима и к неинерциальным системам отсчета).

Визуализация

Визуализация – это любая техника создания изображений, диаграмм или анимаций для передачи информации. Визуализация посредством визуальных образов была эффективным способом коммуникации как абстрактных, так и конкретных идей с незапамятных времен. Примеры из истории включают наскальные рисунки, египетские иероглифы, греческую геометрию и революционные методы технического черчения Леонардо да Винчи для инженерных и научных целей.

Картография пространства

Пространственное отображение — это методология, использующая "квазиглобальную" формулировку моделирования для связи сопутствующих "грубых" (идеальных или низкой достоверности) и "точных" (практических или высокой достоверности) моделей различной сложности. В инженерной оптимизации пространственное отображение сопоставляет (картирует) очень быструю грубую модель с соответствующей дорогостоящей в вычислительном плане точной моделью, чтобы избежать прямой и дорогостоящей оптимизации точной модели. Процесс сопоставления итеративно уточняет "отображенную" грубую модель (суррогатную модель).

Моделирование и моделирование

Одним из применений научного моделирования является область моделирования и имитационного моделирования, обычно называемая "M&S". M&S имеет широкий спектр применений, охватывающий этапы от разработки концепции и анализа, через проведение экспериментов, измерений и верификацию, до анализа вывода из эксплуатации. В проектах и программах могут использоваться сотни различных симуляций, симуляторов и инструментов анализа моделей. На рисунке показано, как моделирование и имитационное моделирование используется как центральный элемент интегрированной программы в процессе разработки оборонных возможностей.