Теоретические сведения.
Компьютерное моделирование – метод решения задач анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели.
Под термином “компьютерная модель”, чаще всего понимают:
• Условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т.д. и отображающих структуру и взаимосвязи между элементами объекта. Компьютерные модели такого вида мы будем называть структурно-функциональными;
• Отдельную программу (совокупность программ, программный комплекс) позволяющий с помощью последовательности вычислений и графического отображения их результатов, воспроизводить (имитировать) процессы функционирования объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных, как правило, случайных факторов. Такие модели мы будем называть имитационными.
Рассмотрим группы средств моделирования.
1) Визуальное моделирование позволяет представить объект исследования в виде двумерного или трехмерного изображения на компьютере. Для работы с графическими изображениями используются разнообразные программные средства, например, графические редакторы для работы с растровой и векторной графикой: Paint, AdobePhotoshop, AdobeIllustrator, CorelPhotoPaint, Corel DRAW, CorelPainter; программы-аниматоры (MacromediaFlash, AnimatorPro, PowerAnimator, Animo, AnimationWorksInteracive, 3D Studio, PowerAnimator, Truespace, Prisms, Three-D, RenderMan, CrystalTopas) позволяют вводить для изображений некоторые элементы движения. Кроме растровой, векторной и анимационной графики существует фрактальная и трехмерная графика. Во фрактальной графике формирование изображения основано на математических формулах, описывающих те или иные фигуры, поверхности, тела. Программные средства для работы с фрактальной графикой основаны на автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Трехмерная графика широко используется для визуального представления научных гипотез и расчетов. Программы для двумерного и трехмерного моделирования (AutoCAD, Sketch!,RayDreamDesigner, Crystal 3D Designer, AutoStudio и др.) применяются для дизайнерских и инженерных разработок. Программы визуализации (Surfer, Grafer, IRIS Explorer, PV-Wave, Khronos, DataVisualizer, MapViewer и др.) могут быть предназначены для различных целей - от решения простейших задач проектирования до визуализации сложных процессов и явлений.
Для представления движущихся образов используют видеоизображения, которые можно обрабатывать с помощью компьютера. Для работы с видеоизображениями требуются определенные аппаратные и программные средства.
Классификация компьютерных средств визуального моделирования:
Средства визуального моделирования:
· Аппаратные, программные средства и технологии работы с компьютерной графикой
· Аппаратные, программные средства и технологии работы с видеоизображениями и звуком
· Аппаратные, программные средства и технологии создания виртуальной реальности
2) «...Текст является своеобразной моделью, способной содержать, хранить и передавать смысл, информацию. То есть текст можно назвать информационной моделью. С помощью программных средств удобно работать с вербальными моделями. Существует разнообразные программы для работы с текстовыми документами: MicrosoftWord, WordPerfect, WordStar, WordPad и др.
Издательские системы используются для подготовки рекламных буклетов, оформления журналов и книг.
3) Реализация математических моделей требует решения различных математических задач. Для этого сначала использовались программируемые микрокалькуляторы, затем программы для реализации на компьютерах.
Среди них наибольшую популярность имели Eureka, Gause, Mercury, MathCAD, Derive, Mathematica, Maple, MATLAB и др. Отличительной особенностью таких систем является наличие среды общения с компьютером, близкой к естественному языку. В настоящее время широко используются новые версии этих программных систем и на их основе создаются расчетно-информационные комплексы для профессиональной деятельности.
Благодаря сетевым технологиям на основе вычислительных пакетов могут создаваться виртуальные лаборатории. Примером может служить виртуальная лаборатория «Математическое и компьютерное моделирование», являющаяся комплексом программ, предоставляющих пользователям для исследования целый набор классических математических моделей физики, химии, биологии, и основанная на пакете MATLAB. Для работы с лабораторией не требуется, чтобы пакет MATLAB был установлен на компьютере: лаборатория работает в дистанционном режиме, используя MATLAB Web-Server. При этом достаточно иметь доступ к компьютеру, подключенному к сети Интернет.
Классификация средств компьютерного математического моделирования:
· Средства математического моделирования
· Микрокалькуляторы
· Языки и системы программирования
· Пакеты программ для математических расчетов
· Программы для аналитических преобразований
· Расчетно-информационные комплексы. Виртуальные лаборатории
4) Классификация компьютерных систем моделирования:
а) Системы имитационного моделирования
б) Пакеты визуального моделирования
в) Системы
г) Табличные процессоры моделирования
д) Информационные системы
е) Презентационные пакеты
Интеллектуальные системы включают информационные системы, поддерживающие диалог с пользователем на естественном языке. К ним относят: экспертные системы (MYCIN, DENDRAL, PROSPECTOR, CADUCEUS, R1 и др.), позволяющие давать рекомендации пользователю в различных ситуациях; интеллектуальные пакеты прикладных программ, позволяющие решать прикладные задачи без программирования.
5) Система программирования - комплекс инструментальных программных средств, предназначенных для работы с программами на одном из языков программирования. Система программирования позволяет пользователю вводить программы в компьютер, редактировать, отлаживать, тестировать, исполнять программы (QuickBasic;; VisualBasic, Паскаль, Delphi и др.).
Языки и системы программирования являются и средством компьютерного моделирования и инструментом создания средств компьютерного моделирования. В последние годы специалисты пытаются реализовать идею метапрограммирования, которая состоит в замене кодирования моделированием. Переход от программирования к метапрограммированию должен упростить разработку программных систем, повысить их качество и превратить, наконец, процесс программирования из искусства в технологию. Шагом к реализации такого подхода является среда моделирования BLU AGE 2009.
Знание классификации средств моделирования позволит эффективно использовать средства моделирования в профессиональной деятельности.
Практическое задание: подобрать 2-3 программы для компьютерного моделирования, применимые к вашей профессии.