книги / Моделирование систем

но с совершенствованием средств вычислительной техники и тех­ ники связи. Перспективным направлением является создание для целей моделирования иерархических многомашинных вычислитель­ ных систем и сетей [2, 7, 12, 25, 41].

При создании больших систем их компоненты разрабатываются различными коллективами, которые используют средства модели­ рования при анализе и синтезе отдельных подсистем. При этом разработчикам необходимы оперативный доступ к программно­ техническим средствам моделирования, а также оперативный обмен результатами моделирования отдельных взаимодействующих под­ систем. Таким образом, появляется необходимость в создании диа­ логовых систем моделирования, для которых характерны следу­ ющие особенности: возможность одновременной работы многих пользователей, занятых разработкой одной или нескольких систем, доступ пользователей к программно-техническим ресурсам системы моделирования, включая, базы данных и знаний, пакеты приклад­ ных программ моделирования, обеспечение диалогового режима работы с различными вычислительными машинами и устройства­ ми, включая цифровые и аналоговые вычислительные машины, установки натурного и физического моделирования, элементы ре­ альных систем и т. п., диспетчирование работ в системе моделирова­ ния и оказание различных услуг пользователям, включая обучение работе с диалоговой системой моделирования при обеспечении дружественного интерфейса.

В зависимости от специфики исследуемых объектов в ряде случа­ ев эффективным оказывается моделирование на аналоговых вычис­ лительных машинах (АВМ). При этом надо иметь в виду, что АВМ значительно уступают ЭВМ по точности и логическим возмож­ ностям, но по быстродействию, схемной простоте реализации, сопрягаемости с датчиками внешней информации АВМ превосходят ЭВМ или по крайней мере не уступают им.

Для сложных динамических объектов перспективным является моделирование на базе гибридных (аналого-цифровых) вычисли­ тельных комплексов. Такие комплексы реализуют преимущества цифрового и аналогового моделирования и позволяют наиболее эффективно использовать ресурсы ЭВМ и АВМ в составе единого комплекса. При использовании гибридных моделирующих комп­ лексов упрощаются вопросы взаимодействия с датчиками, установ­ ленными на реальных объектах, что позволяет, в свою очередь, проводить комбинированное моделирование с использованием ана­ лого-цифровой части модели и натурной части объекта [11, 19]. Такие гибридные моделирующие комплексы могут входить в состав многомашинного вычислительного комплекса, что еще больше рас­ ширяет его возможности с точки зрения моделируемых классов больших систем.

Информационные технологии в обществе XXI века. Конец XX столетия ознаменовался интенсивным развитием и внедрением во

11

все сферы жизни общества информатики. Это проявилось в интен­ сивном совершенствовании средств вычислительной техники и тех­ ники связи, в появлении новых и в дальнейшем развитии существу­ ющих информационных технологий, а также в реализации приклад­ ных информационных систем. Достижения информатики заняли достойное место в организационном управлении, в промышлен­ ности, в проведении научных исследований и в автоматизированном проектировании. Информатизиция охватила и социальную сферу: образование, науку, культуру, здравоохранение.

Переход страны к рыночной экономике потребовал развития соответствующего информационного обеспечения. Постепенно

вРоссии формировался рынок, в котором информация начинала выступать как ресурс, имеющий коммерческий характер. Наряду

спроизводством систем и средств информатики большое место

внастоящее время занимают и информационные услуги, на базе самоокупаемости интенсивно развивается отрасль связи. Телефо­ ния, радиовещание, телевидение работают с использованием раз­

личных типов каналов связи. Компьютерная техника прочно вошла в быт и используется как в образовании, так и в воспитании подрастающего поколения.

Домашний компьютер стал естественным для многих семей. В образовании значительная доля нагрузки в учебном процессе переносится на самостоятельные задания, выполняемые на домаш­ нем компьютере. По своему качеству домашний компьютер в на­ стоящее время часто оказывается намного выше компьютера, ис­ пользуемого в школе или в ВУЗе. Характерно, что в последние годы покупая домашний компьютер, пользователь начал обращать вни­ мание на место сборки, конфигурацию и перспективные возмож­ ности техники. Приобретается и значительное количество про­ граммных средств, в том числе записанных на CD-ROM, огромное число абонентов подключается к Интернет, значительное число пользователей работает с использованием сотовой и других сетей. Все это подтверждает, что процесс иформатизации интенсифициру­ ется, завершается этап неуправляемой информатизации. Управля­ емая составляющая, которая реализовывалась в основном в об­ разовании, в промышленности и в административном управлении оказалась явно недостаточной из-за малых финансовых средств, но в целом современный уровень информатизации позволяет констати­ ровать, что начало следующего века станет точкой перехода из века энергетики в век информатики, как это прогнозировал Норберт Винер [8, 35].

Информатизация как процесс перехода от индустриального об­ щества к информационному характеризуется резким перераспреде­ лением трудовых ресурсов в материальное производство и в сферу информации. Это соотношение изменяется от 3:1 к 1:3. В ряде стран суммарные расходы на компьютерную технику, телекоммуникации, электронику превысили расходы на энергетику, а поэтому, рассмат­

12

ривая проблему перспектив развития образования, нам необходимо исходить из будущего, поскольку только логически разработанная картина будущего может помочь познать настоящее. Проблема становления информационного общества и составляющая ее пробле­ ма информатизации образования должна рассматриваться в тесной взаимосвязи с проблемой будущего устойчивого развития цивили­ зации.

Модель образовательной системы должна быть сформирована с учетом адаптации образования к модели устойчивого развития цивилизации, а отсюда вытекает проблема опережающего развития образовательной системы, которая должна удовлетворять потреб­ ностям будущего информационного общества.

Для информационного общества характерно полное удовлет­ ворение информационных потребностей населения при завершении формирования единой информационной среды, определяющей но­ вую культуру как общества в целом, так и каждого человека в от­ дельности. Информационная культура как составляющая и базис информационного общества должна закладываться уже в насто­ ящее время. Переход от консервативной образовательной системы к опережающей мог бы базироваться на опережающем формирова­ нии информационного пространства Российского образования. То­ лько образование может служить фундаментом новой информацион­ ной культуры.

Информационная культура конечно не ограничивается системой знаний в области информационных процессов, технологий и должна включать активно преобразовательный аспект отношения к миру. По сути информационная культура может рассматриваться как свод правил поведения в информационном обществе, в коммуника­ ционной среде, в человеко-машинных системах, вписывающихся в мировую гуманистическую культуру человечества. Уже в насто­ ящее время вхождение пользователя в мировую сеть позволяет получить огромные объемы информации, которая может быть предназначена и для идеологической обработки.

Необходимо воспитывать корректное отношение к получаемой информации. Информационное пространство Российского образо­ вания должно отвечать национальным интересам и базироваться на традициях отечественной культуры. Повсеместное использование зарубежной компьютерной техники сопровождается планомерным информационным идеологическим воздействием на пользователей. Можно пойти по пути защиты от чуждой нам информации, со­ здавая соответствующие методы и средства, но особое внимание нужно обратить на информационную культуру педагога, воспита­ теля, учителя школы и преподавателя ВУЗа.

Уровень информационной подготовки учителя нередко отстает от уровня ученика, работающего на домашнем компьютере, под­ ключенном к сети. Проблема развития интеллекта учащихся не может быть решена только средствами информатики, но проблема

13

развития науки об образовании должна разрешаться с учетом пере­ хода в информационное общество, в котором будет сформирована тфоноосфера личности, а поэтому развитие интеллектуальных спо­ собностей личности даже в настоящее время тесно смыкается с про­ блемой информатизации образования. Возможности информатиза­ ции образования определяются современными достижениями ин­ форматики и методологией их использования в образовании.

Можно выделить три уровня информатики:

—физический — программно-аппаратные средства вычисли­ тельной техники и техники связи;

—логический — информационные технологии;

—прикладной — пользовательские информационные системы. Для физического уровня характерно, что компьютерная техника

итехника связи практически вся разработана за рубежом и в луч­ шем случае наблюдается лишь ее сборка на отечественном произ­ водстве.

Информатизация города, региона, области базируется на созда­ нии единой телекоммуникационной среды. Отличительными осо­ бенностями перспективных сетей являются интеграция услуг, пре­

доставляемых пользователю, цифровизация, комплексное исполь­ зование проводных, радио- и космических каналов связи, переход к цифровым сетям интегрального обслуживания [35]. Использова­ ние волоконно-оптических линий и сетей кабельного телевидения позволяет на одной и той же базе обеспечить передачу речи, видео­ сигнала, данных, служебной информации и тем самым обеспечить вхождение каждого пользователя как в Российское, так и в мировое информационное пространство.

Происходит формирование единой информационной среды на основе объединения банков данных и баз знаний, проектируются конкретные информационные системы в различных областях челове­ ческой деятельности. Совершенствование технической базы сопро­ вождается продвижением современных операционных систем в поль­ зовательскую среду, развиваются открытые системы.

Модели базовых информационных технологий в образовании. Для логического уровня информатики характерно совершенствование существующих, создание и развитие новых информационных тех­ нологий. Получили развитие как теория, так и практика информаци­ онных технологий [1, 8, 35]. Развивается методология, совершенст­ вуются средства информационных технологий. Уже в настоящее время могут быть выделены базовые информационные процессы

иинформационные технологии.

Врамках базовых технологий получают развитие конкретные технологии, решающие задачи в выбранных предметных областях. Переход к информационному обществу заставляет задуматься о го­ товности выпускников учебных заведений к жизни и к труду в обще­ стве XXI века. Учитывая, что уже в настоящее время скорости

14

преобразования технологий производства стали опережать темпы смены поколений, оказывается необходимым не только совершенст­ вование и дополнительная подготовка, но и неоднократное осво­ ение новых видов деятельности в течение трудовой жизни.

Поэтому в информационном обществе встает проблема обу­ чения, и непрерывное образование становится составной частью жизни каждого человека. В этих условиях информатизация означа­ ет изменение всей образовательной системы с ее ориентацией на новую информационную культуру. Освоение новой информаци­ онной культуры может в значительной степени реализовываться за счет внедрения в учебный процесс, управление образованием и в повседневную жизнь перспективных информационных техно­ логий.

Прежде всего следует обратить особое внимание на проблему обеспечения сферы образования теорией и методикой как разработ­ ки, так и эффективного применения новых средств информационных технологий. Теория информационных технологий должна опреде­ лить модели базовых информационных процессов, связанных с по­ лучением, сбором, передачей, обработкой, хранением, накоплением и представлением информации. Особое место занимают модели формализации и представления знаний.

Весьма актуальным представляется выделение базовых инфор­ мационных технологий, к которым уже в настоящее время можно отнести технологии распределенного хранения и обработки, офис­ ные технологии, мультимедиа технологии, геоинформационные тех­ нологии, технологии защиты информации, CASE-технологии, те­ лекоммуникационные технологии [15, 35]. На основе базрвых раз­ рабатываются прикладные информационные технологии по областям применения, позволяющие получать конкретные продукты соответ­ ствующего назначения в виде средств, систем, сред.

В рамках указанных технологий в образовании уже в настоящее время получили широкое применение:

1) компьютерные программы и обучающие системы, представ­ ляющие собой электронные учебники, учебные пособия, тренаже­ ры, лабораторные практикумы, системы тестирования знаний и квалификации, выполненные на различных типах машинных носи­ телей;

2) системы на базе мультимедиа-технологии, построенные с применением видеотехники, накопителей на CD-ROM и реализу­ емые на ПЭВМ;

3)интеллектуальные обучающие экспертные системы, которые специализируются по конкретным областям применения и имеют практическое значение как в процессе обучения, так и в учебных исследованиях;

4)информационные среды на основе баз данных и знаний, позво­ ляющие осуществить как прямой, так и удаленный доступ к инфор­ мационным ресурсам;

15

5)телекоммуникационные системы, реализующие электронную почту, телеконференции и т. д. и позволяющие осуществить выход

вмировые коммуникационные сети;

6)электронные настольные типографии, позволяющие в индиви­

дуальном режиме с высокой скоростью осуществить производство учебных пособий и документов на различных носителях;

7)электронные библиотеки как распределенного, так и цент­ рализованного характера, позволяющие по-новому реализовать до­ ступ учащихся к мировым информационным ресурсам;

8)геоинформационные системы, которые базируются на техно­ логии объединения компьютерной картографии и систем управле­ ния базами данных. В итоге удается создать многослойные элект­ ронные карты, опорный слой которых описывает базовые явления или ситуации, а каждый последующий — задает один из аспектов,

процессов или явлений; 9) системы защиты информации различной ориентации (от не­

санкционированного доступа при хранении информации, от искаже­ ний при передаче информации, от подслушивания и т. д.).

Перспективы применения информационных технологий. Методи­ чески новые информационные технологии в образовании должны быть проработаны с ориентацией на конкретное применение. Часть технологий может поддерживать учебный процесс (лекционные и практические занятия), другие технологии способны эффективно поддержать разработку новых учебников и учебных пособий. Ин­ формационные технологии помогут также эффективно организо­ вать проведение экспериментально-исследовательских работ как в школе, так и в ВУЗе. Особую значимость информационные тех­ нологии приобретают при самостоятельной работе учащихся на домашнем компьютере с использованием современных методов мо­ делирования.

Какие же новые возможности открываются при внедрении современных информационных технологий в образование? Н а ос­ нове мультимедиа технологии появляется возможность создавать учебники, учебные пособия и другие методические материалы на машинном носителе, которые могут быть разделены на некоторые группы:

1. Учебники, представляющие собой текстовое изложение мате­ риала с большим количеством иллюстраций, которые могут быть установлены на сервире и переданы через сеть на домашний компьютер. При ограниченном количестве материала такой учеб­ ник может быть реализован в прямом доступе пользователя к сер­ веру.

2. Учебники с высокой динамикой иллюстративного материала, выполненные на CD-ROM. Наряду с основным материалом они содержат средства интерактивного доступа, средства анимации и мультипликации, а также видеоизображения, в динамике демон­

16

стрирующие принципы и способы реализации отдельных процессов и явлений. Такие учебники могут иметь не только образовательное, но и художественное назначение. Огромный объем памяти носителя информации позволяет реализовывать на одном оптическом диске энциклопедию, справочник, путеводитель и т. д.

3.Современные компьютерные обучающие системы для прове­ дения учебно-исследовательских работ. Они реализовывают моде­ лирование как процессов, так и явлений, т. е. создают новую учебную компьютерную среду, в которой обучаемый является ак­ тивным, и может сам вести учебный процесс.

4.Системы виртуальной реальности, в которых учащийся стано­ вится участником компьютерной модели, отображающей окружа­

ющий мир. Для грамотного использования мультимедиа продуктов этого типа крайне важно изучение их психологических особенностей

инегативных воздействий на обучаемого.

5.Системы дистанционного обучения. В сложных социальноэкономических условиях дистанционное образование становится особенно актуальным для отдаленных регионов, для людей с малой подвижностью, а также при самообразовании и самостоятельной работе учащихся. Эффективная реализация дистанционного обуче­ ния возможна лишь при целенаправленной программе создания высококачественных мультимедиа продуктов учебного назначения по фундаментальным, естественнонаучным, общепрофессиональ­ ным и специальным дисциплинам.

Ксожалению, это требует значительных фининсовых средств

ипока не окупается на коммерческой основе, необходимы сущест­ венные бюджетные ассигнования в эту область. Реализация такой программы позволит по-новому организовать учебных процесс, увеличив нагрузку на самостоятельную работу обучаемого.

Формирование новой информационной культуры должно бази­

роваться прежде всего на определенном уровне обучения в школе, а поэтому особое внимание следует уделить содержанию програм­ мы базового курса информатики, который, с одной стороны, до­ лжен быть согласован по содержанию с последующим обучением в ВУЗе, а с другой, должен поддерживать и остальные предметы школьного образования. В курс информатики уже в настоящее время закладываются сведения по моделирования процессов и явле­ ний, по методологии формирования информационных моделей окружающего мира. У учащихся должна возникать в процессе познания информационная картина мира. Это невозможно без формирования информационной культуры населения. В основу со­ здания информационной культуры нового общества должна быть положена идея компьютерной поддержки каждого изучаемого пред­ мета, нельзя подменить это изучением единственного курса инфор­ матики.

Весьма важным является принцип непрерывности информацион­ ной подготовки учащихся, который должен соблюдаться как на

стадии школьного, так и при переходе от школьного к ВУЗовскому уровню. В структуре ВУЗовского образования информатика являет­ ся фундаментальной дисциплиной. Наряду с информатикой в учеб­ ном плане специальностей может предусматриваться ряд курсов информационной подготовки даже для нетехнических ВУЗов, кото­ рые должны совершенствоваться, чтобы компьютер стал естествен­ ным орудием труда в любой предметной области деятельности выпускника ВУЗа. К информационной подготовке можно отнести обучение методологии и средствам моделирования. Создание опе­ режающей информационной среды непрерывного Российского об­ разования требует и решения ряда методических и организацион­ ных проблем, в том числе следующие:

1. Принятие единой системы программно и аппаратно совме­ стимых средств вычислительной техники и техники связи, использу­ емой в непрерывном учебном процессе. Это требует сертификации используемых средств учебного назначения и реализации програм­ мы по созданию сертификационных центров и эффективному их использованию.

2. Подключение образовательных организаций к единой циф­ ровой сети в последующим выходом в Интернет. Решение этой задачи в значительной степени реализуется в настоящее время в высшем образовании и сдерживается в школьном образовании по финансовым причинам, а также и по сложностям выполнения для отдаленных районов.

3.Формирование единой информационной среды непрерывного образования с созданием баз данных по направлениям и специаль­ ностям подготовки, которые бы включали в себя методические документы, энциклопедии, справочники, учебники и учебные посо­ бия, а также дополнительные средства, поддерживающие учебный процесс. Актуальным является представление в международной сети наших достижений и возможностей. Необходима организация обмена информационными ресурсами Российской образовательной системы с международной.

4.Необходимо совершенствование инструментальных средств непрерывного образования, ориентированных на ускоренное осво­ ение материала и приобретение устойчивых навыков обучаемых,

атакже преследующих цели индивидуального обучения. Сюда мож­ но отнести перспективные программные оболочки по разработке компьютерных учебников и методических материалов, про­ граммные и аппаратные средства создания компьютерных обуча­ ющих систем, средства технологии разработки мультимедиа проду­ ктов, геоинформационных систем и т. д.

5.Необходима организация инфраструктуры информатизации образования как составной части информатизации общества в це­ лом. Эта структура должна обеспечить создание новых, тиражиро­

вание и внедрение существующих информационных технологий в непрерывное образование.

18

Идеологически при информатизации образования необходимо учитывать ряд принципиальных позиций:

• Эволюционное развитие сложившейся методологии образова­ ния за счет явных преимуществ новых информационных техноло­ гий, а именно, возможность наглядного, динамичного представле­ ния информатизации с использованием видеоизображений и звука, применения удаленного доступа для ознакомления с внешним и вне­ сения собственного информационного ресурса в образовании.

• Непрерывность и преемственность компьютерного образова­ ния на всех уровнях обучения от дошкольного до послевузовского. Непрерывность может быть обеспечена компьютерной поддержкой всех предметов и дисциплин учебного процесса.

•Обеспечение свободы выбора методики, стиля и средств об­ учения с целью выявления творческих индивидуальных способно­ стей обучаемого в сочетании с возможностью их коллективной деятельности на основе информационных технологий и телеком­ муникационных систем.

•Создание научно и методически основанной системы базового образования на основе компьютерных технологий. Одним из реаль­

ных путей решения проблемы в целом является формирование и реализация региональных научно-технических программ с доле­ вым федеральным и местным бюджетным финансированием при дополнительном использовании внебюджетных средств. Предме­ том специальных исследований коллективов Высшей школы долж­ ны стать содержание, методы и средства развития образования как опережающей системы в будущем информационном обществе. При этом фундаментальное место занимают методы и средства модели­ рования, на основе которых можно предсказать будущее. Только при устойчивом развитии цивилизации мы можем надеяться на последовательное становление ноосферы как сферы разума. Буду­ щее развитие человечества должно быть управляемым и в этом аспекте, несомненно, управляемым должно быть и развитие об­ разования.

Контрольные вопросы

В.1. Что такое модель системы?

В.2. Как определяется понятие «моделирование»?

В.З. Что называется гипотезой и аналогией в исследовании систем?

В.4. Чем отличается использование метода моделирования при внешнем н внутрен­ нем проектировании систем?

В.5. Какие современные средства вычислительной техники используются для мо­ делирования систем?

2*

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

Моделирование начинается с формирования предмета исследований — сис­ темы понятий, отражающей существенные для моделирования характеристи­ ки объекта. Эта задача является достаточно сложной, что подтверждается различной интерпретацией в научно-технической литературе таких фундамен­ тальных понятий, как система, модель, моделирование. Подобная неоднознач­ ность не говорит об ошибочности одних и правильности других терминов, а отражает зависимость предмета исследований (моделирования) как от рас­ сматриваемого объекта, так и от целей исследователя. Отличительной особен­ ностью моделирования сложных систем является его многофункциональность и многообразие способов использования; оно становится неотъемлемой частью всего жизненного цикла системы. Объясняется это в первую очередь технологи­ чностью моделей, реализованных на базе средств вычислительной техники: достаточно высокой скоростью получения результатов моделирования и их сравнительно невысокой себестоимостью.

1.1.ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

ВМОДЕЛИРОВАНИИ СИСТЕМ

Внастоящее время при анализе и синтезе сложных (больших) систем получил развитие системный подход, который отличается от классического (или индуктивного) подхода. Последний рассматри­

вает систему путем перехода от частного к общему и синтезирует (конструирует) систему путем слияния ее компонент, разрабатыва­ емых раздельно. В отличие от этого системный подход предполага­ ет последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, причем исследуемый объект выделяется из окружающей среды.

Объект моделирования. Специалисты по проектированию и эксплуатации сложных систем имеют дело с системами управления различных уровней, обладающими общим свойством — стремлени­ ем достичь некоторой цели. Эту особенность учтем в следующих определениях системы. Система S — целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Внешняя среда Е — множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздей­ ствием.

20