Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные типы структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Табличные информационные модели

Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является прямоугольная таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковым набором свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статистические так и динамические модели информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

В табличной информационной модели перечень однотипных объектов или свойств размещен в первом столбце (или строке) таблицы, значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках) таблицы.

Иерархические информационные модели

При табличном моделировании сложных систем модели могут оказаться слишком большими и неудобными для использования. Причина этого в формате табличных моделей, требующем представлять данные единообразно - в форме прямоугольной таблицы. Так, например, если мы представим схему линий московского метрополитена в виде таблицы объектов-станций, где на пересечении каждых строки и столбца будет стоять “+” для соседних станций и пересадок и “-” для всех остальных, то такая таблица будет состоять из более чем 10000 ячеек и пользоваться ей будет практически невозможно.

В сетевых моделях компактно отображаются наиболее существенные отношения между объектами. Обычно сетевые модели изображаются в наглядном графическом виде.

Пример сетевой модели - схема линий метрополитена.

Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Наши знания о реальном мире складываются из множества информационных моделей. Это сведения о свойствах разнообразных объектов и их взаимодействии между собой. С развитием производства и общества поток информации непрестанно растет. Все труднее становится найти в этом мощном потоке те сведения, которые интересуют нас в данный момент. Чтобы ориентироваться в таком обилии и разнообразии данных, мы стремимся их систематизировать. Это особенно актуально в тех случаях, когда нужно описать совокупность объектов, у которых можно выделить общие свойства, например книг в библиотеке или пациентов поликлиники. Традиционно такую информацию систематизировали во всевозможных картотеках, где на небольших листах или картах собирали сведения по какому-либо одному признаку, по какой-то одной теме. Найти нужную информацию в картотеке гораздо проще, чем в кипе списков, анкет или отчетов. Но постоянное заполнение и обновление карточек -- дело кропотливое и ответственное, отнимающее очень много времени.

Современное развитие компьютерной техники помогает справляться с колоссальными объемами информации. Компьютер позволяет технически развитым странам перейти на безбумажную технологию хранения, обмена и обработки информации -- электронные картотеки. Специальные программы -- Системы Управления Базами Данных (СУБД) -- позволяют упорядочить многообразие накопленной человечеством информации об окружающем мире в виде компьютерных информационных моделей.

Как и любая картотека, компьютерная информационная модель должна отвечать интересам определенного пользователя. Поэтому постановка задачи создания информационной модели тесно увязана с целями моделирования. В самом общем приближении можно выделить следующие цели:

• · хранение информации;
• · возможность упорядочения данных по некоторым признакам;
• · возможность создания различных критериев выбора данных;
• · представление информации в удобном для пользователя виде.

Обсудим особенности этапа разработки компьютерной информационной модели в среде баз данных. Основные стадии построения модели представлены на рис. 4.1.

Вначале необходимо выделить из разнообразной информации, характеризующей объект, только ту, которая обусловлена целями моделирования. Затем на основе исходных данных формируется структура будущей базы данных с указанием типов и ширины полей.

Рис. 4.1.

Наиболее простой способ организации данных в компьютере -- реляционный, когда информационная модель объекта представлена в виде знакомой нам таблицы, состоящей из столбцов и строк. Число столбцов определяется количеством параметров (признаков) объекта, по которым строится его информационная модель. Каждый столбец имеет имя, непосредственно указывающее на его содержимое. Число строк соответствует количеству описываемых объектов. Каждая строка содержит информацию об одном объекте по множеству параметров. По терминологии баз данных столбцы называются полями, строки -- записями.

Формирование структуры информационной модели и, соответственно, структуры базы данных означает определение полей или, иначе говоря, параметров, по которым будет систематизироваться информация о различных объектах.

Структура информационной модели в базах данных -- описание полей, соответствующих параметрам объекта или процесса.

После определения и задания структуры базы данных компьютерная среда предлагает перейти в режим заполнения. Заполнив даже одну запись, можно выявить ошибки и неточности в задании типов полей, формата вводимых данных. Это первичное, самое простое тестирование.

Реальная информационная модель может содержать от нескольких до десятков тысяч записей. Наполнение базы -- это ввод записей в созданную структуру. Система управления базами данных позво- -- ляет осуществлять ввод новых записей, редактировать имеющиеся, удалять устаревшие. И в этом смысле база данных напоминает живой организм.

Пользователь, работающий с базой данных в среде Works, име ет возможность видеть информа-

цию на экране в разных видах, ото отражено опциями меню Вид: Форма (рис. 4.2) или Список (рис. 4.3).

Рис 4.2.

Опция Форма представляет нам записи в виде отдельных карточек по каждому объекту, наподобие тех, которые мы видим в библиотеке.

Этот вид представления информации удобен при наполнении базы данных записями, т. к. позволяет оперативно выделить под каждое поле необходимое количество места.

Список -- наиболее наглядная форма отображения информации. В ней поля и записи представлены в классическом для реляционных баз данных табличном виде. Такой вид представления данных удобен на этапе разработки и тестирования модели.

Рис. 4.3.

Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые общие свойства, которые отличают их от объектов других групп. Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов. Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою очередь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и так далее. Такой процесс систематизации объектов называется процессом классификации.

В процессе классификации объектов часто строятся информационные модели, которые имеют иерархическую структуру. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и так далее.

Статическая иерархическая модель. Рассмотрим процесс построения информационной модели, которая позволяет классифицировать современные компьютеры. Класс Компьютеры можно разделить на три подкласса: Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры.

Компьютеры, входящие в подкласс Суперкомпьютеры, отличаются сверхвысокой производительностью и надежностью и используются в крупных научно-технических центрах для управления процессами в реальном масштабе времени.

Компьютеры, входящие в подкласс Серверы, обладают высокой производительностью и надежностью и используются в качестве серверов в локальных и глобальных сетях.

Компьютеры, входящие в подкласс Персональные компьютеры, обладают средней производительностью и надежностью и используются в офисах и дома для работы с различными приложениями.

Подкласс Персональные компьютеры делится, в свою очередь, на Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

В иерархической структуре элементы распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент, который является «вершиной» иерархической структуры. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента верхнего уровня.

В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням. Каждый элемент более высокого уровня может состоять из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня.

В рассмотренной иерархической модели, классифицирующей компьютеры, имеются три уровня. На первом, верхнем, уровне располагается элемент Компьютеры, в него входят три элемента второго уровня Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В состав последнего входят три элемента третьего, нижнего, уровня Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

Изображение информационной модели в форме графа. Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа (овалы) отображают элементы системы.

Элементы верхнего уровня находятся в отношении «состоять из» к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (направленной линии в форме стрелки). Графы, в которых связи между объектами несимметричны (как в данном случае), называются ориентированными.

Построим теперь компьютерную модель Компьютеры с использованием приложения Иерархика, которое позволяет создавать иерархические модели.

Изобразим иерархическую модель, классифицирующую компьютеры, в виде графа (рис. 4.5).

Рис. 4.5.

Полученный граф напоминает дерево, которое растет сверху вниз, поэтому иерархические графы иногда называют деревьями.

Для отражения систем с различными структурами использу- ются различные типы информационных моделей: табличные, иерархические и сетевые.

Табличные информационные модели. Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является прямо- угольная таблица, которая состоит из столбцов и строк.

Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми наборами свойств (см. подразд. 5.5).

В табличной информационной модели перечень однотипных объектов или свойств размещен в первом столбце (или строке) таблицы, а значения их свойств размещаются в следующих столб- цах (или строках) таблицы. Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таблиц и систем управления базами данных. Визу- ализация табличной модели осуществляется, например, путем по- строения диаграммы в электронных таблицах Excel. Построим таб- личную информационную модель «Цены устройств компьютера» (табл. 6.2). В первом столбце таблицы будет содержаться перечень однотипных объектов (устройств, входящих в состав компьюте- ра), а во втором и третьем - интересующее нас свойство (напри- мер, цена).

Представление объектов и их свойств в форме таблицы часто используется в научных исследованиях. Так, на развитие химии и физики решающее влияние оказало создание Д. И. Менделеевым в конце XIX в. периодической системы элементов, которая пред- ставляет собой табличную информационную модель. В этой моде- ли химические элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах - по количеству валент- ных электронов, причем по положению в таблице можно опреде- лить некоторые физические и химические свойства элементов.

Иерархические информационные модели. В процессе классифи- кации объектов часто строятся информационные модели, кото- рые имеют иерархическую структуру. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система (тип, класс, от- ряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархи- ческая файловая система и т.д.

В иерархической структуре элементы распределяются по уров- ням - от первого (верхнего) уровня до нижнего (последнего) уровня. На первом уровне может располагаться только один эле- мент, который является вершиной иерархической структуры. Ос- новное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого уровня может состоять из нескольких элементов нижнего уровня; при этом каждый элемент нижнего уровня мо- жет входить в состав только одного элемента верхнего уровня.

Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа отобража- ют элементы системы. Элементы верхнего уровня находятся в от- ношении «состоять из» к элементам более низкого уровня. Такая

Цены устройств компьютера

связь между элементами отображается в форме дуги графа (на- правленной линии в форме стрелки). Если связь между вершина- ми графа носит несимметричный характер, то такой граф назы- вается ориентированным.

Для описания исторического процесса смены поколений се- мьи используются информационные модели в форме генеалоги- ческого дерева. В качестве примера можно рассмотреть фрагмент

(X-XI вв.) генеалогического дерева династии Рюриковичей (рис. 6.1).

Сетевые информационные модели. Сетевые информационные модели применяются для отражения систем со сложной структу- рой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер. Например, различные региональные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, рос- сийская, австралийская и т.д.) связаны между собой высокоско- ростными линиями связи. При этом одни части (например, аме- риканская) имеют прямые связи со всеми региональными частя- ми Интернета, а другие могут обмениваться информацией между собой только через американскую часть (например, российская и австралийская).

Построим граф, который отражает структуру глобальной сети Интернет (рис. 6.2). Вершинами графа являются региональные сети. Связи между вершинами носят двусторонний характер и поэтому изображаются ненаправленными линиями, а сам граф называет- ся неориентированным.

1. По фактору времени - статические и динамические

Статические - модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). В каждый момент времени система находится в определенном состоянии, который характеризуется составом элементов, значениями их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами и т. д. В физике примером статистических информационных моделей являются модели, описывающие простые механизмы, в биологии - модели строения растений и животных, в химии - модели строения молекул и кристаллических решеток, в астрономии - модель Солнечной системы и т. д.

Динамические - модели, описывающие процессы изменения и развития систем во времени. Состояние систем изменяется во времени, то есть происходят процессы изменения и развития систем. Так, планеты движутся, изменяется их положение относительно Солнца и друг друга; Солнце, как и любая другая звезда, развивается, меняются ее химический состав, излучение и т. д. В физике динамические информационные модели описывают движение тел, в биологии - развитие организмов или популяций животных, в химии - процессы происхождения химических реакций и т. д.

Структурные, функциональные, структурно-функциональные

Структурные служат для изучения внутреннего состояния объекта, того из чего он «сделан» (например, текст – это система элементов). В тех случаях, когда необходимо воспринять, осмыслить и переработать большой объем информации, такую информацию нужно структурировать, т.е. выделить в ней элементарные составляющие и их взаимосвязи. Структура представляет собой упорядоченную систему данных. Наиболее простыми информационными структурами являются таблицы, схемы, графы. Структурная модель объекта составляется для того, чтобы как можно более наглядно представить составные части и их связи. Простым примером табличного структурирования информации является школьное расписание уроков.

Основными структурными моделями являются табличная, сетевая и иерархическая .

Табличные – объекты и их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы. Перечень однотипных объектов размещен в первом столбце (или строке), а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках). В табличной информационной модели элементы информации размещаются в отдельных ячейках. С помощью таблиц могут быть выражены как статические, так и динамические информационные модели. Широко известно табличное представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и самолетов, уроков и т. д. В общем случае таблица не дает представления о каких- либо закономерностях, однако бывают и исключения. Великий русский химик Д. И. Менделеев, расположив для удобства химические элементы в таблицу по возрастанию атомных весов, открыл периодический закон, который оказал решающее влияние на развитие химии и физики. Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таблиц и систем управления базами данных.

Иерархические – объекты распределены по уровням. Каждый элемент высокого уровня состоит из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня. В биологии весь животный мир рассматривается как иерархическая система(тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая файловая система и т.д. В иерархической информационной модели объекты распределены по уровням, причем элементы нижнего уровня входят в состав одного из элементов более высокого уровня. Так, для описания исторического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалогического дерева.

Сетевые – применяют для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру. Сетевые информационные модели применяются для отражения таких систем, в которых связь между элементами имеет сложную структуру. Например, различные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская и т. д.) связаны между собой высокоскоростными линиями связи.

Функциональные служат для изучения поведения объекта (модели типа «вход-выход»),структурно-функциональные служат и для изучения внутреннего состояния объекта и для изучения его поведения.

4. Детерминированные и стохастические ( по характеру отражения причинно-следственных связей)

Этапы моделирования:

1. Постановка задачи: описание задачи, цель моделирования, формализация задачи, математическая модель.

2. Разработка модели: информационная модель, компьютерная модель

3. Компьютерный эксперимент – план эксперимента, проведение исследования

4. Анализ результатов моделирования

На начальном этапе моделирования выделяются существенные признаки изучаемого объекта и дается развернутое содержательное описание связи между ними (системный анализ), то есть осуществляется неформальная постановка задачи. Следующимважным этапом моделир ования является формализация содержательного описания связей между выделенными признаками с помощью некоторого языка кодирования: языка схем, языка математики и т.д. (“перевод“ полученной структуры в какую- либо заранее определенную форму).

Формализация – этап перехода от содержательного описания связей между выделенными признаками объекта (словесного или в виде текста) к описанию, использующему некоторый язык кодирования (языка схем, языка математики и т. д.).Формализация - процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков. Одним из наиболее распространенных формальных языков является алгебраический язык формул в математике, который позволяет описывать функциональные зависимости между величинами. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, называютсяматематическими моделями . По сути, формализация – это первый и очень важный этап процесса моделирования. Примером неформального описания модели является кулинарный рецепт или словесное описание модели парусника, или словесная формулировка второго закона Ньютона.

В тех случаях, когда моделирование ориентировано на исследование моделей с помощью компьютера, результатом формализации моделей должно быть программное средство. Поэтому принципы формализации можно сформулировать в следующем виде:

разработка неформального описания модели (словесное описание существенных для рассматриваемой задачи характеристик изучаемого объекта и связей между ними);

составление формализованного описания на некотором языке кодирования (с использованием математических соотношений и текстов);

реализация формализованного описания в виде программы на некотором языке программирования.

Например, формула F=m*a является формализованным описанием второго закона Ньютона.

Алгоритм представляет собой конечную упорядоченную совокупность предписаний исполнителю, четко и однозначно определяющих процесс преобразования исходной информации в конечный результат. Алгоритмы образуют важнейший класс информационных процессов. Каждый шаг алгоритма определяется только начальной и конечной информацией, все команды алгоритма можно выполнять формально, или автоматически (без непосредственного участия человека).

Информационная модель - это модель, содержащая целенаправленно отобранную и представленную в некоторой форме наиболее существенную информацию об объекте. Информационный объект - это совокупность логически связанной информации.

Вариант 2

№1. Вид информационной модели зависит от:

а) числа признаков;

б) цели моделирования;

в) размера объекта;

г) стоимости объекта;

д) внешнего вида объекта.

№2. Табличная информационная модель представляет собой опи-

сание моделируемого объекта в виде:

а) графиков, чертежей, рисунков;

б) схем и диаграмм;

в) совокупности значений, размещенных в таблице;

г) системы математических формул;

д) последовательности предложений на естественном языке.

№3. К числу математических моделей относится:

а) формула корней квадратного уравнения;

б) милицейский протокол;

в) правила дорожного движения;

г) кулинарный рецепт;

д) инструкция по сборке мебели.

№4. Вставьте пропущенное слово. «Выполненный в определенном масштабе... делает наглядными предложения архитектора по застройке района»:

а) план;

б) описание;

д) таблица.

№5. В информационной модели военного корабля, представленной в виде детской игрушки, отражается его:

а) структура;

в) плотность;

д) размер.

№6. Модель человека в виде манекена в витрине магазина используют с целью:

№7. При описании отношений между элементами системы удобнее всего использовать информационную модель следующего вида:

а) текстовую;

б) математическую;

в) структурную;

г) табличную;

д) графическую.

№8. Географическую карту следует рассматривать, скорее всего, как модель следующего вида:

а) математическую;

б) иерархическую;

в) табличную;

г) графическую;

д) натурную.

№9. Сколько моделей можно создать при описании Солнечной системы:

а) множество;

д) более 9.

№10. Компьютерная имитационная модель ядерного взрыва не позволяет:

а) обеспечить безопасность исследователей;

б) провести натурное исследование процессов;

в) уменьшить стоимость исследований;

г) получить данные о влиянии взрыва на здоровье человека;

№11. Основой моделирования является:

а) коммуникативный процесс;

б) передача информации;

в) хранение информации;

г) взаимодействие людей;

д) процесс формализации.

№12. Статистическая информационная модель – это модель, описываю

щая:

а) состояние системы в определенный момент времени;

б) процессы изменения и развития системы;

в) объекты, обладающие одинаковым набором свойств;

г) систему, в которой связи между элементами имеют произволь-

ный характер;

д) распределение элементов по уровням: от первого (верхнего) до

нижнего (последнего).

№13. К числу документов, представляющих собой информационную модель управления государством, можно отнести:

а) географическую карту России;

б) Российский словарь политических терминов;

в) Конституцию РФ;

г) схему Кремля;

д) список депутатов государственной Думы.

№14. Вставьте пропущенное слово. «... расписания является моделью движения поездов»:

а) схема; б) описание; в) макет; г) муляж; д) таблица.

№15. В информационной модели компьютера, представленной в виде схемы, отражается его:

б) структура;

д) размер.

№16. Макет скелета человека в кабинете биологии используют с целью:

б) проверки гипотез;

в) получения новых знаний;

д) познания.

№17. Рисунки, карты, чертежи, диаграммы, схемы, графики представляют собой модели следующего вида:

а) табличные информационные;

б) математические;

в) натурные;

г) графические информационные;

д) иерархические информационные.

№18. Игрушечная машинка – это:

а) табличная модель;

б) математическая формула;

в) натурная модель;

г) текстовая модель;

д) графическая модель.

№19. Сколько моделей можно создать при описании галактики «Млечный путь»:

г) множество;

д) более 5.

№20. С помощью имитационного моделирования нельзя изучать:

а) демографические процессы, протекающие в социальных сис-

б) тепловые процессы, протекающие в технических системах;

в) инфляционные процессы в промышленно-экономических сис-

г) траектории движения планет и космических кораблей;

д) процессы психологического взаимодействия людей.
Ответы к заданиям

Критерии оценивания
За каждое правильно решенное задание – 1 балл.

19-20 баллов – оценка «5»

12-18 баллов – оценка «4»

6-11 баллов– оценка «3»

0-5 баллов – оценка «2»