Т. ЯНЫК

Мы часто задумывались о наличии связи между феноменами Вселенной, свидетелями которых мы становимся, будь эта связь тайной или явной, сильно выраженной или слабой. Объяснить эти феномены на уровне числа и силы проявления данных связей представляется не просто трудным, а невозможным. Для того чтобы легче объяснить связь между живыми существами, мы выделяем их в группы и представляем в виде системы. Система – это общность живых существ, имеющих общую цель и внутригрупповые связи, которые они поддерживают. Представим себе ленту конвейера, на которой осуществляется сборка автомобиля: это уже отдельная система машин, приборов, автозапчастей и рабочих. У существ, представленных в виде системы, связи с миром вне ее могут и не быть полностью оборваны. Поэтому нужно еще принимать во внимание и внешний мир, и окружающую среду системы, поскольку на системы иногда оказывают влияние феномены и события внешнего мира. Очень важно провести четкую грань между системой и средой системы, и это не всегда просто. Для того чтобы определить состояние системы на тот или иной отрезок времени, надо отследить изменения в ней. Например, для определения состояния сердечно-сосудистой системы человека прежде всего обращают внимание на показатели холестерола и триглицерида.

Системы и модели

Системы разделяются по признаку «постоянности» и «непостоянности». В постоянных системах все время происходят системные изменения. В качестве примера постоянной системы можем привести воду, скапливающуюся за плотиной. Здесь постоянные изменения уровня воды происходят благодаря сбросу воды с целью выработки электричества, осадкам или – если не происходит ни того, ни другого – испарению воды.
В непостоянных системах системные изменения происходят в определенные отрезки времени. Примером этому может послужить количество покупателей в магазине. Двери открылись, люди заходят и выходят, и число покупателей, находящихся внутри, меняется.

Многие научные отрасли занимаются такими вопросами, как принцип работы системы, функции, взаимодействие и связи между ее составляющими. Например, основной предмет изучения экологических наук – это функционирование экосистемы, вмешательство в ее работу человека и изменения в экосистеме, к которым оно приводит. С одной стороны, мы видим, что системы, созданные Всевышним, прекрасно функционируют до тех пор, пока в их работу не вмешивается человек, а с другой – видим, как человек вмешивается в природный порядок вещей, использует сотворенные блага не по назначению, и это вмешательство сверх меры становится причиной нарушения природного баланса. Системы, созданные человеком с применением существующих в природе вещей, функционируют по тем же принципам, что и природные системы во вселенной.
Для того чтобы изучить систему, в которой присутствует взаимосвязь, необходимо рассмотреть, как изменяются некоторые ее параметры и как функционируют система и ее составляющие. Однако на практике применить этот принцип к любой системе не так просто – как по причине сильной дороговизны, так и по причине опасности. Например, повысить вдвое уровень безработицы, который является переменной экономической системы и посмотреть, какое влияние это окажет на инфляцию – это не тот метод, который можно применить на практике. В подобных случаях, для того чтобы изучить и понять систему, нам понадобится модель, представляющая ее. Некоторые ученые считают, что моделирование системы – это наука и искусство. При создании модели в первую очередь принимаются во внимание основные параметры, и модель создается для того, чтобы представлять эти переменные. Так как модель никогда не может представить всех параметров реальной системы, очень важно, на каком уровне она отражает эти реальные показатели. Например, при разработке новой модели самолета логичнее будет собрать модель самолета и посмотреть, как она будет летать при определенных погодных условиях, чем проводить такого рода пробные полеты на настоящем самолете. Здесь модель самолета – физическое и относительно легкое понятие. Кроме физических моделей существуют еще и математические. Последние представляют или симулируют систему посредством математических уравнений. Модели подразделяются на статические, динамические, детерминистические, стокастические (метеорологические движения, например, наводнения и землетрясения; иногда в этих моделях превалирует неопределенность), а также на подгруппы постоянных и непостоянных. Статическая модель представляет состояние системы на тот или иной отрезок времени. Динамическая модель используется для того, чтобы понять состояние системы на протяжении определенного времени. В детерминистической модели полностью отсутствуют случайные системные переменные, случайно выявленные и приобретшие значение. Модель выдает одинаковые результаты для определенных данных. Стохастические же модели имеют от одной до нескольких системных переменных, которые нам кажутся чистой случайностью. Постоянные и непостоянные модели используются при симуляции постоянных и непостоянных систем. При необходимости могут использоваться и модели смешенного типа.

Симуляция

Симуляцией называется процесс моделирования, использования модели и получения результатов ее работы. Симуляция, вошедшая в нашу жизнь с развитием компьютерных технологий, означает возможность конструкции модели любой вещи, явления природы или системы с тем, чтобы использовать ее с образовательными или другими целями. Другое определение симуляции – «выражение путем математического моделирования причинно-следственных связей, наблюдаемых в теоретической или реальной физической системе, вид техники моделирования, позволяющий посредством компьютера отслеживать поведение реальной системы в разных условиях». Поскольку один из путей понимания реальности во всей ее запутанности – создавать искусственные системы и проводить опыты, то и в человеческом мозгу проходят процессы обучения и понимания по мере того, как мы симулируем внешний мир в своей голове. Дети понимают свое окружение, внешний мир и связь с другими людьми, вещами и животными именно через симуляцию этих связей (как, например, в игре в дочки-матери).
Симуляция, являющаяся научным подходом, позволяющим анализировать ситуацию типа «Что будет, если что-то произойдет в определенных условиях?», может производить числовое измерение и анализ любого предложенного решения и помогает вам быстро выбрать наилучшую альтернативу. Перед тем, как новая система будет представлена на рынке или даже до того, как политика ее функционирования пройдет тесты, она проходит процесс улучшения и приобретает способность действовать во многих прогнозируемых ситуациях в то время, когда ее моделируют и симулируют на компьютерах. Симуляция, позволяющая собрать в одной модели много чисел и особенно переменных, является обязательным способом моделирования комплексных систем. Работа, продолжающаяся месяцы и даже годы, для того чтобы произвести лучшее изделие, с помощью симуляции может быть завершена за несколько дней, даже за несколько часов. Симуляция используется для прогнозирования результатов и развития определенных решений, понимания причин наблюдаемых результатов, определения источников проблемы до инвестирования, а также при определении последствий изменений, обеспечении нахождения всех системных переменных, выявлении продуктивных и бесперспективных идей, поощрении и разработке новых идей, тестировании целостности и жизнеспособности планов и проектов.
На сегодняшний день лучшим примером незаменимой вещи, созданной при помощи симуляции, является разработка чипа средних размеров, потому что он имеет миллионы транзисторов и тысячи периодов. Если бы инженеры запустили этот чип в производство сразу после того, как при помощи компьютерной разработки и дизайна был сделан первый макет, то этот чип не работал бы. К тому же производство маски, применяемой в работе над силиконом, из которого был сделан макет, обходится приблизительно в миллион долларов. Вместо этого моделируют все транзисторы, технологию, которая будет применена, и правила, которым необходимо следовать. Делается поправка на нежелательные паразитные периоды, и симуляция разработки идет дни напролет на компьютерах с высокой вычисляющей способностью. В этом случае к производству приступают после того, как разрешены выявленные проблемы. Симуляцией также называют интерактивное использование человеком смоделированных на компьютере средств передвижения – таких, как самолет, автомобиль, судно. Применение этого вида симуляции в военных и гражданских областях знаний достаточно распространено.

Примеры симуляции

Примеры применения симуляции в повседневной жизни чаще всего можно встретить в образовательных программах и компьютерных играх. Например, это может быть руль, создающий ощущение управления реальным мотоциклом или автомобилем, или системы игр, в которых применяется пульт дистанционного управления – например, скоростью. В частности, также имеются в наличии стратегические игры, отражающие такие понятия, как развитие обществ и становление государств, войны, мир, прогресс. В образовательной же области были разработаны программы симуляции законов Ньютона, ускорения, сохранение момента, движения маятника в физике, в химии – синтеза соединений, реакций, движения газов, в биологии – деления клетки, действия метаболизма, человеческой анатомии и др. Применяемые в процессе обучения, эти программы симуляции, напоминающие о том, насколько прекрасны и совершенны их оригиналы, не только повышают способность учеников запоминать новый материал, но и облегчают их работу, обеспечивая тем самым более успешный образовательный процесс. В качестве примера образовательного процесса подобного рода можно привести летную школу, где будущие пилоты тренируются на симуляторах, создающих полное ощущение нахождения в самолете. Таким же образом и будущие космонавты проходят весьма длительные тренировки на похожих симуляторах перед тем, как отправиться в настоящий полет в космос.
Человек изобрел способ симулирования систем для того, чтобы более эффективно, экономя время и средства, решать проблемы, с которыми он сталкивается. Пусть такие примеры, как симулятор космического полета или робот Асимо, разработчики которого пытались симулировать самого человека, слишком просты и недостаточны как копии, однако они изумляют людей. У примеров симуляции, которая является выражением научно-технического прогресса, в природе есть прототипы, сотворенные совершенными. И если сравнить хотя бы одну человеческую конечность с роботом Асимо, а симуляцию солнечной системы с небом, включающим миллиарды галактик и по ночам мерцающим таинственным великолепием, то мы увидим, что по отношению к своему оригиналу симуляция остается слишком простой, чтобы быть принятой серьезно. Симуляция – пакет решений, помогающий вовремя сделать нужный шаг относительно разработки и эксплуатации системы. Однако сама по себе симуляция не решает проблем, она просто помогает яснее их увидеть и попробовать альтернативные пути их разрешения.

Источники
- Дискретно-событийная системная симуляция, на англ., Джерри Бенкс, Джон С. Карсон II, Барри Л. Нельсон.
- Справочник симуляции : принципы, методология, прогресс, примнение и практика / под ред. Джерри Бенкса, на англ.
- http://www.uytes.com.tr/simülasyon/simülasyon.html
- http://www.scs.org/