Классификация математических моделей

Математические модели различают в основном по характеру отображаемых свойств системы, степени их детализации, способам получения и формального представления.

Структурные и функциональные модели. Если ММ отображает элементы и их связи в системе, то ее называют структурной математической моделью. Если же ММ отражает происходящие в системе какие-либо процессы, то ее относят к функциональным математическим моделям. Ясно, что могут существовать и смешанные ММ, которые описывают как функциональные, так и структурные свойства системы.

Структурные ММ делят на топологические и геометрические, составляющие два уровня иерархии ММ этого типа. Первые отображают состав системы и связи между его элементами. Топологические ММ целесообразно применять на начальной стадии исследования сложной системы. Такая ММ имеет форму графов, таблиц, матриц, списков и т.п., и ее построению обычно предшествует разработка структурной схемы системы.

Геометрическая ММ дополнительно к информации, представленной в топологической ММ, содержит сведения о форме и размерах системы и ее элементов, об их взаимном расположении. В геометрическую ММ обычно входят совокупность уравнений линий и поверхностей и алгебраические соотношения, определяющие принадлежность областей пространства системе или ее элементам. Геометрические ММ находят применение при проектировании элементов технических систем, разработке технической документации и технологических процессов изготовления изделий.

Функциональные ММ состоят из соотношений, связывающих между собой фазовые переменные, т.е. внутренние, внешние и выходные параметры системы. Функционирование сложных систем нередко удается описать лишь при помощи совокупности ее реакций на некоторые известные (или заданные) входные воздействия. Такую разновидность функциональной ММ относят к типу черного ящика и обычно называют имитационной математической моделью, имея в виду, что она лишь имитирует внешние проявления функционирования, не раскрывая и не описывая существа протекающих в системе процессов. Имитационные ММ находят широкое применение в исследовании сложных систем.

По форме представления имитационная ММ является примером алгоритмической ММ, поскольку связь в ней между входными и выходными параметрами системы удается описать лишь в форме алгоритма, пригодного для реализации в виде программы. К типу алгоритмических ММ относят широкий класс как функциональных, так и структурных ММ. Если связи между параметрами системы можно выразить в аналитической форме, то говорят об аналитических математических моделях. При создании иерархии ММ одной и той же системы обычно стремятся к тому, чтобы упрощенный вариант ММ был представлен в аналитической форме, допускающей точное решение, которое можно было бы использовать для сравнения при тестировании результатов, полученных при помощи более полных и поэтому более сложных вариантов ММ.

Ясно, что ММ конкретной системы по форме представления может включать признаки как аналитической, так и алгоритмической ММ. Более того, в процессе моделирования аналитическую ММ преобразуют в алгоритмическую.

По способу получения математические модели могут быть теоретическими или эмпирическими. Первые получают в результате изучения свойств системы, протекающих в ней процессов на основе использования известных фундаментальных законов сохранения, а также уравнений равновесия, а вторые являются итогом обработки результатов внешних наблюдений за проявлением этих свойств и процессов. Один из способов построения эмпирических ММ заключается в проведении экспериментальных исследований, связанных с измерением фазовых переменных системы, и в последующем обобщении результатов этих измерений в алгоритмической форме или в виде аналитических зависимостей. Поэтому по форме представления эмпирическая ММ может содержать признаки как алгоритмической, так и аналитической ММ. Таким образом, построение эмпирической ММ сводится к решению задачи идентификации.

Особенности функциональных моделей. Одной из характерных особенностей функциональной ММ является наличие или отсутствие среди ее параметров случайных величин. При наличии таких величин ММ называют стохастической (или вероятностной), а при их отсутствии - детерминированной.

Далеко не все параметры реальных систем можно характеризовать вполне определенными значениями. Поэтому ММ таких систем, строго говоря, следует отнести к стохастическим, поскольку выходные параметры системы будут случайными величинами. Случайными могут быть и значения внешних параметров.

Для анализа стохастических ММ необходимо использовать выводы теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики. Однако основная трудность в их применении обычно связана с тем, что вероятностные характеристики случайных величин (математические ожидания, дисперсии, законы распределения) часто не известны или известны с не высокой точностью, т.е. ММ не удовлетворяет требованию продуктивности. В таких случаях эффективнее использовать ММ, более грубую по сравнению со стохастической, но и более устойчивую по отношению к недостоверности исходных данных.

Существенным признаком классификации ММ является их возможность описывать изменение параметров системы во времени. Если при этом в ММ отражено влияние инерционных свойств системы, то ее обычно называют динамической. В противоположность этому ММ, которая не учитывает изменение во времени параметров системы, называют статической.

Стационарные ММ описывают системы, в которых протекают так называемые установившиеся процессы, т.е. процессы, в которых интересующие нас выходные параметры постоянны во времени. К установившимся относят и периодические процессы, в которых некоторые выходные параметры остаются неизменными, а остальные претерпевают колебания.

Если выходные параметры системы изменяются медленно и в рассматриваемый фиксированный момент времени этими изменениями можно пренебречь, то считают ММ нестационарной.

Важным с точки зрения последующего анализа свойством ММ является ее линейность, в смысле связи параметров системы линейными соотношениями. Это означает, что при изменении какого-либо внешнего (или внутреннего) параметра системы линейная ММ предсказывает линейное изменение зависящего от него выходного параметра, а при изменении двух или более параметров — сложение их влияний, т.е. такая ММ обладает свойством суперпозиции. Если ММ не обладает свойством суперпозиции, то ее называют нелинейной.

Для количественного анализа линейных ММ разработано большое число математических методов, тогда как возможности анализа нелинейных ММ связаны в основном с методами вычислительной математики. Чтобы для исследования нелинейной ММ системы можно было использовать аналитические методы, ее обычно линеаризуют, т.е. нелинейные соотношения между параметрами заменяют приближенными линейными и получают так называемую линеаризованную ММ системы. Так как линеаризация связана с внесением дополнительных погрешностей, то к результатам анализа линеаризованной модели следует относиться с определенной осторожностью. Дело в том, что линеаризация ММ может привести к утрате адекватности ее. Учет в ММ нелинейных эффектов особенно важен, например, при описании смены форм движения или положений равновесия, когда малые изменения входных параметров могут вызвать качественные изменения в состоянии системы.

Каждый параметр системы может быть двух типов - непрерывно изменяющимся в некотором промежутке своих значений или принимающим только некоторые дискретные значения. Возможна и промежуточная ситуация, когда в одной области параметр принимает все возможные значения, а в другой - только дискретные. В связи с этим выделяют непрерывные, дискретные и смешанные математические модели. В процессе анализа ММ этих типов могут быть преобразованы одна в другую, но при таком преобразовании следует контролировать выполнение требования адекватности ММ рассматриваемой системе.

Формы представления математических моделей. При математическом моделировании сложной системы описать ее поведение одной ММ, как правило, не удается, а если такая ММ и была бы построена, то она оказалась бы слишком сложной для количественного анализа. Поэтому к таким системам обычно применяют принцип декомпозиции. Он состоит в условном разбиении системы на подсистемы, допускающие их независимое исследование с последующим учетом их взаимного влияния друг на друга. В свою очередь, принцип декомпозиции можно применить и к каждой выделенной подсистеме вплоть до уровня достаточно простых элементов. В таком случае возникает иерархия ММ связанных между собой подсистем. Иерархические уровни выделяют и для отдельных типов ММ. Например, среди структурных ММ систем к более высокому уровню иерархии относят топологические ММ, а к более низкому уровню, характеризующемуся большей детализацией, - геометрические ММ. Среди функциональных ММ иерархические уровни отражают степень детализации описания процессов, протекающих в системе и ее элементах. С этой точки зрения обычно выделяют три основных уровня: микро - макро - и мета-уровень.

Математические модели микроуровня описывают процессы в системах с распределенными параметрами, а математические модели макроуровня - в системах с сосредоточенными параметрами. В первых из них фазовые переменные могут зависеть как от времени, так и от пространственных координат, а во вторых - только от времени.

Если в ММ макроуровня число фазовых переменных имеет порядок 10⁴-10⁵, то количественный анализ такой ММ становится громоздким и требует значительных затрат вычислительных ресурсов. Кроме того, при столь большом числе фазовых переменных трудно выделить существенные характеристики системы и особенности ее поведения. В таком случае путем объединения и укрупнения элементов сложной системы стремятся уменьшить число фазовых переменных за счет исключения из рассмотрения внутренних параметров элементов, ограничиваясь, лишь описанием взаимных связей между укрупненными элементами. Такой подход характерен для ММ метауровня.

Наиболее распространенной формой представления динамической (эволюционной) ММ микроуровня является формулировка краевой задачи для дифференциальных уравнений математической физики. Такая формулировка включает дифференциальные уравнения с частными производными и краевые условия. В свою очередь краевые условия содержат начальные и граничные условия. К начальным условиям относят распределения искомых фазовых переменных в некоторый момент времени. Границы же пространственной области, конфигурация которой соответствует рассматриваемому элементу или системе в целом являются граничными условиями. При представлении ММ целесообразно использовать безразмерные переменные и коэффициенты уравнений.

ММ микроуровня называют одномерной, двумерной или трехмерной, если искомые фазовые переменные зависят от одной, двух или трех пространственных координат соответственно. Два последних типа ММ объединяют в многомерные математические модели микроуровня.