Термин «концептуальная модель» относится к любой модели , которая формируется после процесса концептуализации или обобщения . [1] [2] Концептуальные модели часто представляют собой абстракции вещей реального мира, физического или социального. Семантические исследования актуальны для различных этапов формирования концепта . Семантика — это, по сути, изучение понятий, значений, которые мыслящие существа придают различным элементам своего опыта.
Ценность концептуальной модели обычно прямо пропорциональна тому, насколько хорошо она соответствует прошлому, настоящему, будущему, фактическому или потенциальному положению дел. Концептуальная модель (модель концепции) совершенно иная, потому что для того, чтобы быть хорошей моделью, ей не обязательно иметь соответствие реальному миру. [3] В искусственном интеллекте концептуальные модели и концептуальные графы используются для построения экспертных систем и систем, основанных на знаниях ; здесь аналитики заинтересованы в том, чтобы представить экспертное мнение о том, что является истиной, а не свои собственные идеи о том, что является истиной.
Концептуальные модели варьируются по типу от более конкретных, таких как мысленный образ знакомого физического объекта, до формальной общности и абстрактности математических моделей , которые не предстают перед разумом как образ. Концептуальные модели также различаются по объему предмета, который они призваны представлять. Модель может, например, представлять одну вещь (например, Статую Свободы ), целые классы вещей (например, электрон ) и даже очень обширные области предмета, такие как физическая вселенная. Разнообразие и масштабы концептуальных моделей обусловлены разнообразием целей, которые преследуют люди, использующие их.
Концептуальное моделирование — это деятельность по формальному описанию некоторых аспектов физического и социального мира вокруг нас в целях понимания и общения. [4]
Основная цель концептуальной модели — передать фундаментальные принципы и базовую функциональность системы, которую она представляет. Кроме того, концептуальная модель должна быть разработана таким образом, чтобы обеспечить понятную системную интерпретацию для пользователей модели. Концептуальная модель, если она реализована должным образом, должна удовлетворять четырем фундаментальным целям. [5]
Концептуальная модель играет важную роль в общем жизненном цикле разработки системы. На рисунке 1 [6] ниже показана роль концептуальной модели в типичной схеме разработки системы. Понятно, что если концептуальная модель не полностью разработана, реализация фундаментальных свойств системы может не быть реализована должным образом, что приведет к будущим проблемам или недостаткам системы. Эти сбои действительно случаются в отрасли и связаны с ними; отсутствие информации со стороны пользователя, неполные или неясные требования, а также меняющиеся требования. Эти слабые звенья в процессе проектирования и разработки системы можно объяснить неправильным выполнением основных задач концептуального моделирования. Важность концептуального моделирования очевидна, когда такие системные сбои смягчаются тщательной разработкой системы и соблюдением проверенных целей/методов разработки.
Многочисленные методы могут применяться в различных дисциплинах, чтобы улучшить понимание пользователем моделируемой системы. [7] Некоторые методы кратко описаны в следующем тексте, однако многие другие существуют или разрабатываются. Некоторые часто используемые методы и методы концептуального моделирования включают: моделирование рабочих процессов , моделирование рабочей силы , быструю разработку приложений , объектно-ролевое моделирование и унифицированный язык моделирования (UML).
Моделирование потока данных (DFM) — это базовый метод концептуального моделирования, который графически представляет элементы системы. DFM — довольно простой метод; однако, как и во многих методах концептуального моделирования, можно построить репрезентативные диаграммы более высокого и низкого уровня. Диаграмма потоков данных обычно не передает сложные детали системы, такие как соображения параллельной разработки или информацию о сроках, а скорее помогает представить основные функции системы в контексте. Моделирование потока данных — это основной метод, используемый при разработке систем, в котором используется метод структурированного системного анализа и проектирования (SSADM).
Моделирование сущностей и связей (ERM) — это метод концептуального моделирования, используемый в основном для представления программных систем. Диаграммы «сущность-связь», являющиеся результатом реализации метода ERM, обычно используются для представления моделей баз данных и информационных систем. Основными компонентами диаграммы являются сущности и отношения. Сущности могут представлять независимые функции, объекты или события. Отношения отвечают за связь сущностей друг с другом. Чтобы сформировать системный процесс, отношения объединяются с сущностями и любыми атрибутами, необходимыми для дальнейшего описания процесса. Для этого метода существует множество соглашений о построении диаграмм; IDEF1X , Bachman и EXPRESS , и это лишь некоторые из них. Эти соглашения представляют собой просто разные способы просмотра и организации данных для представления различных аспектов системы.
Цепочка процессов, управляемых событиями (EPC), — это метод концептуального моделирования, который в основном используется для систематического улучшения потоков бизнес-процессов. Как и большинство методов концептуального моделирования, цепочка процессов, управляемых событиями, состоит из сущностей/элементов и функций, которые позволяют разрабатывать и обрабатывать отношения. Более конкретно, EPC состоит из событий, которые определяют, в каком состоянии находится процесс или правила, по которым он работает. Для прохождения событий необходимо выполнить функцию/активное событие. В зависимости от потока процесса функция может преобразовывать состояния событий или связываться с другими цепочками процессов, управляемых событиями. В EPC существуют и другие элементы, которые вместе определяют, как и по каким правилам работает система. Технику EPC можно применять к такой деловой практике, как планирование ресурсов, улучшение процессов и логистика.
Метод разработки динамических систем использует особый процесс под названием JEFFF для концептуального моделирования жизненного цикла системы. JEFFF призван уделять больше внимания планированию разработки более высокого уровня, которое предшествует инициализации проекта. Процесс JAD предполагает проведение серии семинаров, на которых участники работают над выявлением, определением и общим картированием успешного проекта от концепции до завершения. Было обнаружено, что этот метод не очень хорошо работает для крупномасштабных приложений, однако более мелкие приложения обычно сообщают о некотором чистом выигрыше в эффективности. [8]
Этот метод концептуального моделирования, также известный как сети Петри , позволяет строить систему с элементами, которые можно описать прямыми математическими средствами. Сеть Петри, благодаря своим недетерминированным свойствам выполнения и четко определенной математической теории, является полезным методом моделирования параллельного поведения системы , то есть одновременного выполнения процессов.
Моделирование перехода состояний использует диаграммы перехода состояний для описания поведения системы. Эти диаграммы перехода состояний используют отдельные состояния для определения поведения и изменений системы. Большинство современных инструментов моделирования содержат некоторую возможность представлять моделирование переходов состояний. Использование моделей перехода состояний легче всего распознать в виде логических диаграмм состояний и ориентированных графов для конечных автоматов .
Поскольку метод концептуального моделирования иногда может быть намеренно расплывчатым, чтобы учесть широкую область использования, фактическое применение концептуального моделирования может стать затруднительным. Чтобы облегчить эту проблему и пролить свет на то, что следует учитывать при выборе подходящего метода концептуального моделирования, в следующем тексте будет обсуждаться структура, предложенная Близнецами и Вандом. Однако прежде чем оценивать эффективность метода концептуального моделирования для конкретного приложения, необходимо понять важную концепцию; Сравнивать концептуальные модели, уделяя особое внимание их графическим представлениям или представлениям верхнего уровня, недальновидно. Близнецы и Ванд справедливо утверждают, что при выборе подходящей техники акцент следует делать на концептуальном языке моделирования . Как правило, концептуальная модель разрабатывается с использованием той или иной техники концептуального моделирования. В этом методе будет использоваться язык концептуального моделирования, определяющий правила построения модели. Понимание возможностей конкретного используемого языка необходимо для правильной оценки метода концептуального моделирования, поскольку язык отражает описательные возможности метода. Кроме того, язык концептуального моделирования будет напрямую влиять на глубину представления системы, независимо от того, сложная она или простая. [9]
Опираясь на некоторые из своих более ранних работ, [10] Джемино и Ванд признают некоторые основные моменты, которые следует учитывать при изучении влияющих факторов: содержание, которое должна представлять концептуальная модель, метод, в котором модель будет представлена, характеристики модели. пользователи и конкретная задача языков концептуальной модели. [9] Следует учитывать содержание концептуальной модели, чтобы выбрать метод, который позволит представить соответствующую информацию. Метод представления для целей выбора будет сосредоточен на способности метода представлять модель на заданном уровне глубины и детализации. Важным аспектом, который следует учитывать, являются характеристики пользователей или участников модели. Квалификация и опыт участника должны совпадать со сложностью концептуальной модели, в противном случае неверное представление системы или непонимание ключевых концепций системы может привести к проблемам в реализации этой системы. Задача языка концептуальной модели в дальнейшем позволит выбрать подходящую технику. Разница между созданием концептуальной модели системы для передачи функциональности системы и созданием концептуальной модели системы для интерпретации этой функциональности может включать два совершенно разных типа языков концептуального моделирования.
Близнецы и Ванд продолжают расширять содержание затронутых переменных в предложенной ими схеме, рассматривая фокус наблюдения и критерий сравнения. [9] В центре внимания наблюдения находится вопрос о том, создаст ли метод концептуального моделирования «новый продукт» или же этот метод приведет лишь к более глубокому пониманию моделируемой системы. Критерием сравнения будет способность метода концептуального моделирования быть эффективным или действенным. Техника концептуального моделирования, позволяющая разработать модель системы , учитывающую все системные переменные на высоком уровне, может сделать процесс понимания функциональности системы более эффективным, но в этом методе отсутствует необходимая информация для объяснения внутренних процессов, что делает процесс понимания функциональности системы более эффективным. модель менее эффективна.
При принятии решения о том, какую концептуальную технику использовать, можно применить рекомендации Близнецов и Жезла, чтобы правильно оценить объем рассматриваемой концептуальной модели. Понимание области применения концептуальных моделей приведет к более осознанному выбору метода, который правильно обращается к этой конкретной модели. Таким образом, при выборе между методами моделирования ответы на следующие вопросы позволят учесть некоторые важные соображения концептуального моделирования.
Другая функция концептуальной модели моделирования заключается в обеспечении рациональной и фактической основы для оценки целесообразности применения моделирования.
В когнитивной психологии и философии разума ментальная модель — это представление чего-то в сознании, [11] но ментальная модель может также относиться к нефизической внешней модели самого разума. [12]
Метафизическая модель — это тип концептуальной модели, который отличается от других концептуальных моделей предлагаемой областью применения; метафизическая модель призвана представить реальность в самом широком смысле. [13] То есть, он объясняет ответы на фундаментальные вопросы, например, являются ли материя и разум одной или двумя субстанциями ; или есть ли у людей свободная воля .
Концептуальные модели и семантические модели имеют много общего, однако способ их представления, уровень гибкости и использования различны. Концептуальные модели преследуют определенную цель, поэтому основные семантические концепции заранее определены в так называемой метамодели. Это позволяет проводить прагматичное моделирование, но снижает гибкость, поскольку можно использовать только заранее определенные семантические концепции. Образцы представляют собой блок-схемы поведения процессов или организационную структуру поведения дерева.
Семантические модели более гибкие и открытые, поэтому их сложнее моделировать. Потенциально может быть определено любое семантическое понятие, поэтому поддержка моделирования является очень общей. Образцы — это терминологии, таксономии или онтологии.
В концептуальной модели каждое понятие имеет уникальное и различимое графическое представление, тогда как семантические понятия по умолчанию одинаковы. В концептуальной модели каждое понятие имеет предопределенные свойства, которые можно заполнить, тогда как семантические понятия связаны с понятиями, которые интерпретируются как свойства. В концептуальную модель может быть встроена операционная семантика, например, обработка последовательности, тогда как семантическая модель требует явного семантического определения последовательности.
Таким образом, решение о том, использовать ли концептуальную модель или семантическую модель, зависит от «объекта исследования», предполагаемой цели, необходимой гибкости, а также от того, как интерпретируется модель. В случае человеческой интерпретации акцент может быть сделан на графических концептуальных моделях, в случае машинной интерпретации — на семантических моделях.
Эпистемологическая модель — это тип концептуальной модели, предполагаемая сфера действия которой — известное и познаваемое, а также то, во что верят и правдоподобное.
В логике модель — это тип интерпретации , при которой определенное утверждение истинно. Логические модели можно в общих чертах разделить на модели, которые только пытаются представить концепции, например математические модели; и те, которые пытаются представить физические объекты и фактические отношения, среди которых есть научные модели.
Теория моделей — это изучение (классов) математических структур, таких как группы, поля, графы или даже вселенные теории множеств, с использованием инструментов математической логики. Система, придающая смысл предложениям формального языка, называется моделью языка. Если модель языка, кроме того, удовлетворяет конкретному предложению или теории (набору предложений), она называется моделью предложения или теории. Теория моделей тесно связана с алгеброй и универсальной алгеброй.
Математические модели могут принимать разные формы, включая, помимо прочего, динамические системы, статистические модели, дифференциальные уравнения или модели теории игр. Эти и другие типы моделей могут перекрываться, при этом данная модель включает в себя множество абстрактных структур.
Более комплексный тип математической модели [14] использует лингвистическую версию теории категорий для моделирования данной ситуации. Подобно моделям «сущность-связь» , пользовательские категории или эскизы могут быть напрямую преобразованы в схемы базы данных . Разница в том, что логика заменяется теорией категорий, которая привносит мощные теоремы в предмет моделирования, особенно полезные для перевода между несопоставимыми моделями (в качестве функторов между категориями).
Научная модель — это упрощенный абстрактный взгляд на сложную реальность. Научная модель логически представляет эмпирические объекты, явления и физические процессы . Попытки формализовать принципы эмпирических наук используют интерпретацию для моделирования реальности точно так же, как логики аксиоматизируют принципы логики . Целью этих попыток является создание формальной системы , которая не приведет к теоретическим выводам, противоречащим тому, что обнаруживается в действительности . Прогнозы или другие утверждения, сделанные на основе такой формальной системы, отражают или отображают реальный мир только в той мере, в какой эти научные модели верны. [15] [16]
Статистическая модель — это функция распределения вероятностей , предложенная для генерации данных. В параметрической модели функция распределения вероятностей имеет переменные параметры, такие как среднее значение и дисперсия в нормальном распределении или коэффициенты для различных показателей независимой переменной в линейной регрессии . Непараметрическая модель имеет функцию распределения без параметров, например, при начальной загрузке , и лишь слабо ограничивается предположениями. Выбор модели — это статистический метод выбора функции распределения внутри их класса; например, в линейной регрессии, где зависимая переменная представляет собой полином независимой переменной с параметрическими коэффициентами, выбор модели заключается в выборе наивысшего показателя степени и может быть выполнен с помощью непараметрических средств, например, с помощью перекрестной проверки .
В статистике могут существовать модели психических событий, а также модели физических событий. Например, статистическая модель поведения клиентов — это концептуальная модель (поскольку поведение является физическим), а статистическая модель удовлетворенности клиентов — это модель концепции (поскольку удовлетворение — это умственное, а не физическое событие).
В экономике модель — это теоретическая конструкция, которая представляет экономические процессы с помощью набора переменных и набора логических и/или количественных связей между ними. Экономическая модель представляет собой упрощенную структуру, предназначенную для иллюстрации сложных процессов, часто, но не всегда, с использованием математических методов. Часто в экономических моделях используются структурные параметры. Структурные параметры — это базовые параметры модели или класса моделей. Модель может иметь различные параметры, и эти параметры могут меняться для создания различных свойств.
Системная модель — это концептуальная модель , которая описывает и представляет структуру, поведение и другие виды системы . Модель системы может представлять несколько представлений о системе, используя два разных подхода. Первый – это неархитектурный подход, второй – архитектурный подход. Неархитектурный подход соответственно выбирает модель для каждого представления. Архитектурный подход, также известный как системная архитектура , вместо выбора множества разнородных и несвязанных моделей будет использовать только одну интегрированную архитектурную модель.
При моделировании бизнес-процессов модель процессов предприятия часто называют моделью бизнес-процессов . Модели процессов являются основными концепциями в области технологического проектирования. Модели процессов:
Одна и та же модель процесса неоднократно используется для разработки многих приложений и, следовательно, имеет множество реализаций.
Одним из возможных вариантов использования модели процесса является описание того, как что-то должно/должно/может быть сделано в отличие от самого процесса, что на самом деле и происходит. Модель процесса — это примерное представление о том, как будет выглядеть процесс. Каким будет этот процесс, будет определено в ходе фактической разработки системы. [18]
Концептуальные модели систем человеческой деятельности используются в методологии мягких систем (МСМ), которая представляет собой метод системного анализа, связанный со структурированием проблем управления. Эти модели являются моделями концепций; авторы специально заявляют, что они не предназначены для отображения положения дел в физическом мире. Они также используются в анализе информационных требований (IRA), который представляет собой вариант SSM, разработанный для проектирования информационных систем и разработки программного обеспечения.
Логико-лингвистическое моделирование — еще один вариант ССМ, использующий концептуальные модели. Однако этот метод сочетает модели концепций с моделями предполагаемых объектов и событий реального мира. Это графическое представление модальной логики, в котором модальные операторы используются для различения утверждений о понятиях от утверждений об объектах и событиях реального мира.
В разработке программного обеспечения модель сущность-связь (ERM) представляет собой абстрактное и концептуальное представление данных. Моделирование сущностей и связей — это метод моделирования базы данных, используемый для создания типа концептуальной схемы или семантической модели данных системы, часто реляционной базы данных, и ее требований нисходящим способом. Диаграммы, созданные в результате этого процесса, называются диаграммами отношений сущностей, диаграммами ER или ERD.
Модели «сущность-связь» нашли широкое применение при построении информационных систем, предназначенных для поддержки действий, связанных с объектами и событиями в реальном мире. В этих случаях они являются концептуальными моделями. Однако этот метод моделирования можно использовать для построения компьютерных игр или генеалогического древа греческих богов, в этих случаях он будет использоваться для моделирования концепций.
Модель предметной области — это тип концептуальной модели, используемый для изображения структурных элементов и их концептуальных ограничений в интересующей области (иногда называемой проблемной областью ). Модель предметной области включает в себя различные объекты, их атрибуты и отношения, а также ограничения, управляющие концептуальной целостностью элементов структурной модели, составляющих эту предметную область. Модель предметной области может также включать в себя ряд концептуальных представлений, где каждое представление относится к конкретной предметной области предметной области или к определенному подмножеству модели предметной области, которое представляет интерес для заинтересованной стороны модели предметной области.
Подобно моделям «сущность-связь», модели предметной области можно использовать для моделирования концепций или объектов и событий реального мира.
