Термин концептуальная модель относится к любой модели , которая формируется после процесса концептуализации или обобщения . [1] [2] Концептуальные модели часто являются абстракциями вещей в реальном мире, будь то физические или социальные. Семантические исследования имеют отношение к различным стадиям формирования концепций . Семантика по сути своей является изучением концепций, 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 нужно иметь это 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 представлении экспертного мнения о том, что является правдой, а не своих собственных идей о том, что является правдой.
Концептуальные модели различаются по типу от более конкретных, таких как мысленный образ знакомого физического объекта, до формальной общности и абстрактности математических моделей , которые не кажутся уму образом. Концептуальные модели также различаются по объему предмета, который они призваны представлять. Модель может, например, представлять отдельную вещь (например, Статую Свободы ), целые классы вещей (например, электрон ) и даже очень обширные области предмета, такие как физическая вселенная. Разнообразие и объем 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 коммуникации. [4]
Основная цель концептуальной модели — передать основные принципы и базовую функциональность системы, которую она представляет. Кроме того, концептуальная модель должна быть разработана таким образом, чтобы обеспечить легко понимаемую интерпретацию системы для пользователей модели. Концептуальная модель, при правильной реализации, должна удовлетворять четырем основным целям. [5]
Концептуальная модель играет важную роль в общем жизненном цикле разработки системы. Рисунок 1 [6] ниже изображает роль концептуальной модели в типичной схеме разработки системы. Очевидно, что если концептуальная модель не полностью разработана, выполнение фундаментальных свойств системы может быть реализовано ненадлежащим образом, что приведет к будущим проблемам или системным недостаткам. Эти сбои случаются в отрасли и связаны с: отсутствием пользовательского ввода, неполными или неясными требованиями и меняющимися требованиями. Эти слабые звенья в процессе проектирования и разработки системы можно проследить до неправильного выполнения фундаментальных целей 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 для улучшения понимания пользователем моделируемой системы. [7] Несколько методов кратко описаны в следующем тексте, однако, существует или разрабатывается гораздо больше. Некоторые часто используемые методы и методы концептуального моделирования включают: моделирование рабочего процесса , моделирование рабочей силы , быструю разработку приложений , моделирование объектов и ролей 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 многие методы концептуального моделирования, можно построить репрезентативные диаграммы более высокого и более низкого уровня. Диаграмма потока данных обычно не передает сложные системные детали, такие как соображения параллельной разработки или временную информацию, а скорее работает над тем, чтобы ввести основные системные функции в контекст. Моделирование потока данных — это центральный метод, используемый при разработке систем, который использует метод структурированного системного анализа и проектирования (SSADM).
Моделирование сущности-связи (ERM) — это концептуальный метод моделирования, используемый в основном для представления программных систем. Диаграммы сущности-связи, которые являются продуктом выполнения метода ERM, обычно используются для представления моделей баз данных и информационных систем. Основными компонентами диаграммы являются сущности и связи. Сущности могут представлять независимые функции, объекты или события. Связи отвечают за связь сущностей друг с другом. Чтобы сформировать системный процесс, связи объединяются с сущностями и любыми атрибутами, необходимыми для дальнейшего описания процесса. Для этого метода существует несколько соглашений о диаграммах; IDEF1X , Bachman и EXPRESS , и это лишь некоторые из них. Эти соглашения — просто разные способы просмотра и организации данных для представления различных аспектов системы.
Цепочка процессов, управляемых событиями (EPC), — это концептуальный метод 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, управляемыми событиями. В EPC существуют и другие элементы, все из которых работают вместе, чтобы определить, как и по каким правилам работает система. Метод EPC можно применять к таким бизнес-практикам, как планирование ресурсов, улучшение процессов и логистика.
Метод разработки динамических систем использует специальный процесс, называемый JEFFF, для концептуального моделирования жизненного цикла систем. JEFFF призван больше сосредоточиться на планировании разработки более высокого уровня, которое предшествует инициализации проекта. Процесс JAD требует серии семинаров, в которых участники работают над выявлением, определением и общим отображением успешного проекта от концепции до завершения. Было обнаружено, что этот метод не работает хорошо для крупномасштабных приложений, однако более мелкие приложения обычно сообщают о некотором чистом приросте эффективности. [8]
Также известная как сети Петри , эта концептуальная техника моделирования позволяет построить систему с элементами, которые могут быть описаны прямыми математическими средствами. Сеть Петри, благодаря своим недетерминированным свойствам выполнения и четко определенной математической теории, является полезной техникой для моделирования параллельного поведения системы , т. е. одновременного выполнения процессов.
Моделирование перехода состояний использует диаграммы перехода состояний для описания поведения системы. Эти диаграммы перехода состояний используют отдельные состояния для определения поведения системы и изменений. Большинство современных инструментов моделирования содержат некоторую возможность представлять моделирование перехода состояний. Использование моделей перехода состояний можно наиболее легко распознать как логические диаграммы состояний и направленные графы для конечных автоматов .
Поскольку метод концептуального моделирования иногда может быть намеренно неопределенным для учета широкой области 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 рассмотрена структура, предложенная Gemino и Wand. Однако, прежде чем оценивать эффективность метода концептуального моделирования для конкретного приложения, необходимо понять важную концепцию: сравнение концептуальных моделей путем особого внимания к их графическим или высокоуровневым представлениям является близоруким. Gemino и Wand справедливо утверждают, что при выборе подходящего метода следует делать акцент на языке концептуального моделирования . В общем, концептуальная модель разрабатывается с использованием некоторой формы метода концептуального моделирования. Этот метод будет использовать язык концептуального моделирования, который определяет правила того, как достигается модель. Понимание возможностей конкретного используемого языка является неотъемлемой частью правильной оценки метода концептуального моделирования, поскольку язык отражает описательную способность методов. Кроме того, язык концептуального моделирования будет напрямую влиять на глубину, на которой может быть представлена система, независимо от того, является ли она сложной или простой. [9]
Основываясь на некоторых из своих более ранних работ, [10] Gemino и Wand признают некоторые основные моменты, которые следует учитывать при изучении влияющих факторов: содержание, которое должна представлять концептуальная модель, метод, с помощью которого будет представлена модель, характеристики пользователей модели и конкретная задача языков концептуальной модели. [9] Содержание концептуальной модели следует учитывать, чтобы выбрать метод, который позволит представить соответствующую информацию. Метод представления для целей выбора будет сосредоточен на способности метода представлять модель на предполагаемом уровне глубины и детализации. Характеристики пользователей или участников модели являются важным аспектом для рассмотрения. Опыт 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 дополнительно позволит выбрать подходящий метод. 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.
Gemino и Wand продолжают расширять затронутое содержание переменных их предлагаемой структуры, рассматривая фокус наблюдения и критерий для сравнения. [9] Фокус наблюдения рассматривает, создаст ли концептуальный метод моделирования «новый продукт», или же метод только приведет к более глубокому пониманию моделируемой системы. Критерий для сравнения будет взвешивать способность концептуального метода моделирования быть эффективным или действенным. Концептуальный метод моделирования, который позволяет разрабатывать системную модель , которая учитывает все системные переменные на высоком уровне, может сделать процесс понимания функциональности системы более эффективным, но метод не содержит необходимой информации для объяснения внутренних процессов, что делает модель менее эффективной.
При принятии решения о том, какую концептуальную технику использовать, можно применить рекомендации Gemino и Wand, чтобы правильно оценить область действия рассматриваемой концептуальной модели. Понимание области действия концептуальных моделей приведет к более осознанному выбору техники, которая должным образом относится к этой конкретной модели. Подводя итог, при принятии решения о выборе между техниками моделирования, ответы на следующие вопросы позволят рассмотреть некоторые важные соображения концептуального моделирования.
Другая функция концептуальной модели имитационного моделирования — предоставление рациональной и фактической основы для оценки целесообразности применения имитационного моделирования.
В когнитивной психологии и философии сознания ментальная модель — это представление чего-либо в сознании [11], но ментальная модель может также относиться к нефизической внешней модели самого сознания. [12]
Метафизическая модель — это тип концептуальной модели, которая отличается от других концептуальных моделей предлагаемой сферой применения; метафизическая модель стремится представить реальность в максимально широком смысле. [13] Это означает, что она объясняет ответы на фундаментальные вопросы, такие как являются ли материя и разум одной или двумя субстанциями ; или обладают ли люди свободной волей .
Концептуальные модели и семантические модели имеют много общего, однако способ их представления, уровень гибкости и использование различаются. Концептуальные модели имеют определенную цель, поэтому основные семантические концепции предопределены в так называемой метамодели. Это позволяет прагматичное моделирование, но снижает гибкость, поскольку могут использоваться только предопределенные семантические концепции. Образцы представляют собой блок-схемы для поведения процесса или организационную структуру для поведения дерева.
Семантические модели более гибкие и открытые, и поэтому их сложнее моделировать. Потенциально можно определить любую семантическую концепцию, поэтому поддержка моделирования очень общая. Примерами являются 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 могут быть заполнены, тогда как семантические понятия связаны с понятиями, которые интерпретируются как свойства. В концептуальной модели операционная семантика может быть встроена, как обработка последовательности, тогда как семантическая модель требует явного семантического определения последовательности.
Решение, использовать ли концептуальную или семантическую модель, зависит от «объекта исследования», предполагаемой цели, необходимой гибкости, а также от того, как интерпретируется модель. В случае человеческой интерпретации может быть акцент на графических концептуальных моделях, в случае машинной интерпретации может быть акцент на семантических моделях.
Эпистемологическая модель — это тип концептуальной модели, предполагаемая область действия которой — известное и познаваемое, а также веримое и правдоподобное.
В логике модель — это тип интерпретации, при котором определенное утверждение является истинным. Логические модели можно в целом разделить на те, которые пытаются только представлять концепции, такие как математические модели; и те, которые пытаются представлять 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, которая придает смысл предложениям формального языка, называется моделью языка. Если модель языка к тому же 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 различные формы, включая, но не ограничиваясь динамическими системами, статистическими моделями, дифференциальными уравнениями или моделями теории игр. Эти и другие типы моделей могут перекрываться, при этом заданная модель включает в себя множество абстрактных структур.
Более полный тип математической модели [14] использует лингвистическую версию теории категорий для моделирования заданной ситуации. Подобно моделям «сущность-связь» , пользовательские категории или эскизы могут быть напрямую переведены в схемы баз данных . Разница в том, что логика заменяется теорией категорий, которая привносит мощные теоремы в предмет моделирования, особенно полезные для перевода между разнородными моделями (как функторы между категориями).
Научная модель — это упрощенное абстрактное представление сложной реальности. Научная модель представляет эмпирические объекты, явления и физические процессы логическим образом . Попытки формализовать принципы эмпирических наук используют интерпретацию для моделирования реальности, таким же образом логики аксиоматизируют принципы логики . Цель этих попыток — построить формальную систему , которая не будет производить теоретических следствий, противоречащих тому, что обнаруживается в реальности . Предсказания или другие утверждения , полученные из 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, в бутстреппинге , и ограничена лишь слабо предположениями. Выбор модели — это статистический метод выбора функции распределения в пределах класса таких функций; например, в линейной регрессии, где зависимая переменная является полиномом независимой переменной с параметрическими коэффициентами, выбор модели — это выбор наивысшего показателя, и он может быть выполнен с помощью непараметрических средних, например, с помощью перекрестной проверки .
В статистике могут быть модели ментальных событий, а также модели физических событий. Например, статистическая модель поведения клиента — это модель, которая является концептуальной (потому что поведение является физическим), но статистическая модель удовлетворенности клиента — это модель концепции (потому что удовлетворенность — это ментальное, а не физическое событие).
В экономике модель — это теоретическая конструкция, которая представляет экономические процессы с помощью набора переменных и набора логических и/или количественных соотношений между ними. Экономическая модель — это упрощенная структура, разработанная для иллюстрации сложных процессов, часто, но не всегда, с использованием математических методов. Часто экономические модели используют структурные параметры. Структурные параметры — это базовые параметры в модели или классе моделей. Модель может иметь различные параметры, и эти параметры могут изменяться для создания различных свойств.
Системная модель — это концептуальная модель, которая описывает и представляет структуру, поведение и другие представления системы . Системная модель может представлять несколько представлений системы с использованием двух различных подходов. Первый из них — неархитектурный подход, а второй — архитектурный подход. Неархитектурный подход соответственно выбирает модель для каждого представления. Архитектурный подход, также известный как системная архитектура , вместо выбора множества разнородных и не связанных между собой моделей будет использовать только одну интегрированную архитектурную модель.
В моделировании бизнес-процессов модель процесса предприятия часто называют моделью бизнес-процесса . Модели процессов являются основными концепциями в дисциплине проектирования процессов. Модели процессов:
Одна и та же модель процесса многократно используется для разработки множества приложений и, таким образом, имеет множество экземпляров.
Одно из возможных применений модели процесса — предписывать, как вещи должны/должны/могут быть сделаны в отличие от самого процесса, который на самом деле и происходит. Модель процесса — это, грубо говоря, ожидание того, как будет выглядеть процесс. Каким должен быть процесс, будет определено во время фактической разработки системы. [18]
Концептуальные модели систем человеческой деятельности используются в методологии мягких систем (SSM), которая является методом системного анализа, связанным со структурированием проблем в управлении. Эти модели являются моделями концепций; авторы специально заявляют, что они не предназначены для представления положения дел в физическом мире. Они также используются в анализе информационных требований (IRA), который является вариантом SSM, разработанным для проектирования информационных систем и разработки программного обеспечения.
Логико-лингвистическое моделирование — еще один вариант SSM, использующий концептуальные модели. Однако этот метод объединяет модели концепций с моделями предполагаемых объектов и событий реального мира. Это графическое представление модальной логики, в которой модальные операторы используются для различения утверждений о концепциях от утверждений об объектах и событиях реального мира.
В программной инженерии модель «сущность–связь» (ERM) — это абстрактное и концептуальное представление данных. Моделирование «сущность–связь» — это метод моделирования базы данных, используемый для создания типа концептуальной схемы или семантической модели данных системы, часто реляционной базы данных, и ее требований сверху вниз. Диаграммы, созданные этим процессом, называются диаграммами «сущность–связь», ER-диаграммами или ERD.
Модели «сущность–связь» широко применяются при построении информационных систем, предназначенных для поддержки деятельности, связанной с объектами и событиями в реальном мире. В этих случаях это концептуальные модели. Однако этот метод моделирования может быть использован для создания компьютерных игр или генеалогического древа греческих богов, в этих случаях он будет использоваться для моделирования концепций.
Модель предметной области — это тип концептуальной модели, используемой для отображения структурных элементов и их концептуальных ограничений в интересующей области (иногда называемой проблемной областью ). Модель предметной области включает в себя различные сущности, их атрибуты и отношения, а также ограничения, управляющие концептуальной целостностью элементов структурной модели, составляющих эту проблемную область. Модель предметной области может также включать в себя ряд концептуальных представлений, где каждое представление относится к определенной 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 могут использоваться для моделирования концепций или для моделирования объектов и событий реального мира.
