МОДЕЛИРАНЕТО

[BG-Science]

МОДЕЛИРАНЕТО

Често пъти светът не може да бъде опознаван непосредствено. Причините за това са понятни — повечето от явленията в него са толкова сложни, че съвременното ниво на научните познания не може да ги обхване и да ги обясни. От друга страна, когато трябва да се онагледи сложен процес, не е необходимо да се представят всичките му параметри, а само най-важните и определящите. И в двата случая специалистите си служат с модел на разглежданото явление или процес. Този математически подход към изследвания проблем отдавна е доказал своите предимства и през следващите години ще се развива все повече и повече, защото материалната основа за неговото масово прилагане са електронноизчислителните машини, а както знаем — бъдещето им принадлежи.

Прогнозирането на поведението на контролиращите системи е една от основните задачи, които ще се решават през следващия век. Защо? Защото в ръцете на контролната автоматика, образно казано, ще бъдат поверени обекти с изключително значение и ценност — от човешкия живот до устройства с фантастична цена, като телеуправляеми роботи, използувани на другите планети. Именно поради тази причина ще трябва да се познава изтънко поведението на тези контролиращи устройства, във времето. На практика това може да стане само с математическото моделиране чрез използуване на мощна изчислителна техника.

Тук е мястото да се каже, че поначало можем да разделим системите на два основни вида — такива, които се намират в устойчиво състояние, и други, които се стремят да излязат от хаоса и да станат устойчиви. Така е в живата природа, където организмите с всички сили и средства се борят с този смъртоносен процес. В неживата природа картината е подобна. Тук критерият е малко по друг — системите се делят на такива, в които атомите са строго подредени, и други, при които атомите имат хаотично разпределение. И ако приемем, че биологичните системи имат неравновесен порядък, а кристалите — равновесен, можем да кажем, че интегралните схеми са някъде по средата и представляват междинен случай, който не съществува в природата. Те са мъртви, но когато към тях се подадат захранващи напрежения и входни сигнали, те започват да преработват информация по подобие на живите организми. Поради изключителната сложност на протичащите процеси нищо друго освен математическото моделиране не може да ни помогне да узнаем какво поведение ще имат тези устройства по време на експлоатацията им.

И още нещо. Когато един биологичен организъм почва да губи съпротивителните си сили срещу процеса на възвръщане към равновесното положение, ние казваме, че организмът .старее. При техническите системи терминът е деградация, който означава, че възникващите в системата дефекти активират до такава степен естествените процеси (които се стремят към максимален хаос), че те придобиват разрушителна сила. Ако познаваме в детайли законите, пр които става тази деградация, ще можем с лекота да прогнозираме надеждността на редица сложни устройства, на които са поверени отговорни функции.

Изключително ценно става математическото моделиране, когато се извършва в реално време. За съжаление при повечето сложни процеси то изисква толкова мощни изчислителни машини, с каквито засега все още не разполагаме — специалистите обаче са на мнение, че това ще стане след няколко десетки години. Да видим какви ще са някои плюсове от това приложение на математическото моделиране.

Да започнем с една ретроспекция. Преди повече от сто години Джеймс Максуел предложи следния модел: малък демон следи за молекулите в два съда, контролира прехода между тях и сортира молекулите по енергийно състояние, като събира студените молекули в единия съд, а топлите — в другия. С тази си дейност демонът нарушава втория закон на термодинамиката. Основното възражение е в това, че демонът трябва да изразходва енергия за получаване на информация за енергийното състояние на молекулите и тези загуби ще доведат до общо покачване на ентропията в системата. Това важи за микросвета, но не и за макросвета.

Например при двигателите с вътрешно горене стотни от процента, отнемани от получената енергия, захранват електронната апаратура, която от своя страна оптимизира работата на двигателя. Колкото е по-съвършена тази апаратура, толкова по-висок ще бъде коефициентът на полезно действие на двигателя. Разбира се, природните граници не могат да бъдат преминати, но моделирайки функциите на контролните устройства, специалистите постепенно ще се доближат плътно до тях.

Математическото моделиране на биологичните процеси по всяка вероятност ще доведе до създаването на прогностична апаратура, която по своите възможности може да се сравни със своего рода електронен оракул. Да си представим, че дан- ните за пациента се въведат в ЕИМ, която моделира физиологичните му процеси в най-малки подробности и в режим на работа многократно по-бърз от режима «в реално време». Ясно е, че за минимално време ще може да се моделира биологичната картина на целия организъм за следващи моменти, като се поставя реалната диагноза и се определят евентуалните рискови фактори. В теоретичен аспект, ако към такава моделираща машина човек се свърже дистанционно и без да се вземат предвид неподлежащи на прогнозиране факти, ще получим система, която ще предсказва дали ще сме живи след определено време, или не. Разбира се, не става дума за моделирането на така на-речената съдба.

Възможностите на математическото моделиране са огромни. С него ще могат да се изпитват проектирани, но все още не-построени конструкции, чието реализиране на ниво прототип е твърде скъпо, а правилното им функциониране е от особено значение. Такива устройства ще бъдат например промишлените реактори за управляем термоядрен синтез или някои видове космически кораби. Не може да се каже, че днес математическото моделиране се подценява, но истинското му масово приложение в почти всички области на науката, техниката и други сфери ще стане реалност едва през XXI век.