Символьное моделирование / Основные понятия

Теория s-моделирования является методологической платформой построения связанных между собой систем понятий и знаний, относящихся к предметным областям информатики, физики, математики, биологии и других наук. Построенные системы рассчитаны на применение при проектировании компьютеров, смартфонов и др. программируемых машин (s-машин) и s-среды, а также при информатизации различных видов деятельности (научной, инженерной, экономической и др.).

Методологическое обеспечение развития s-среды

Методологическое обеспечение развития s-среды и реализуемых на её основе информационных технологий представлено в виде связанных между собой методологических комплексов решения базовых задач s-моделирования и физико-технического воплощения s-машин и s-среды.

Результаты первого комплекса служат основанием разработок систем символов и кодов; языков спецификаций, запросов и программирования; архитектур s-машин и соответствующих им систем команд; ассемблеров, компиляторов и интерпретаторов; операционных систем и библиотек программ; редакторов (текстовых, графических, аудио и видео) и инструментальных систем программирования; типов и структур данных, систем управления базами данных (СУБД); систем памяти, накопителей и поисковых систем; сетевых архитектур, протоколов и технологий обмена сообщениями; методов и технологий информационной безопасности].

Символы

□ S-символ — заменитель природного или изобретённого объекта, обозначающий этот объект и являющийся элементом определённой системы построения символьных сообщений (текстов, нотных записей или др.) в s-среде, рассчитанных на восприятие человеком или роботом. □

О В s-моделировании русский алфавит вместе со знаками препинания рассматривается как система текстовых s-символов для построения сообщений по правилам грамматики русского языка (каждый элемент алфавита является заменителем звука, применяемого в речевых сообщениях);

шрифт Брайля для слепых — как система фактурных s-символов для построения текстовых сообщений, рассчитанных на восприятие осязанием пальцами рук;

нотное письмо, система нотных s-символов — как средство построения музыкальных сообщений, представленных в графической форме, а система s-символов шахматной нотации (Chess Notation) — как средство записи шахматных партий в виде текстовых сообщений. О

В компьютерах, смартфонах и других s-машинах символ представляется в форме кода, предназначенного для построения, сохранения, передачи и интерпретации символьных сообщений. Отличительным признаком символьных объектов, существующих в s-среде (файлов книг, статей, видеозаписей, электронных карт, компьютерных программ и др.), являются легко осуществляемые копирование без искажений, распространение и хранение копий (по сравнению с несимвольными объектами: физическими моделями, макетами научно-технических сооружений и др.).

Виды и типы s-символов

Каждому виду символов соответствует средство приёма сообщений, которым наделён человек (или робот): визуальный — зрение; аудио — слух; тактильный — осязание; запаховый — обоняние.

В современной (уровня 2020 г.) s-среде сравнительно продуктивно используются зрение (восприятие текста, неподвижных и подвижных изображений и др.) и слух (восприятие речи, музыки и др.). Осязание используется в мобильных телефонах (для приёма вибровызова), в игровых устройствах и др.; обоняние — в стадии экспериментирования (выпускаются приборы для распознавания запахов).

Для производства символьных сообщений человек может использовать органы речи, части тела, производящие различимые движения (жесты рук, движения пальцев и др.), и глаза (выбор объекта, указание на место его нового размещения и др.).

В современной (уровня 2020 г.) s-среде относительно продуктивно используются движения пальцев рук (посредством компьютерной клавиатуры, мыши, стилуса, сенсорного экрана и др.); распознавание звуковых команд и извещений находится в стадии становления, а использование глаз как средства производства сообщений, направляемых s-машинам, — в стадии исследований.

Каждый вид символов делится на типы: типу символов соответствует множество символов, для которых определены набор атрибутов и семейство допустимых операций.

Виду визуальный соответствуют типы: графический [для построения сообщений, содержащих неподвижные изображения (фотографии, схемы и др.)]; видео (для построения сообщений, содержащих подвижные изображения) и др.

Виду аудио соответствуют типы: речевой (для построения сообщений, содержащих речевые фрагменты); музыкальный (для построения сообщений, содержащих музыкальные фрагменты) и др.

Виду тактильный соответствуют типы: кинетический [служит для формирования сообщений путём перемещения элементов устройств, предназначенных для интерфейса с s-машиной (О вибровызов мобильного телефона — сообщение о поступившем запросе на связь О)]; фактурный [служит для передачи сообщений путём изменения фактуры поверхности элементов устройств (О плоская → волнистая или ребристая и т. д. О)]; термический (служит для передачи сообщений путём изменения температуры поверхности элементов устройств).

Коды

□ S-код является заменителем s-символа или символьного сообщения, используемым для их представления в s-машинах и предназначенным для построения, сохранения, передачи и интерпретации символьных сообщений в s-среде. □

Цифровое кодирование символов и символьных сообщений позволяет применять методы решения задач, которые можно представить в виде программ, рассчитанных на выполнение цифровыми s-машинами.

При цифровом кодировании символам ставят во взаимно однозначное соответствие числа, которые можно эффективно представить в памяти s-машины. При этом основание системы счисления выбирают равным количеству устойчивых состояний, в которых могут находиться элементарные составляющие, из которых построена s-машина (О в современных цифровых s-машинах используется двоичное представление кодов программ и данных, так как транзисторы имеют два устойчивых состояния О).

О В таблице показаны графические символы планет солнечной системы, применяемые астрономами при изготовлении электронных документов, и соответствующие им коды стандарта Юникод (англ. The Unicode Standard). О

Название планеты	Символ	Код
Меркурий	☿	U+263F
Венера	♀	U+2640
Земля	♁	U+2641
Марс	♂	U+2642
Юпитер	♃	U+2643
Сатурн	♄	U+2644
Уран	♅	U+2645
Нептун	♆	U+2646

Сигналы

□ S-сигнал — физически реализованное (в виде композиций значений электрического напряжения, частоты или др.) представление s-кода, рассчитанное на распознавание и интерпретацию аппаратным средством s-машины (микропроцессором, видеоконтроллером или др.). □

Типизация моделируемых объектов

□ Тип X ≈ множество X, элементы которого имеют фиксированные набор атрибутов и семейство допустимых операций. Может иметь подтипы, называемые специализациями типа X, и надтипы, называемые обобщениями типа X. □

□ Специализация типа X — порождение подтипа X [::rule] (здесь сдвоенное двоеточие «::» — символ специализации) с семейством связей, расширенным добавлением связи rule. Выделяет подмножество X [::rule] множества X. Специализацией называют и результат X [::rule] этого порождения (X > X [::rule]). □

Специализация типа, заданная последовательностью добавленных связей X [::(rule 1)::rule 2], — специализация типа X [::rule 1] по связи rule 2. Число специализирующих связей в последовательности не ограничено. При этом имена связей, предшествующие последнему, заключены в круглые скобки, а перед открывающей скобкой каждой пары скобок — сдвоенное двоеточие.

□ Обобщение типа Z — это порождение его надтипа Z [#rule] путём ослабления (здесь # — символ ослабления) связи rule из семейства связей, соответствующей типу Z. Исключение связи считают её предельным ослаблением. □

Сообщение

□ S-сообщение — конечная упорядоченная совокупность s-символов, рассчитанная на распознавание и интерпретацию получателем, или её s-код, удовлетворяющий требованиям решения базовых задач s-(представления, преобразования, распознавания, конструирования, интерпретации, обмена, сохранения, накопления, поиска и защиты) в s-среде. □

О S-модели систем понятий и систем знаний, в которых представлены результаты изучения некоторых сущностей (объектов исследований); программы, определяющие поведение s-машин; веб-страницы и файлы документов — всё это s-сообщения. О

В s-среде люди с помощью s-машин формируют s-сообщения, представляя их на языках запросов, программирования и др.; выполняют различные преобразования [О из аналоговой формы в цифровую и обратно; из несжатой в сжатую и обратно; из одной формы представления документа в другую (О *.doc в *.pdf О) О]; распознают, используют s-сообщения для конструирования новых s-сообщений (программ, документов и др.); интерпретируют на моделях систем понятий (которые хранятся в памяти интерпретатора также в форме s-сообщений); обмениваются s-сообщениями [используя при этом программно-аппаратно реализованные системы правил (сетевые протоколы); сохраняют и накапливают s-сообщения (создавая электронные библиотеки, энциклопедии и др. информационные ресурсы], занимаются решением задач поиска и защиты s-сообщений.

Модель системы понятий

□ S-модель ca системы понятий — это пара <mem^sc ≈ память модели sc системы sC понятий>, <rel (mem^sc) ≈ семейство связей, заданных на mem^sc> (где sc — помета). □

□ Определение системы понятий — описание её s-модели, сопровождаемое указанием области применимости.

Описание представлено в форме сообщения, рассчитанного:

• на интерпретацию профессиональным сообществом;
• представление, сохранение, распространение, накопление и поиск в s-среде. □

Определение системы понятий должно удовлетворять необходимым требованиям конструктивности:

• представление в виде пары <определение области применимости>, <s-модель системы понятий>;
• в систему понятий, считающуюся определённой, не должны входить понятия, не имеющие определений (и при этом не относящиеся к понятиям-аксиомам).

□ Определение области применимости модели — описание типов:

• корреспондента (кому адресовано определение);
• цели, в процессе достижения которой определение имеет смысл (классы задач, при изучении которых определение может быть полезно);
• стадии, на которой целесообразно использовать определение (концепция, методология решения и т. д.). □

Область применимости модели может принадлежать совокупности областей, в которых исследуются природные объекты, или к совокупности областей, в которых изучаются изобретаемые объекты.

О Элементарным примером системы понятий с разрешимыми задачными связями между элементами памяти является система понятий треугольник, в которой стороны a, b, c, периметр p и т. д. — элементы памяти; а связи p = a + b + c и др. — элементы семейства связей. О

О tr ≈ tr [::angle = π/2]: тип tr системы понятий прямоугольный треугольник — специализация типа tr треугольник путём добавления связи angle = π/2 (выделяет из множества треугольников подмножество тех, у которых величина одного из углов равна π/2). О

О message [::(interface = h → m)::means = tauch] — это специализация типа message [::interface = h → m], определяющего множество сообщений, соответствующих интерфейсу человек — s-машина, по связи means = touch, выделяющей множество сообщений, вводимых в s-машину посредством прикосновений (О пальцами рук к клавишам клавиатуры или сенсорному экрану О). O 

O modeling ≈ symbolic modeling [#tools] — моделирование (modeling) можно рассматривать как обобщение типа символьное моделирование (symbol modeling) исключением связи tools (средства моделирования). O

Информация

□ S-информация — результат интерпретации сообщения на s-модели системы понятий. Для извлечения информации из сообщения необходимо иметь: принятое сообщение, представленное в форме, рассчитанной на распознавание и интерпретацию получателем сообщения; хранящиеся в памяти модели систем понятий, среди которых — необходимая для интерпретации принятого сообщения; механизмы поиска необходимой модели, интерпретации сообщения, представления результата интерпретации в виде сообщения и записи его в память. □

• O Результат интерпретации сообщения ma, представленного на языке a, полученный переводчиком (человеком или роботом) в виде сообщения mb на языке b, – информация, извлечённая из сообщения ma. O
• O Экранное представление веб-страницы, рассчитанное на восприятие человеком, — результат интерпретации сообщения, полученного браузером от веб-сервера. O

Модель системы знаний

□ S-модель системы знаний — триада <ca ≈ s-модель системы Sc понятий>, <set^lng ≈ s-модель совокупности языков сообщений, интерпретируемых на ca>, <set^intr ≈ s-модель совокупности интерпретаторов на ca сообщений, составленных на языках из set^lng>. □

Интерпретация сообщения на модели ca:

1. построение выходного сообщения (извлечение информации) по заданному входному (сообщения представлены на языках из совокупности set^lng);

2. анализ выходного сообщения (требуются ли изменения в модели ca);

3. если требуется, то изменение модели ca; если нет — завершение.

O Онлайн-сервис построения маршрутов основан на системе навигационных знаний. O