Mallintaminen

Wikipedia

Mallintaminen tarkoittaa todellisuuden osan, esimerkiksi tietyn ilmiön tai systeemin esittämistä muulla tavalla kuin sillä itsellään. Mallintamista on esimerkiksi kartta, joka on malli todellisesta maastosta tai pienoismalli, joka on pienennetty malli todellisesta esineestä. Mallintamista voidaan tehdä myös matemaattisesti, kuten esimerkiksi painovoimamalli, joka kuvaa kahden tai useamman kappaleen välistä vuorovaikutusta. Myös toimintamalli aivoissa, todellisen toiminnan esitys aivojen ymmärtämässä muodossa, voidaan katsoa mallintamiseksi. Mallinnuksen tuloksia käytetään muun muassa ilmiön simulointiin, tutkimukseen ja käyttäytymisen ennustamiseen eri tilanteissa.

[muokkaa] Todellisuus ja mallintaminen

Todellisuutta voidaan mallintaa monin tavoin. Siitä voidaan rakentaa fyysisiä malleja, esim. pienoismalleja tuulitunnelikokeisiin tai allaskokeisiin (fyysinen mallintaminen). Sitä voidaan kuvata matemaattisesti (painovoimamalli), fysikaalisesti (Bohrin atomimalli; analyyttinen mallintaminen) tai muulla toimintamallilla (vuokaavio, algoritmi; toiminnallinen mallintaminen). Mallintaa voidaan myös yrityksen ja erehdyksen kautta, siis mallintaminen oppimalla. Nykyään mallinnusta tehdään etenkin tietokoneilla (tietokonemallintaminen).

Mallintamista käytetään hyvin monessa paikassa. Tekniikka ja fysiikka perustuvat mallintamiseen, useimmiten matematiikkaan. Myös ihmisryhmien käyttäytymistä tutkitaan mallintamalla niitä. Toisaalta ihminen mallintaa maailmaa päässään (opittuna tai geneettisesti). Tutkimustoiminnassa mallinnetaan tutkittavaa ilmiötä ja saadaan siitä tätä kautta uutta tietoa.

[muokkaa] Mallintamisen hyödyt ja haitat

Mallintamiseen liittyy monia ongelmia. Malli ei ole todellisuus vaan aina approksimaatio, likiarvo. Jotkut asiat ovat vaikeasti mallinnettavissa esimerkiksi niiden vaatiman suuren laskentakapasiteetin takia. Toisaalta jotkut asia eivät ole mallinnettavissa lainkaan vaan ne voidaan esittää vain itsellään. Näitä ovat erityisesti kompleksiset ilmiöt, kuten mikä tahansa pitkän aikavälin toiminta, jossa on paljon muuttujia (paikallisen sään ennustaminen tasan vuoden päähän) sekä esimerkiksi elämä ja tietoisuus.

Mallintamisen edut ovat kuitenkin huomattavia. Se on usein paljon halvempaa kuin todellisuus (vrt. laivan pienoismalli ja todellinen laiva). Se myös antaa enemmän tietoa todellisuudesta kuin arvaus tai luulo ilman mallia, vaikka ei vastaakaan todellisuutta. Mallinnuksen avulla voidaan tarkastella asioita, joita ei ole mahdollista tarkastella fyysisesti, esimerkiksi

eläinpopulaation käyttäytymistä 1000 sukupolven, esim. 5000 vuoden aikana
kvarkkien tai hyvin pienien aineen osien käyttäytymistä
planeettojen tai tähtien käyttäytymistä, syntyä ja kehitystä
ydinvoimala- tai lento-onnettomuutta erilaisten virhesuoritusten seurauksena
ydinaseiden ja ydinvoimaloiden perusprosesseja ydinreaktion sisällä
megatsunamien käyttäytymistä (ilmiötä, jota nykyihminen ei ole koskaan nähnyt)

Mallinnuksesta saadaan yleensä tuloksia nopeammin kuin varsinaista ilmiötä tai systeemiä tutkimalla. Tämä mahdollistaa nopean oppimisen.

Tietokoneiden suuren tehon kannalta mallintamisessa on oleellista se, että vain se, mikä pystytään mallintamaan, pystytään (mahdollisesti) laskemaan tietokoneilla. Malliminen on siis tietokonesimuloinnin edellytys.

[muokkaa] Eräitä mallintamisen sovellutuksia

Kylmän sodan voiton takana oli yhden näkökulman mukaan osin mallintaminen ja tietokoneet. USA pystyi niiden avulla rakentamaan suuremman talouden voimilla pienempiä ja tarkempia ydinaseita kun taas Neuvostoliitto joutui rakentamaan pienemmällä taloudella suurempia ja epätarkempia ohjuksia ja ydinaseita. ^lähde?

Myös häivekoneiden (F-117, B-2) takana on mallintaminen. Venäläinen tiedemies, joka nykyisin on Yhdysvaltain kansalainen, laati pohjana olevan teorian 1960-luvun alkupuolella. Se julkaistiin neuvostoliittolaisessa tiedelehdessä, jonka CIA käänsi ja toimitti mm. Lockheedille. 1970-luvun alussa Lockheed alkoi Ben Richin johdolla kehittää kyseisen mallin perusteella häivekonetta, joiden pinnat muodostuivat levymäisistä elementeistä (kuten F-117), joiden tutkaimpulssin heijastuslaskelmat olivat mahdollisia ratkaista silloisilla supertietokoneilla. Amerikkalaiset rakensivat ensimmäiset tutkassa huonosti näkyvät lentokoneet eli häivekoneet. Laskentaan tarvittiin ensimmäisiä Cray-1 ja II supertietokoneita. Persianlahden sodassa 1991 nämä koneet lensivät kaksi prosenttia lennoista, mutta 40 prosenttia strategisista lennoista ilman tappioita.

Myös yhä tarkempi sään ennustaminen perustuu ilmakehämalleihin ja supertietokoneisiin.

[muokkaa] Molekyylimallinnus

Molekyylimallinnusta käytetään kemiassa molekyylitason ilmiöiden selvittämiseen. Sen avulla voidaan tutkia yhdisteiden steerisiä ja elektronisia ominaisuuksia, muodostumislämpöjä, reaktiomekanismeja sekä epäorgaanisten materiaalien kide- ja pintarakenteita. Molekyylimallinnusta käytetään hyväksi erityisesti lääkeainesuunnittelussa. Molekyylimallinnusta suoritetaan molekyylimekaanisilla, semiempiirisillä ja kvanttikemiallisilla menetelmillä.