概念モデル

概念モデルという用語は、概念化または一般化のプロセスの直接的な出力であるモデルを指します。[ 1 ] [ 2 ]概念モデルは、多くの場合、物理的であろうと社会的であろうと、現実世界の事物を抽象化したものです。意味論的研究は、概念形成の様々な段階に関連しています。意味論は基本的に、思考する存在が経験の様々な要素に与える 意味である概念の研究です。

概要

概念モデルと概念モデル

概念モデルの価値は通常、過去、現在、未来、現実または潜在的な状況との対応度に正比例します。概念モデル（概念のモデル）は、優れたモデルであるためには現実世界との対応を必要としない点で全く異なります。[ 3 ]人工知能において、概念モデルと概念グラフはエキスパートシステムや知識ベースシステムの構築に用いられます。ここでアナリストは、何が真実であるかについての自身の考えではなく、何が真実であるかについての専門的な意見を表現することに関心があります。

概念モデルの種類と範囲

概念モデルの種類は、身近な物理的物体の心的イメージのようなより具体的なものから、イメージとして心に浮かび上がらない数学モデルの形式的な一般性と抽象性まで多岐にわたります。概念モデルは、表現対象とされる主題の範囲においても多岐にわたります。例えば、モデルは単一の物体（例：自由の女神像）、物体のクラス全体（例：電子）、さらには物理的宇宙のような非常に広大な主題領域を表現することができます。概念モデルの多様性と範囲は、その使用目的の多様さに起因します。

概念モデリングとは、理解とコミュニケーションを目的として、私たちの周囲の物理的および社会的世界のいくつかの側面を正式に記述する活動です。[ 4 ]

基本的な目的

システムプロセスにおける概念モデルの役割を強調した比較モデル

概念モデルの主目的は、それが表現するシステムの基本原理と基本機能を伝えることです。また、概念モデルは、モデルの利用者が容易に理解できるシステム解釈を提供できるように開発されなければなりません。概念モデルは、適切に実装されれば、4つの基本目的を満たす必要があります。[ 5 ]

  1. 代表制に対する個人の理解を深める
  2. 関係者間でシステムの詳細を効率的に伝達する
  3. システム設計者がシステム仕様を抽出するための参照ポイントを提供する
  4. 将来の参照のためにシステムを文書化し、コラボレーションの手段を提供する

概念モデルは、システム開発ライフサイクル全体において重要な役割を果たします。下の図 1 [ 6 ]は、典型的なシステム開発スキームにおける概念モデルの役割を示しています。概念モデルが十分に開発されていない場合、基本的なシステム特性の実行が適切に実装されず、将来的な問題やシステムの欠陥につながる可能性があることは明らかです。これらの失敗は業界で発生しており、ユーザー入力の不足、不完全または不明確な要件、および要件の変更に関連しています。システム設計および開発プロセスにおけるこれらの弱点は、概念モデリングの基本的な目的が適切に実行されていないことに起因します。概念モデリングの重要性は、徹底したシステム開発と実証済みの開発目的/手法の順守によってこのような体系的な失敗が軽減されたときに明らかになります。

モデリング技術

モデル化対象となるシステムに対するユーザーの理解を深めるために、複数の分野にまたがる様々な手法を適用することができます。[ 7 ]以下ではいくつかの手法について簡単に説明しますが、他にも多くの手法が存在し、開発が進められています。一般的に用いられる概念モデリングの手法や手法としては、ワークフローモデリング、ワークフォースモデリング、ラピッドアプリケーション開発、オブジェクトロールモデリング、統一モデリング言語（UML）などがあります。

データフローモデリング

データフローモデリング（DFM）は、システムの要素をグラフィカルに表現する基本的な概念モデリング手法です。DFMは非常にシンプルな手法ですが、多くの概念モデリング手法と同様に、高レベルおよび低レベルの代表的なダイアグラムを作成することが可能です。データフローダイアグラムは通常、並行開発の考慮事項やタイミング情報といった複雑なシステムの詳細を伝えるのではなく、主要なシステム機能を文脈に沿って表現する役割を果たします。データフローモデリングは、構造化シ​​ステム分析設計法（SSADM）を用いたシステム開発において中心的な手法です。

エンティティ関係モデリング

エンティティ・リレーションシップ・モデリング(ERM) は、主にソフトウェア システムの表現に使用される概念モデリング手法です。ERM 手法の実行によって生成されるエンティティ・リレーションシップ・ダイアグラムは、通常、データベース モデルや情報システムを表現するために使用されます。ダイアグラムの主な構成要素は、エンティティとリレーションシップです。エンティティは、独立した機能、オブジェクト、またはイベントを表現することができます。リレーションシップは、エンティティ同士を関連付ける役割を担います。システム プロセスを形成するために、リレーションシップは、エンティティや、プロセスをさらに記述するために必要な属性と組み合わされます。この手法には、IDEF1X、Bachman、EXPRESS など、複数のダイアグラム規則が存在します。これらの規則は、システムのさまざまな側面を表現するためにデータを表示および整理する、異なる方法にすぎません。

イベント駆動型プロセスチェーン

イベント駆動型プロセスチェーン（EPC）は、主にビジネスプロセスフローを体系的に改善するために使用される概念モデリング手法です。ほとんどの概念モデリング手法と同様に、イベント駆動型プロセスチェーンは、関係の構築と処理を可能にするエンティティ/要素と関数で構成されています。具体的には、EPCは、プロセスの状態やプロセスの動作ルールを定義するイベントで構成されています。イベントを進行させるには、関数/アクティブイベントを実行する必要があります。プロセスフローに応じて、関数はイベントの状態を変換したり、他のイベント駆動型プロセスチェーンにリンクしたりできます。EPCには他の要素も含まれており、それらはすべて連携して、システムの動作方法とルールを定義します。EPC手法は、リソース計画、プロセス改善、ロジスティクスなどのビジネスプラクティスに適用できます。

共同アプリケーション開発

動的システム開発手法では、 JEFFFと呼ばれる特定のプロセスを用いてシステムライフサイクルを概念的にモデル化します。JEFFFは、プロジェクトの初期段階に先立つ高レベルの開発計画に重点を置くことを目的としています。JADプロセスでは、一連のワークショップを開催し、参加者は構想から完了まで、成功するプロジェクトを特定、定義し、全体像を把握します。この手法は大規模なアプリケーションには適さないことが判明していますが、小規模なアプリケーションでは通常、効率性の向上が報告されています。[ 8 ]

場所/遷移ネット

ペトリネットとも呼ばれるこの概念モデリング手法は、直接的な数学的手段で記述可能な要素を用いてシステムを構築することを可能にします。ペトリネットは、その非決定的な実行特性と明確に定義された数学理論により、並行システムの挙動、すなわち同時プロセス実行をモデリングする上で有用な手法です。

状態遷移モデリング

状態遷移モデリングでは、状態遷移図を用いてシステムの挙動を記述します。これらの状態遷移図は、明確な状態を用いてシステムの挙動と変化を定義します。現在のほとんどのモデリングツールには、状態遷移モデリングを表現する何らかの機能が備わっています。状態遷移モデルの使用は、論理状態図や有限状態機械の有向グラフとして最もよく知られています。

技術の評価と選択

概念モデリング手法は、広範な適用範囲に対応するために意図的に曖昧にされることがあるため、概念モデリングの実際の適用が困難になることがあります。この問題を軽減し、適切な概念モデリング手法を選択する際に考慮すべき事項を明らかにするために、以下ではジェミノとワンドが提唱するフレームワークについて論じます。しかし、特定のアプリケーションにおける概念モデリング手法の有効性を評価する前に、重要な概念を理解する必要があります。概念モデルを、そのグラフィカル表現やトップレベルの表現のみに焦点を当てて比較するのは、近視眼的です。ジェミノとワンドは、適切な手法を選択する際には概念モデリング言語に重点を置くべきだと主張しており、その点は的を射ています。一般的に、概念モデルは何らかの概念モデリング手法を用いて開発されます。その手法では、モデルの作成方法のルールを定義する概念モデリング言語が利用されます。使用される特定の言語の機能を理解することは、概念モデリング手法を適切に評価する上で不可欠です。なぜなら、言語は手法の記述能力を反映するからです。また、概念モデリング言語は、システムが複雑であるか単純であるかにかかわらず、システムを表現できる深さに直接影響します。[ 9 ]

影響要因を考慮する

ジェミノとワンドは、以前の研究を踏まえて、[ 10 ]、影響要因を研究する際に考慮すべき主要な点として、概念モデルが表現しなければならない内容、モデルの提示方法、モデルの利用者の特性、そして概念モデル言語特有のタスクを挙げている。[ 9 ]概念モデルの内容は、関連情報を提示できる手法を選択するために考慮されるべきである。選択のための提示方法は、意図した深さと詳細さのレベルでモデルを表現できる手法の能力に焦点を合わせる。モデルの利用者または参加者の特性は、考慮すべき重要な側面である。参加者の背景と経験は、概念モデルの複雑さと一致する必要がある。そうでなければ、システムの誤った表現や主要なシステム概念の誤解が、そのシステムの実現に問題をもたらす可能性がある。概念モデル言語のタスクによって、適切な手法を選択することが可能になる。システムの機能性を伝えるためにシステム概念モデルを作成することと、その機能性を解釈するためにシステム概念モデルを作成することの違いは、2つの全く異なるタイプの概念モデリング言語に関係している可能性がある。

影響を受ける変数を考慮する

ジェミノとワンドは、観察の焦点と比較の基準を考慮することで、提案する枠組みの影響を受ける変数の内容を拡張している。[ 9 ]観察の焦点は、概念モデリング手法が「新しい製品」を生み出すのか、それともモデル化対象のシステムに対するより深い理解をもたらすだけなのかを検討する。比較の基準は、概念モデリング手法の効率性や有効性を評価する。システム変数すべてを高レベルで考慮したシステムモデルの開発を可能にする概念モデリング手法は、システムの機能性を理解するプロセスをより効率的にするかもしれないが、内部プロセスを説明するために必要な情報が不足しているため、モデルの有効性は低下する。

どの概念手法を用いるかを決定する際には、ジェミノとワンドの推奨事項を適用することで、対象とする概念モデルのスコープを適切に評価することができます。概念モデルのスコープを理解することで、特定のモデルに適切に対応する手法をより適切に選択できるようになります。まとめると、モデリング手法を選択する際には、以下の質問に答えることで、概念モデリングにおける重要な考慮事項に対処できるようになります。

  1. 概念モデルはどのような内容を表現するのでしょうか?
  2. 概念モデルはどのように提示されますか?
  3. 概念モデルを使用する、または参加するのは誰ですか?
  4. 概念モデルはシステムをどのように記述するのでしょうか?
  5. 概念モデルの観察の焦点は何ですか?
  6. 概念モデルはシステムを説明する上で効率的または効果的でしょうか?

シミュレーション概念モデルのもう 1 つの機能は、シミュレーション アプリケーションの適切性を評価するための合理的かつ事実に基づいた根拠を提供することです。

哲学と科学におけるモデル

メンタルモデル

認知心理学と心の哲学において、メンタルモデルとは心の中にあるものの表現であるが[ 11 ] 、メンタルモデルは心そのものの非物理的な外部モデルを指すこともある。[ 12 ]

形而上学的モデル

形而上学的モデルは概念モデルの一種であり、その提案する範囲によって他の概念モデルと区別されます。形而上学的モデルは現実を可能な限り広く表現することを意図しています。[ 13 ]つまり、物質と心が1つの物質なのか2つの物質なのか、人間に自由意志があるかどうかなどの根本的な疑問への答えを説明します。

認識論的モデル

認識論モデルは、提案される範囲が既知と認識可能、および信じられるものと信じられるものである概念モデルの一種です。

論理モデル

論理学において、モデルとは、特定の命題が真であるという解釈の一種です。論理モデルは、数学モデルのように概念のみを表現しようとするものと、科学的モデルのように物理的な対象や事実関係を表現しようとするものに大別されます。

モデル理論とは、数理論理学のツールを用いて、群、体、グラフ、さらには集合論の宇宙といった数学的構造（のクラス）を研究する学問です。形式言語の文に意味を与える体系は、その言語のモデルと呼ばれます。言語のモデルが特定の文または理論（文の集合）を満たす場合、そのモデルはその文または理論のモデルと呼ばれます。モデル理論は代数学および普遍代数学と密接な関係があります。

数学モデル

数学モデルは、力学系、統計モデル、微分方程式、ゲーム理論モデルなど、様々な形態をとることができます。これらのモデルや他の種類のモデルは重複する可能性があり、特定のモデルには様々な抽象構造が含まれます。

科学モデル

科学モデルとは、複雑な現実を単純化した抽象的な見方である。科学モデルは、経験的対象、現象、物理的プロセスを論理的に表現する。経験科学の原理を形式化する試みは、論理学者が論理の原理を公理化するのと同じように、解釈を用いて現実をモデル化する。こうした試みの目的は、現実に見られるものと矛盾する理論的帰結を生み出さない形式体系を構築することである。こうした形式体系から導き出される予測やその他の言明は、これらの科学モデルが真実である限りにおいてのみ、現実世界を反映または写像する。[ 14 ] [ 15 ]

統計モデル

統計モデルは、データを生成するために提案された確率分布関数です。パラメトリック モデルでは、確率分布関数は、正規分布の平均と分散、または線型回帰における独立変数のさまざまな指数の係数などの可変パラメータを持ちます。ノンパラメトリック モデルは、ブートストラップなどにおけるパラメータのない分布関数を持ち、仮定によって緩く制限されます。モデル選択は、分布関数のクラス内から分布関数を選択する統計的手法です。たとえば、従属変数がパラメトリック係数を持つ独立変数の多項式である線型回帰では、モデル選択は最も高い指数を選択することであり、クロス バリデーションなどのノンパラメトリックな手段を使用して実行できます。

統計学では、物理的な出来事のモデルだけでなく、精神的な出来事のモデルも存在します。例えば、顧客行動の統計モデルは概念的なモデルです（行動は物理的なものであるため）。一方、顧客満足度の統計モデルは概念のモデルです（満足度は物理的な出来事ではなく、精神的なものであるため）。

社会と政治モデル

経済モデル

経済学において、モデルとは、経済プロセスを一連の変数とそれらの間の論理的および／または定量的な関係によって表現する理論的構築物です。経済モデルは、複雑なプロセスを説明するために設計された簡略化された枠組みであり、多くの場合、数学的手法を用いていますが、必ずしもそうとは限りません。経済モデルでは、多くの場合、構造パラメータが用いられます。構造パラメータとは、モデルまたはモデルのクラスの基礎となるパラメータです。モデルには様々なパラメータがあり、それらのパラメータを変化させることで様々な特性が生み出されます。

システムアーキテクチャにおけるモデル

システムモデルとは、システムの構造、動作、その他のビューを記述および表現する概念モデルです。システムモデルは、 2つの異なるアプローチを用いてシステムの複数のビューを表現できます。1つ目は非アーキテクチャアプローチ、2つ目はアーキテクチャアプローチです。非アーキテクチャアプローチでは、各ビューごとにモデルを選択します。アーキテクチャアプローチ（システムアーキテクチャとも呼ばれます）では、多数の異種かつ無関係なモデルを選択する代わりに、1つの統合されたアーキテクチャモデルのみを使用します。

ビジネスプロセスモデリング

ビジネスプロセスモデリングのための抽象化[ 16 ]

ビジネスプロセスモデリングにおいて、エンタープライズプロセスモデルはしばしばビジネスプロセスモデルと呼ばれます。プロセスモデルは、プロセスエンジニアリング分野における中核的な概念です。プロセスモデルには以下の特徴があります。

  • 同じ性質のプロセスをまとめてモデルに分類します。
  • タイプ レベルでのプロセスの説明。
  • プロセス モデルは型レベルであるため、プロセスはそのインスタンス化になります。

同じプロセス モデルが多くのアプリケーションの開発に繰り返し使用されるため、多くのインスタンス化が行われます。

プロセスモデルの活用方法の一つとして、実際に起こるプロセスそのものとは対照的に、物事がどのように行われなければならないか、どのように行われるべきか、どのように行われる可能性があるかを規定することが挙げられます。プロセスモデルは、プロセスがどのようになるかを大まかに予測するものです。プロセスがどのようなものであるかは、実際のシステム開発中に決定されます。[ 17 ]

情報システム設計におけるモデル

人間活動システムの概念モデル

人間活動システムの概念モデルは、経営における問題の構造化を目的としたシステム分析手法であるソフトシステムズ方法論（SSM）において用いられています。これらのモデルは概念のモデルであり、著者らは物理世界の状況を表現するためのものではないと明言しています。また、情報システム設計とソフトウェアエンジニアリングのために開発されたSSMの派生である情報要件分析（IRA）でも用いられています。

論理言語モデル

論理言語モデリングは、概念モデルを用いるSSMの別の変種です。ただし、この手法では、概念モデルと、想定される現実世界のオブジェクトや事象のモデルを組み合わせます。これは様相論理のグラフィカルな表現であり、様相演算子を用いて概念に関する文と現実世界のオブジェクトや事象に関する文を区別します。

データモデル

エンティティ・リレーションシップ・モデル

ソフトウェア工学において、実体関連モデル（ERM）は、データの抽象的かつ概念的な表現です。実体関連モデリングは、データベースモデリング手法の一種であり、システム（多くの場合、リレーショナルデータベース）とその要件をトップダウン方式で概念スキーマまたはセマンティックデータモデルとして作成するために使用されます。このプロセスによって作成される図は、実体関連図、ER図、またはERDと呼ばれます。

実体関連モデルは、現実世界のオブジェクトやイベントに関わる活動を支援するための情報システムの構築において広く応用されてきました。これらのケースでは、実体関連モデルは概念的なモデルです。しかし、このモデリング手法はコンピュータゲームやギリシャ神話の神々の系図の構築にも応用でき、これらのケースでは概念をモデル化するために用いられます。

ドメインモデル

ドメインモデルは、関心領域（問題領域と呼ばれることもあります）内の構造要素とその概念的制約を描写するために使用される概念モデルの一種です。ドメインモデルには、様々なエンティティ、それらの属性と関係性、そして問題領域を構成する構造モデル要素の概念的整合性を規定する制約が含まれます。ドメインモデルには複数の概念ビューが含まれる場合があり、各ビューはドメインの特定の主題領域、またはドメインモデルの利害関係者にとって関心のあるドメインモデルの特定のサブセットに関連します。

エンティティ リレーションシップ モデルと同様に、ドメイン モデルは概念をモデル化したり、現実世界のオブジェクトやイベントをモデル化したりするために使用できます。

参照

参考文献

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さらに読む

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