Задачи эксперимента
Аналитические и имитационные модели.
При проектировании сложных систем и их подсистем возникают задачи, требующие оценки количественных и качественных закономерностей процессов функционирования таких систем, проведения структурного алгоритмического и параметрического их синтеза. Но сложные системы относятся к классу больших систем, этапы проектирования, внедрения, эксплуатации и эволюции которых в настоящее время невозможны без использования различных видов моделирования. Ресурсы современной информационно-вычислительной техники дают возможность ставить и решать математические задачи такой сложности, которые в недавнем прошлом казались нереализуемыми, например моделирование больших систем.
Первым сложился аналитический подход к моделированию систем. Информационные технологии использовались как вычислительные.
Анализ характеристик, процессов функционирования больших систем с помощью только аналитических методов наталкивается на трудности, которые приводят к необходимости упрощения модели либо на этапе ее построения, либо в процессе работы с моделями, что может привести к недостоверности результатов.
В настоящее время с построением аналитических моделей большое внимание уделяется задачам оценки характеристик моделируемых систем на основе имитационных моделей, реализуемых на современных ЭВМ с большим быстродействием и достаточным объёмом операционной памяти. Процесс сопровождается повышением качества математического и программного обеспечения, совершенствования базы данных и периферийных устройств.
Появились только компьютерные методы решения задач исследования больших систем на основе на основе создания организаций экспериментов с моделями.
Организация экспериментов с имитационными моделями позволяет производить не только анализ характеристик моделей, но и решать задачи: структурного синтеза, параметрического синтеза,
алгоритмического синтеза, задачи оптимизации сложных систем[3.4] при заданных критериях эффективности и ограничениях.
Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями.
Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum - проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.
Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по возможности наиболее чистого, т. е. не осложняемого другими явлениями. Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.
Таким образом, эксперимент представляет собой процесс изучения объекта (явления), основанный на целенаправленном воздействии на него искусственно созданных условий и позволяющий наблюдать, сравнивать и измерять его свойства, устанавливать их зависимость от внешних воздействий.
По сравнению с наблюдением эксперимент - более сложный метод эмпирического познания. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое действие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных сторон, свойств, связей. По своему замыслу эксперимент всегда опосредован предварительным теоретическим знанием. Его целью зачастую является подтверждение или опровержение научной гипотезы или теории.
Эксперимент включает в себя другие методы эмпирического исследования (наблюдения, измерения). В то же время он обладает рядом важных, присущих только ему особенностей.
Во-первых,эксперимент позволяет изучать объект в «очищенном» виде, т. е. устраняет всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования.
Во-вторых,в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности, экстремальные условия. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные порой неожиданные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность.
В-третьих,изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его.
В-четвертых,важным достоинством многих экспериментов является их воспроизводимость. Это означает, что условия эксперимента, а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения могут быть повторены столько раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.
Подготовка и проведение эксперимента требуют соблюдения ряда условий. Так, научный эксперимент:
• никогда не ставится наобум, он предполагает наличие четко сформулированной цели исследования;
• не делается «вслепую», он всегда базируется на каких-то исходных теоретических положениях. «Без идеи в голове, - говорил академик И. П. Павлов, - вообще не увидишь факта»;
• не проводится беспланово, хаотически, предварительно исследователь намечает пути его проведения;
• требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимых для его реализации;
• должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.
Только совокупность всех этих условий определяет успех в экспериментальных исследованиях.
Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются: производственными, техническими, физическими, химическими, биологическими, психологическими, социальными и т. п.
Они различаются:
• по способу формирования условий (естественные и искусственные);
• по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие);
• по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т. п.);
• по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);
• по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);
• по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный);
• по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);
• по контролируемым величинам (пассивный и активный);
• по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);
• по характеру изучаемых объектов или явлений (технологические, социометрические) и т. п.