Визначення об’єкта дослідження. Поняття моделі та моделювання
Одним з найбільш відповідальних етапів дослідження є визначення об’єкта дослідження та предметної області.
Під предметною областю розуміютьуявно обмежену область реальної дійсності, яка є предметом опису, дослідження чи моделювання.Визначення предметної області передбачає встановлення її границь, тобто того, що буде розглядатись всередині об’єкта дослідження, а що за його межами, та виявлення його зв’язків з оточуючим середовищем.
Загальноприйнятого визначення поняття «об’єкт дослідження» (надалі – об’єкт) на сьогодні не існує, однак, найбільш повним, на нашу думку, є означення наведене в [51], де об’єктом дослідження називають «частину світу, яку людина (експерт) впродовж скінченого проміжку часу як єдине ціле вибирає, досліджує, створює, використовує або виконує з ним інші дії, причому все це робиться задля досягнення поставлених цілей».
Об’єкт дослідження може бути природним або штучним, матеріальним або абстрактним. Визначення об’єкта дослідженнята встановлення його зв’язків з оточуючим середовищем у більшості випадків, коли досліджуються реальні процеси, явища чи об’єкти – задача досить складна. Це пояснюється тим, що зв’язки об’єкта дослідження із оточуючим середовищем часто є настільки сильними та різноманітними, що важко зрозуміти де закінчується об’єкт і починається зовнішнє середовище. Ситуація усугубляється також відсутністю формального (математичного) опису оточуючого середовища.
Під оточуючим (зовнішнім) середовищем розуміють сукупність елементів зовнішнього світу, які не входять до складу об’єкта, але впливають на його поведінку або властивості.
Реальні об’єкти мають незлічену кількість властивостей, дослідити всю множину яких практично неможливо, тобто неможливо повністю вивчити жоден об’єкт. Тому при його дослідженні необхідно виділяти і вивчати лише ті властивості, які стосуються безпосередньо досліджуваної проблеми.
Властивостями об’єкта дослідження називаються його характерні особливості, які можуть бути оцінені дослідником кількісно та якісно. Для оцінки властивостей об’єкта суб’єкт встановлює кожній з них певну міру, яка називається показником властивості.Для кожного показника визначається множина значень, які присвоюються йому за результатами оцінки властивості.
З точки зору дослідника властивості об’єкта діляться на внутрішні (власні), показники яких називаються параметрами, та зовнішні (властивості середовища, що впливають на об’єкт), показники яких називаються факторами.
Фактори, які впливають на параметри досліджуваного об’єкта, будемо називати вхідними змінними, а параметри об’єкта, які впливають на зовнішнє середовище – вихідними змінними.
Вся інформація про досліджуваний об’єкт ділиться на два види – апріорна та апостеріорна. Апріорна інформація має якісний характер і може бути отримана на підставі вивчення структури об’єкта до проведення експериментів над ним та вимірювання його вхідних та вихідних змінних. Апостеріорна інформація має кількісний характер і представляє собою результат обробки експериментальних даних.
Розрізняють такі основні структурні категорії об’єкта: динамiчнiсть, нелінiйність, стохастичнiсть i нестацiонарнiсть.
Динамічність. Об’єкт називається динамічним, якщо поведінка його виходу залежить не лише від значень входу в даний момент часу, але i від попередніх значень входу. Це означає, що об’єкт має пам’ять (чи iнерцiйнiсть), яка і визначає залежнiсть виходу вiд передiсторiї входу. Однак, це дуже строге визначення динамічності. Багато дослідників відносять до динамічних об’єктів також об’єкти, поведінка вихідних змінних яких в даний момент часу залежить від значень вхідних змінних у той самий момент часу.
Статичним будемо вважати об’єкт, вхідні та вихідні змінні якого не залежать від часу.
Стохастичність. Об’єкт називається стохастичним, якщо поведінка його виходу залежить від неконтрольованих входів об’єкта чи сам об’єкт містить неконтрольоване джерело випадкових збурень.
В принципі не стохастичних об’єктів не існує в природі, так як будь-яке вимірювання неминуче вносить свою похибку в результат спостереження. Тому правильніше говорити про «малу» і «велику» стохастичнiсть об’єкта, маючи на увазі, що малу стохастичність можна не враховувати та називати такий об’єкт детермінованим.
Нелінійнiсть. Об’єкт називається нелiнiйним, якщо його реакція на суму двох різних збурення входу не еквівалентна сумі реакцій на кожне з цих збурень окремо. При виконанні цієї умови об’єкт називають лiнiйним. Поділ об’єктів на лінійні та нелінійні може проводитись тільки для детермінованих об’єктів.
Нестацiонарнiсть. Нестацiонарнiсть пов’язана з детермiнованою чи випадковою зміною оператора об’єкта, який здійснює перетворення вектора вхідних змінних у вектор вихідних змінних. Якщо ця змiна проходить досить повiльно, у виглядi дрейфу параметрів, її можна не враховувати. При швидкій змінi оператора, характер нестаціонарності треба враховувати, визначаючи його залежність від часу. Прикладом такої нестацiонарності є «старiння» об’єкта, тобто його амортизацiя в часі.
Дискретнiсть. Об’єкт називається дискретним, якщо стан його входів i виходiв змiнюється чи вимiрюється лише в дискретні моменти часу. Якщо ж вхiд і вихiд змінюються чи вимiрюються неперервно, то об’єкт називається неперервним. Таким чином, спосiб вимірювання може змінити цю ознаку об’єкта.
Одержання інформації про об’єкти дослідження (природні – існуючі незалежно від дослідника, або штучні, які створюються самою людиною), стан та поведінка яких викликає інтерес, пов'язане з переходом від реального їх представлення до опису у формальному вигляді та у вигляді даних, отриманих за результатами спостережень і натурних експериментів над ними.
Процесу переходу від реального об’єкта до його опису у формальному виді (формалізації) передує розробка загального формулювання мети дослідження, а також виділення об’єкта дослідження із оточуючого (зовнішнього) середовища.
Метою дослідження об’єкта може бути (один із варіантів або їх комбінація):
· вивчення його властивостей, виявлення законів та закономірностей, яким вони підкоряються;
· прогнозування його розвитку і поведінки у часі, просторі та в різноманітних ситуаціях;
· управління ним.
Досягнення поставленої мети можливе двома способами: перший – проведення досліджень з реальним об’єктом; другий – експериментування із його замінником – моделлю, яка простіша від нього та зберігає лише окремі, найбільш суттєві його властивості, вибір яких визначається сформульованою метою.
Модель об’єкта дослідження –це аналог, який відображає його структуру та окремі, найбільш суттєві (з точки зору мети дослідження) властивості, представлений у формі, відмінній від форми існування оригіналу.
Очевидно, що перший спосіб є найбільш спокусливим, оскільки у цьому випадку відпадає питання про адекватність отриманих результатів. Однак, натурні експерименти представляють собою джерело даних обмеженого об’єму про минуле об’єкта моделювання. Крім цього виникає багато інших проблем пов’язаних із фізичною можливістю проведення таких експериментів, їх рентабельністю та непередбачуваними наслідками управлінських дій, внаслідок невідомої реакції досліджуваного явища, процесу чи об’єкту на збурюючі впливи. Результатом таких досліджень є, як правило, невисока достовірність прогнозу та ефективність управлінських рішень, оскільки вони приймаються в умовах обмеженої кількості інформації на підставі інтуїції суб’єкта.
У той же час використання моделі реального об’єкта для його вивчення, прогнозування поведінки або управління ним відкриває набагато ширші можливості, а саме:
· усесторонній і глибокий аналіз об’єкта засобами комп’ютерного моделювання, шляхом імітації його функціонування в умовах, наближених до дійсності, а також дослідження вузьких місць та поведінки при зміні цих умов (зовнішнього середовища);
· дослідження поведінки об’єкта у різних масштабах часу, просторі, та в різноманітних ситуаціях, змодельованих на комп’ютері, які мають місце у реальному житті, але які важко або неможливо отримати в натурному експерименті;
· порівняння впливу різних варіантів управлінських рішень на функціонування об’єкта з метою знаходження найбільш ефективного з точки зору досягнення поставленої мети;
· визначення оптимальних режимів роботи та умов раціонального (з точки зору сформульованої мети) функціонування об’єкта;
· набагато простіша та дешевша організація проведення модельних експериментів у порівнянні з реальними дослідженнями.
Моделювання є ефективним методом наукових досліджень дійсності, при якому у ролі об’єкта моделювання виступає реальний процес, явище або об’єкт. Модель яка його описує – це абстракція, яка відображає лише частину його властивостей, необхідних для вирішення поставленої проблеми. Тому для аналізу одного і той же об’єкта можна створювати та використовувати різні моделі.
Моделювання –це процес побудови моделі та її використання для аналізу досліджуваного об’єкта або розробки оригіналу, прототипом якого вона є.
Із визначення поняття «моделювання» витікає ще одна його важлива особливість, яка полягає у розробці та дослідженні моделі об’єкта моделювання, якого не існує в дійсності. Він створюється за результатами моделювання. Такий підхід часто використовується при розробці складних технічних, виробничих систем, систем управління, нових пристроїв тощо.
"Боїнг-777" став першим літаком для створення якого не використовувались фізичні моделі та креслення. Його створювали у віртуальному просторі разом замовники, проектувальники, постачальники, техніки та пілоти, одночасно вносячи зауваження та пропозиції, для втілення яких не знадобилось міняти жодного гвинтика.
Універсальних рекомендацій щодо побудови моделей не існує. У кожному конкретному випадку модель будується виходячи з поставленої мети та аналізу процесів, які протікають у об’єкті моделювання. Побудова моделі – це ітераційний процес, який вимагає розумного компромісу між її простотою та надмірною деталізацією, підтримання балансу між її точністю та наочністю. Тут може бути дві крайності:
· перша – надмірна деталізація;
· друга – надмірне спрощення моделі.
Розробка докладної моделі, з однієї сторони, дозволяє досліднику більше і точніше дізнатися про поведінку об’єкта моделювання, а з іншої – приводить до проблеми, пов’язаної з труднощами її реалізації та до надмірних ресурсних затрат. Тому при синтезі моделі слід абстрагуватися від несуттєвих, випадкових деталей, що дозволяє зменшити розмірність моделі, спростити схему її функціонування.
Рівень деталізації моделі повинен вибиратись виходячи з поставленої мети, наявних ресурсів (людських, комп’ютерних, фінансових), можливостей вимірювання вхідних даних, думки експертів стосовно досліджуваної проблеми, достовірності результатів та часових обмежень. Це складна задача, яка не має формальних способів розв’язання. Її вирішення вимагає від дослідника творчого підходу, інтуїції, знань об’єкта моделювання та проблеми дослідження.
Ігнорування при побудові моделі деякими деталями, які здаються на перший погляд другорядними, а в дійсності є важливими для досягнення поставленої мети, може привести до того, що отримані результати скоріше виявлять якісні закономірності функціонування об’єкту моделювання і будуть непридатними для кількісного його аналізу.
Необхідно співрозміряти точність та детальність моделі з тією точністю, з якою необхідно знайти рішення, а також з точністю вимірювання вхідних даних. Точність вихідних даних моделі не може бути вищою точності, з якою отримані вхідні дані.