Глава 2. Теоретические исследования и инженерная деятельность

Уровень творчества на различных этапах не единственный признак, который их характеризует. Важно четко представлять наличие достаточно сложных взаимоотношений между теорией и практикой, наукой и техникой, познанием и реализацией знаний и умений. Эти взаимоотношения постоянно меняются. Современная наука во многих своих проявлениях становится сама производительной силой. Многие технологические процессы и даже производство в целом зарождаются в лабораториях ученых- теоретиков. Наряду с этим в производственных системах возникают звенья, выполняющие научные исследования.

Наглядной иллюстрацией этого является геоинформатика, рассматриваемая как система, охватывающая науку, технику, производство, и часто называемая геоинформационной системой или ГИС. А.М. Берлянт приводит три подхода к трактовке геоинформатики и ГИС: научно-познавательный, технологический и производственный [3].

Развитие науки идет от сбора фактов, их изучения, обобщения к созданию системы знаний, которые позволяют объяснить уже известные факты, установить новые, предсказать возможные перспективы. Известно, что путь познания ведет от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике. Наиболее высокой формой обобщения и систематизации знаний является теория. Одно из общепринятых определений говорит, что теория - есть учение об обобщенном опыте.

| Библиотека ^ [ ННГАСУ

Научные принципы и методы позволяют познать существующие процессы и явления, проанализировать результаты воздействия на них различных факторов и дать рекомендации по использованию их в практической деятельности. Структуры любой теории формируют некоторые правила, возникающие и оформляющиеся в процессе накопления и осмысления опыта (принципы) и исходные, очевидные без доказательств положения (аксиомы, постулаты) [10].

Научные исследования - основная форма продуктивной деятельности науки - и есть комплекс целенаправленных действий по изучению явлений и процессов, их взаимосвязей и взаимовлияний, структур и характеристик объектов, позволяющих получить неоспоримые и эффектные решения для практики и для самой науки. Довольно часто встречаются ситуации, когда исследователь не располагает достаточными данными, позволяющими получить неоспоримый результат. Он может выдвинуть научную гипотезу - обоснованные анализом имеющихся материалов предположительные объяснения какого-либо явления или процесса, которые после проверки или дополнительного исследования могут получить как подтверждение, так и оказаться ложными. В научном исследовании могут быть выделены эмпирические и теоретические задачи. Первые ориентированы на определение, изучение и полное описание различных явлений и процессов, а также факторов влияния. Последние предполагают выявление, изучение и объяснение причин, связей зависимостей, характеристик, законов изменения и т.п. Основные этапы научного исследования иллюстрирует циклическая схема (рис. 2).

Особенности, присущие всякому творческому процессу, определяют возможность отклонений от такой достаточно жесткой

схемы, установленной последовательности и временных ограничений. Нужное решение может появиться и «внезапно» после длительных бесперебойных попыток. Иногда решение может предложить специалист другого профиля, не связанный «инерцией знания». По существу, творческий процесс начинается с разрыва привычных связей и представлений, с нового взгляда на «старый» процесс или явление, взгляда с другой, не повторяющей обычную, самостоятельной точки зрения..

Рис. 2. Основные этапы научного исследования

Для успеха теоретического исследования, как, впрочем, и в других видах деятельности, помимо уже упоминавшихся признаков (творческого начала, упорного труда и личной квалификации исследователя), важна и степень владения испытателя методами и способами исследовательской работы. В своей основе метод исследователя понимается как своего рода теоретический поиск и практическое применение его результатов. Он базируется на общих для всех направлений и этапов законах диалектики. В теоретических исследованиях возможно применение логического или исторического метода. Логический метод исследования может быть основан на разработке некоторого научного предположения (гипотезы), содержащего определенные элементы новизны - такой метод называют гипотетическим. Если в основе исследования лежат очевидные, не требующие доказательств положения - это будет аксиоматический метод. Первый наиболее применим в прикладных науках, последний - в теоретических. Исторический метод, позволяющий исследовать динамику процессов и событий в хронологической последовательности, выявляя имеющиеся закономерности, связи, противоречия, востребован преимущественно гуманитарными и экономическими науками.

Можно выделить способы исследования, внешне представляющиеся противоположными. Так, способ дедукции позволяет вывести частные положения из общих. Например, на основе знания свойств случайных погрешностей измерений можно выполнить решение частной задачи: получение наиболее надежного значения конкретной физической величины из ряда результатов ее измерения. А способ индукции, устанавливающий общие выводы по частным фактам и явлениям, иллюстрируется ситуацией, когда в процессе измерений геодезист систематически получает недопустимые невязки в различных нивелирных ходах и делает вывод о наличии ранее не обнаруженной систематической погрешности используемого прибора. Этот же способ иллюстрируется другой ситуацией, когда на основе множества наблюдений за характером расселения городских жителей выводятся закономерности трудового тяготения и пространственной самоорганизации расселения.

Другая аналогичная «пара» - анализ и синтез. Анализ в ходе исследования расчленяет явление на составные части, синтез - рассматривает явление в целом, объединяя составляющие его элементы. В качестве примера анализа можно назвать часто применяющиеся способы ранжирования объектов, процессов и явлений по различным признакам, когда в основе лежит исключение менее существенного из общего массива информации. При абстрагировании внимание исследователя как бы отвлекается от второстепенных признаков «в пользу» считающихся основными, т. е. происходит процесс формализации, выражающийся применении формул, символов, знаковых систем. Например, при определении поправок в превышения за кривизну Земли мы применяем расчетную формулу, в которой используется радиус Земли, т.е. мы «временно» отказываемся (абстрагируемся) от представления Земли в ее реальном виде и считаем ее шаром. Да и само представление Земли в виде шара, эллипсоида и других математических фигур является тоже абстракцией. Особое значение для современных исследований имеет способ математической формализации, что тоже можно иллюстрировать условным представлением Земли в виде математической фигуры и описанием ее каноническим уравнением. Очевидно, что применение этих способов не ограничивается сферой теоретических исследований. Они широко используются и в приня jiix исследованиях, и в конкретных инженерных разработках.

В общей системе единого творческого процесса прикладные исследования занимают как бы промежуточное положение между фундаментальными научными исследованиями и инженерными разработками. В ряде случаев методики и конкретные методы проведения научных и прикладных исследований весьма схожи. Совокупность методов исполнения, последовательность действий, исходные правша определяются как методология. Различия между двумя видами исследований проявляются прежде всего в оценке степени обобщения и абстрагирования получаемых результатов, а также в возможности их прямого использования в приложении к конкретным объектам и в конкретных условиях. Как уже указывалось, тенденция к сближению этих процессов просматривается даже и в организационных аспектах.

Среди других непременных признаков, характеризующих результаты исследований, можно назвать их всеобщность, воспрошводимость и проверяемость. Творческий характер этих результатов, как и во всех других случаях, подтверждается, прежде всего, их новизной и оригинальностью. Весьма часто в литературе повторяется (со ссылкой на Маркса) утверждение, что наука лишь тогда становится наукой, когда она может воспользоваться математикой. При всей категоричности этого утверждения очевидно значение владения математическими методами для творческой работы исследователя. Весьма широко применяется при проведении исследований метод математического моделирования, позволяющий выполнить своего рода «сгущение» информации (данных, получаемые в ходе наблюдений и измерений) в некоторую искусственную систему, отображающую исследуемые свойства объекта, процесса или явления. Объект (соответственно процесс или явление) упрощается,

как бы схематизируется и описывается математически. При этом в процессе моделирования производится уточнение исходных данных и уточнение модели. Помимо математических моделей могут создаваться физические, графические, геоинформационные и другие. Физические модели, позволяют наглядно представлять процессы и влияние параметров отдельных факторов на ход этих процессов, как и натурные, а натурное моделирование воссоздает процессы и явления в реальных условиях при изменении соответствующих параметров. Обычно используются модели-аналоги и модели-подобия.

Так, историческая проблема науки и практики - что принимать за фигуру Земли, решается на основе представления нашей планеты в виде физической и математической моделей. Физическая модель, называемая геоидом, представляет собой уровенную поверхность мирового океана в равновесном состоянии, мысленно продолженную под сушей. Упрощенное представление Земли в виде шара - ее математическая модель. В современном представлении математическая модель Земли - эллипсоид вращения, характеризуется большой полуосью а, малой полуосью в, сжатием а-(а-в)/а и другими параметрами. Благодаря представлению Земли в виде математической модели, стало возможным решение ряда практических задач (применение картографических проекций, систем координат, наконец, полеты ракет, спутников и т.д.).

Транспортная система города может быть представлена в виде модели-подобия. Так, в гидравлической модели сечения водотоков имитируют проводную способность линии, а количество проходящей через сечение жидкости - объем пассажирских перевозок. Электрическая модель позволяет определить потенциальную подвижность населения через измерения разности электрических потенциалов и реализуемую подвижность через проходящее по сечению цепи количество электричества.

Интересна взаимосвязь математических и графических моделей, их диалектика.

Метод моделирования - основной метод картографии. Что собой представляет карта в ее традиционном исполнении на бумаге? Это графическая модель местности. Что собой представляет космический снимок местности? Это тоже модель местности. Л ведь еще есть цифровые модели местности, модели в которых все больше и больше нуждаются проектировщики-строители. Интересна диалектика развития моделирования местности: от графической модели к цифровой (исторический аспект развития науки) и от цифровой модели - к графической (современные производственные технологии). Полную аналогию можно найти в процессе проектирования объектов строительства, которое является не чем иным как моделированием.

Непосредственно математическое моделирование может быть применено для решения так называемой классической транспортной задачи в формате линейного программирования. Математические методы используются и при анализе данных, получаемых на физических и натурных моделях. Для изучения непрерывных детерминированных процессов применяют аналитические методы. Случайные процессы, как дискретные, так и непрерывные изучают с помощью вероятно-статистических методов. Для исследования сложных систем с множественными взаимосвязями используются методы системного анализа (теория игр, теория множеств, теория массового обслуживания и др.). Подробно все эти методы изучаются студентами в соответствующих разделах математических дисциплин.

Инженерные разработки (проектирование, конструкторские задачи, технологические процессы, организационно-экономические решения), как правило, сводятся к созданию представлений о некотором конкретном объекте или событии, планируемом к реализации в определенных условиях. Эти представления фиксируются в соответствующей технической документации, которая и является результатом разработки. Исследования и инженерные разработки функционируют обычно в процессе постоянного, взаимодействия, но могут и не иметь прямой связи. Исследования, направленные на получение в дальнейшем какого-либо практически ориентированного результата, носят название прикладных НИР. Подтверждение их результатов и принятие соответствующих решений выполняется в процессе опытных (эскизных, конструкторских, проектных, технологических) разработок, в ходе контрольных испытаний или экспертиз, после чего подготавливается установленная соответствующим стандартом техническая документация. Основные этапы инженерной разработки проектно-конструкторской направленности приведены на рис. 3.

Аналитические методы применяются при выполнении инженерных разработок в случаях, когда необходимо и возможно установить функциональную зависимость между параметрами объекта, процесса или явления, определить количественные характеристики связей между ними, установить точки или диапазоны экстремумов, соответствующих наиболее или наименее подходящим результатам.

Рис. 3. Основные этапы проектно-конструкторской разработки

Особенно наглядно это представлено в геодезической науке. Все построения при создании опорных геодезических сетей представляют собой геометрические фигуры (чаще всего треугольники или ломаные линии), размещенные на местности. Поэтому широкое применение формул геометрии и тригонометрии является непременным атрибутом процесса вычислительной обработки геодезических измерений. Качество геодезических измерений - их точность, т.е. оценка соответствия полученного результата истинному значению. Требуемая точность задается величиной средней квадратической погрешности, которая является статистической характеристикой ряда измерений. Например, полученное отклонение результата измерений от его теоретического значения («невязка») не должно превышать с вероятностью 0,997 утроенной средней квадратической погрешности («допустимой невязки»).

Все геодезические действия являются своего рода экспериментом, т.к. любой процесс измерения есть познавательный процесс, направленный на получение значения физической величины (линии, угла, площади) опытным путем на основе применения технических средств.

Следует заметить, что в рамках различных инженерных разработок не всегда удается реализовать аналитические зависимости, определенные теорией. Сложно в ряде случаев сформулировать и задать условия однозначности, присущие конкретному объекту или процессу. Неизбежные упрощения при решении весьма громоздких уравнений искажают отражение этими уравнениями физическую сущность. Аналогичные недостатки встречаются и при использовании вероятностно-статических методов. Недостаточность статистической выборки, чрезмерный разброс характеристик, невысокая теснота связей дополнительно снижают достоверность результатов. Очевидно, что более точные результаты дает эксперимент, но, строго говоря, результаты поставленного на определенном объекте эксперимента часто не могут быть перенесены на другой объект. Вот почему рекомендуется сочетать теоретические методы исследования с экспериментальными и именно такие комплексные результаты следует принимать в качестве базы для инженерных разработок. Эксперимент, как метод познания, занимает как бы промежуточное положение между обычным процессом наблюдения и теоретическим исследованием какого-либо явления.

Эксперимент базируется на конкретных данных о некотором строго определенном объекте, явлении или процессе, полученных непосредственно или через промежуточные источники и в столь же строго определенных условиях. В отличие от обычного, ординарного наблюдения, которое может быть пассивным, лишенным всякой целевой направленности, наблюдение в процессе эксперимента всегда активно, оно имеет четко обозначенные цели, установленную последовательность, периодичность, наконец, свою методологию. Эксперименты могут подразделяться на группы:

• по признакам объекта эксперимента: на естественные произ­водственные, бытовые, природные) и искусственные (создаваемые экспериментатором в ходе научного исследования);

• по признаку места проведения: на реальные (т.е. проводимые в реальных природных или производственных условиях) и лабораторные (на стендах, специальных приборах и др.).

Возможен и так называемый статистический эксперимент, когда базой для эксперимента являются характеристики и количественные данные, полученные не только путем собственных наблюдений, но и при анализе уже имеющихся опытно­статистических данных: опросов, анкетирования и т.п.

Можно выделить следующие основные этапы проведения эксперимента:

• разработка программы,

• определение методики,

• выбор необходимых для проведения эксперимента конкретных технических средств,

• собственно эксперимент (наблюдение, измерения и т.п.),

• обработка и анализ полученных данных,

• оценка точности.

Естественно, что всему этому предшествует четкое

формулирование темы эксперимента, его целей, задач, вопросов, на которые он должен дать ответы. После завершения эксперимента должны быть сформулированы выводы. Важнейшим этапом подготовки эксперимента является определение системы действий исследователя: от формулирования конкретных задач эксперимента до анализа полученных результатов. Методика включает в себя описание «технологии» эксперимента, предмета, количества, периодичности и последовательности наблюдений, способов обработки получаемых данных. Она предполагает также выбор так называемых варьирующих факторов - характеристик исследуемого процесса или явления, которые могут повлиять на оцениваемые результаты, и установить форму и порядок их изменений. Обработка данных, полученных в результате проведенного эксперимента, есть их систематизация, классификация и группировка по принятым критериям, оценка, в т.ч. сравнительная, тенденций, взаимосвязей и взаимовлияний, установление зависимостей. Важной частью любого эксперимента являются измерения. Измерения, как сказано выше,- это нахождение численного значения какой-либо физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Непосредственно к измерению в таком толковании примыкает и определение количества объектов, явлений, повторений признака и т.п., которое можно назвать регистрацией результатов эксперимента. Например, измерениям подлежат не только физические величины, но и определение количественных характеристик любых технологических процессов и социально-экономических проявлений. Измерение количества случаев появления того или иного события может выражаться в ответе на поставленный вопрос «да» или «нет».

Наконец, «измерениями» можно считать извлечения из соответствующих источников необходимых количественных данных.

В процессе экспериментальных измерений (в т.ч. и при статическом эксперименте) порой получается ряд изменяющихся значений двух, а иногда нескольких характеристик, объединяемых общей функцией (например, y=f(x); y=f(x\,x₂...x_n)). Часто на основе анализа этих зависимостей могут быть подобраны отражающие их алгебраические выражения - эмпирические формулы. Однако, достаточно точные аналитические выражения в большинстве случаев весьма сложны и громоздки. Поэтому допускается, и это вполне оправданно, использование упрощенных, приближенных эмпирических зависимостей. Такая замена точных аналитических формул приблизительными выражениями этих зависимостей, как известно, называется аппроксимацией. Графически процесс подбора формул заключается в нанесении данных выполненных измерений в какой-то системе координат, соединении точек, отражающих эти данные, плавной кривой, ориентировочном подборе формулы, наиболее близко выражающей закон изменения этой кривой, и определение параметров получаемой формулы.

Методы выполнения исследований и экспериментов, способы математической обработки результатов, технические средства измерений подробно описываются в циклах естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин учебного плана.

Анализ данных, получаемых в результате эксперимента, позволяет формулировать оценки, которые становятся основой для выводов и вытекающих из этих выводов предложений и рекомендаций. При наличии исходной гипотезы-предположения анализ может полностью или частично подтвердить эту гипотезу, обнаружить определенные противоречия или несовпадения. При отсутствии исходной гипотезы анализ позволяет определить и оценить связи, функциональные или корреляционные зависимости между факторами и признаками, возможности их использования для прогноза и управления процессами и явлениями.

Вопросы для самопроверки:

1. В чем разница между эмпирическими и теоретическими задачами в научном исследовании?

2. Какие основные этапы присущи научным исследованиям?

3. Какие основные методы присущи исследованиям и каковы характеристики этих методов?

4. Какие известны способы исследования и в чем их основные различия?

5. Какие основные этапы проектно-конструкторской разработки?

6. Привести примеры использования математических методов в решениях инженерных задач.

7. Какие основные этапы проведения эксперимента?