Основы научных исследований
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
8.2. Виды моделирования Все виды моделирования подразделяют на четыре класса: 1. Макет исследуемого объекта представляет его внешнее про- странственное изображение, характеризует взаимодействие и взаимо- связь отдельных частей объекта. 64 2. Физическая модель объекта (процесса) – в вещественном виде с большей или меньшей точностью воспроизводит процессы, проис- ходящие в исследуемом объекте. 3. Предметно-математическая модель – позволяет исследовать объект путем изучения явлений и объектов иной физической природы. 4. Математическая модель – способ описания объективно суще- ствующих явлений с помощью математической символики. Модели широко используют при исследовании и проектирова- нии различных технологических объектов (в том числе машин и ап- паратов легкой промышленности) для определения на модели тех или иных свойств (характеристик) как объекта в целом, так и отдельных его частей. Например, при исследовании на физической модели про- цесса или рабочих органов машин для обработки деталей деформиро- ванием (тиснение, предварительное формование подошв, стелек, об- тяжка и затяжка верха обуви и др.) должны соблюдаться условия по- добия. Характерным для физического моделирования является: – относительно полное воспроизведение свойств моделируемого объекта; – возможности использования аппаратуры для регистрации по- казаний измерения без использования преобразующих устройств, вносящих дополнительные погрешности и искажения; – возможности изучения явлений, не поддающихся математиче- скому описанию; – дороговизна моделей сложных объектов; – трудность варьирования некоторыми параметрами модели- руемого объекта в необходимых границах. Пример деформированных кожевенных или полимерных мате- риалов можно использовать при предметно-математическом модели- ровании их реологических свойств с составлением уравнений их де- формационного поведения. Так, упругую деформацию описывают уравнением F = CS, (8.2) где С – жесткость; S – абсолютная деформация моделируется пружи- ной. Пластическая деформация моделируется гидравлическим ката- рактом с вязким трением (например, системой цилиндр-поршень). 65 Математически такую деформацию интерпретируют следую- щим уравнением F = D (dS : dt), (8.3) где D – жесткость катаракта (коэффициент численно равный нагрузке Н), необходимой для скольжения поршня со скоростью 1 м/сек). Для моделирования высокоэластической деформации соединяют параллельно пружину и катаракт, получают так называемую модель Кельвина-Фойхта. При этом их деформации одинаковые, а суммарное сопротивление равняется внешней нагрузке F = СS + D(dS : dt). (8.4) Таким образом, в приведенной предметно-математической мо- дели напряжение моделировалось нагрузкой, модуль мгновенной уп- ругости – жесткостью пружины, вязкость пластического течения – жесткостью катаракта, вязкость и модуль высокоэластической де- формации – жесткостью катаракта и пружины элемента Фойхта. Наряду с механическими моделями широко используют и элек- трическое моделирование, обладающее рядом достоинств: простота, компактность, дешевизна и т. п. При электрическом моделировании даже в самых сложных случаях можно ограничиться моделью, со- стоящей из набора простых деталей: конденсаторов, индуктивностей и резисторов. 8.3. Математические модели Наиболее абстрактным и идеальным отображением исследуемо- го объекта является математическая модель. Такой тип исследования осуществляется на моделях, физическая природа которых отличается от физической природы оригинала, благодаря чему значительно уп- рощается сам процесс моделирования. Например, с помощью одних и тех же формул можно моделировать аэродинамические и гидродина- мические явления, колебания струн и мембран, особенности поведе- ния электронов в атомах и молекулах и т. п. Математическая модель явления представляет гипотезу, выра- женную системой символов. 66 Существуют два метода разработки математических моделей: теоретический и экспериментально-статистический. Теоретический метод основан на изучении физико- математических и физико-химических закономерностей объекта, со- ставлении и решении систем уравнений в алгебраической, дифферен- циальной и конечно-разностной форме. Экспериментально-статистический подход основан на статисти- ческой обработке результатов экспериментов, организованных спе- циальным образом. Главное достоинство моделей, получаемых на ос- нове теоретического исследования, заключается в их большой про- гностической мощности. Зная достаточно полно описание поведения объектов, можно с большей степенью достоверности предсказывать их поведение в разных условиях. Слабое место такого подхода – трудность создания хорошей теории сложных явлений и процессов. Получить модели для большого класса объектов легкой про- мышленности весьма сложно и есть сомнения, что можно достичь цели в обозримый срок. Обычным недостатком теоретических математических моделей является и то, что при их разработке принимается ряд таких допуще- ний, что эти модели при практическом применении не дают ожидае- мых результатов. 8.4. Экспериментально-статистические модели и их применение Значительный интерес представляют более доступные и зачас- тую более эффективные экспериментально-статистические методы, исследования сложных объектов, имеющие своей целью как отыска- ние математического описания, так и оптимизацию объектов и про- цессов по этим моделям. Например,на практике часто используют построение прогно- стического правила. Зависимость между переменными величинами Х и Y может быть описана разными способами. Если Y зависимая пе- ременная величина или функция, а Х – независимая переменная ве- личина или аргумент, то соответствие между аргументом и функцией может быть задано таблицей, формулой, графиком и т. д. Изменение функции в зависимости от изменения одного или нескольких аргу- ментов называется регрессией. Весь арсенал средств, применяемых для описания корреляционных связей, составляет содержание рег- 67 рессионного анализа. Чаще связь между переменными выглядит в ви- де прямой линии. Линейную зависимость между переменными Х и Y описывают уравнением общего вида Y x = a + bx 1 + cx 2 + dx 3 +…, где a, b, c, d,… – коэффициенты уравнения, на практике учитывают не все возможные, а лишь некоторые аргументы, в простейшем слу- чае всего один: Y x = a + bx. (8.5) В этом уравнении линейной регрессии а – свободный член, а па- раметр b определяет наклон линии регрессии по отношению к осям координат или называется коэффициентом регрессии [5]. 1 этап. Определение параметров линейной регрессии. 2 этап. Оценка достоверности показателей регрессии. Выборочные показатели регрессии являются оценками соот- ветствующих генеральных параметров и, как величины случайные, сопровождаются статистическими ошибками. Ошибку выборочного показателя регрессии Y и X определяют по формуле ) ( ) 2 ( ) ( ) 1 ( 2 2 2 x x n y y r S i i b yx (8.6) Достоверность выборочных коэффициентов регрессии оценива- ют с помощью критерия Стьюдента (см. приложение 4). Нулевую гипотезу отвергают на принятом уровне значимости (а) с числом степеней свободы k = n – 2, если t ф t st. , следовательно, подтвержда- ют достоверность показателя регрессии. 3 этап. Расчет ошибки уравнения регрессии. Так как эмпирические уравнения регрессии сопровождаются ошибками, рассчитаем ошибку по следующей формуле 2 ) ( 2 n y y S i yx (8.7) 4 этап.Определение доверительного интервала. 68 Иногда практический интерес может представлять построение доверительного интервала для отдельных наблюдений, например, ес- ли требуется очертить зону, включающую в себя определенный про- цент всех эмпирических наблюдений, располагающихся возле линии регрессии. Общим и главным недостатком всех математических моделей является их недостаточная наглядность, особенно на первых этапах исследования, что ведет иногда к явному или скрытому подсозна- тельному сопротивлению исследователя применению математиче- ских методов при разработке модели. Поэтому, вероятно, наиболее целесообразным является применение последовательного метода мо- делирования путем создания макета, физической модели, предметно- математической модели и математической модели как завершающего этапа исследования. Вопросы 1. Сущность моделирования. 2. Критерии подобия. 3. Теоретический метод. 4. Классы моделирования. 5. Коэффициент подобия. 6. Макет исследуемого объекта. 7. Физическая модель. 8. Предметно-математическая модель. 9. Математическая модель. 10. Недостатки математических моделей. 69 9 . ЗАДАЧИ И ПРЕДМЕТ ЗЕМЛЕУСТРОИТЕЛЬНОЙ НАУКИ В предыдущих главах предложены методы научных исследова- ний, которые применимы в различных научных направлениях, в том числе и в землеустройстве. В данной главе рассмотрены задачи и предмет землеустроительной науки используя [18, 19, 20, 21]. Эти знания полезны как специалистам землеустройства и кадастры, так и мелиораторам. Современная практика землеустройства, базирующаяся на но- вом земельном законодательстве, опирается на методические и мето- дологические установки и рекомендации, выработанные в течение длительного времени. Реальный опыт землеустройства, его обобще- ние были и остаются главным источником развития землеустрои- тельной науки, его творческой лабораторией. Как и всякая наука, теория землеустройства занимается выявле- нием и обобщением определенных закономерностей. В предмет ее ис- следования входит, в частности, функционирование земли как средст- ва производства. Но этот предмет изучается и другими отраслями зна- ний, имеющими отношение к проблеме использования земли (земле- делие, мелиорация и др.). Поэтому более точным будет следующее оп- ределение: землеустроительная наука исследует закономерности орга- низации земли в народном хозяйстве, форм ее устройства для эффек- тивного применения в сельском хозяйстве и других отраслях, для ее сохранения как наиболее ценного природного ресурса. Способы организации земли, формы ее устройства для указан- ных целей различаются в зависимости от поставленных задач. Более того, сами задачи землеустройства, виды, объем, и содержание зем- леустроительных действий зависят от основных хозяйственных (пре- жде всего аграрных) проблем, решаемых на данном историческом этапе. Тем не менее, в большом разнообразии видов работ, способов и приемов их осуществления наряду со случайными моментами име- ются определенные закономерности. Задача землеустроительной нау- ки – своевременно выявить их, обобщить теоретически и дать кон- кретные рекомендации по совершенствованию практики землеуст- ройства. В последнее время внимание акцентируют на сохранении земли как важнейшего природного ресурса, на решении экологических задач. Вместе с тем рыночные реформы, развитие много- укладной экономики все более явно демонстрируют экономическую 70 природу землеустройства, ее связь с экономикой природопользова- ния, ее межотраслевой характер. В длительном и сложном процессе становления и развития зем- леустроительной теории наиболее активное участие принимали уче- ные Государственного университета по землеустройству (до 1992 г. Московский институт инженеров землеустройства). Определенный вклад внесли и кафедры землеустройства факультетов периферийных сельскохозяйственных вузов, а в последние десятилетия – научно- исследовательский институт земельных ресурсов (ГИЗР), ряд проект- ных институтов по землеустройству, многие из которых получили статус научно-исследовательских. Потребовались усилия нескольких поколений исследователей, чтобы сформулировать предмет и методы теории землеустройства, определить ее место в классификации наук, взаимосвязи со смежны- ми дисциплинами, основное ее содержание. Длительное время почти вся она исчерпывалась учением о ме- тодах землеустроительного проектирования. Характерной особенно- стью теоретических изысканий последних 15–20 лет стало, однако, значительное расширение их рамок за пределы проектирования. Су- щественное воздействие на практику землеустройства сыграли мно- гие события. Это массовое освоение целинных, залежных земель, по- иски форм их устройства; развертывание крупномасштабных проти- воэрозионных работ, принятие новых законов о земле и охране при- роды, разработка методики земельного кадастра, развитие научно- технического прогнозирования, развертывание работ по составлению генеральной схемы использования земельных ресурсов и др. Сейчас важнейшей задачей землеустроительной науки становится научно- методическое обеспечение земельной реформы. С землей в той или иной мере связано развитие всех отраслей на- родного хозяйства, поэтому в разных районах страны каждый раз воз- никают новые задачи, решение которых требует поисков новых или видоизменения старых форм ее устройства. Оказалось невозможным ограничиваться землеустроительным проектированием только на уровне собственно проекта. В ряде случаев требовались землеустрои- тельные мероприятия, носящие характер прогноза, долгосрочной про- граммы или плана, требующие не детально-проектного, а схематиче- ского решения; понадобилось расширить участие землеустроителей и землеустроительных органов в различных смежных мероприятиях. 71 В последние годы усилилось внимание к более обоснованному предоставлению земель несельскохозяйственным отраслям. Решение этих задач под углом зрения приоритета сельского хозяйства, с уче- том технологии и организации той отрасли производства и предпри- ятия, для которого земля отводится, является предметом межхозяйст- венного землеустройства. Для обоснования проекта необходимо иметь полное представление о характере, степени интенсивности, пе- риоде использования испрашиваемых земель, влиянии размещаемого объекта на окружающую среду. Сказанное относится также к уста- новлению оптимальной городской, сельской и поселковой черты. Таким образом, возникла необходимость расширения круга за- дач межхозяйственного землеустройства, решения межотраслевых проблем, более полного учета технологии и организации несельско- хозяйственных отраслей. Нужно было более полно исследовать фак- тическое использование отводимых земель, разрабатывать соответст- вующие научные рекомендации и нормативы. Сама методика состав- ления, экономического и правового обоснования проектов претерпе- вает в этом случае определенные изменения, так же, как и организа- ция, планирование, содержание и методы исполнения землеустрои- тельных работ. Проектные институты наряду со своей основной зада- чей выполняют теперь также инвентаризационные и кадастровые ра- боты, составляют схемы землеустройства районов, другие действия, предшествующие проектированию, а также рабочее проектирование самых различных видов с целью повышения интенсивности исполь- зования того или иного участка. Перед наукой встала задача выявить общие закономерности землеустроительного производства, тесно связанные с закономерно- стями функционирования земли в сельском хозяйстве и в других от- раслях. Тем самым предмет ее значительно расширился и вышел да- леко за пределы землеустроительного проектирования как научной дисциплины, остающейся ее важнейшей частью. В результате воз- никли новые дисциплины «Научные основы землеустройства», «Эко- номико-математические методы и моделирование в землеустройст- ве», «Планирование и прогнозирование использования земельных ре- сурсов» и др. В теории и практике землеустройства нередко наблюдают сме- шение понятий землеустройства как объективно существующего об- щественно-экономического явления и как науки. Неправильные пред- ставления возникают из-за отнесения к землеустройству мероприятий 72 иного назначения и иной сущности. Здесь нужно всегда исходить из реальной действительности, из объективной оценки роли и значения землеустройства как системы мероприятий и землеустроительной теории как элемента в единой системе наук о земле. Важно также опираться на трезвые оценки прошлого и настоящего с тем, чтобы из- влечь уроки из допущенных ошибок и разрабатывать перспективные направления совершенствования землеустройства. Именно с таких позиций ниже излагается краткий исторический очерк формирования науки о землеустройстве в Советской России, и рассматриваются пу- ти ее дальнейшего развития. 9.1. Землеустроительная наука в дореволюционный период Землеустроительная наука в нашей стране прошла через ряд ис- торических этапов. Научные исследования в области землемерного дела в России начали проводить только с начала ХIХ века. Раньше для подготовки землемеров существовали учебники по практической геометрии, которая означала понятие низшая геодезия или земле- измерение. Первыми учебниками по практическому землемерию были: «Арифметика» Л.Ф. Магницкого (1703 г.), «Практическая геометрия» С.И. Назарова (1760 г.), «Краткое математическое изъяснение земле- мерия межевого» Д.П. Цицианова (1757 г.) и работа С.К. Котельнико- ва «Молодой геодет, или первые основания геодезии (1775 г.). В на- чале ХIХ века проведение только одной практической геометрии пе- рестало удовлетворять землемеров. Поэтому началось разделение на две отдельные науки: практическое землемерие – первый этап и ме- жевание – второй этап. В 1836 г. выходит книга «Геодезия» А.П. Болотова в системе ес- тественных наук. Эта книга была признана лучшей в Европе. Он от- мечает, что геодезия и геометрия «принадлежат двум отдельным нау- кам», т. е. «практическая геометрия – это низшая геодезия, землеиз- мерение, а прикладная геометрия – это высшая геодезия, межевание». Исследования в области землеустройства в современном его по- нимании начались в России с изучения истории межевания, а также межевых законов, определяющих порядок производства землеуст- роительных работ. В период 1824–1847 гг. были подготовлены и из- даны следующие книги: «Теория межевых законов» В.С. Алеева (1824 г.), «Исторический взгляд на межевание в России до 1965 г.» 73 П. Иванова (1844.) и ряд других, получивших признание работников правительственных учреждений России того времени. Центральный труд по исследованию межевания был подготов- лен сотрудниками Межевого управления в 1863 г. в целях содействия начатым тогда работам по преобразованию межевой части в России. Он состоял из пяти книг под общим названием «Материалы для пре- образования межевой части в России». В конце ХIХ века – начале ХХ века наблюдается всплеск науч- ных исследований в области землеустройства в связи с проведением масштабных исследований по определению астрономических коор- динат различных пунктов, проведению картографических и топогра- фических работ. В это же время начала формироваться Московская землеустрои- тельная школа, где ведущее положение занимали ученые – профессо- ра Константиновского межевого института О.А. Хауке, И.Е. Герман, А.А. Ржаницын, С.П. Кавелин и др. Из научных работ, которые внесли вклад в становление земле- устроительной науки в дореволюционной России, можно отметить следующие: 1. Хауке, О.А. Очерки землеустроительного права / О.А. Хауке. – Вып. 1 – Понятие о землеустройстве, его задачи и основные черты. – М., 1914. 2. Герман, И.Е. История русского межевания / И.Е. Герман. – М., 1914. 3. Ржаницын, А.А. Руководство по землеустройству и межева- нию / А.А. Ржаницын. – СПб., 1910. 4. Кавелин, С.П. Межевание и землеустройство / С.П. Каве- лин. – М., 1914. 5. Кофод, А. Русское землеустройство / А. Кофорд. – СПб. – 1914. К 1910 г. вышли два полных издания законов Российской Импе- рии, включающих в себя межевые законы. Кроме того, в изданиях «Межевой вестник» (1883–1884 гг.), Трудах Топографо-геодезической комиссии, «Вопросах межевания и землеустройства», «Землемерном деле» публиковали научные статьи по вопросам землеустройства и межевания. В период Столыпинской земельной реформы (1906–1911 гг.) ученые землеустроители стали уделять внимание таким землеустрои- тельным действиям, как организация территории в крестьянских хо- 74 зяйствах, имениях, проведение культуртехнических мероприятий, оценка земель, сельское строительство и т. д. на основе специально разрабатываемых проектов. Поэтому с 1915 г. в КМИ раздел «Земле- устроительное проектирование» входивший в курс «Геодезия» был выделен в самостоятельную научную дисциплину. Несмотря на значительные научные работы в области землеуст- ройства в дореволюционной России его теория начала только форми- роваться. Отсутствовали полноценные ответы на вопросы, связанные с переходом страны к рациональным формам землевладения и земле- пользования, научно обоснованным методам землеустройства. Необ- ходимы были крупномасштабные научные исследования, которые не были осуществлены из-за революционных событий 1917 г. |