Министерство образования Российской Федерации

Кольский филиал Петрозаводского государственного университета

А.Я.Фридман, О.В.Фридман

ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Учебное пособие

Допущено умо по университетскому и политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Информационные системы".

Апатиты

2003

.

УДК 007.52

Фридман А.Я., Фридман О.В. Основы моделирования: Учебное пособие. - Апатиты, КФ ПетрГУ, 2003.- 104 с.

Пособие содержит курс лекций по основам моделирования, читаемый студентам третьего года обучения в Кольском филиале Петрозаводского государственного университета на горно-техническом факультете (очная и заочная формы обучения).

В пособии проводится обзор методов научного исследования, освещены основные методы моделирования, особое внимание уделено задачам моделирования производственных процессов в горном деле. Описаны подходы к проектированию и разработке прикладных интеллектуальных систем, основанных на знаниях - экспертных систем. Кроме того, в пособии излагаются принципы построения информационно-управляющих систем, рассматриваются подходы к решению задач моделирования поведения сложных систем. Дается понятие геоинформационных систем (ГИС), рассматриваются примеры применения ГИС-технологий в горном деле. В приложениях приведены теоретические вопросы курса и методические указания по выполнению контрольной работы.

Пособие рассчитано на студентов горного направления, в частности, специальностей "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых", "Обогащение полезных ископаемых", "Открытые горные работы", и соответствует государственным стандартам по этим дисциплинам.

Илл. 8, табл. 2, библиогр. - 16 назв.

Рецензенты:

Горный институт Кольского научного центра РАН, заместитель директора, д.т.н. Гершенкоп А.Ш.

кафедра информационных технологий Кольского филиала Петрозаводского государственного университета, профессор, д.т. н. Богатиков В.Н.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Петрозаводского государственного университета в качестве учебного пособия.

 Издательство Петрозаводского

государственного университета,

Кольский филиал, 2003

О Г Л А В Л Е Н И Е

		Стр.
ВВЕДЕНИЕ................................................................................................…………....		5
Глава 1. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ................................…………		7
1.1.	Функции научного исследования и основные стадии его проведения....…………………………....…………………………………...	9
1.2.	Формы и методы научного познания. ………………….........……........….	10
1.3.	Структура научного знания..…….........…………………………………….	15
Глава 2. Моделирование как метод научного познания.………...		17
2.1.	Модели материальные и информационные...........……………...…......…..	17
2.2.	Виды моделирования....…......................................…………………...….…	21
	2.2.1. Модель задачи...................................................................................	23
	2.2.2. Выбор модели и показателя эффективности задачи...................	26
	2.2.3. Методы решения моделей...........................................................	28
	2.2.4. Порядок построения и решения моделей................................	30
	2.2.5. Классы задач организации, планирования и управления...................	31
Глава 3. Моделирование сложных систем ..…………………………...		36
3.1.	Понятие сложной системы....….................................................................….	36
3.2.	Исходные определения.................................................……………………..	37
3.3.	Физические основы системотехники. Сложные системы и принципы системотехники ...............................................................................................	39
3.4.	Методы моделирования сложных систем.....................................................	48
Глава 4. МОДЕЛИ ЗАДАЧ ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ……………….......................................……………...		51
4.1.	Задачи о расстановке оборудования.……..…………………….…………..	51
4.2.	Задачи об оптимальном использовании ресурсов (оптимальном плане выпуска продукции)….....................................................................................	54
4.3.	Планирование добычных работ в режиме усреднения качества ……....	55
4.4.	Планирование перевозок грузов горных предприятий.........................	57
4.5.	Модель задачи планирования работы группы горных предприятий (добывающих и перерабатывающих)……...................................…………….	59
4.6.	Модели задач размещения ……...............…………………………………..	60
4.7.	Моделирование организации очистных работ на шахтах ………………	61
4.8.	Модель оперативного планирования распределения самоходного оборудования по очистным блокам рудника ………………………………..	63
4.9.	Статическая задача распределения ресурсов …...............................………	65
4.10.	Динамическая задача распределения ресурсов.............................................	67
4.11.	Задачи моделирования процессов и классификация способов взаимодействия машин и механизмов.....................................................................	68
4.12.	Моделирование непосредственного взаимодействия машин и механизмов.	70
Глава 5. Экспертные системы..........................................................................		72
5.1.	Назначение и специфика экспертных систем ……….……………...……..	72
5.2.	Архитектура статических и динамических экспертных систем ……...….	76
5.3.	Этапы разработки экспертных систем …………….…………………...…..	79
5.4.	Система прогноза удароопасности породного массива в зоне проведения добычных работ ……....………….…………………...………..	82
Глава 6. ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ГИС).…………………………		86
6.1.	Общие сведения...............................................................................................	86
6.2.	Геоинформационные системы в горном деле...............................................	89
Глава 7. Информационно-управляющие технологии.......................		92
7.1.	Информационные технологии управления...................................................	92
	7.1.1. Классификация информационных технологий...................................	93
7.2.	Информационно-управляющие системы.......................................................	94
7.3.	Управляющие технологии..............................................................................	97
ПРИЛОЖЕНИЕ 1		100
ПРИЛОЖЕНИЕ 2		101
СПИСОК литературы …………………………...................................………….		104

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни ускорения научно-технического прогресса автоматизация интеллектуальной деятельности становится насущной проблемой. Экстраполируя на обозримое будущее современные тенденции развития общества, можно придти к парадоксальным результатам. Сейчас число лиц, занятых в сфере управления и обслуживания, растет быстрее, чем число лиц, непосредственно занятых в производстве. Причем происходит это так быстро, что через некоторое время количество людей, занятых в непроизводственной сфере и, в частности, в науке будет близко к общей численности населения Земли.

Стремительное увеличение потока перерабатываемой информации там, где раньше ее почти не было (торговля, банковское дело), приводит к значительным изменениям в методах работы, требует автоматизации и интеллектуализации.

Моделирование представляет собой один из основных методов познания, является формой отражения действительности и заключается в выяснении или воспроизведении тех или иных свойств реальных объектов, предметов и явлений с помощью других объектов, процессов, явлений, либо с помощью абстрактного описания в виде изображения, плана, карты, совокупности уравнений, алгоритмов и программ.

Возможности моделирования, то есть перенос результатов, полученных в ходе построения и исследования модели, на оригинал основаны на том, что модель в определенном смысле отображает (воспроизводит, моделирует, описывает, имитирует) некоторые интересующие исследователя черты объекта.

В процессе познания используется и такой прием, как аналогия - умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

С этим приемом связан метод моделирования, получивший особое распространение в современных условиях. Этот метод основан на принципе подобия. Его сущность состоит в том, что непосредственно исследуется не сам объект, а его аналог (заместитель, модель), а затем полученные при изучении модели результаты по особым правилам переносятся на сам объект. Моделирование используется в тех случаях, когда сам объект труднодоступен, либо его прямое изучение экономически невыгодно и т. д.

Моделирование глубоко проникает в теоретическое мышление. Более того, развитие любой науки в целом можно трактовать - в весьма общем, но вполне разумном смысле, - как "теоретическое моделирование". Важная познавательная функция моделирования состоит в том, чтобы служить импульсом, источником новых теорий. Нередко бывает так, что теория первоначально возникает в виде модели, дающей приближённое, упрощённое объяснение явления, и выступает как первичная рабочая гипотеза, которая может перерасти в "предтеорию" - предшественницу развитой теории. При этом в процессе моделирования возникают новые идеи и формы эксперимента, происходит открытие ранее неизвестных фактов. Такое "переплетение" теоретического и экспериментального моделирования особенно характерно для развития физических теорий (например, молекулярно-кинетической или теории ядерных сил).

Моделирование - не только одно из средств отображения явлений и процессов реального мира, но и - несмотря на описанную выше его относительность - объективный практический критерий проверки истинности наших знаний, осуществляемой непосредственно или с помощью установления их отношения к другой теории, выступающей в качестве модели, адекватность которой считается практически обоснованной. Применяясь в органическом единстве с другими методами познания, моделирование выступает как процесс углубления познания, его движения от относительно бедных информацией моделей к моделям более содержательным, полнее раскрывающим сущность исследуемых явлений действительности.

Настоящее пособие представляет собой курс лекций по предмету "Основы моделирования" и содержит указания по выполнению зачетной контрольной работы. Задачей изучения дисциплины "Основы моделирования" является усвоение знаний и выработка у студентов умений, связанных с проведением исследований и моделированием технологии горного и обогатительного производства.

Пособие состоит из введения, семи глав и двух приложений. Книга содержит 8 рисунков, 2 таблицы, список литературы на 16 наименований.

Во введении рассматривается место моделирования в системе методов научных исследований.

В первой главе дается понятие научного исследования как формы научного познания. Рассматриваются функции и основные стадии проведения научного исследования, формы и методы научного познания.

Вторая глава описывает моделирование как метод научного познания.

В третьей главе вводится понятие сложной системы, описываются методы моделирования сложных систем.

Четвертая глава посвящена задачам моделирования производственных процессов в горном деле.

В пятой главе рассматриваются экспертные системы, как программные средства, позволяющие моделировать состояние и поведение сложных природно-технологических комплексов, таких, как горное производство. Приводится пример приложения экспертных систем в горном деле.

Шестая глава посвящена геоинформационным системам (ГИС), дается понятие ГИС, описывается область ее применения, приводятся примеры приложений ГИС в горном деле.

Седьмая глава описывает информационно-управляющие технологии. Рассматриваются информационно-управляющие системы, требования к ним, вопросы проектирования и повышения их эффективности.

Приложение 1 содержит теоретические вопросы по курсу "Основы моделирования".

В Приложении 2 даются методические указания по выполнению зачетной контрольной работы, приводятся примеры таких работ.

1. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Познавательное отношение человека к миру осуществляется в различных формах - в форме обыденного познания, познания художественного, религиозного, наконец, в форме научного познания. Первые три области познания рассматриваются в отличие от науки как вненаучные формы.

Наука - область духовной культуры; деятельность по получению новых знаний, а также сама система человеческих знаний о действительности; обозначение отдельных отраслей научного знания. Содержание науки выражается в точных понятиях, теоретических конструкциях, принципах, законах, составляющих в совокупности научную картину мира. "Наука, - писал А.Эйнштейн, - есть попытка привести хаотическое разнообразие нашего чувственного опыта в соответствие с логически однородной (обобщенной) системой мышления". Функциями науки являются описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности. Объяснение - раскрытие сущности изучаемого объекта путем постижения закона, которому подчиняется данный объект, либо путем установления тех связей и отношений, которые определяют его существенные черты. Объяснение отвечает на вопрос "почему". Описание - фиксация данных эксперимента или наблюдения с помощью выбранных в данной науке систем обозначений. Описание позволяет ответить на вопросы "что" и "как". Предвидение - распространение познанного на область еще непознанного, выступающее в форме обоснованного предположения о будущем состоянии явлений природы и общества или о явлениях, неизвестных в настоящий момент, но поддающихся выявлению.

Научное познание выросло из познания обыденного, но в настоящее время эти две формы познания довольно далеко отстоят друг от друга. В чем их главные различия?

1. У науки свой, особый набор объектов познания в отличие от познания обыденного. Наука ориентирована, в конечном счете, на познание сущности предметов и процессов, что вовсе не свойственно обыденному познанию.

2. Научное познание требует выработки особых языков науки.

3. В отличие от обыденного познания научное вырабатывает свои методы и формы, свой инструментарий исследования.

4. Для научного познания характерна планомерность, системность, логическая организованность, обоснованность результатов исследования.

5. Наконец, отличны в науке и обыденном познании и способы обоснования истинности знаний.

Но что же собой представляет наука? Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо отметить, что ее рождение есть результат истории, итог углубления разделения труда, автоматизации различных отраслей духовной деятельности и духовного производства.

Можно сказать, что наука - это и итог познания мира. Система проверенных на практике достоверных знаний и в то же время особая область деятельности, духовного производства, производства новых знаний со своими методами, формами, инструментами познания, с целой системой организаций и учреждений.

Все эти составляющие науки как сложного социального феномена особенно четко высветило наше время, когда наука стала непосредственной производительной силой. Сегодня уже нельзя, как в недавнем прошлом, сказать, что наука - это то, что содержится в толстых книгах, покоящихся на полках библиотек, хотя научное знание остается одним из важнейших компонентов науки как системы. Но эта система в наши дни представляет собой, во-первых, единство знаний и деятельности по их добыванию, во-вторых, выступает как особый социальный институт, занимающий в современных условиях важное место в общественной жизни.

Роль и место науки как социального института отчетливо видны в ее социальных функциях. Главные из них - культурно-мировоззренческая функция, функция непосредственной производительной силы, функция социальная.

Первая из них характеризует роль науки как важнейшего элемента духовной жизни и культуры, играющего особую роль в формировании мировоззрения, широкого научного взгляда на окружающий мир.

Вторая функция с особенной силой обнаружила свое действие в наши дни, в обстановке углубляющейся НТР, когда синтез науки, техники и производства стал реальностью.

Наконец, роль науки как социальной силы отчетливо проявляется в том, что в современных условиях научные знания и научные методы находят все более широкое применение при решении широкомасштабных проблем социального развития, его программирования и т.д. В настоящий период особое место науке принадлежит в решении глобальных проблем современности - экологической, проблемы ресурсов, продовольствия, проблемы войны и мира и т.д.

В науке отчетливо просматривается ее членение на две большие группы наук - наук естественных и технических, ориентированных на исследование и преобразование процессов природы, и общественных, исследующих изменение и развитие социальных объектов. Социальное познание отличается рядом особенностей, связанных и со спецификой объектов познания, и со своеобразием позиции самого исследователя.

Прежде всего, в естествознании субъект познания имеет дело с "чистыми" объектами, обществовед - с особыми - социальными объектами, с обществом, где действуют субъекты, люди, наделенные сознанием. В итоге, в частности, в отличие от естествознания здесь весьма ограниченна сфера эксперимента из-за моральных соображений.

Второй момент: природа как объект исследования находится перед субъектом, изучающим ее, напротив, обществовед изучает социальные процессы, находясь внутри общества, занимая в нем определенное место, испытывая влияние своей социальной среды. Интересы личности, ее ценностные ориентации не могут не оказывать воздействия на позицию и оценки исследования.

Немаловажно и то, что в историческом процессе гораздо большую роль, чем в природных процессах, играет индивидуальное, а законы действуют как тенденции, в силу чего отдельные представители неокантианства вообще считали, что социальные науки могут лишь описывать факты, но в отличие от естественных наук не могут вести речь о законах.

Все это, безусловно, усложняет исследование социальных процессов, требует от исследователя учета этих особенностей, максимальной объективности в познавательном процессе, хотя, естественно, это не исключает оценки событий и явлений с определенных социальных позиций, умелого вскрытия за индивидуальным и неповторимым общего, повторяющегося, закономерного.

Прежде чем переходить к анализу структуры научного познания, отметим его основное назначение и общие целевые установки. Они сводятся к решению трех задач - описанию объектов и процессов, их объяснению и, наконец, предсказанию, прогнозу поведения объектов в будущем.

Что же касается архитектуры здания науки, структуры научного познания, то в нем выделяются два уровня - эмпирический и теоретический. Эти уровни не следует смешивать со сторонами познания вообще - чувственным отражением и рациональным познанием. Дело в том, что в первом случае имеются в виду различные типы познавательной деятельности ученых, а во втором - речь идет о типах психической деятельности индивида в процессе познания вообще, причем оба эти типа находят применение и на эмпирическом, и на теоретическом уровнях научного познания.

Сами уровни научного познания различаются по ряду параметров:

• по предмету исследования. Эмпирическое исследование ориентировано на явления, теоретическое - на сущность;

• по средствам и инструментам познания;

• по методам исследования. На эмпирическом уровне это наблюдение, эксперимент, на теоретическом - системный подход, идеализация и т.д.;

• по характеру добытых знаний. В одном случае это эмпирические факты, классификации, эмпирические законы, во втором - законы, раскрытие существенных связей, теории.

Всякая наука основана на фактах. Она собирает факты, сопоставляет их и делает выводы - устанавливает законы той области деятельности, которую изучает. Способы получения этих фактов называются методами научного исследования.