Лекция №3 Методологические основы научного познания в области ЗОС

Понятие инженерного исследования науки в области защиты окружающей среды (экологии)

Элементы инженерных исследований в экологии

Этапы проведения инженерных исследований в экологии

Общая схема хода научного исследования

Элементы инженерных исследований в экологии

Цель инженерного исследования в экологии

Инженерные исследования в экологии чаще всего преследуют практическую цель – получение достоверной информации для выявления закономерностей развития явлений и процессов, происходящих в природо-промышленной системе. Задача наблюдения предопределяет его программу и формы организации. Неясно поставленная цель может привести к тому, что в процессе наблюдения будут собраны ненужные данные или, наоборот, не будут получены сведения, необходимые для анализа.

Объект инженерного исследования в экологии

При подготовке инженерного исследования кроме цели следует точно определить, что именно подлежит обследованию, т.е. установить объект инженерного исследования в экологии.

Под объектом инженерного исследования в экологии понимается некоторая статистическая совокупность, в которой проистекают исследуемые явления и процессы, происходящие в природо-промышленной системе. Объектом инженерного исследования в экологии может быть совокупность физических лиц (население отдельного региона, страны; лица, занятые на предприятиях отрасли), физические единицы (станки, машины, жилые дома), юридические лица (предприятия, фермерские хозяйства, коммерческие банки, учебные заведения), природные объекты (растительность, животный мир, недра).

Чтобы определить объект наблюдения, необходимо установить границы изучаемой совокупности. Для этого следует указать важнейшие признаки, отличающие его от других сходных объектов. Например, прежде чем проводить обследование влияния промышленных предприятий на окружающую их среду, следует определить отрасли промышленности, регионы, подлежащие наблюдению и т.д.

Единица инженерного исследования в экологии

Всякий объект инженерного исследования в экологии состоит из отдельных элементов – единиц инженерного исследования в экологии.

Единицей инженерного исследования в экологии (в зарубежной литературе используется термин "единица наблюдения", "элементарная единица") называют составной элемент объекта, являющийся носителем признаков, подлежащих регистрации. Например, при исследовании воздействия промышленных предприятий на окружающую их среду единицей наблюдения может быть человек, но может быть и все население, проживающее в населенных пунктах, расположенных рядом с предприятием.

По каждой единице инженерного исследования собираются необходимые сведения – статистические данные. Под статистическими данными (информацией) понимают совокупность количественных характеристик экологических явлений и процессов, полученных в результате статистического наблюдения, их обработки или соответствующих расчетов.

Этапы проведения инженерных исследований в экологии

Рис. 1.1. Объект моделирования

Входные (основные) параметры x1, x2, …, xk определяют условия эксперимента и регулируются экспериментатором в процессе проведения эксперимента.

В качестве выходных величин y1, y2, …, ym рассматривают любой технологический или экономический показатель процесса. Используя при обработке опытных данных принципы регрессионного и корреляционного анализа, можно найти зависимость между переменными и определить условия оптимума.

Параметры w1, w2, …, wl – это нерегулируемые внутренние характеристики объекта (например, коррозия металлических частей, засорение трубопроводных систем и т.д.). Также их еще называют "шумом" объекта.

Параметры u1, u2, …, un – нерегулируемые внешние характеристики окружающей объект среды (например, температура воздуха, давление и т.д.).

Любые нерегулируемые внутренние и внешние характеристики изменяются во времени случайным образом и, следовательно, являются случайными процессами. За время наблюдения случайный процесс принимает тот или иной конкретный вид, заранее неизвестный, называемый реализацией случайного процесса. Случайный процесс можно представить в виде бесконечного множества случайных величин.

Рис. 1.2. Виды случайных процессов:

а – стационарный; б – нестационарный

Случайным будет любой параметр, не вошедший в число входных параметров, даже если он хорошо изучен. В зависимости от постановки задачи и технических возможностей некоторые измеряемые параметры относят к случайным нерегулируемым, что, однако, уменьшает точность математической модели.

Все изменяемые параметры модели делятся на зависимые и независимые переменные. К независимым переменным относятся входные (x1, x2, …, xk), нерегулируемые внутренние (w1, w2, …, wl) и нерегулируемые внешние (u1, u2, …, un) параметры. Независимые переменные принято называть факторами.

К зависимым переменным относятся все входные параметры (y1, y2, …, ym), так как они зависят от остальных, независимых параметров:

ym = f (x1, x2, ..., xm; w1, w2, ..., wl ; u1, u2, ..., un ) . (1.1)

Зависимую переменную, характеризующую результаты эксперимента, называют функцией отклика, или целевой функцией, а при решении задач оптимизации – параметром оптимизации:

ym = f (x1, x2 , ..., xm ) . (1.2)

Принято называть координатное пространство с координатами x1, x2, …, xk факторным пространством, а геометрическое изображение функции отклика в факторном пространстве – поверхностью отклика.

Зависимые и независимые переменные могут быть дискретными и непрерывными. Непрерывные переменные (например, температура, давление, концентрация и т.д.) могут принимать любые значения внутри выбранного интервала.

Дискретные переменные принимают только некоторые отдельные значения в заданном интервале.

Совокупность (ряд) значений некоторой величины – это определенное количество измеренных значений одной и той же величины, расположенных затем в определенном или произвольном порядке (например, 3,15; 3,16; 3,14; 3,17; 3,15; 3,14 и т.д.).

Моделирование процессов в экологии проводится для выявления принципов, лежащих в их основе, и для предсказания последствий изменения тех или иных независимых переменных. Принципы (научные выводы и заключения), формулируемые на базе исследования моделей, получили название гипотез – пробных утверждений о наличии или отсутствии тех или иных причинно-следственных связей между определенными процессами и явлениями в экологии 1) пассивный эксперимент – включает постановку эксперимента методом однофакторного анализа, а также сбор исходного статистического материала в режиме нормальной эксплуатации на реальном объекте; обработка экспериментальных данных при этом проводится методами классического регрессионного и корреляционного анализа;

2) активный эксперимент – включает постановку эксперимента методом многофакторного анализа по заранее составленному плану (планирование эксперимента); при этом план эксперимента выбирается в зависимости от априорной (однозначной) информации об объекте и от постановки задачи эксперимента, и на каждом этапе исследования выбирается оптимальная стратегия эксперимента.

В настоящее время пассивный эксперимент, несмотря на недостатки (проведение большого количества опытов) широко применяется в реальных условиях, поскольку при этом информацию о свойствах объекта получают без нарушений режима протекания процесса. Активный эксперимент применяется, в основном, в лабораторных и полузаводских условиях.

Лекция №3 Методологические основы научного познания в области ЗОС