85391

Основные принципы естествознания и концепция систем мониторинга

Доклад

Экология и защита окружающей среды

Концептуальные и теоретические схемы систем мониторинга. Пути усовершенствования мониторинга которые могут предложить современная наука и техника. Процедуру и технику эксперимента мониторинга нужно сделать как можно более устойчивой к неизвестным условиям наблюдения и изменяющимся и неизвестным параметрам или свойствам самого объекта.

Русский

2015-03-24

179 KB

1 чел.

PAGE  1

  1.  Основные принципы естествознания и концепция систем мониторинга

В естествознании предполагается существование природных явлений, которые и требуется  изучать с помощью рациональных  методов   ( методов рационального познания). Суть методов рационального познания заключается в том что  мыслительный процесс изучения природы осуществляется  в рамках правил и законов формальной (классической ) логики.

Кроме того, в качестве объектов познания выбираются  исследователем для изучения  такие  явления для которых существует возможность исследователю  осуществлять с ними взаимодействие, в результате которого получаются, как качественные результаты, так и  результаты  взаимодействия в виде чисел. В этом случае эксперимент может быть кратко представлен в виде возможного  множества этих чисел. Это отображение  множества  изучаемого явления в множество чисел и получило название физической величины.  Сами эти числа получили специальное  название  значений физической величины. Разумеется,  что различные свойства природного явления отображаются  в различные множества чисел и таким образом  явление природы представляется  набором физических величин, каждая из которых отражает его определенные свойства.

Специальные части эксперимента предназначенные для  отображения свойств  явления в значения конкретных физических величин получили название измерительные приборы. Определить физическую величину означает дать описание  конструкции прибора для измерения данной физической величины . Разумеется определения физической величины должно содержать указание какое свойство и какого явления эта физическая величина описывает. Сам процесс получения значений  физической величины получил название измерения.

  1.  Обсуждение результатов экспериментов ведётся по законам формальной логики:
  2.  Закон исключённого третьего. Либо "да", либо "нет" - третьего не дано.
  3.  Нельзя сказать и "да" и нет" одновременно.
  4.  Закон противоречия. Все обсуждаемые понятия вначале определяются.
  5.   Запрещение тавтологии.
  6.  Обсуждение результатов эксперимента.

Эксперимент - такие явления природы и такие действия над природой, которые обладают следующим набором свойств:

  1.  повторяемость экспериментов;

Повторяемость - мы получаем один и тот же результат.  

  1.  воспроизводимость экспериментов;
  2.  постоянство условий;
  3.  результат эксперимента обязательно должен иметь количественное описание, т. е. результат должен быть представлен в виде числа (физическая величина).

Научное наблюдение или пассивный эксперимент - всегда производится над совокупностью объектов. Мы заменяем множество экспериментов над одним объектом на эксперимент над множеством объектов, но при постоянных условиях. Достоверность и эффективность  научного наблюдения ниже, чем у экспериментов. Успехи наблюдательных наук скромнее.

Можно провести ряд дополнительных мероприятий, которые позволяют увеличить эффективность и достоверность научного наблюдения.

  1.  Отдельное измерение физической величины  мы заменяем непрерывным измерением во времени. Непрерывное измерение - контроль.
  2.  Мы можем создать модель изучаемого объекта. А с моделью можно проводить эксперименты по всем правилам. Моделирование даёт прогноз. Модели могут быть математические и физические. Математическое моделирование: аналитическое (написание формул) и машинное моделирование (создание алгоритма).
  3.  Принятие решения с целью управления изучаемого объекта.

Научное наблюдение с перечисленными усовершенствованиями и есть мониторинг.

Под мониторингом понимается программа целенаправленных наблюдений за состоянием природной среды. Он включает  наблюдение, оценку и прогноз антропогенных изменений, выявление источников воздействий и причин этих изменений.

Экологический мониторинг - это есть определённая система наблюдения, оценки, прогноза состояния окружающей природной среды и информационного обеспечения процесса подготовки принятия управленческих решений.

Мониторинг состоит:

Мониторинг - это часть системы управления природопользованием.

Концептуальные и теоретические схемы систем мониторинга.

  1.  Моделирование;
  2.  Непрерывные наблюдения и измерения - непрерывный контроль;
  3.  Принятие решений.

Пути усовершенствования мониторинга, которые могут предложить современная наука и техника.

Рассмотренную выше проблему можно охарактеризовать как научные эксперименты и наблюдения над объектом в условиях априорной неопределённости в отношении свойств этого объекта.

Способы борьбы с априорной неопределённостью, которые предлагает современная наука:

1. Процедуру и технику эксперимента (мониторинга) нужно сделать как можно более устойчивой к неизвестным условиям наблюдения и изменяющимся и неизвестным  параметрам или свойствам самого объекта. Это понятие получило название  - робастность (Robust (англ.)- устойчивость) . 

2. Моделирование. Оно бывает трёх видов:

  1.  Аналитическое моделирование - представление природных и технических систем с помощью структур математического анализа (функций, дифференциальных уравнений).
  2.  Алгоритмическое моделирование или машинное моделирование. Имитационное моделирование объединяет аналитическое и алгоритмическое моделирование.
  3.  Аналоговое моделирование.  Математическое описание объектов разной природы может быть одинаково.

С точки зрения мониторинга процессы алгоритмического и машинного моделирования позволяют описывать количественно природные и технические системы, для которых наука ещё не соизволила получить соответствующие аналитические законы. Вместо законов природы, которые описывают поведение объекта, вставляются универсальные алгоритмические и аналитические модели, созданные в рамках теории систем, системотехники и кибернетики.

Примером этому могут служить модели чёрных ящиков, которые описывают входное воздействие, выходное воздействие и переходную функцию.

Это используется в теории электрических цепей, теории сигналов, теории случайных процессов, математической статистике, теории принятия решений.

Недостатки такого подхода заключаются в том, что такой подход работает только в конкретных частных случаях, после соответствующей настройки и в ограниченном диапазоне параметров объекта. Такой подход получил название - кибернетическое моделирование.

Таким образом, с точки зрения системы мониторинга мы преодолеваем неопределённость в отношении знания законов поведения объектов, вместо законов мы используем весь спектр моделей.

3. Многомерное описание природных объектов.

Чем больше параметров объекта мы знаем, тем больше вероятность создания правильной модели. Для количественного описания совокупности параметров объекта  существуют соответствующие кибернетические модели.

Инструменты многомерной статистики:

  •  Многомерный регрессионный анализ;
  •  Многомерный корреляционный анализ;

коэффициент

А      В

Коэффициент корреляции.

Устанавливается два вида корреляции:

  1.  парная;
  2.  Частная корреляция - указывает степень непосредственной связи между двумя объектами.

  •  Факторный анализ.

Если многомерный корреляционный анализ указывал на внешние факторы, которые мы не учли, то факторный анализ занимался ситуациями, когда измеряемые параметры слабо влияют на поведение объекта мониторинга, но при этом возможно существование некоторого "главного" параметра, который является основным для описания объекта мониторинга. Беда заключается в том, что:

а) мы можем не подозревать о существовании такого параметра;

б) мы плохо представляем, как измеряемые параметры связаны с этим гипотетическим параметром.

Но при этом можно подозревать, что все эти параметры связаны с уровнем интеллекта.

Задача эколога - вычленить эти главные параметры на фоне других малозначимых параметров и указать количественный критерий такого выделения. Для этого и существует аппарат факторного анализа. Эти главные параметры и называются факторами.

Аналогичную цель преследует дисперсионный анализ.

  1.  Дисперсионный анализ.

Основной инструмент дисперсионного анализа - дисперсия.

  1.  Распознавание образов или классификация объектов.

Задача этого метода состоит в том, что, если у нас есть набор объектов и набор измеренных параметров, то задача заключается в том, чтобы выявить различные типы объектов, т. е. классифицировать объекты - разделить их на разные классы.

Недостатки или трудности:

Проклятие размерности, т. е. большое число параметров: если параметров много, а значений мало, то возникает неустойчивость параметров. Объём вычислений растёт катастрофически образом и выходит за пределы Бровермана.

Число параметров должно быть не очень велико.

4. Метод интеллектуализации систем мониторинга:

А) метод экспертных систем

Конкретные системы логического вывода предметно ориентированные, которые  удалось программно организовать - экспертные системы.

Блок-схема экспертной системы:

Экспертные системы с помощью обучающей подсистемы "высасывают" из конечных пользователей конкретные предметные инструкции типа "если, то", которые и трактуются как "знания" человека о предмете. Далее эти инструкции в сочетании с конкретными данными обеспечивают принятие решения в машине логического вывода.

Главные достоинства экспертных систем - эти системы позволяют формализовать целый спектр полуэмпирических навыков и знаний конкретных специалистов и далее использовать эти навыки для принятия объективных решений.

Таким образом, метод экспертных систем позволяет использовать накопленные человеком эмпирические способы прогнозирование поведения объектов мониторинга в условиях неопределённости.

Б) метод техногностических систем (когнитивные системы) - когнитивная машинная графика (метод виртуальных миров).

Технические методы стимуляции интуиции человека, принимающего решение. Такие системы стимулируют интуицию специалиста в этой области.

Способы стимуляции: создание зрительных образов, которые воздействуют на эстетическую, эмоциональную сферу человека, которые в свою очередь не просто стимулируют,  но и одновременно имеют прямое объективное отношение к объекту мониторинга. Любые изменения в объекте мониторинга вызывают адекватные изменения в этом графическом изображении. Опыт показал, что такие изображения можно создать, и они действительно информируют человека о состоянии объекта мониторинга, стимулируя принятие решений по мониторингу.

Количественный анализ качества принятия решения ЛПР, позволяет сделать попытку калибровки, нормировки измерительного процесса мониторинга (т.о. достигается основное требование естествознания - объективное количественное описание результатов мониторинга).

Лицо,

принимающее

решение


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57896. Дійсні числа та дії над ними 239 KB
  Мета: освітня: розширити уявлення учнів про число числові множини; закріпити поняття натуральних цілих раціональних та ірраціональних чисел. Ввести поняття дійсного числа розкрити об’єктивну необхідність вивчення дійсних чисел.
57897. Додавання натуральних чисел 1.78 MB
  Мета навчальна: удосконалення вміння виконувати додавання натуральних чисел, формувати вміння застосовувати переставну та сполучну властивості додавання, розв’язувати задачі на додавання натуральних чисел.
57898. Геометричні перетворення: паралельне перенесення, осьова симетрія, центральна симетрія 984.5 KB
  Навчити учнів виконувати перетворення фігур на площині застосовувати властивості геометричних перетворень до розв’язування задач. Перетворення допомагають художникам правильно будувати композиції картин а хімікам – досліджувати структуру кристалів.
57899. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ РІВНЯНЬ 170 KB
  Мета: вдосконалити знання і вміння учнів розв’язувати раціональні рівняння; розвивати різні види мислення самостійність творчість екологічну культуру; виховувати активність увагу наполегливість винахідливість; прищеплювати любов до рідного краю.
57900. Решение систем уравнений второй степени 185.5 KB
  Задание: При каких значениях параметра а система уравнений имеет три решения Решение: парабола y= x2 будет иметь с окружностью x2 y2 = 4 три общие точки только в случае а = 2. Теоретический опрос по вопросам: Что называется системой...
57901. Систематизація та узагальнення знань, вмінь і навичок 183.5 KB
  Мета уроку: навчальна складова: систематизувати та узагальнити знання учнів з вивченого навчального матеріалу вміння та навички учнів застосовувати вивчене до розв’язування задач передбачених програмою...
57902. ПЛОЩІ + ІСТОРІЯ + ДИЗАЙН = КРАСА 312.5 KB
  Сьогодні на уроці ми познайомимося з професіями паркетник та дизайнер інтер’єру Паркетник-фахівець з укладання паркету в приміщеннях. План уроку Знайомство з історичними фактами: а історія паркету; б історія візерунків Росія...
57903. Тригонометричні функції будь-якого кута 878 KB
  Повторити властивості тригонометричних функцій закріпити навички співвідносити градусну та радіанну міру кута та знаходити значення тригонометричних функцій будьякого кута при обчислюванні значень виразів що містять тригонометричні функції з урахуванням їх властивостей.
57904. Функції. Узагальнення і систематизація вивченого матеріалу 539 KB
  Мета: узагальнити і систематизувати знання учнів з теми Квадратична функція; закріпити вміння і навички учнів використовувати набуті під час вивчення теми знання для розв’язування вправ і задач розвивати увагу учнів логічне мислення творчу активність...