Моделирование как способ решения проблем

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ИНСТРУМЕНТ РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Надыров А.И. 1 , Беленкова О.А. 2

1 Магистрант, Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2 Доктор философских наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ИНСТРУМЕНТ РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Аннотация

В статье с позиций общенаучной методологии рассматривается применение метода компьютерного моделирования для создания гидродинамических моделей углеводородных пластовых систем. Показано, что при решении задач разработки месторождений нефти и газа, гидродинамическая модель выступает как элемент её оптимизации.

Ключевые слова: компьютерная модель, гидродинамическая модель, гидродинамическое моделирование.

Nadyrov A.I. 1 , Belenkova O.A. 2

1 Master student, Ufa State Petroleum Technological University, 2 PhD in Philosophy, Ufa State Petroleum Technological University

MODELING AS A METHOD OF SCIENTIFIC COGNITION AND AN INSTRUMENT OF SOLVING TECHNICAL PROBLEMS

Abstract

The paper studies the method of computer modeling from methodological point of view. The method is used for creation and studying of models of layer systems. It is shown that when solving problems of development of oil and gas fields the hydrodynamic model acts as an element of production optimization.

Keywords: computer model, hydrodynamic model, hydrodynamic modelling.

Научное познание представляет собой исторически развивающийся процесс достижения достоверных знаний о мире, истинность которых логически обосновывается, а также эмпирически проверяется и подтверждается на основе различных видов социальной практики. Одним из широко применяемых в научном познании методов является аналогия (греч. analogia – соответствие, сходство). Аналогия – это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений. В свою очередь, приёмы аналогии являются исходными при разработке метода моделирования, получившего широкое распространение в условиях высокотехнологичного производства нефтегазовой промышленности. Суть метода моделирования заключается в том, что непосредственно исследуется не сам объект, а заменяющая его модель. И результаты, полученные при изучении модели, переносятся по особым правилам на реальный объект. Моделирование используется в тех случаях, когда исследуемый объект либо труднодоступен, либо его прямое изучение экономически невыгодно. Эти два метода исследования – аналогия и моделирование являются наиболее конструктивными при исследовании пластовых резервуаров нефти и газа особенно при использовании компьютерного обеспечения. Преимуществом компьютерного моделирования является логичность и формализованность создаваемых моделей, а также возможность исследовать в процессе работы с моделью информацию об изменениях параметров моделируемой физической системы. Соответственно, компьютерное моделирование включает:

–исследователя, с определенными целями изучающего закономерности процессов и явлений;

– объект исследования, представленной в форме компьютерной модели;

– инструмент моделирования – компьютер.

При моделировании разработки месторождений нефти и газа используются различные пакеты гидродинамического моделирования (ECLIPSE, ROXAR, PETREL). Математическое обоснование гидродинамического моделирования обобщено в работе Р.Д. Каневской. Она выделяет 4 этапа моделирования. На первом этапе создается математическая модель фильтрации. На втором этапе информация о строении и свойствах пласта и насыщающих его жидкостей, режимах и показателях работы скважин преобразуется к виду, требуемому для ввода в модель фильтрации. На третьем этапе моделирования осуществляется адаптация математической модели по данным наблюдений. Путем воспроизведения истории разработки месторождения осуществляется уточнение основных фильтрационно–емкостных параметров пласта, заложенных в модель. На четвертом этапе моделирования модель пласта по мере накопления информации об объекте уточняется, совершенствуется и может использоваться для дальнейшего управления процессом разработки [1, с. 7–9].

В нефтегазовом деле основы моделирования пористых сред заложены известным математиком и физиком Ч. Слихтером. Он предложил использовать физические модели, которые могут служить аналогами пористой среды коллекторов нефти и газа (фиктивный и идеальный грунт) [2, с. 11]. Но эти модели представляют собой лишь физическое, идеализированное описание пласта. В реальности коллекторы углеводородов представляют собой сложную систему. Такая система была предметом исследования в работе автора статьи А.И. Надырова [3]. Цель работы состояла в том, чтобы изучить на компьютерной модели использование системы горизонтальных скважин с целью оптимизации разработки Приобского нефтяного месторождения. В результате проведенного исследования была получена информация, характеризующая применение горизонтальных скважин на данном объекте. Выводы, полученные в работе являются важными для специалистов, занимающихся проектированием разработки аналогичных месторождений.

Результаты, полученные на основе применения метода компьютерного моделирования при решении поставленной задачи, позволили сделать следующие выводы.

1. Итогом моделирования должна стать адекватная модель пласта, отображающая данные по истории разработки и позволяющая просчитывать прогнозные варианты разработки: применение различных систем разработки, расположения скважин по площади и другие. Необходимо уметь видеть и выделять факторы, обеспечивающие адекватность модели, поскольку при гидродинамическом моделировании получаемые результаты во многом зависят от качества исходной информации. Наиболее важным является «отбраковка» ненужной информации и выявление наиболее достоверных характеристик пласта и флюидов. Немаловажным фактором является сам процесс адаптации модели, в ходе которого необходимо «проработать» каждый параметр модели относительно характеристик реального пласта.
2. Вопрос адаптации модели допустимо рассмотреть с точки зрения синергетики. Синергетика изучает процессы самоорганизации в сложных неравновесных системах, к которым следует также отнести углеводородные пласты. При их изучении было зафиксировано, что среди возможных вариантов развития углеводородных пластов нет однозначной реализации. В синергетике ключевым понятием является понятие аттрактор (англ. attract – привлекать, притягивать), который обозначает элемент системы, ориентирующий её на перестройку или переход в новое качество на основе самоорганизации. Аттрактор определяется как состояние, к которому тяготеет система [4, с. 902–913]. Что же является аттрактором при гидродинамическом моделировании? В нашем случае аттрактор – это системоорганизующие знания о реальной пластовой системе, по которой есть данные многочисленных исследований и замеров. Выстраиваемая модель должна соответствовать реальному пласту. Остаётся лишь выяснить, какие параметры модели будут выступать в качестве аттрактора. Выражаясь языком синергетики, нам необходимо выделить системоорганизующее знание о данном пласте, то есть знания о тех параметрах, которые способны в значительной степени влиять на процесс разработки. Именно это знание позволит сделать модель адекватной пласту и обеспечит её оптимальное применение при разработке.
3. Наличие синергетического фактора при решении данной технологической проблемы требует применение системно–кибернетического подхода. Для понимания процессов и явлений происходящих в пласте, и для управления ими нужно уметь выделить не только «нужные», системоорганизующие переменные, но и выявить взаимосвязи между ними – необходим системный анализ, осуществляемый на основе системно–кибернетического подхода. По своей сути, интегрированная информация для моделирования является «хаосом переменных». Конечно, нельзя назвать процесс отбора информации перед моделированием самоорганизацией, так как отбором занимается специалист. Но процесс адаптации модели можно рассматривать как своеобразную самоорганизацию переменных в адекватную модель месторождения.

Выводы. На основе проведенного исследования были разработаны принципы имитационного моделирования, применение которых позволяет избежать ошибок, допускаемых при получении исходных данных о реальных объектах, а также правильно интерпретировать результаты исследования.

Список литературы / References

1. Каневская Р. Д. Математическое моделирование гидродинамических процессов разработки месторождений углеводородов / Р. Д. Каневская // М. – Ижевск: ИКИ, 2002. – 140 c.
2. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика / И.А. Чарный // М.: Гостоптех­издат, 1963. – 396 с.
3. Надыров А.И. Влияние расстояния между стволами горизонтальных скважин на коэффициент извлечения нефти / А.И. Надыров, И.В. Владимиров // Sciences of Europe, – 2016. – Т. 2. – №7 – C. 18-23.
4. Можейко М. А.Новейший философский словарь / М. А.Можейко // М.: Книжный Дом, 2003. – 1271 с.

Список литературы на английском языке / References in English

Источник

Моделирование как метод научного исследования — Сущность метода моделирования

Ежедневно каждый человек сталкивается с множеством моделей каких-то предметов. Даже в детстве ребенок играет с кубиками – моделями геометрических фигур. Но термин «модель» употребляется не только по отношению к предметам. А также к процессам и явлениям. К примеру, привычки человека, его повадки, поведение, речь – это все модель поведения. Даже жизненный опыт человека, его представления о мире является примером модели. Таким образом, модель — это упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении.

Сложно представить человеческую жизнедеятельность без использования различного рода моделей. Однако особую важность модель и процесс ее создания, изучения и применения – моделирование, имеют для науки. Моделирование является неотъемлемым инструментом в таких разделах науки как физика, химия, биология, кибернетика, не говоря уже о многих технических науках. Именно поэтому моделирование как способ научных исследований вызывает такой интерес философии и методологии познания.

Целью данной работы является анализ сущности методов моделирования и метода математической гипотезы. В работе будут рассмотрены основные принципы и концепции обоих методов, перечислены основные цели моделирования, классификация моделей. А также рассмотрены принципы отбора математических гипотез. Главной задачей работы является написание сравнительной характеристики данных методов на основе изученного материала.

Сущность метода моделирования

Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХв. Однако методология моделирования долгое время развивалась независимо отдельными науками. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология. Лишь постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания.

Термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. Рассмотрим только такие «модели», которые являются инструментами получения знаний.

Модель — это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал так, что его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале.[2] Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Оно тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и конструирование научных гипотез.

В широком смысле моделирование — многоплановый метод исследования, один из путей познания. Оно предполагает исследование реально существующих предметов, явлений, социальных процессов, органических и неорганических систем. А это значит, что сферы применения моделирования, по существу, неограниченны. Ими охватываются все процессы. Но это вовсе не означает, что моделирование является единственным и исчерпывающим методом познания, хотя моделирование присуще всякому познавательному процессу.

Общество не может разумно развиваться, не анализируя себя, различные стороны своей деятельности, не контролируя себя, не заглядывая вперед. Но для того чтобы этот анализ был эффективным, он должен опираться на точные, объективные данные, т.е. необходима информационная база, социальная информация. Совокупность проблем, поддающаяся количественному анализу, может быть формализована, выражена языком цифр и обработана на ЭВМ с помощью математического моделирования. Но далеко не все процессы общества поддаются количественному измерению и контролю. Социальные отношения отличаются исключительной сложностью, в них взаимодействуют самые различные факторы, взаимовлияние которых друг на друга неоднозначно, вариативно; причинно-следственные связи, их интенсивность и характер подвижны и неопределенны. К тому же следует учитывать, что все социальные процессы осуществляются людьми, а поступки, мысли, чувства людей не могут иметь числового отображения.

Отсюда — объективно необходимыми становятся различные методы анализа качественного содержания процессов в социальной сфере. А значит, необходимы и самые различные модели, функциями которых являются:

• углубление познания действующих систем, объектов;
• определение основных параметров, путей дальнейшего их совершенствования;
• проведение сравнительного анализа оригинала и модели, выявление качественных характеристик.

Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект. Именно эта особенность метода моделирования определяет специфические формы использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов познания.

Требования к модели

Целесообразно выделить две группы требований. Во-первых, модель должна быть более простой, более удобной, давать новую информацию об объекте, способствовать усовершенствованию самого объекта. Во-вторых, модель должна способствовать определению или улучшению характеристик объекта, рационализации способов построения его, управлению или познанию объекта. Следовательно, правомерно при разработке модели говорить об ее подобии объекту-оригиналу, при котором, с одной стороны, соблюдается жесткая целенаправленность, увязка ее параметров с ожидаемыми результатами, а с другой — обеспечивается достаточная «свобода» модели, для того чтобы она была способной к преобразованию в зависимости от конкретных условий и обстоятельств, могла быть альтернативной, иметь в запасе наибольшее число вариантов.

В целом модель должна соответствовать следующим требованиям. Модель должна:

1. Удовлетворять требованиям полноты, адекватности и эволюционности.
2. Обеспечивать возможность включения достаточно широкого диапазона изменений, добавлений, чтобы было возможно последовательное приближение к модели, удовлетворяющей исследователя по точности воспроизведения социального объекта, явления, процесса.
3. Быть достаточно абстрактной, чтобы допускать варьирование большим числом переменных, но не настолько абстрактной, чтобы возникали сомнения в надежности и практической полезности полученных на ней результатов.
4. Удовлетворять условиям, ограничивающим время решения задачи.
5. Ориентироваться на реализацию с помощью существующих возможностей, т.е. быть осуществимой на данном уровне развития общества. Модель должна обеспечивать получение новой полезной информации о социальном объекте (явлении, процессе) в плане поставленной задачи исследования.
6. Строиться с использованием установившейся терминологии.
7. Предусматривать возможность проверки ее истинности, полноты соответствия ее изучаемому социальному объекту, явлению, процессу.
8. Одновременно и средством, и объектом исследования, заменяющим оригинал.

Параметры оценки моделей могут быть различными. Один из них — прогрессивность модели, означающая, насколько она по целому ряду моментов является лидирующей. Определение качества модели не такая простая задача, особенно когда речь идет о моделях социальной сферы. Прогрессивность модели определяется характеристиками свойств модели, применимой в той или иной сфере в зависимости от целей и задач исследователей. В качестве главных критериев выступают: новизна отражения (интуитивное отражение, качественное описание, наглядная имитация, системное воспроизведение), распространенность, уровень разработанности. Уровень творческого решения с помощью модели означает степень выполнения гносеологической (познавательной, объяснительной) и эвристической (прогностической, творческой) функций. Последовательность нарастания этих возможностей, т.е. творческого решения, следующая:

• определение (различение, распознавание), классифицирование известных фактов, предметов, событий, упорядочение их и решение простых задач, усовершенствование простейших модельных представлений;
• реализация гносеологических и эвристических потенций разработанной модели, осуществление научного прогноза качественно новых фактов, событий и их практического использования. Уровень использования модели характеризуется такими показателями:
• определена цель применения модели;
• углублено знание по тем или иным аспектам применения модели в социальной сфере;
• используется в системе научного знания, в системе подготовки кадров, в учебных заведениях.

Не менее важным является рассмотрение структуры моделей. В структуру моделей входят три основных компонента: совокупность направлений развития объекта познания, побудительные силы развития, факторы внешних воздействий. При исследовании важно зафиксировать степень реализованного воздействия всех основных компонентов на предыдущем этапе познания объекта, что может быть осуществлено при ретроспективном анализе.

Классификация моделей

Признаки классификаций моделей:

1) по области использования;

2) по фактору времени;

3) по отрасли знаний;

4) по форме представления

1) Классификация моделей по области использования:

Учебные модели – используются при обучении. Это могут быть наглядные пособия, различные тренажеры, обучающие программы.

Опытные модели – это уменьшенные или увеличенные копии проектируемого объекта. Используют для исследования и прогнозирования его будущих характеристик.

Например, модель корабля исследуется в бассейне для изучения устойчивости судна при качке, модель автомобиля «продувается» в аэродинамической трубе с целью исследования обтекаемости кузова, модель сооружения используется для привязки здания к конкретной местности и т.д.

Научно – технические модели — создаются для исследования процессов и явлений. К таким моделям можно отнести, например, прибор для получения грозового электрического разряда или стенд для проверки телевизоров.

Игровые модели – это военные, экономические, спортивные, деловые игры. Эти модели как бы репетируют поведение объекта в различных ситуациях, проигрывая их с учетом возможной реакции со стороны конкурента, союзника или противника. С помощью игровых моделей можно оказывать психологическую помощь больным, разрешать конфликтные ситуации.

Имитационные модели непросто отражают реальность с той или иной степенью точности, а имитируют ее. Эксперименты с моделей проводят при разных исходных данных. По результатам исследования делаются выводы. Такой метод подбора правильного решения получил название (метод проб и ошибок). Например, для выявления побочных действий лекарственных препаратов их испытывают в серии опытов над животными.

2) Классификация моделей по фактору времени:

Статические – модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (единовременный срез информации по данному объекту). Например, обследование учащихся в стоматологической поликлинике дает состояние их зубов в данный момент времени: соотношение молочных и постоянных, наличие пломб, дефектов и т.п.

Динамические – модели, описывающие процессы изменения и развития системы (изменения объекта во времени). Примеры: описание движения тел, развития организмов, процесс химических реакций.

При строительстве дома рассчитывают прочность его фундамента, стен, балок и устойчивость их к постоянной нагрузке. Это статическая модель здания. Но надо так же обеспечить противодействие ветрам, движению грунтовых вод, сейсмическим колебаниям и другим, изменяющимся во времени факторам. Эти вопросы можно решить с помощью динамических моделей.

Таким образом, один и тот же объект можно охарактеризовать и статической и динамической моделью.

3) Классификация моделей по отрасли знаний

— это классификация по отрасли деятельности человека: математические, биологические, химические, социальные, экономические, исторические и тд.

4) Классификация моделей по форме представления:

Материальные – это предметные (физические) модели. Они всегда имеют реальное воплощение. Отражают внешнее свойство и внутреннее устройство исходных объектов, суть процессов и явлений объекта-оригинала. Это экспериментальный метод познания окружающей среды. Примеры: детские игрушки, скелет человека, чучело, макет солнечной системы, школьные пособия, физические и химические опыты

Абстрактные (нематериальные) – не имеют реального воплощения. Их основу составляет информация. Это теоретический метод познания окружающей среды. По признаку реализации они бывают: мысленные и вербальные; информационные

Мысленные модели формируются в воображении человека в результате раздумий, умозаключений, иногда в виде некоторого образа. Это модель способствует сознательной деятельности человека. Примером мысленной модели является модель поведения при переходе через дорогу. Человек анализирует ситуацию на дороге (какой сигнал подает светофор, как далеко находятся машины, с какой скоростью они движутся и т.п.) и вырабатывается модель поведения. Если ситуация смоделирована правильно, то переход будет безопасным, если нет, то может произойти дорожно-транспортное происшествие.

Вербальные (от лат. verbalis – устный) – мысленные модели, выраженные в разговорной форме. Используется для передачи мыслей.

Чтобы информацию можно было использовать для обработки на компьютере, необходимо выразить ее при помощи системы знаков, т.е. формализовать. Правила формализации должны быть известны и понятны тому, кто будет создавать и использовать модель. Поэтому наряду с мысленными и вербальными моделями используют более строгие – информационные модели.

Информационные модели – целенаправленно отобранная информация об объекте, которая отражает наиболее существенные для исследователя свойства этого объекта.

Типы информационных моделей

Табличные – объекты и их свойства представлены в виде списка, а их значения размещаются в ячейках прямоугольной формы. Перечень однотипных объектов размещен в первом столбце (или строке), а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках)

Иерархические – объекты распределены по уровням. Каждый элемент высокого уровня состоит из элементов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня

Сетевые – применяют для отражения систем, в которых связи между элементами имеют сложную структуру

По степени формализации информационные модели бывают образно-знаковые и знаковые.

Ярким примером образно-знаковой модели является географическая карта. Цвет и форма материков, океанов, гор, изображенных на карте, сразу подключает образное мышление. По цвету на карте сразу можно оценить рельеф. Например, с голубым цветом у человека ассоциируется вода, с зеленым цветущий луг, равнина. Карта изобилует условными обозначениями. Зная этот язык, человек может получить достоверную информацию об интересующем его объекте. Информационная модель в этом случае будет результатом осмысления сведений, полученных при помощи органов чувств и информации, закодированной в виде условных изображений.

То же можно сказать о живописи. Неискушенный зритель воспримет картину душой в виде образной модели. Но существуют некоторые художественные языки, соответствующие различным живописным жанрам и школам: сочетание цветов, характер мазка, способы передачи воздуха, объема и т. д. Человеку, знающему эти условности, легче разобраться в том, что имел в виду художник, особенно если произведение не относится к реализму. При этом общее восприятие картины (информационная модель) станет результатом осмысления информации как в образной, так и в знаковой формах.

Еще один пример такой модели — фотография. Фотоаппарат позволяет получить изображение оригинала. Обычно фотография дает нам довольно точное представление о внешнем облике человека. Существуют некоторые признаки (высота лба, посадка глаз форма подбородка), по которым специалисты могут определить характер человека, его склонность к тем или иным поступкам. Этот специальный язык формируется из сведений, накопленных в области физиогномики и собственного опыта. Знающие врачи, взглянув на фото незнакомого человека, увидят признаки некоторых заболеваний. Задавшись разными целями, по одной и той же фотографии можно получить различные информационные модели. Они будут результатом обработки образной информации, полученной при разглядывании фотографии, и информации, сложившейся на основе знания специального профессионального языка.

По форме представления образно-знаковых моделей среди них можно выделить следующие группы:

• геометрические модели, отображающие внешний вид оригинала (рисунок, пиктограмма, чертеж, план, карта, объемное изображение);

• структурные модели, отражающие строение объектов и связи их параметров (таблица, граф, схема, диаграмма);

• словесные модели, зафиксированные (описанные) средствами естественного языка;

• алгоритмические модели, описывающие последовательность действий.

Знаковые модели можно разделить на следующие группы:

• математические модели, представленные математическими формулами, отображающими связь различных параметров объекта, системы или процесса;

• специальные модели, представленные на специальных языках (ноты, химические формулы и т. п.);

• алгоритмические модели, представляющие процесс в виде программы, записанной на специальном языке.

На странице курсовые работы по педагогике вы найдете много готовых тем для курсовых по предмету «Педагогика».

Читайте дополнительные лекции:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник