Виды экспериментальных исследований и порядок их выполнения

ЛЕКЦИЯ №1

Роль экспериментальных исследований в создании машин.

Виды экспериментальных исследований и порядок их выполнения.

1.Введение.

В инновационном развитии особое место принадлежит экспериментальным исследованиям. Важное значение в связи с этим приобретает ныне совершенствование и ускорение эксперимента на базе современных достижений науки и техники, на базе его широкой автоматизации. Научно-исследовательские институты и конструкторские бюро страны успешно применяют сложные и высокоэффективные системы получения и обработки информации и управления экспериментом. Разрабатываются специальные программы автоматизированных экспериментов, включая обработку результатов. Внедряются новые методы измерений на основе голографии и лазерной техники, токовихревых преобразователей информации. Техника экспериментальных исследований в большинстве случаев серьезно отстает от общего развития и становится тормозом на пути технического прогресса. Возьмем, к примеру, машиностроение. Экспериментальные исследования в этой отрасли техники связаны с проектированием и доводкой конструкции. Творческие работники призваны в короткие сроки создавать высокоэффективные, надежные машины. Если сроки проектирования и доводки растянутся, новинка может морально устареть, ее применение станет практически нецелесообразным. Вместе с тем надо иметь в виду, что в практике машиностроения усиливается тенденция оснащения машин системами блокировки и защиты, которые как бы оберегают их от неисправностей, от ошибок операторов, позволяют в сложных условиях обеспечить безаварийную эксплуатацию машин. Все это требует тщательных экспериментальных проверок, порой весьма затяжных. К тому же и сама технология производства становится объектом сложных исследований. В сочетании с ускорением темпа конструирования и доводки прогресс в технологии представляет ныне главную трудность в создании машин. Разумеется, сплошь и рядом можно ограничиваться элементарными экспериментами, давно вошедшими в заводскую практику. Они не требуют специального оборудования, и их можно проводить без всякой автоматизации. Речь о другом, о сложных экспериментальных исследованиях. Например, мы нередко сталкиваемся при отработке той или иной машины с целой совокупностью закономерностей, с появлением так называемых критических и аварийных состояний, уловить и проанализировать которые можно лишь с помощью быстродействующих электронных приборов. Мы порой не можем автоматизировать эксперимент, ускорить его выполнение из-за того, что нет нужных датчиков, преобразователей, нет комплекса автоматической техники обработки и выдачи окончательной информации. Определение, скажем, ресурса двигателя мы относим к числу простых испытаний. Но на самом деле это длительный и сложный процесс, в нем участвует большое количество техники и людей - экспериментаторов, испытателей, конструкторов, технологов. А ресурсы могут быть разные. И если он определен, скажем, в десять тысяч часов, то при теперешних условиях на эксперимент потребуется два (!) года. Подобная обстановка создается и при экспериментальном исследовании различных других процессов. Пока конструкторы доведут до ума свое детище в бесконечной веренице экспериментов, оно может устареть. Где же решение проблемы? Ответ может быть только один: в автоматизированном эксперименте с широким применением измерительно-информационных систем. Например, при изучении вибрационного напряжения в лопатке компрессора оператор сам управляет машиной, проходит определенный диапазон режимов. Но такой метод не может удовлетворить исследователей. Нужна такая экспериментальная система, которая позволила бы при обнаружении слабых мест автоматически начинать исследования именно в опасном диапазоне режимов. Экспериментальная система немыслима без электронно-вычислительной машины. Она должна обеспечить все стадии эксперимента и в сжатом виде выдать выходные данные вплоть до готовых графиков и таблиц. Тогда будут исключены многократные, наиболее трудоемкие операции ввода и вывода промежуточных данных, можно будет не только обрабатывать результаты, но и управлять ходом эксперимента, перейти к подлинной его автоматизации. Практически автоматизируется только обработка информации по самому эксперименту. В результате нам приходится прибегать к так называемой малой механизации, порой кустарничать, непроизводительно тратить время, средства. В ходе эксперимента средней сложности, если приходится записывать, скажем, 150 показателей и выполнять 750 измерений, на обработку полученных данных ручным способом надо затратить около ста человеко-часов, а при автоматической обработке - всего три-пять минут. Автоматизация экспериментальных исследований порождает много сопутствующих проблем. Взять, к примеру, вопрос накопления информации, ее обработки и использования. Назрела острая необходимость автоматизировать поиск информации, организовать быстрое использование справочных данных. Серьезного внимания заслуживает вопрос подготовки экспериментаторов. Экспериментатор должен обладать особым характером, пытливостью, такими человеческими качествами, как требовательность к себе, честность, умение разбираться в сложных вопросах, аналитически мыслить. Я далек от мысли ставить вопрос о создании каких-то особых учебных заведений по подготовке кадров экспериментаторов. По-видимому, можно было бы в существующих учебных заведениях создавать специализированные группы и готовить в них специалистов, владеющих теорией и практическими навыками постановки и проведения экспериментальных исследований. Проблема автоматизации экспериментальных исследований должна сегодня ставиться широко. Все острее становится необходимость комплексного ее решения для практики. В этом таится огромный резерв экономии трудовых затрат и ускорения и ускорения инновационного развития.

Прежде всего, рассмотрим множество эмпирических методов с позиций общенаучных критериев, предъявляемых к организации исследования.
Все методы, применяемые для получения эмпирического материала, можно условно разделить на активные и пассивные. К активным методам относятся лабораторный эксперимент и его различные модификации, квазиэксперимент. К пассивным методам — наблюдение, метод анализа продуктов деятельности, измерение и корреляционные исследования и т.д. Применяя методы первой группы, исследователь активно вызывает явление или процесс, воздействуя на объект. Используя же методы второй группы, он лишь довольствуется регистрацией естественного процесса.
Однако, регистрировать исследователь может непосредственно или применяя некоторый инструмент (опросник, тест и т.д.). Также как и воздействовать на испытуемого он может непосредственно в ходе беседы, либо организуя деятельность обследуемого в лабораторном эксперименте с помощью исследовательских средств (приборов, заданий и т.д.).
Наблюдение тоже может быть инструментальным, например, при использовании видеозаписи, магнитной записи и другой аппаратуры. Однако, в отличие от измерительного корреляционного исследования, при этом отсутствует взаимодействие испытуемого с инструментом. В эксперименте и в ходе измерения испытуемый активно выполняет задания, а при наблюдении никакой задачи ему не ставится, он ведет себя естественным образом.
По формальным основаниям выделяется несколько типов экспериментального исследования. Различают поисковый и подтверждающий эксперимент. Различие их обусловлено уровнем разработанности проблемы и наличием знаний о связи зависимой и независимой переменных.

Поисковый эксперимент — эксперимент, который проводится тогда, когда неизвестно, существует ли причинная связь между независимой и зависимой переменными. Поэтому поисковое исследование направлено на проверку гипотезы о наличии или отсутствии причинной зависимости между переменными А и В.

Подтверждающий эксперимент — эксперимент, в котором выявляется вид функциональной количественной связи между независимой и зависимой переменными. Подтверждающий эксперимент проводится, если существует информация о качественной связи между двумя переменными. При этом выдвигается гипотеза о виде связи.

Алгоритм исследования в целом выглядит так.
1. Выдвигается гипотеза о качественной причинной связи А и В.
2. Проводится поисковый эксперимент.
3. В случае неподтверждения гипотезы выдвигается другая качественная гипотеза и проводится новый поисковый эксперимент; если же качественная гипотеза подтверждается, выдвигается количественная функциональная гипотеза.
4. Проводится подтверждающий эксперимент.
5. Принимается (или отвергается) и уточняется гипотеза о виде связи между переменными.

Экспериментальное исследование организуется по определенной схеме: формулировка проблемы и выдвижение гипотезы, конструирование методики и подбор аппаратуры, отбор испытуемых, создание плана для контроля переменных, проведение эксперимента, обработка и интерпретация результатов, подготовка научного отчета. Часть из этапов является обязательными, часть — в некоторых случаях может отсутствовать, но последовательность шагов необходимо запомнить, чтобы не делать элементарных ошибок.
Рассмотрим основные этапы организации и проведения психологического экспериментального исследования и кратко опишем их содержание.

1. Определение темы. Тема ограничивает область исследований, круг проблем, выбор предмета, объекта и метода. Однако первым эта-
пом собственно самого исследования является первичная постановка проблемы. Исследователь должен уяснить себе, чем он неудовлетворен в современном психологическом знании, где он ощущает пробелы, какие факты и закономерности не поддаются объяснению, какие теориидают противоречащие друг другу объяснения поведения человека и т.д.

Эмпирическое исследование проводится в трех основных случаях:

• проверка гипотезы о существовании явления;
• проверка гипотезы о существовании связи явлений;
• проверка гипотезы о причинной зависимости явления А от В. Собственно эксперимент применяется только для обнаружения причинной связи явлений

Работа с научной литературой. Исследователь должен ознакомиться с экспериментальными данными, полученными другими пси
хологами и попытками объяснения причин заинтересовавшего его явления. К услугам современного исследователя компьютерные базы
данных, сеть Internet, библиотеки, специализированные журналы.

Рекомендуется регистрировать дополнительные признаки поведения испытуемого, его эмоциональные реакции по ходу эксперимента. Необходимым завершающим этапом является постэкспериментальное интервью. По завершении эксперимента следует провести беседу с испытуемым и поблагодарить его за участие в исследовании.

Выводы и интерпретация результатов. Итогом экспериментального исследования является подтверждение или опровержение
гипотезы о причинной зависимости между переменными: «Если А, то В».

Подтверждение статистических гипотез (о различиях, связи и пр.) — решающий аргумент в пользу принятия экспериментальной гипотезы. Исследователь сопоставляет свои выводы с выводами других авторов, высказывает гипотезы о причинах сходства или различия между собственными данными и результатами предшественников. И наконец, он интерпретирует свои выводы в терминах теоретической гипотезы. Он должен ответить на вопрос: можно ли считать подтверждение или опровержение эмпирической гипотезы подтверждением или опровержением той или иной теории. Возможно, что ни одна теория не может объяснить полученные в эксперименте результаты. Тогда экспериментатор, если он склонен к теоретизированию, пытается теоретически объяснить результаты. Кроме того, он высказывает предположения о возможности обобщения и переноса своих данных на другие ситуации, популяции и т.д.

Научный отчет, рукопись статьи, монография — конечный продукт исследования. Существуют определенные требования к офор
млению рукописной научной работы, наглядному представлению результатов и структуре изложения. Исследование считается завершенным, если экспериментальная гипотеза опровергнута или не опровергнута с заданной надежностью, а результаты исследования в соответствующей форме представлены на суд научной общественности.

2. Цель и задачи ЭИР и роль автоматизации в их выполнении.

Основные НТД на основании которых выполняются ЭИР.

Исследования на стадии поисковых работ – предшествуют ОКРу.

Исследования на стадии на стадии ОКР.

1) Функционирование ( функциональная, параметрическая.согласованность и т.п.)

2) Режимы работы

3) Соответствие требованиям ТЗ, НТД (безопасность, промсанитария, пожарная безопасность и т.п.)

4) Подтверждение параметров надежности.

Основные документы, регламентирующие проведение ЭИР:

Программа испытаний

Методика испытаний

Различного рода согласования

Приказ на проведение испытаний

Составление акта и протокола испытаний

Оформление научного отчета по проведенным испытаниям

Литература

Автоматизация Эксперимента - комплекс средств и методов для ускорения сбора и обработки эксперим данных, интенсификации использования эксперим установок, повышения эффективности работы исследователей Характерной особенностью А э является использование ЭВМ, что позволяет собирать, хранить и обрабатывать большое кол-во информации, управлять экспериментом в процессе его проведения, обслуживать одновременно неск установок и т д Первые попытки А э возникли в 1950-е гг в исследованиях, связанных с ядерной физикой В последующие годы А э нашла применение в др областях физики и естествознания вообще: в физике элементарных частиц, термоядерных, космич и медико-биол исследованиях, в геофизике, радиоастрономии и т п Используемые при этом автоматизир системы (АС) эксперим исследований отличаются большим разнообразием, однако можно выделить общие принципы, обеспечивающие их эффективность Общие принципы и требования: 1 Повышенные требования к быстродействию АС, поскольку такие системы предназначены для быстрого получения и анализа данных и быстрого принятия решений2 Высокая надёжность АС, возможность длительной безотказной работы, что связано с увеличением стоимости совр эксперим установок 3 Простота эксплуатации АС и использование готовых унифициров блоков4 Необходимость предварительного планирования исследований и разработка возможных вариантов 5 Гибкость АС, допускающая изменение её структуры и состава в процессе работы 6 Возможность коллективного обслуживания разл установок 7 В АС должен быть предусмотрен диалоговый режим работы, когда осуществляется непосредств связь человека с системой с помощью спец языка 8 В АС необходима простая и быстрая система контроля Для контроля системы в целом обычно вводят нек-рый синте-тич критерий, характеризующий работу системы в среднем Таким критерием может быть результат измерения известной величины: если полученные значения находятся в допустимых пределах, то состояние системы считается удовлетворительным ЭВМ в АС работают в режиме "реального масштаба времени", или "в линию" При этом ЭВМ, получая от системы данные, обрабатывает их и выдаёт результаты настолько быстро, что их можно использовать для воздействия на систему (или объект исследования) В эксперим исследованиях чаще применяют смешанный режим Часть данных обрабатывают в реальном времени и используют для контроля и управления, а осн массив данных с помощью ЭВМ записывают на долговременный носитель (чаще на магн ленты) и обрабатывают после окончания сбора данных Целесообразность такого режима обусловлена скорее эко-номич причинами, ибо невыгодно применять быстродействующее дорогое оборудование, к-рое успевало бы в реальном времени обрабатывать полный массив данных Это связано с тем, что полностью автоматизир обработка данных может производиться только в рутинных исследованиях по уточнению нек-рых констант, когда вся процедура обработки, все поправки уже известны При выполнении новых исследований трудно предусмотреть все тонкости измерений В ходе исследования могут появиться неожиданные результаты, к-рые необходимо уточнить или подтвердить Для решения этой задачи с помощью АС приходится проводить предварит обработку данных в возможно более короткие сроки (лучше в реальном времени), пусть даже по приближённым ф-лам, с худшей, чем окончат обработка, точностью Подобное оперативное изменение условий эксперимента на основании экспресс-обработки данных получило назв управление экспериментом, что не совсем точно, поскольку происходит лишь изменение условий измерений на основании анализа полученных данных Матем (программное) обеспечение АС разрабатывают на основе матем методов анализа данных Матем обеспечение на алгоритмич уровне практически не связано с конкретным типом ЭВМ, а определяется особенностями исследования Важно разработать такое матем обеспечение, к-рое, с одной стороны, было бы адекватно выполняемым исследованиям, а с другой - не было бы слишком сложным При создании нового программного обеспечения следует учитывать, что наиб эффективным является такое распределение труда, при к-ром программисты разрабатывают общие программы, имеющие чёткое матем обоснование и не слишком связанные с особенностями конкретного исследования Спец программы должны разрабатывать исследователи, ибо они лучше всего знают особенности исследования, к-рые к тому же заранее обычно нельзя строго формализовать Машинным (вычислительным) экспериментом наз расчёт матем модели явления, построенной на основе науч гипотезы Если в основу модели положена строгая теория, то машинный эксперимент оказывается просто расчётом В тех же случаях, когда система становится настолько сложной, что невозможно учесть все связи, приходится создавать упрощённые модели системы и проводить машинный эксперимент Он в любом случае не может служить доказательством истинности модели, поскольку в его основу положена гипотеза, к-рую можно проверить только при сопоставлении результатов моделирования с экспериментами на реальном объекте Однако роль машинного эксперимента иногда очень важна, ибо в результате можно отбросить заведомо ложные варианты либо сравнить по тем или иным критериям разл варианты подлежащих исследованию процессов Структура автоматизированной системы Данные об исследуемом объекте от спец датчиков измеряемых величин поступают в виде электрич сигналов на измерит аппаратуру, к-рая состоит из след компонентов: защищённых от помех линий передачи, усилителей, преобразователей аналоговой информации в цифровую и т д, образующих канал измерения Передача цифровой информации к ЭВМ происходит через т н интерфейс - сопрягающее устройство для соединения разл блоков АС с ЭВМ Данные в ЭВМ поступают через канал обмена Обработка данных производится в центр процессоре, в к-ром имеется устройство, где временно хранятся данные и программы,- т н оперативное з а-поминающее устройство Если скорость работы центр процессора или ёмкость запоминающего устройства не позволяют полностью обработать данные, они передаются в долговременную память ЭВМ или в др ЭВМ с большей производительностью Если обработанные центр процессором данные и команды управления передаются на измерит аппаратуру, можно получить автоматич управление экспериментом (рис 1) Рис 1 Структурная схема автоматизированной системы экспериментальных исследований При практич реализации АС каналы измерения выполняют в виде отдельных электронных блоков, связанных с каналом обмена ЭВМ Поэтому любое изменение в структуре АС (изменение числа каналов, замена датчиков или ЭВМ), практически неизбежное при исследованиях, требует существ переделок аппаратуры Выходом служит магистрально-модульная система, состоящая из легко заменимых блоков и унифициров магистрали Магистралью (общей шиной) наз система электрич линий передачи, единообразно соединяющих разл блоки (модули) АС Смысл унифициров магистрали заключается в том, что её можно использовать многократно, создавая из отд модулей разл варианты АС, при этом для АС нужен только один интерфейс, наз интерфейсом канала обмена Каналы измерений соединяются с шиной через простые, но также унифициров интерфейсы У АС появляется требуемая гибкость: исчезает ограничение на число каналов измерений, при замене ЭВМ нужно заменить лишь один интерфейс Рис 2 Схема крейта КАМАК Для обеспечения такой структуры АС необходим стандарт на общую шину, её интерфейс и конструкцию блоков Первым таким стандартом стала система КАМАК (САМАС, Computer Application for Measurement and Control), разработанная в 1969 Европ комитетом стандартов ядерной электроники Первой ступенью в системе КАМАК является крейт (каркас), в к-рый вставляют электронные блоки (рис 2) На задней панели крейта имеется шина обмена Вся измерит аппаратура АС размещается в блоках В функциональный блок информация поступает в виде команд и данных с шины обмена и в виде сигналов от датчиков через переднюю панель В крейте могут разместиться 23 функциональных блока и спец блок, наз контроллером, обеспечивающий связь с каналом обмена ЭВМ Крейты можно объединять в ветвь, содержащую до 7 крейтов (рис 3) Контроллеры крей-тов подключают к каналу ветви, к-рый через спец интерфейс, наз драйвером ветви, соединяется с каналом обмена ЭВМ Ветвь позволяет разнести крейты и ЭВМ на десятки метров Для АС, распределённых на большие расстояния, существует последоват канал КАМАК, позволяющий связывать до 62 крейтов Последоват канал связан с каналом обмена ЭВМ через спец интерфейс, наз последеват драйвером Эффективность использования систем КАМАК обусловлена их гибкостью, возможностью быстрой перестройки и наращивания системы в процессе изменения программы исследований, причём возможна такая организация работы крейта (и ветви), при к-рой система обслуживает сразу неск экспериментов Недостаток системы КАМАК - малая скорость передачи данных и сложность сведения в систему неск процессоров Разработка и выпуск дешёвых микропроцессоров позволяют создавать многопроцессорные системы Рис 3 Схема ветви КАМАК Наиб перспективными представляются новые системы FASTBUS и EUROBUS Система EURO-BUS гораздо более гибкая, чем система КАМАК Расширение возможностей позволяет строить на её основе исследовательские АС разного уровня сложности, использовать её для автоматизации небольших установок Особенность системы FASTBUS, разработанной в США,- на порядок большее быстродействие, чем в системе КАМАК Иногда АС превращается в крупный измерит-вычислит комплекс, состоящий из многоцелевой эксперим установки и подсистемы автоматизации и вычислит техники В таких АС особенно важна организация пульта управления и контроля, к-рый оказывается иногда единств каналом связи между исследователем и изучаемым объектом Пульт должен быть оборудован клавишным управлением и двумя (или неск) дисплеями (алфавитно-цифровым и графическим) Дисплей позволяет осуществить графическое представление данных, что особенно важно, когда процесс анализа данных не поддаётся быстрой алгоритмизации Др крайний случай - небольшие установки с малым числом датчиков, для к-рых магистрально-блочные АС оказываются излишне сложными Для таких установок удобно использовать автономные микропроцессоры и запись результатов на стандартные кассеты с помощью портативных многодорожечных магнитофонов Иногда передают результаты по линиям связи на центр ЭВМ (т н локальные вычислит сети) Лит: Соколов М П, Автоматические измерительные устройства в экспериментальной физике, 2 изд, М, 1978; Виноградов В И, Дискретные информационные системы в научных исследованиях, М, 1976; Курочкин С С, Системы КАМАК - ВЕКТОР, М, 1981; Кузьмичев Д А, Радкевич И А, Смирнов А Д, льных исследований, М, 1983; Ступин Ю В, Методы автоматизации физических экспериментов и установок на основе ЭВМ, М, 1983 И А Радкевич (Источник: «Физическая энциклопедия» В 5-ти томах М: «Советская энциклопедия», 1988)

Значения в других словарях: