«А.Г. Крампит Н.Ю. Крампит МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Издательство Томского политехнического университета 2008 ББК 72 УДК 001 К 77 Крампит А.Г. К 77 ...»

Научные документы. Научные документы содержат результаты теоретических или экспериментальных исследований, раскрывают пути и характер научных изысканий, описывают методику и ход ведения исследований, прослеживают историю важнейших открытий, а также научно подготовленные к публикации памятники культуры и исторические документы.

Рис. 5.5. Виды документов с точки зрения целевого назначения Большая часть научных документов являются опубликованными, т. е. изданиями. Среди них выделяются:

- полные собрания сочинений классиков науки и техники;

- избранные труды выдающихся ученых;

- монографии – научные издания, содержащие полное и всестороннее исследование одной проблемы или темы, и принадлежащие одному или нескольким авторам;

- тематические сборники, состоящие из статей различных авторов и посвященных изложению нескольких вопросов определенной темы. В отличие от монографии, такие издания не освещают темы в целом, а подробно рассматривают отдельные ее стороны, являющиеся наиболее актуальными или особо значимыми;

Большое число научных документов относится и к группе неопубликованных. Среди них особое место занимают диссертации и авторефераты к ним.

Диссертация представляет собой квалифицированную научную работу в определенной области науки, имеющую внутреннее единство, содержащую совокупность научных результатов, научных положений, выдвигаемых автором для публичной защиты и свидетельствующих о личном вкладе автора в науку и его качества как ученого.

Для процедуры их публичной защиты диссертационной работы необходимо предварительное ознакомление с научным вкладом диссертанта широкой научной общественности. Для этой цели служит автореферат – изложение основных положений диссертации, составленное самим автором, который публикуется ограниченным тиражом (100–150 экземпляров). В автореферате излагают основные идеи и выводы диссертанта, показывается вклад автора в проведенное исследование, степень новизны и практическая значимость результатов. Он обладает всеми правами издания, хотя на его обложке помещается гриф «

на правах рукописи

».

К неопубликованным научным документам относятся депонированные рукописи. Суть депонирования заключается в передаче на хранение рекомендованных научным советом учреждений и организаций рукописей в специальные информационные органы, на которые возложены функции хранения подобных материалов по отрасли.

В число неопубликованных научных документов входят – научные издания, содержащие материалы предварительного характера, опубликованные до выхода в свет издания, в котором они могут быть помещены.

Отчеты о результатах законченных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах (отчеты о НИР и ОКР) служат важным источником научно-технической информации и также относятся к неопубликованным научным документам. Некоторые из них размножаются типографским способом, хотя и не считаются публикациями в полном смысле слова.

Стандартизация – это деятельность, направленная на разработку и установление требований, норм, правил, характеристик как обязательных для выполнения, так и рекомендуемых. Цель стандартизации – достижение оптимальной степени упорядочения в той или иной области посредством широкого и многократного использования установленных положений, требований, норм.

Каждый стандарт пересматривается, по крайней мере, раз в пять лет, чтобы установить, подлежит ли он доработке, отмене или утверждению для использования следующие пять лет. Эта мера обеспечивает постоянное обновление стандартов.

Совокупность стандартов дифференцируется по разным основаниям.

По масштабу действия выделяются:

- государственные стандарты Российской Федерации (ГОСТ);

- стандарты отраслей;

- стандарты предприятий;

-стандарты научно-технических, инженерных обществ и других общественных объединений.

Различают следующие методы анализа документов: информационный; терминологического анализа; контент-анализ; психолингвистический; экспертных оценок; библиографический (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Методы анализа документов Информационный анализ документа предполагает формальную характеристику его текста по нескольким параметрам: физическому объему (габаритам), информационному объему, информационной емкости, информативности и т. д.

Метод терминологического анализа возник первоначально в лингвистике, но со временем обогатился приемами логики, семиотики и стал успешно использоваться во многих научных областях. При этом применение его в каждой науке имеет свои особенности. Широкое распространение получил этот метод в документоведении при изучении текста документа.

Контент-анализ – метод количественного изучения содержания документа. Сущность этого метода заключается в подсчете частоты встречающихся в тесте единиц: знаков, комбинаций знаков, букв, слов, терминов, словосочетаний, фамилий отдельных лиц и т. д. После подсчета выделенные единицы выстраиваются в порядке убывания частоты их употребления (использования) в тексте, т. е. формируется тезаурус. Результаты подсчета позволяют увидеть то, что рассеяно в тексте и на первый взгляд не видно.

Психолингвистический метод изучения документов. Подобный метод изучения текста с точки зрения особенностей его восприятия, влияющей на его доступность для читателя и его заинтересованность, широко используется психологами и социологами.

Основная идея текста выражает авторский замысел, ибо при подготовке сообщения автор ориентируется на те или иные запросы потенциального потребителя и стремится быть понятым. Такая целевая направленность создаваемых сообщений влияет на характер их фиксации в текстах, поэтому восприятие сообщения определяется не только запросами, но и способами передачи содержания сообщений.

К психолингвистическим методам относится метод анализа понятийного словаря. Этот метод является инструментом, позволяющим выявить уровень подготовленности читателя. Он помогает определить, насколько адекватно он воспринимает текст сообщения, для того чтобы впоследствии скорректировать свое воздействие, оптимизировать использование документов.

Метод экспертных оценок. Экспертные оценки применяются в анализе и решении плохо формализуемых задач, в которых взаимосвязи причин и следствий не вполне ясны, а значение и качество интересующих исследователя параметров не поддаются непосредственному измерению. Кроме того, экспертные оценки и вообще экспертиза незаменимы в задачах прогнозирования, решение которых обычно опирается на примерные, оценочные данные.

Центральное понятие в экспертных оценках — это экспертиза, т. е. собственно процесс опроса экспертов, сбор и первичный анализ экспертной информации. Есть прямая экспертиза, при которой интересующие вопросы задаются экспертам непосредственно «в лоб», и косвенная экспертиза, при которой ответы на такие вопросы определяются в результате обработки других ответов.

В зависимости от типа задаваемых вопросов выделяют экспертизу оценочную и ситуационную. Цель первой – получить оценочное значение параметра или критерия, измеренного в какой-либо шкале.

При ситуационной экспертизе участвующим предлагают рассмотреть некоторые ситуации, т. е. совокупность фактов, утверждений и данных, характеризующих состояние объекта, оценить причинноследственные связи между отдельными фактами, дать прогноз развития объекта в разных ситуациях.

Библиографический метод изучения документов. К методам, нацеленным на изучение количественной совокупности документов, относятся библиографический и наукометрический методы. Совокупность документов принято изучать в статике и динамике. При изучении документов в статике возникает понятие – массив документов, при изучении в динамике говорят о потоке.

Массив документов – это определенное неизменное во времени множество объектов – документов. Массив характеризуется количеством, которое выражается единицей изданий, публикаций, единицей хранения. Массивы образуют фонды библиотек, архивов, книжных собраний и т. д. При исследовании массивов свойства документов, его составляющих, изучают как стабильные, установившиеся на данный момент.

Поток документов – изменяемое во времени множество объектов, находящихся в движении, динамике. Поток характеризуется интенсивностью, которая выражается количеством единиц изданий, публикаций в единицу времени (месяц, год).

Анализ источников информации. Этот этап условно можно обозначить как «информационный», поскольку он включает в себя поиск исходных источников информации в сочетании с предварительным изучением их содержания.

Вначале познакомиться в общих чертах с источниками информации, чаще всего используемыми при подготовке письменных работ.

В основу предлагаемой общей характеристики положен принцип разделения всех источников информации, в какой-либо степени используемых при подготовке письменных работ, по типу носителя.

Печатные источники информации. Периодические издания, в свою очередь, подразделяются на газеты и журналы, а также некоторые иные виды специальных изданий (скажем, бюллетени научной информации, регулярно переиздаваемые статистические сборники, литературные альманахи, сборники переводных источников, информационные дайджесты и т. п.).

Книжные издания гораздо труднее классифицировать, прежде всего, в силу их тематического разнообразия. И потому вместо развернутой многостраничной классификации читателям предлагается сосредоточиться на изучении характеристик лишь тех из них, которые наиболее часто привлекаются к подготовке письменных работ в качестве исходных.

Электронные источники информации. К электронным источникам информации следует отнести радио- и телевещание, Интернет, а также иную информацию, распространяемую в электронном виде (в том числе на различных компьютерных носителях). Как ни странно, но наибольшей популярностью у исполнителей письменных работ сегодня пользуется «русский» Интернет.

Специализированные информационно-поисковые системы.

Специализированные информационно-поисковые системы (СИПС) представляют собой сравнительно новое средство поиска, сбора, систематизации и анализа исходных источников информации. Их появление и бурное развитие самым непосредственным образом связано со стремительным прогрессом информационных и электронных технологий и, в частности, с изобретением компьютера, более совершенных операционных систем, а также новых средств программирования (прежде всего прикладных баз данных).

Остается лишь надеяться, что информационная революция в библиотечном деле не обойдет стороной и российские библиотеки, существенно облегчив исполнителям письменных работ процедуру поиска, сбора, систематизации и анализа исходных источников информации.

5.3. Поиск и накопление научной информации Сбор исходных источников информации – это, вероятно, одна из самых простых технологических процедур. Для ее выполнения исполнителю письменной работы достаточно к определенному сроку сконцентрировать большую часть искомых источников вблизи своего рабочего места. Систематизация – это не что иное, как упорядочение и группировка собранного материала по содержанию и с учетом последовательности его использования при подготовке письменной работы. В результате все собранные источники должны быть разложены у вас на столе «по кучкам»: эта часть источников относится к первой главе, эта – к заключительной, и т. п. Сгруппированные, таким образом, источники стоит на всякий случай как-либо пометить на предмет их принадлежности к вполне определенной группе или, если позволяет обстановка, разложить их по разным полкам (ящикам стола, конвертам, папкам и т. п.).

Анализ систематизированных источников завершает рассматриваемый нами подэтап технологии. У анализа, носящего, заметим, довольно узкий характер, две основные задачи: тщательная проверка полноты отбора источников и весьма поверхностная проверка соответствия их выходных данных и содержания заданных изначально.

Выполняется анализ путем сверки названий источников с соответствующими списками. В большинстве случаев прямо на этих списках отражаются и результаты проведенного анализа.

Как уже отмечалось, во многом успех выполнения описываемого подэтапа технологии предопределяется наличием у исполнителя письменной работы необходимых сведений об исходных источниках информации. Такие сведения содержат в себе средства поиска, сбора, систематизации и анализа исходных источников информации, среди которых в качестве основных следует выделить библиотечные каталоги, научно-справочный аппарат каждой привлекаемой вами к выполнению работы книги, а также специализированные информационнопоисковые системы.

Наиболее часто при подготовке письменных работ используются библиотечные каталоги. От части это объясняется тем, что библиотеки по-прежнему представляют собой для заинтересованной стороны и наиболее полный, и наиболее доступный информационный фонд. В то же время трудно отрицать очевидные удобства работы с библиотечным каталогом.

Каталог – систематизированный перечень источников, состоящих на хранении в информационном фонде и учтенных в соответствии с установленными правилами.

Чаще всего в библиотеках используются алфавитные, тематические, предметные, хронологические, архивные, библиографические, генеральные систематические и специальные каталоги (рис. 5.7).

Алфавитный каталог – это перечень библиотечных источников, систематизированных в алфавитном порядке. При этом за основу могут быть взяты как названия (наименования) источников, так и фамилии их авторов (редакторов, составителей и пр.).

Тематический каталог – это перечень библиотечных источников, систематизированных в тематическом порядке. За основу в этом случае принимают тематическую направленность содержания источника.

Предметный каталог – это перечень библиотечных источников, систематизированных в предметном (то есть значительно более дифференцированном по сравнению с тематическим каталогом) порядке. При этом сведения о предметах, непосредственно не связанных между собой, систематизируются по алфавиту, что дает право рассматривать предметный каталог в качестве разновидности алфавитного, но уж никак не тематического.

Рис. 5.7. Классификация каталогов Хронологический каталог – это перечень библиотечных источников, систематизированных в хронологическом порядке, отражающем время выхода в свет того или иного издания, чаще всего периодического. За основу в данном случае принимается дата (год) издания источника. К подобному каталогу прибегают обычно в том случае, когда об источнике известна лишь предполагаемая или реальная дата его публикации или когда необходимо оперативно подобрать все заслуживающие внимания источники, относящиеся к определенному периоду времени.

Архивный каталог – это перечень архивных библиотечных источников, систематизированных чаще всего в алфавитном (реже – хронологическом) порядке. Для отыскания требуемого источника по архивному каталогу требуется располагать либо сведениями о его названии и авторе, либо о времени выхода издания в свет.

Библиографический каталог – это перечень библиотечных источников, содержащих в себе библиографические (описательные) сведения о наиболее важных (наиболее часто используемых в работе) книжных и периодических изданиях, состоящих на хранении и учете в данной библиотеке.

К услугам каталога указанного типа обычно прибегают в тех случаях, когда сведений общего характера об источнике, полученных из алфавитного каталога, недостаточно и требуется за короткое время получить о нем дополнительную, более обширную информацию.

Генеральный каталог – это перечень библиотечных источников, систематизированных в соответствии с неким основополагающим принципом, отличным от алфавитного и иных, уже нами рассмотренных. Очень часто в качестве такого принципа используется принадлежность того или иного источника не к условной теме, а к вполне определенной области научного знания или системе учебных дисциплин (история, сексология, военное дело и т. д.). В свою очередь, каждая область или система разделяется на рубрики, подрубрики и т. д.

Специальный каталог – это перечень библиотечных источников определенного типа. Примером специального каталога может послужить каталог статей, опубликованных в периодических изданиях, состоящих на хранении и учете в данной библиотеке, или каталог новых поступлений.

Научно-справочный аппарат книги. Важную роль в процессе поиска сбора, анализа и систематизации основных и вспомогательных источников информации играет и научно-справочный аппарат книги.

К научно-справочному аппарату книги (от лат. apparatus – приспособление) принято относить различные дополнительные материалы в составе издания, информирующие читателей об особенностях его содержания, состава, структуры, функциональном предназначении источника.

Элементы научно-справочного аппарата книги подразделяются на информационные, пояснительные, поисковые и вспомогательные.

Информационные элементы научно-справочного аппарата книги служат для того, чтобы помочь читателю составить предварительное мнение об источнике и его особенностях.

К ним относятся:

- сведения о названии источника;

- сведения об авторе (авторах) источника;

- сведения о функциональном назначении источника;

- сведения об издателях;

- краткая характеристика издания;

- выходные данные издания.

Информационные элементы научно-справочного аппарата книги обычно располагаются на титульном листе и его обороте, а в ряде случаев – и в конце источника. Перечисленные сведения помогают читателю составить предварительное мнение об источнике, и о том, в частности, насколько он соответствует его целям и требованиям.

Пояснительные элементы научно-справочного аппарата книги определенным образом дополняют и разъясняют авторский (основной) текст источника. К ним относятся предисловие и послесловие.

Располагаются указанные элементы научно-справочного аппарата книги непосредственно до и после основного текста источника. С их помощью читатель получает дополнительную характеристику содержания источника, в том числе о причинах и условиях написания.

Поисковые элементы научно-справочного аппарата книги упрощают отбор необходимой читателю информации. К ним относятся содержание (оглавление) и указатели (в том числе предметные, алфавитные, указатели имен, географических названий, псевдонимов, иллюстраций и т. п.).

Располагаются перечисленные элементы научно-справочного аппарата книги в соответствии с общепринятыми правилами. Используя поисковые элементы, читатель имеет возможность быстро и точно разыскать детальную информацию, содержащуюся в источнике (к примеру, относящуюся к определенному году, персоналии и т. п.).

Разметка исходных источников информации. Разметка – это система условных обозначений (пометок, закладок и пр.) для предварительной рубрикации исходного материала. Различают несколько методов разметки исходного материала.

Закладочный метод основан на применении системы закладок, снабженных в ряде случаев краткими пояснительными записями.

Пометочный метод предполагает осуществление разметки с помощью системы графических условных обозначений.

Комбинированный метод основан на заимствовании приемов разметки двух вышеназванных методов. Поскольку он является одновременно не только наиболее универсальным, но и наиболее эффективным, остановимся на нем подробнее.

Общие принципы ведения рабочих записей. Многолетняя практика подготовки письменных работ не опровержимо доказывает, что ведение записей прочитанного представляет собой наиболее эффективный метод обработки информации, содержащейся в источниках, используемых в качестве исходных при подготовке содержания письменной работы: надежность усвоения прочитанного материала многократно возрастает, если процесс чтения сопровождается фиксацией избранных мест.

Виды рабочих записей. План (от лат. planum – плоскость) – первооснова, каркас какой-либо письменной работы, определяющие последовательность изложения материала.

Выписки – небольшие фрагменты текста (неполные и полные предложения, отдельные абзацы, а также дословные и близкие к дословным записи об излагаемых в нем фактах), содержащие в себе квинтэссенцию содержания прочитанного.

Более совершенной формой творчески переработанных выписок являются тезисы.

Тезисы (от греч. tezos – утверждение) – сжатое изложение содержания изученного материала в утвердительной (реже – опровергающей) форме.

В зависимости от своего предназначения тезисы могут быть основными, простыми или сложными.

Основные тезисы – это близкая к дословной запись принципиально важных положений оригинального текста с небольшим добавлением обобщений, представляющих собой основу для итоговых выводов.

Простые тезисы – это дословный перечень главных (для каждой из частей оригинального текста и для всего текста в целом) мыслей автора. Эти тезисы отличаются сравнительной краткостью и прямотой изложения. Основное предназначение простых тезисов – облегчить понимание сути оригинального текста.

Комбинация основных и простых тезисов, в которой последние дополняют первые, представляет собой классический случай сложных тезисов.

Сложные тезисы (другое название – развернутые) представляют собой одновременно и весьма компактный, и достаточно совершенный по своей компоновке и содержанию материал, который (в совокупности с планом и другими выписками) может послужить первоосновой для записи чернового варианта основного текста письменной работы.

Аннотация – краткое изложение основного содержания исходного источника информации, дающее о нем обобщенное представление.

Резюме – краткая оценка изученного содержания исходного источника информации, полученная прежде всего на основе содержащихся в нем выводов.

Конспект (от лат. conspectus – обзор, описание) – сложная запись содержания исходного текста, включающая в себя заимствования (цитаты) наиболее примечательных мест в сочетании с планом источника, а также сжатый анализ записанного материала и выводы по нему.

Составление уточненного списка исходных источников информации. В подавляющем большинстве случаев после просмотра произведенных записей у исполнителя письменной работы возникает необходимость внесения в первоначальный вариант списка исходных источников информации уточнений. В общем, и целом эти уточнения сводятся к корректировке содержания списка – исключению из него одних источников и внесению в него дополнительных источников, которые по каким-либо причинам не были привлечены в качестве исходных.

Уточненный и откорректированный вариант списка исходных источников информации в последующей работе послужит для исполнителя своеобразной «лоцией», без которой организовать эффективный процесс подготовки письменной работы ему будет весьма и весьма затруднительно.

Поиск научной информации по УДК. При проведении поиска научной информации ее необходимо классифицировать. Наибольшее распространение в последнее время получила Универсальная Десятичная Классификация (УДК). УДК позволяет охватывать все отрасли знания, и производить неограниченное деление на подклассы. УДК состоит из основной и вспомогательных таблиц. Основная таблица содержит понятия и соответствующие им индексы, с помощью которых систематизируют человеческие знания. Первый ряд основной таблицы УДК имеет следующие классы: 0 – общий отдел. Наука. Организация. Умственная деятельность. Знаки и символы. Документы и публикации; 1 – Философия; 2 – Религия; 3 – Экономика. Труд. Право; 4 – свободен с 1961г.; 5 – Математика. Естественные науки; 6 – Прикладные науки. Медицина. Техника; 7 – Искусство. Прикладное искусство. Фотография. Музыка; 8 – Языкознание. Филология. Художественная литература. Литературоведение; 9 – Краеведение. География. Биография. История.

Каждый из классов разделен на десять более мелких подразделов и т.д. Для лучшей наглядности и удобства чтения всего индекса после каждых трех цифр, начиная слева, ставиться точка (при чтении она не произносится, а отражается паузой) УДК имеет ряд преимуществ: удобство шифрования, относительная быстрота поиска информации и т.д.

Для ускорения отбора необходимой документации из общего объема и повышения эффективности труда научных работников существует общегосударственная служба научно-технической информации (НТИ). Она включает в себя ряд институтов научнотехнической информации, отраслевые и региональные информационные центры, отделы НТИ в научно-исследовательских институтах, организациях и предприятиях.

Поиск научной информации (информационный поиск) – это совокупность операций, направленных на отыскание документов, необходимых для разработки темы. Поиск может быть ручным, механическим, механизированным и автоматизированным (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Классификация поиска научной информации Ручной поиск осуществляется по картотекам, печатным указаниям, библиографическим карточкам. Механический поиск осуществляется по перфокартам. Механизированный поиск – с помощью счетно-перфорационных машин. Автоматизированный поиск – с помощью персональной ЭВМ.

Информационный поиск осуществляется с помощью информационно-поискового языка. В настоящее время применяется универсальная десятичная классификация документов информации (УДК).

Для ускорения поиска информации необходимо прибегать к помощи отделов, из которых можно получить обзоры, экспериментальную информацию и другие документы. При поиске необходимо уделить внимание изучению различных литературных источников, как в оригинале, так и по переведенным изданиям. Базироваться на литературный анализ других авторов не рекомендуется, поскольку каждый автор прорабатывает литературу применительно к своей теме исследования.

Проработка научно-технической информации требует творческого подхода, внимания и сосредоточенности. Важными факторами являются настойчивость и системность. Неотъемлемым требованием является запись прочитанного материала, потому что важно правильно записать проработанный текст. Завершив анализ НТИ по выбранной теме исследования, научный работник должен поставить цель, которую необходимо достичь в результате выполнения работы и задачи, которые необходимо решить, чтобы достигнуть цели. Цель формулируется в теме научно-исследовательской работы.

5.4. Электронные формы информационных ресурсов В настоящее время в России накоплены огромные запасы информации, сосредоточенной в разнообразных базах и банках данных, на дискетах, CD и DVD, на других носителях информации. Эта информация применяется повсеместно – в библиотеках, информационных центрах, музеях, архивах, образовательных учреждениях и других организациях.

База данных (БД) – это набор данных, достаточный для достижения установленной цели и представленный на машиночитаемом носителе в виде, позволяющем осуществлять автоматизированную переработку содержащейся информации.

Банк данных (БнД) – это автоматизированная информационная система, состоящая из одной или нескольких БД и системы хранения, обработки и поиска информации.

Используются различные БД, представленные на рис. 5.9.

Базы данных классифицируются на:

- документальные (где запись отражает документ, содержит его библиографическое описание и, возможно, иную информацию);

- библиографические (документальные БД, в которых запись содержит только библиографическое описание);

- реферативные (документальные БД, в которых запись содержит библиографические данные, реферат или аннотацию);

- полнотекстовые (документальные БД, в которых запись содержит полный текст документа или его наиболее информативных частей);

- гипертекстовые (БД, в которых запись содержит информацию в виде текста на естественном языке и указание на связи с другими записями, позволяющими компоновать логически связанные фрагменты БД);

- первичные или фактографические (БД, содержащие информацию, относящуюся непосредственно к данной предметной области) и некоторые другие.

Рис. 5.9. Классификация базы данных Самое главное в базах данных – надежное программное обеспечение и постоянное оперативное их обновление (актуализация сведений).

В Российской книжной палате создан банк данных государственной библиографии, в котором есть авторитетные БД, содержащие записи с полной информацией о сочинителях и их произведениях: имя индивидуального автора в форме для заголовка описания, краткая биографическая справка, тематическая направленность работ; принадлежность автора к стране; язык текста оригинала произведения;

сведения о формулировке ссылочных записей от установленной формы заголовка описания к другой форме, используемой ранее, менее распространенной и т. д.; произведения автора, зарегистрированные в РКП с 1998 г. с указанием сведений, характеризующих издания с точки зрения охраны авторского права. Затем дается перечень работ автора из БнД государственной библиографии РКП (начиная с 1992 г.).

Отдел каталогизации РГБ располагает БД «Авторы особых категорий», в которой содержатся записи о правителях и религиозных деятелях, оставивших заметный след в российской и всемирной истории. БД формируется на основе энциклопедических изданий и информации из хранящихся в библиотеке книг, пополняется и расширяется каждый день.

Записи содержат нормативный заголовок, пригодный для включения в библиографическое описание или словарную статью, другие известные формы имени автора, ссылки на источники, в которых найдена информация об авторе, и на просмотренные источники, в которых такая информация не обнаружена. В этой же библиотеке создана БД «Библиотеки Москвы», а в Российской государственной юношеской библиотеке – БД «Образование в России». Существует также множество других баз и банков данных.

Кроме баз и банков данных, активно используются компактные оптические диски – СD, на которых выпускаются, например, многотомные энциклопедии и библиографические пособия. Например, уже есть сводные каталоги баз данных на СD, имеющихся в крупнейших библиотеках России (выпуска РГБ).

К электронным источникам информации следует отнести радиои телевещание, Интернет, а также иную информацию, распространяемую в электронном виде (в том числе на различных компьютерных носителях). Как ни странно, но наибольшей популярностью у исполнителей письменных работ сегодня пользуется «русский» Интернет.

И, в общем-то, понятно, почему: в массовом сознании он уже давно воспринимается не иначе как бездонный источник бесплатной информации.

Проще говоря, эффективному поиску информации в Сети пока мешают сложности технического, технологического, организационного и финансового характера.

Гораздо более удобен поиск требуемой информации в теле- и радиопередачах. Найти требуемую программу всегда поможет расписание (телепередач или волновое), а зафиксировать ее содержание – обычный или видеомагнитофон. После записи оригинала его содержание остается лишь творчески переработать традиционным методом и включить (с соответствующей ссылкой на источник, разумеется) в содержание письменной работы.

Подобный метод работы с информацией обладает по меньшей мере тремя очевидными преимуществами: он предполагает изучение заведомо известной по тематике информации в спланированное время, он предоставляет в распоряжение исполнителя адресную и достоверную информацию, причем совершенно бесплатно (поскольку ТВи радиоприемники, в отличие от компьютеров с выходом в Интернет, имеются почти у каждого).

В конечном счете – выбор источников будет предопределяться именно их технологичностью, то есть тем, насколько удобны они в изучении, насколько ценную информацию в себе несут. Кстати, ценность информации не в последнюю очередь определяется не только ее актуальностью, но и достоверностью.

Специализированные информационно-поисковые системы.

Специализированные информационно-поисковые системы (СИПС) представляют собой сравнительно новое средство поиска, сбора, систематизации и анализа исходных источников информации. Их появление и бурное развитие самым непосредственным образом связано со стремительным прогрессом информационных и электронных технологий и, в частности, с изобретением компьютера, более совершенных операционных систем, а также новых средств программирования (прежде всего прикладных баз данных).

В настоящее время СИПС получили широкое распространение и применение не только в библиотеках, но и других крупных хранилищах научно-технической информации. Ядром СИПС является мощный персональный компьютер (в последние годы все чаще – группа объединенных в сеть компьютеров), оснащенный универсальной операционной системой от крытого типа (например, «Linux» и прикладными средствами программирования (СУБД типа «Рагаdох» и его аналоги).

Общие преимущества информационно-поисковых систем хорошо известны даже неспециалистам и потому не нуждаются в пространном комментировании. Следует лишь подчеркнуть, что организация хранения и поиска данных в СИПС основываются на принципах, во многом идентичных тем, что некогда были использованы для функционирования библиотечного каталога классического «картотечного» типа. Однако компьютер позволяет хранить колоссальные объемы информации при минимизации объема хранения, осуществлять их гибкий выбор, обеспечивая при этом высочайшие быстроту и точность поиска.

Остается лишь надеяться, что информационная революция в библиотечном деле не обойдет стороной и российские библиотеки, существенно облегчив исполнителям письменных работ процедуру поиска, сбора, систематизации и анализа исходных источников информации.

5.5. Обработка научной информации, ее фиксация и хранение Много полезных сведений при первом знакомстве с научной книгой могут дать выпускные данные, которые помещаются на концевой полосе или на обороте титульного листа.

В прикнижной аннотации приводятся краткие сведения о содержании и читательском назначении, раскрывается основная идея, показывается научное и практическое значение издания. Из аннотации можно уточнить его основную тему, задачи, поставленные автором, и метод, которым он пользовался, а также принадлежность к определенной научной школе (или научному направлению), общую структуру книги и т. п.

Предисловие к научной книге может даваться в различных вариантах (собственно предисловие, «от автора», «от редактора», «от переводчика», «от редакции» и т. п.). В предисловии чаще всего объясняются мотивы написания книги, особенности ее содержания и построения, степень полноты освещения тех или иных проблем, указывается круг потенциальных читателей, а также лиц, принимавших участие в создании и рецензировании издания.

Вступительная статья (одна из разновидностей предисловия) обычно предваряет труды крупного ученого или научного коллектива, отдельные произведения или собрания сочинений классиков науки.

Во вступительной статье дается оценка работ, входящих в состав данного издания, характеризуется мировоззрение ученого, система его научных и общественных взглядов, перечисляются наиболее крупные труды и т. п.

При знакомстве с научной книгой особенно внимательно нужно читать ее введение, которое не принадлежит к научно-справочному аппарату такой книги, а является вступительным разделом к ее основному тексту.

Существенно снижает трудоемкость работы с научной литературой умение пользоваться техникой быстрого чтения. Умение читать быстро – важное условие, позволяющее усваивать гораздо больший объем материала, чем это можно было бы ожидать. Конечно, использование быстрого чтения имеет свои ограничения.

При чтении и составлении резюме прочитанного не нужно стремиться только к заимствованию материала. Параллельно следует обдумать найденную информацию. Этот процесс должен совершаться в течение всей работы над темой, тогда собственные мысли, возникшие в ходе знакомства с чужими работами, послужат основой для получения нового знания.

При изучении литературы по выбранной теме используется не вся информация, в ней заключенная, а только та, которая имеет непосредственное отношение к теме диссертации и является потому наиболее ценной и полезной. Таким образом, критерием оценки прочитанного является возможность его практического использования в диссертации.

Изучая литературные источники, нужно очень тщательно следить за оформлением выписок, чтобы в дальнейшем было легко ими пользоваться.

Работая над каким-либо частным вопросом или разделом, надо постоянно видеть его связь с проблемой в целом, а, разрабатывая широкую проблему, уметь делить ее на части, каждую из которых продумывать в деталях.

Отбор и оценка фактического материала. Возможно, что часть полученных при чтении научной литературы данных окажется бесполезной, очень редко они используются полностью. Поэтому необходим их тщательный отбор и оценка. Научное творчество включает значительную часть черновой работы, связанной с подбором основной и дополнительной информации, ее обобщением и представлением в форме, удобной для анализа и выводов.

Нужно отбирать не любые факты, а только научные факты. Понятие «научный факт» значительно шире и многограннее, чем понятие «факт», применяемое в обыденной жизни.

Научные факты характеризуются такими свойствами, как новизна, точность, объективность и достоверность. Новизна научного факта говорит о принципиально новом, неизвестном до сих пор предмете, явлении или процессе. Это не обязательно научное открытие, но это новое знание о том, чего мы до сих пор не знали.

Работа по накоплению научных фактов по избранной теме всегда многоаспектна. Здесь и глубокое изучение опубликованных материалов, ознакомление с архивами и ведомственными данными, получение разного рода консультаций и, разумеется, анализ и обобщение собственных научных результатов.

Накопление такой предварительной информации – не механический, а творческий процесс, требующий целеустремленной энергии, настойчивости и творческой страсти. Ученый похож на строителя сложного и оригинального сооружения. Бережно и любовно он собирает нужные строительные материалы, все складывается в строгом и определенном порядке. Не беда, если материалы собраны в некотором избытке, лишь бы не было в них недостатка. Совершенно не обязательно все накопленные фактические данные использовать в диссертации.

При сборе первичной информации очень полезно развивать свою память. Для ее лучшего запоминания разработано много различных приемов и способов.

Первое условие хорошего запоминания – это сосредоточение внимания на объекте. Если внимание сконцентрировано на характерных особенностях объекта, то запоминание их происходит почти в раз быстрее и надежнее, чем при рассеянном внимании. Конечно, нет необходимости держать в памяти повседневно всю ту массу информации, с которой диссертанту приходится иметь дело. Многое из такой полезной информации можно сохранить, не перегружая свою память. Техника ее сохранения сравнительно проста.

Для этой цели используются:

- алфавитный словарик фамилий, адресов, телефонов и т. п.;

- блокнот для черновых записей разного рода;

- еженедельник или вкладыши в записную книжку для срочных записей, облегчающих их быстрое нахождение и использование;

- карточки, образующие картотеку;

- полевая записная книжка для экспедиционных условий;

- альбом для зарисовки с натуры;

- магнитофон.

Собранную первичную научную информацию следует регистрировать. Формы ее регистрации различны:

- записи самого различного характера, в том числе выписки из протоколов опытов, заседаний кафедры (лаборатории), наблюдений в лабораторных журналах, историях болезней и т.п.;

- оформление новой информации на специальных бланках, анкетах, статистических и других карточках, образующих в конечном результате тематическую картотеку;

- фиксация различного рода звуковых сигналов (природных шумов, голосов животных, пения птиц и т. п.) на магнитных лентах или других видах звукозаписи;

- регистрация научной информации методами фотографии, рентгенографии, осциллографии, прием сигналов различных датчиков и регистрация их самописцами;

- графики, рисунки, схемы и другие графические материалы;

- расчеты, выполненные с помощью машинной техники;

- научные отчеты;

- материалы консультаций и отзывы специалистов по научным результатам;

- выписки из анализируемых документов, литературных источников (статей, книг, авторефератов, диссертаций и др.).

Записи ценных мыслей, пришедших как бы неожиданно, рекомендуется делать не откладывая. Иначе, как это часто бывает, мысли эти забываются, и воспроизвести их потом трудно. Весьма полезно всегда иметь «под рукой» бумагу и карандаш. Еще лучше, если для этой цели использовать магнитофон.

Еще на ранней стадии организации научного исследования представляется необходимым выбрать наиболее приемлемую систему хранения первичной документации. Это поможет сберечь в дальнейшем много времени и облегчить пользование такого рода материалами.

Выписки и другие подобного рода материалы обычно хранят в обычных канцелярских папках или конвертах большого формата, а библиографические карточки – в деревянных или картонных ящиках.

Тематические разделы такого «личного архива» индивидуально различны. Вот один из таких вариантов:

- выписки из литературных и ведомственных источников по теме и списки литературы;

- ксерокопии опубликованных статей, тезисов, рефератов, научных докладов и сообщений;

- деловая переписка по отдельным вопросам темы;

- записи результатов экспериментальных и других исследований;

- иллюстрации (технические рисунки, фотографии, чертежи, схемы, эскизы и т.п.);

- первые варианты обобщений научных материалов (черновые рукописи, сводные таблицы расчетов, выводы, предложения), а также отзывы по ним специалистов. Отдельным папкам следует давать тематические названия и делать на них замечания справочного характера.

Одновременно с регистрацией собранного материала следует вести его группировку, сопоставлять, сравнивать полученные цифровые данные и т.п. При этом особую роль играет классификация, без которой невозможны научное построение или вывод.

Классификация дает возможность наиболее коротким и правильным путем войти в круг рассматриваемых вопросов. Она облегчает поиск и помогает установить ранее незамеченные связи и зависимости. Классификацию надо проводить в течение всего процесса изучения материала. Она является одной из центральных и существенных частей общей методологии любого научного исследования.

Процесс сбора, фиксации, хранения и классификации первичной научной информации желательно завершить написанием целостного обзорного текста, обобщающего и систематизирующего такую информацию.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

6.1. Теоретические методы исследования Теоретические методы исследований классифицируются согласно схеме, представленной на рис. 6.1:

- аналитические методы исследований;

- аналитические методы исследований с использованием экспериментов;

- вероятностно-статистические методы исследований;

-методы системного анализа.

Аналитические методы исследований. Для исследования физических моделей, описывающих функциональные связи внутри (или вне) объекта используют аналитические методы, с помощью которых устанавливают математическую зависимость между параметрами модели. Эти методы позволяют провести глубокое исследование объекта и установить количественные (точные) связи между аргументами и функциями.

При исследовании сварных соединений (конструкций) и сварочных процессов широко применяют элементарные функции. Особенно, когда стремятся упростить исследуемую модель и получить приближенные решения поставленной задачи. Часто применяют линейные и нелинейные функции, тригонометрические, показательные и т.д.

Рис. 6.1. Классификация теоретических методов исследования Обычно элементарные функции непрерывны, что позволяет их дифференцировать и интегрировать. А это позволяет найти наилучшие и наихудшие условия протекания процессов путем отыскания экстремумов. При анализе сварных конструкций часто применяют методы элементарной, начертательной и аналитической геометрии.

Очень часто применяют обыкновенные дифференциальные уравнения различных порядков и их системы. Для их решения в большинстве случаев применяют приближенные решения, т.к. получить их решение в виде элементарных функций обычно затруднительно.

Более высокой ступенью сложности отличаются дифференциальные уравнения в частных производных, например, уравнение теплового баланса для любой точки объема тела:

где X,Y,Z – координаты точки;

Т – температура точки;

Дифференциальные уравнения могут иметь как постоянные, так и переменные коэффициенты. При решении дифуравнений получают большое количество решений, удовлетворяющих исходному уравнению. Чтобы из множества возможных решений получить одно, удовлетворяющее данному процессу, необходимо задать граничные условия и начальные условия (краевые условия). Это относится к задачам тепломассообмена и т.п. При решении дифференциальных, интегральных и интегро-дифференциальных уравнений часто используют интегральные преобразования Лапласа, Фурье, Бесселя и др. Применяют и другие способы математического анализа и его сплавов (вариационное исчисление, теорию функций комплексной переменной и др.) Аналитические методы исследований с использованием экспериментов. Физические процессы можно исследовать аналитически или экспериментально. Раннее отмечалось, что аналитические зависимости являются математической моделью физических процессов. Эта модель может быть представлена функцией, уравнением, их системой и т.д.

Однако математическим моделям присущи серьезные недостатки:

1. Установление краевых условий требует проведения достоверного опыта. Ошибка в их определении приводит к видоизменению исследуемого процесса.

2. Во многих случаях отыскать аналитические выражения, отражающие исследуемый процесс затруднительно или вообще невозможно.

3. Упрощение математической модели (допущения) искажают физическую сущность процесса.

Экспериментальные методы исследований позволяют глубоко изучить исследуемый процесс. Однако результаты эксперимента не могут быть перенесены на другой процесс, близкий по физической сущности. Это связано с тем, что результаты любого эксперимента отражают индивидуальные особенности лишь исследуемого процесса.

Из опыта еще нельзя определить какие факторы оказывают решающее влияние на процесс, если изменять различные параметры одновременно. Это означает, что при экспериментальном исследовании каждый конкретный процесс должен быть исследован самостоятельно.

Экспериментальные методы позволяют установить частные зависимости между переменными в строго определенных интервалах их изменения (и только).

Таким образом, и аналитические и экспериментальные методы имеют свои достоинства и недостатки, что затрудняет решение практических задач. Поэтому очень интересным является сочетание положительных сторон обоих методов.

Примером такого сочетания является применение теории подобия. В контактной сварке для определения параметров режима используют данные одного из режимов (эксперимент) и специальные соотношения (критерий подобия).

Вероятностно-статистические методы исследований. В сварке чаще всего необходимо исследовать не детерминированные, а случайно-вероятностные процессы (стохастические). Все сварочные процессы протекают в условиях непрерывно-меняющейся обстановки – действуют различного рода возмущения (Uсв, Iсв, Lв, Lд, dэ т т.п.). Те или иные события могут произойти или не произойти. В связи с этим исследователю приходится анализировать случайные, вероятностные связи между параметрами. При этом используется математический аппарат теории вероятности. Эта теория изучает случайные события и базируется на следующих основных показателях.

Совокупность – это множество однородных событий. Совокупность случайных величин х составляет первичный статический материал. Совокупность, содержащая самые различные варианты массового явления называют генеральной совокупностью или большой выборкой N. Обычно изучают лишь часть генеральной совокупности, называемую выборной совокупностью или малой выборкой N1.

Вероятностью Р(х) события называют отношения числа случаев N(x), которые приводят к наступлению события х к общему числу возможных случаев N.

Если теория вероятностей рассматривает теоретические распределения случайных величин, и их характеристики, то математическая статистика занимается способами обработки и анализа эмпирических событий. Эти две родственные науки составляют единую математическую теорию массовых случайных процессов, широко применяемую в научных исследованиях.

В математической статистике важное значение имеет частота события y (x ), представляющая собой отношение случаев n(x), при которых имело место событие, к общему числу событий n.

При неограниченном возрастании числа событий n частота y (x ) стремится к вероятности Р(х).

Кроме абсолютной частоты y (x ) используют понятие относиyi тельной частоты: yoi характеризующей вероятность появления случайной величины.

Методы системного анализа. Под системным анализом понимают совокупность приемов и методов для изучения сложных объектов – систем, представляющих собой сложную совокупность взаимодействующих между собой элементов. Сущность системного анализа заключается в выявлении связей между элементами системы и установлении их влияния на поведение системы в целом.

Обычно системный анализ складывается из 4 этапов:

1. Постановка задачи. Определяют цели и задачи исследования, критерии для изучения процесса. Это очень важный этап. Его выполняет наиболее опытный исследователь. Неправильная или неполная постановка целей может свести на нет всю последующую работу.

2. Очерчивание границы системы и определение ее структуры.

Все объекты и процессы, имеющие отношение к поставленной цели разбивают на два класса – собственно систему и внешнюю среду. Различают замкнутые и разомкнутые (в замкнутой системе влиянием внешней среды можно пренебречь). Затем выделяют структурные части системы и устанавливают взаимодействие между ними и внешней средой.

3. Составление математической модели системы. Сначала определяют параметры элементов. Затем используют тот или иной математический аппарат (теория множеств, линейное программирование, теория массового обслуживания и др.) 4. Теоретические исследования.

Только обоснованно выбранная, правильно составленная методика, гарантирует надежность, полученных при выполнении исследований результатов. Поэтому разработка методики исследования является важным этапом НИР. Методика должна предусматривать как теоретические, так и экспериментальные исследования. Теоретические исследования обычно выполняют методом моделирования – изучения явления с помощью модели.

Модель – искусственная система, отображающая основные свойства изучаемого объекта – оригинала.

При физическом моделировании физика явлений в объекте и модели и их математические зависимости одинаковы. При математическом моделировании физика явлений может быть различной, но математические зависимости одинаковы. Математическое моделирование часто применяют при изучении сложных процессов. При построении модели изучаемый объект и его свойства обычно упрощают.

Однако надо иметь в виду, чем ближе модель к оригиналу, тем ближе полученные при теоретическом исследовании результаты к действительным.

Модели могут быть физическими, математическими и натуральными (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Классификация моделей Физические модели позволяют наглядно представить протекающие процессы в натуре, и исследовать влияние отдельных параметров на их свойства.

Математические модели позволяют количественно использовать явления, трудноподдающиеся изучению на физических моделях.

Натуральные модели представляют собой масштабноизмененные объекты, они позволяют наиболее полно исследовать процессы, протекающие в натуральных условиях.

Модель должна быть оптимальной и отображать существенные явления процесса. Излишняя детализация усложняет модель, затрудняет теоретические исследования, делая их громоздкими. В то же время слишком упрощенная модель не обеспечивает требуемую точность и адекватность. Изучить и проанализировать явление более полно можно лишь при условии, что его модель представлена описаниям физической сущности и имеет математический вид.

Применение ЭВМ при изучении моделей значительно ускоряет теоретические исследования. Применение ЭВМ для моделирования оказывается полезным, если аналитическими методами невозможно установить количественную связь между входящими и выходящими параметрами, а получение эмпирической зависимости сопряжено с большими затратами.

Процесс моделирования на ЭВМ содержит 5 этапов:

1) выделение основных факторов и характеристик процессов и описание взаимосвязи между ними с помощью математических уравнений;

2) преобразование математического описания к виду удобному для ввода в ЭВМ;

3) составление программы для ЭВМ;

4) анализ полученных результатов;

5) сопоставление этих результатов с опытными.

Моделирование можно осуществлять как на аналоговых вычислительных машинах, так и на цифровых (в последнее время появилась возможность совмещать и производить моделирование на ПК).

Аналоговые вычислительные машины предназначены для моделирования процессов, описываемых системами обычных дифференциальных уравнений. Возможно также приближение моделирования процессов, описываемых уравнениями в частных производных по времени к одной пространственной координате. Уравнения могут быть линейными и не линейными.

Для моделирования необходимо систему уравнений, описывающих процесс, привести к виду, при котором каждое уравнение системы разрешено относительно старшей производной.

Нормализованная система дифференциальных уравнений при введении начальных условий преобразуется в эквивалентную систему интегрированных уравнений. Если моделированный процесс описывается уравнениями в частных производных, то их необходимо разложить в систему обычных дифференциальных уравнений.

Различные физические процессы обычно нелинейны. Если нелинейная зависимость охватывает большое число параметров процесса, ее необходимо разложить в арифметическое выражение, содержащее нелинейные функции одного параметра. Каждая из нелинейных функций разложения вводится в ЭВМ самостоятельно и должна быть представлена графически.

В цифровых ЭВМ все параметры моделируемого процесса представляют в виде чисел, а процесс моделирования сводят к преобразованию этих чисел по заданному алгоритму.

Модели сварочной дуги. При анализе литературных источников было установлено, что в настоящее время разработаны следующие модели столба дуги:

- каналовая модель столба дуги (рис. 6.3), т.е. допускается равномерное распределение тока по сечению с радиусом rэф, и выводится уравнение, которое дает представление о физических параметрах, определяющих напряженность поля в столбе;

Рис. 6.3. Каналовая форма столба сварочной дуги - двухтемпературная модель столба сварочной дуги; предложен метод расчета столба сварочной дуги с учетом термической и ионизационной неравновесности плазмы (результаты расчета столба аргоновой дуги атмосферного давления при токе 25А находятся в согласии с экспериментальными данными);

- цилиндрическая модель столба дуги (рис. 6.4); проведенные расчеты позволили получить радиальное распределение температуры и плотности тока в столбе дуги, вычислить напряженность электрического поля и коэффициент сосредоточенности в зависимости от тока дуги;

результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными; изменяя теплофизические свойства среды, можно управлять энергетическими параметрами дуги при сварке;

Рис. 6.4. Цилиндрическая форма столба сварочной дуги - математическая модель динамической электрической дуги; вместо реальной инерционной дуги, характеризующейся квазиэкспоненциальным изменением сопротивления R при ступенчатом токе, рассматривается гипотетическая безынерционная дуга. В итоге отмечено, что предложенная модель физически не строгая; это формально построенная структура, но ее поведение хорошо согласуется с динамикой реального объекта; с помощью данной математической модели можно исследовать не только условия горения дуги переменного тока при его замедленном прохождении через нуль, но и условия повторного возбуждения при обрывах;

- термическая модель, с помощью которой в зависимости от изменений характеристик источника тока можно судить о состоянии столба сварочной дуги; для получения объективных критериев стабильности горения сварочной дуги необходимо термическое исследование столба дуги; в качестве методов исследования пригодны: гашение, повторное зажигание, измерение остаточных токов и рассмотрение этих и других явлений с помощью термической модели дуги; ход вольтамперной характеристики межэлектродного промежутка определяется термической инерционностью дуги.

- коническая (рис. 6.5) модель столба дуги; по мнению авторов, главным недостатком цилиндрической модели является то, что она предполагает неподвижность плазмы в дуге, поэтому для приближения к условиям реальной сварочной дуги, имеющей в большинстве случаев колоколообразную форму и характеризующейся наличием плазменных потоков, более подходит модель дуги в виде усеченного конуса.

Рис. 6.5. Коническая форма столба сварочной дуги Модели сварочной ванны. Исследователи, занимающиеся данной проблемой, предлагают различные модели сварочных ванн. До сих пор исследователи не пришли к единой модели движения жидкого металла в сварочной ванне. Рассмотрим наиболее интересные из них.

В работах Псараса Г.Г. делается вывод, что слои металла, поступающие в хвостовую часть сварочной ванны в процессе сварки вдоль ее дна, ограниченного изотермической поверхностью, совершает незатухающие гармонические колебания (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема распределение сил в сварочной ванне Образование «морщинистости» (рис. 6.7) на поверхности шва при сварке алюминия плавящимся электродом происходит в результате нарушения равновесия в сварочной ванне. Нарушение равновесия в сварочной ванне объясняется столкновением двух объемов расплавленного металла – направленного из-под дуги в хвостовую часть сварочной ванны и направленного в противоположную сторону возвратного движения сварочной ванны.

Рис. 6.7. Схема образования всплесков в сварочной ванне и морщинистости на поверхности сварного шва Схема движения расплава в сварочной ванне по типу «затопленной струи» представлена на рис.6.8.

Рис. 6.8. Принципиальная схема движения расплава в сварочной ванне Это объясняется тем, что расплав из электродных капель с присоединенным основным металлом большей своей частью перемещается вдоль фронта кристаллизации в хвостовую часть ванны и лишь небольшая часть расплава - в переднюю.

Силы, вызывающие образование потоков жидкого металла в ванне, и модель сварочной ванны представлены на рис. 6.9. Основными силами, вызывающими движение жидкого металла в ванне, являются давление дуги и электромагнитная сила Лоренца от взаимодействия вектора магнитной индукции (В), созданной током в дуге, с вектором плотности тока j, вводимого в ванну.

Рис. 6.9. Модель сварочной ванны и схема движения металла в ней Сделан вывод, что под действием электромагнитных сил движение жидкого металла в хвостовой части несимметричной сварочной ванны имеет замкнутый циркуляционный характер. Металл движется под дугой (электродом) вниз до дна ванны, у ее дна – от дуги к хвостовой части, а у поверхности – в обратном направлении.

Динамическая модель сварочной ванны (рис. 6.10), в которой глубина кратера и проплавление свариваемого металла определяется реактивным давлением на дно струи плазмы. В предлагаемой модели показано, что при сварке погруженной дугой ось ее столба лишь изредка совпадает с осью проволочного электрода.

Рис. 6.10. Схема динамической модели сварочной ванны На основе наблюдений предложена модель дискретного формирования шва при сварке стыковых соединений неплавящимся электродом (рис. 6.11). Анодный поток (АП) отклоненной дуги «закупоривает» хвостовую часть ванны для поступающего жидкого металла, и новая порция металла накапливается перед задним фронтом ванны (стадия I, рис. 6.11). Если дискретность перемещения дуги мала, эта порция металла также мала и легко смещается к фронту кристаллизации при повторном движении дуги. Так как возбуждение новой дуги между стенкой фронта и электродом приводит к «отмиранию» старого канала дуги, то за время после его «отмирания» и до приближения новой дуги к этой порции она успевает частично закристаллизоваться (стадия II, рис. 6.11). При отклонении дуги (стадия III, рис. 6.11) ее ток и давление недостаточны для сдвига порции металла к заднему фронту и поэтому сварной шов не имеет сплошного строения. Если эта порция будет сдвинута к предыдущей, сплавление порций произойдет лишь в верхней части, а между твердыми их основаниями образуются пустоты. Возникновение подобных дефектов происходит и при сварке погруженной дугой.

Рис. 6.11. Модель формирования шва при максимальной дискретности дуги: I, II, III – стадии процесса В общем случае сварочную ванну можно разбить на три характерные зоны: I – зона плавления, II – переходная зона (зона гидравлического прыжка), III – зона формирования шва (рис. 6.12). Жидкий металл в хвостовой части сварочной ванны (зоны II и III) движется по каналу, конфигурация которого определяется процессом кристаллизации. Руслом для потока жидкого металла является поверхность кристаллизации. В отличие от открытых потоков жидкий металл хвостовой части сварочной ванны может быть подвержен значительному силовому воздействию объемных электродинамических сил, а в зоне II он может находиться под действием давления дуговой плазмы. Большая же часть поверхности жидкого металла хвостовой части сварочной ванны является свободной, как и в русловых потоках, так как силовым воздействием струи защитного газа можно пренебречь.

Рис. 6.12. Гидравлическая модель сварочной ванны Схематическое изображение процесса сварки представлено на рис. 6.13 для определения количественной оценки величины заглубления дуги в ее кратере.

Рис. 6.13. Схематическое изображение процесса сварки При наличии большого количества моделей до сих пор нет единой модели для дуговой сварки. Это можно объяснить тем, что исследователи проводили эксперименты на различных режимах сварки. Из приведенных выше моделей можно сделать обобщение, что металл в сварочной ванне совершает замкнутое движение из-под дуги вдоль фронта кристаллизации и возвращается вдоль поверхности сварочной ванны под дугу. Однако в работах не учитывается возмущение от изменения силы тока или напряжения. Образование чешуйчатости объясняется только внутренними возмущениями в сварочной ванне.

Таким образом, при разработке объективной модели движения жидкого металла сварочной ванны необходимо учесть вышеперечисленные замечания, а также выявить рациональные области управления формированием сварочной ванной – как входного объекта в системе сварочная ванна - сварной шов (выходной параметр).

6.3. Экспериментальные исследования Эксперимент является наиболее важной частью научных исследований. Само слово эксперимент происходит от лат. experimentum – проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении – общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по возможности наиболее частого, т.е. не осложняемого другими явлениями.

Экспериментальное исследование – это один из основных способов получения новых знаний. В основе его лежит эксперимент (научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях). Эксперимент позволяет следить за ходом процесса, управлять им и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.

Основной целью эксперимента является проверка теоретических положений (проверка рабочей гипотезы), а также получение количественных данных для отбора значимых факторов при разработке модели.

Эксперимент должен быть проведен в кратчайшие сроки с минимальными затратами ресурсов при высоком качестве полученных результатов.

Роль эксперимента в научном познании. Важнейшей составной частью научных исследований является эксперимент, основой которого является научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предсказания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом его развития и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» означает действие, направленное на создание условий в целях воспроизведения того или иного явления и, по возможности, наиболее чистого, т.е. не осложняемого другими явлениями.

Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования. Постановка и организация эксперимента определяются его назначением.

Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются отраслевыми и имеют соответствующие названия: химические, биологические, физические, психологические, социальные и т.п.

Они различаются:

- по способу формирования условий (естественный и искусственный);

- по целям исследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые, решающие);

- по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.);

- по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);

- по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);

- по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный);

- по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);

- по контролируемым величинам (пассивный и активный);

- по числу варьируемых факторов (однофакторный и много факторный);

- по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социометрический) и т.п.

Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках).

Преобразующий (созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами.

Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов.

Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий над объектом исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.

Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.

Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Это согласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной. Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другой.

Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и в реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем, В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на: производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т.п. Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и планирования, рационального выбора методов исследования.

Эксперименты могут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены в психологии, социологии, педагогике. В этой связи открытый эксперимент целесообразен только тогда, когда имеются возможность и достаточная уверенность в том, что удастся вызвать у испытуемого живое участие и субъективную поддержку намечаемой работе. Закрытый эксперимент характеризуется тем, что его тщательно маскируют; испытуемый не догадывается об эксперименте, и работа протекает внешне в естественных условиях. Такой эксперимент не вызывает у испытуемых повышенной настороженности и излишнего самоконтроля, стремления вести себя не так, как обычно.

Простой эксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленной структуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих простейшие функции.

В сложном эксперименте изучаются явления или объекты с разветвленной структурой (можно выделить иерархические уровни) и большим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции.

Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации на объект исследования. Чаще всего информационный эксперимент используется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т.п.

Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние различных пластифицирующих добавок на подвижность бетонной смеси, прочность бетона и т.п.

Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естественных науках.

Обычный (или классический) эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта, объект или предмет экспериментального исследования и средства (инструменты, приборы, экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент.

Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав экспериментальной установки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект. Модельный эксперимент при расширении возможностей экспериментального исследования одновременно имеет и ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать источником ошибок и, кроме того, экстраполяция результатов изучения поведения модели на моделируемый объект требует дополнительных затрат времени и теоретического обоснования правомочности такой экстраполяции.

Особое значение имеет правильная разработка методики эксперимента. Методика – это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. При разработке методики проведения эксперимента необходимо предусматривать:

- проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбор варьирующих факторов);

- создание условий, в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайных факторов);

- определение пределов измерений;

- систематическое наблюдение за ходом развития изучаемого явления и точные описания фактов;

- проведение систематической регистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;

- создание повторяющихся ситуаций, перекрестных воздействий, изменение их характера и условий;

- создание усложненных ситуаций с целью подтверждения или опровержения ранее полученных данных;

- переход от эмпирического изучения к логическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученного фактического материала.

Выбрав методику эксперимента, исследователь должен удостовериться в ее практической пригодности. Это необходимо сделать даже в том случае, если методика давно апробирована другими лабораториями, так как она может оказаться неприемлемой или сложной в силу специфических особенностей климата, помещения, лабораторного оборудования, персонала, объекта исследования и т.п.

Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который включает:

- цель и задачи эксперимента;

- выбор варьируемых факторов;

- обоснование объема эксперимента, числа опытов;

- порядок реализации опытов;

- определение последовательности изменения факторов;

- выбор шага изменения факторов, задание интервала между будущими экспериментальными точками;

- обоснование средств измерений;

- описание проведения эксперимента;

- обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

В методике подробно разрабатывается процесс проведения эксперимента, составляется последовательность (очередность) проведения операций измерений и наблюдений, детально описывается каждая операция в отдельности с учетом выбранных средств для проведения эксперимента, обосновываются методы контроля качества операций, обеспечивающие при минимальном (ранее установленном) количестве измерений высокую надежность и заданную точность. Разрабатываются формы журналов для записи результатов наблюдений и измерений.

Важным разделом методики является выбор методов обработки и анализа экспериментальных данных. Обработка данных сводится к систематизации всех цифр, классификации и анализу. Результаты экспериментов должны быть сведены в таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро и качественно сопоставлять и анализировать полученные результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

Особое внимание в методике должно быть уделено математическим методам обработки и анализу данных, например, установлению эмпирических зависимостей, аппроксимации связей между варьирующими характеристиками, установлению критериев и доверительных интервалов и др. диапазон чувствительности (нечувствительности) критериев должен быть стабилизирован (эксплицирован).

При разработке плана-программы эксперимента всегда необходимо стремиться к его упрощению без потери точности и достоверности.

Методология эксперимента. Объем эксперимента может быть различным. В лучшем случае достаточно лабораторного, в худшем приходится проводить серию исследований: поисковые (предварительные), лабораторные полигонные.

На эксперимент затрачиваться большое количество ресурсов.

При его проведении производится огромное количество наблюдений и измерений. Иногда оказывается, что выполнение много лишнего, ненужного. Чаще всего это вызвано тем, что экспериментатор нечетко обосновал цель и задачи эксперимента. Поэтому, прежде чем, приступать к проведению эксперимента, необходимо разработать его методологию.

Методология эксперимента – это общая структура эксперимента, т.е. постановка и последовательность выполнения эксперимента. Она включает в себя следующие этапы:

- разработка плана программы эксперимента;

- оценка измерений и выбор средств для проведения эксперимента;

- проведение эксперимента;

- обработка и анализ экспериментальных данных.

Это справедливо для традиционного эксперимента. В последнее время широко применяют математическую теорию эксперимента, позволяющую резко уменьшить объем работы и повысить точность исследования. В этом случае методология эксперимента включает такие этапы: разработка плана-программы; оценка измерений и выбор средств для проведения эксперимента; математическое планирование эксперимента с одновременным проведением эксперимента; обработка и анализ полученных данных.

Разработка плана программы эксперимента. План программы эксперимента включает наименование темы исследования; рабочую гипотезу, методику эксперимента, перечень необходимых материалов, приборов, установок; список исполнителей, календарный план и смету.

Методика эксперимента – это система приемов или способов для последовательного, наиболее эффективного осуществления эксперимента.

Методика включает в себя цель и задачи эксперимента, выбор варьируемых факторов, обоснование средств и потребного количество измерений, а также описание проведение эксперимента и обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

1. Обоснование цели и задач экспериментатора – один из наиболее важных этапов. Оно проводится на основе анализа информации, гипотезы и теоретических разработок. Имеющаяся научная информация позволяет в той или иной степени судить об ожидаемых закономерностях исследуемого процесса и, следовательно, определить задачи эксперимента.

Четко поставленная цель и задачи – большой вклад в их решение. Для конкретного (не комплексного) эксперимента считают оптимальным 3–4 задачи.

2. Выбор варьируемых факторов – это установление основных и второстепенных факторов (характеристик), влияющих на исследуемый объект или процесс. Правильный отбор этих факторов определяет эффективность эксперимента. В отдельных случаях для правильного отбора характеристик необходимо провести предварительно поисковый эксперимент. При малом числе переменных изучают последовательно их влияние на процесс при остальных неизменных величин. Если же переменных величин много, то целесообразно применить принцип многофакторного анализа.

3. Обоснование средств измерений – это выбор необходимых приборов, оборудования и т.д. Экспериментатор должен хорошо знать выпускаемую в стране аппаратуру. Иногда возникает потребность в создании уникальных приборов, стендов и т.д. очень ответственная работа – установление точности измерений и погрешностей.

4. Подробное проектирование процесса проведения эксперимента.

Сначала составляют общую последовательность операций, а затем тщательно описывают каждую операцию в отдельности. Разрабатывают формы журналов регистрации результатов.

5. Обработка данных эксперимента – систематизация всех цифр, их классификация и анализ. Результаты должны быть представлены в удобной форме – таблицы, графики, формулы. Особое внимание должно быть уделено математическим методам обработки и анализу опытных данных.

После разработки методики устанавливают объем и трудоемкость исследований, зависящих от глубины теоретических исследований, степени точности средств измерений.

Проведение эксперимента – важнейший и наиболее трудоемкий этап, при его выполнении очень важна последовательность опыта.

Чтобы исключить систематические ошибки, которые могут возникнуть при субъективном назначении последовательности опытов, назначают метод рандомизации. Он заключается в том, что после последовательной нумерации предполагаемых опытов им присваивают номера из последовательности случайных чисел, а затем эти числа располагают в порядке возрастания (или убывания). И в этом порядке выполняют эксперимент. Например, последовательность пяти опытов определяется следующим образом. Нумеруют опыты 1, 2, 3, 4, 5, затем из перечня случайных чисел выписывают пять последовательных чисел: 88, 46, 52, 02, 29. Затем их последовательно присваивают опытам: 1–88, 2–46, 3–52, 4–02, 5–29. Затем, располагая случайные числа в порядке возрастания или убывания, определяют последовательность опытов: 4, 5, 2, 3,1.

После установления объема эксперимента составляют перечень средств измерений, материалов, список исполнителей, календарный план и смету расходов.

Обязательным требованием проведения эксперимента является ведение журнала, в котором фиксируют все характеристики исследуемого процесса и результаты наблюдений. Одновременно с проведением эксперимента исполнитель должен проводить предварительную обработку результатов и их анализ.

Планирование необходимо, чтобы производить эксперимент в наиболее короткий срок и с наименьшими затратами, получая при этом достоверную информацию. Этого можно достигнуть, следуя при планировании определенным правилам, которые учитывают вероятностный характер результатов измерений и наличие внешних помех, воздействующих на изучаемый объект.

При планировании все факторы, определяющие процесс, изменяются одновременно по специальным правилам, а результаты эксперимента представляются в виде математической модели, обладающей некоторыми статическими свойствами. Выделяют несколько этапов планирования:

- сбор и анализ априорной информации;

- выбор входных и выходных переменных, области экспериментирования (области изменения переменных);

- выбор математической модели, с помощью которой будут представляться экспериментальные данные;

- выбор критерия оптимальности и плана эксперимента;

- определение метода анализа данных;

- проведение эксперимента;

- проверка статических предпосылок для полученных экспериментальных данных;

- обработка результатов;

- интерпретация и рекомендации.

В процессе сбора и анализа априорной информации устанавливают и анализируют известные данные об изучаемом процессе или объекте; какие факторы и как влияют на состояние процесса или объекта, возможные пределы изменения, их взаимосвязь и т.д.

Основные требования для выбора входных факторов (переменных) – возможность установления нужного значения (уровня) этого фактора и поддержание его в течение всего опыта. Факторы могут быть количественными и качественными. Уровням количественных факторов соответствует числовая шкала (температура, давление и т.п.). Качественные факторы – катализаторы, конструкции аппаратов и т.п.

Выходные переменные – реакции (отклики) на воздействие входных параметров. Могут быть экономическими (расход энергии, прибыль и т.п.), технологическими (стабильность горения дуги, надежность и т.п.) и т.д.

Выбор модели зависит от наших знаний об объекте или процессе, целей исследования и математического аппарата.

Очень часто исследуемые модели и задачи сводятся к задаче получения статической модели, которая представляет собой математическую зависимость между входными и выходными параметрами изучаемого процесса или объекта. Теоретической основой решения задачи статического моделирования является предположение о возможности описания протекающего процесса математического уравнения. Однако, если из-за слабой изученности и сложности процесса это осуществить невозможно, то предполагаемое решение раскладывают по переменным параметрам в ряд Тейлора:

где y – выходящий параметр;

x1... xm – входящий параметр;

b0, b1...bm – коэффициенты многочлена, определяемые на основе экспериментальных данных статическим анализом; обработка экспериментальных данных сводится к отысканию коэффициентов по известным из опытов данным;

yi, xi, i – количество опытов.

Часто задачей исследования является оптимизация процесса, т.е.

определение таких значений входящих параметров, при которых выходящий параметр имеет максимальное или минимальное значение. В решении такой задачи можно выделить два подхода:

1) теоретический;

2) эмпирический.

Существует также и промежуточный подход, когда вид исходящей модели предоставляется теоретически, а значения параметров рассчитывается по экспериментальным данным, полученным при изучении объекта.

Эмпирический подход в последние десятилетия используется шире, что объясняется ростом сложности изучаемых объектов, недостатком времени на их детальное изучение и появлением новых эмпирических способов оптимизации и др.

Регрессионный анализ и полнофакторный эксперимент.

Планирование эксперимента, ставящее своей целью обеспечить наиболее эффективное исследование свойств объекта управления, лежит в основе проведения активного эксперимента. В частности, в регрессионном анализе эффективными методами являются полный факторный эксперимент и дробные реплики от него.

Допустим, что для анализа имеем две независимые входные переменные объекта исследования (два фактора) х1 и х2 и каждую из них варьируем на двух уровнях, условно обозначаемых 1 и 1 или короче «+» и «–». Например, если за факторы принята температура х (120 и 800С) и давление х2 (3 и 2 МПа), то опыт в котором температура была 1200С, а давление 2 МПа, условно обозначают (+, –).

Предположим, что нас интересует уравнение регрессии, в которой отражено влияние на значение параметра у не только факторов х и х2, но и их взаимодействие, отражаемое произведением х1 х2. Уравнение регрессии запишется в виде:

где, как и раньше, х0 1.

Очевидно, что возможные комбинации для двух факторов х1, х2, варьируемые на двух уровнях +1 и –1, будут исчерпаны, если поставить четыре опыта (табл. 1).

В нашем опыте всегда х0 1. В табл. 2 введем столбец с произведением х1 х2, столбец, в котором фиксируются результаты измерения выходного параметра у, и столбец с кодовым обозначением опытов, который будет объяснен позднее. Значения х1 и х2, устанавливаемые в отдельных опытах, и представляют собой план эксперимента. Такой эксперимент называется полным факторным экспериментом, поскольку в нем полностью использованы все возможные сочетания уровней обоих факторов. Этому способу планирования присвоено условное обозначение 22 – два уровня планирования для двух факторов. Если планирование выполняется на m уровнях для n факторов, то полный факторный эксперимент, т.е. эксперимент, исчерпыn вающий сочетания факторов, обозначается m. В дальнейшем ограничимся лишь рассмотрением случая m 2, т.е. планированием вида Для некоторых опытов в факторном эксперименте используют специальные кодовые обозначения. В этих обозначениях указывают, какие из факторов в данном опыте принимают значения верхнего уровня, т.е. «+». Для обозначения верхних уровней факторов х1 и х используются буквы а и b латинского алфавита. Если рассматривается большее число факторов, например, х3, х 4, …, то для обозначения их верхних уровней используют последующие буквы латинского алфавита с, d … Опыт, в котором все факторы находятся на нижнем уровне, обозначается (1). С помощью этих обозначений легко написать матрицу планирования просто в виде строки (1), а, b, ab вместо того, чтобы выписывать ее в явном виде.

Остановимся на использовании результатов факторного эксперимента. В рассмотренном случае число опытов (четыре) равно в точности числу неизвестных коэффициентов регрессии и, следовательно, по результатам полного факторного эксперимента можно определить все коэффициенты регрессии. Если есть основания предполагать, что эффект взаимодействия переменных, выражаемый членом b12 x1 x2, незначителен, то можно положить b12 0 и записать уравнение регрессии в виде:

Теперь из четырех опытов нужно определить только три коэффициента b0, b1, b2, одна степень свободы остается для проверки гипотезы адекватности.

Перейдем к рассмотрению случая трех переменных х1, х 2, х3, варьируемых на двух уровнях и, следовательно, описываемых матрицей планирования 23, при x0 1.

Чтобы исчерпать все возможные комбинации, нужно поставить восемь опытов (табл. 2). В табл. 2 учтены также факторы взаимодействия х1 х 2, х1 х3, х 2 х3, х1 х2 х3.

Вместо того, чтобы выписать всю матрицу, можно просто записать ее кодовое обозначение Эксперимент, проведенный на матрице планирования 23, дает возможность определить восемь коэффициентов регрессии: b0, b1, b2, b3, b12, b13, b23, b123. Однако при этом отсутствуют степени свободы для проверки гипотезы адекватности, но во многих случаях эффектами парных и тройного взаимодействий пренебрегают и ограничиваются линейным приближением уравнения регрессии:

При этом для проверки гипотезы адекватности остаются четыре степени свободы.

Чтобы выяснить другие свойства рассмотренных матриц планирования, для обозначения парных и тройных взаимодействий введем новые переменные. При этом нетрудно видеть, что значения хil (значение i-й переменной в эксперименте l) имеют следующие свойства:

Свойство (1) называется условием ортогональности матрицы планирования: скалярное произведение любых двух столбцов в матрице планирования равно нулю. С учетом отмеченных свойств можно написать систему нормальных уравнений, а именно:

откуда находят простые соотношения для определения коэффициентов регрессии:

Теперь рассмотрим более полный случай, когда пренебрегают эффектами парных, тройных и больших взаимодействий, т.е. ограничиваются моделями линейного приближения.

Поскольку при линейной модели число неизвестных коэффициентов регрессии n k 1, а число опытов в полном факторном эксперименте N 2 k, то превышение числа опытов над числом неизвестных резко возрастает с увеличением k. Так, при k 6 имеем N 64, n 7 и число степеней свободы N n 57. Очевидно, что в этих случаях можно значительно уменьшить число опытов. Однако возникает вопрос, какие из N 2 k опытов следует оставить, чтобы сохранить высокую эффективность эксперимента? Ответ на этот вопрос дает понятие дробных реплик.

Обратимся опять к задаче с тремя переменными, в которой линейные эффекты выражаются четырьмя коэффициентами регрессии b0, b1, b2, b3. Для их определения необходимо всего четыре опыта. Что же это должны быть за опыты?

Четыре опыта можно получить, поставив полный факторный эксперимент только для двух переменных, например, х1 и х2, т.е. использовав планирование 22. Но поскольку в каждом опыте нужно задавать еще и уровни третьего фактора х3, их можно получить, связав х3 с х1 и х2 некоторым соотношением, например, положив х3 х1 х2.

При этом получится матрица планирования для трех факторов, полностью совпадающая с матрицей планирования 22.

Планирование эксперимента по такой матрице называется планированием типа 23-1. В этом случае планирование осуществляется для трех переменных, но он основан на полном факторном эксперименте для 3–1–2 переменных.

Особенностью табл. 2 является также то, что значения каждой из переменных получаются как произведение значений двух других переменных х1 х2 х3 ; х2 х1 х3 ; х3 х1 х2.

Это означает невозможность отличить, например, эффект х1 от эффекта х2 х3, т.е. найденный коэффициент регрессии b1 будет служить совместной оценкой для 1 и 23, что записывается в виде b1 1 23. Аналогично b2 2 13, b3 3 12. Хотя оценка значений 12, 23, 13 нас не интересует, однако если эти значения отличаются от нуля, то они скажутся на точности оценки коэффициентов.

Планирование 23-1 можно было бы осуществить иначе; спланировать полный факторный эксперимент 22 для двух переменных х1, х и положить х3 х1 х2.

При таком планировании линейные и парные эффекты будут связаны соотношениями:

Коэффициенты регрессии b1, b2, b3 в этом случае будут служить оценками значений 1 23, 2 13, 3 12.

Два рассмотренных способа планирования вида 23-1 в совокупности дают полный факторный эксперимент 23. Поэтому эти способы планирования можно рассматривать как разбиение полного факторного эксперимента на две половины, называемые полурепликами. Рассмотрим некоторые принципы, лежащие в основе такого разбиения.

Если бы у нас было не три, а, например, пять переменных, то для определения линейных эффектов потребовалось бы определить шесть коэффициентов регрессии, а число опытов в полном факторном эксперименте равнялось бы 25=32. Полуреплика будет содержать 25-1=16 опытов, что также слишком много. Очевидно, в этом случае можно ограничиться одной четвертью полного факторного эксперимента, т.е. использовать так называемую четвертьреплику, обозначаемую 25-2. Аналогично вводится понятие и более мелких дробных реплик, обозначаемых в общем случае как 2k-l.

Рассмотрим три принципа, на которых основано построение дробных реплик.