工程资料管理个人总结_工程问题的模型化浅析

　　摘要：工程问题需要借助基础理论来解决,科学模型则是基础理论应用于工程中解决其问题的桥梁和纽带。在研究解决工程问题之前,首先应该将工程问题模型化,抽象出能够正确描述工程问题的科学模型。本文诠释科学问题的内涵,论述工程问题模型化的必要性,探讨科学模型对工程问题的作用,分析科学模型建立的技术途径。
　　关键词：工程问题 科学问题 模型化
　　近年来,围绕农业、能源、信息、资源环境、人口与健康、材料、综合交叉和重要科学前沿等领域中的关键科学问题,我国启动了一大批重大专项工程[1],包括核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品、极大规模集成电路制造装备及成套工艺、新一代宽带无线移动通信网、绿色制造关键技术与装备、水体污染的控制与治理、转基因生物新品种培育、大型飞机、高速磁悬浮交通、重大数字化医疗设备关键技术及产品开发、高分辨率对地观测系统、地球系统过程与资源、环境和灾害效应、载人航天与探月工程以及复杂条件下的岩土工程如“三峡”、“二滩”、“海底隧道”及“南水北调”等等。
　　以上工程的研究对象日趋复杂,投入大、风险高,要求在施工前对工程可靠性和稳定性做出满意的评价,同时在施工过程和运营过程中会碰到各种各样的难题,这些都使研究工作和工程进展面临种种困难。事实上,对于一个难于直接下手研究的复杂客体,能不能顺利地进行研究,其关键在于能不能针对所要研究的问题构建出一个合适的科学模型。正确地建立模型是描述问题和解决问题的关键,是工程思想方法的精髓。
　　模型方法是现代科学的核心方法。“模型”这一组合词的本义,即是一种用实物做模的方法[2]。但是,科学模型是人们按照科学研究的特定目的,在一定的假设条件下,用物质形式或思维形式再现原型客体的某种本质特征,诸如关于客体的某种结构、功能、属性、关系、过程等等[3,4]。工程问题需要借助基础理论来解决,科学模型则是基础理论应用于工程中解决其问题的桥梁和纽带。所以通过对科学模型的研究,来推知工程研究对象的某种性质或规律。在考虑模型的多样性和局限性的前提下,在模型应用过程中不断地对模型进行验证和改进,科学地指导工程实践。
　　1、科学模型的分类
　　科学研究中的模型有两大类,一类是实验研究中所采用的实物模型,另一类是理论研究中所采用的理论模型,表现为科学概念、科学假说和数学问题等形态。在现代工程实践和理论研究中,大量地使用着思维形式的科学模型,诸如理想模型、数学模型、理论模型、半经验半理论的模型等。
　　1.1 理想模型
　　实际的工程问题都是拥有多种属性的,并且处于与其他因素的相互作用中。当我们将某一物体作为特定的研究对象,针对某种目的,从某种角度进行研究时,没有直接关系的属性和作用就可以忽略不计。例如,胡克定律就是一个最典型的理想模型,适用于一切固体材料的弹性定律,也是力学最重要基本定律之一。
　　科学研究离不开科学抽象,简化了的理想模型作为科学抽象的结果,在各门科学中比比皆是。例如,数学中的点、线、面;物理学和化学中的点电荷、绝对黑体、理想流体、理想晶体、理想热机、理想溶液;生物学中的模式细胞等等。这些理想模型反映了客体的本质属性,同时也是各门科学中的基本概念。
　　1.2 数学模型
　　构建数学模型是一件创造性的工作,要根据不同的问题,不同的情况作不同的抽象和处理。建立数学模型的基本点就是寻找出所研究的实际问题与某种数学结构的对应关系,从而使实际问题能得到简化,归结成为一个数学问题。需要建立实际对象与各元素之间的对应关系。例如,流体在多孔介质中的传输是一个非常复杂的问题。19世纪以前,还不能对地下水进行定量的计算。1856年,法国工程师H.Darcy在解决城市供水过程中,在一系列试验的基础上,得出了渗流能量损失和渗流速度之间呈现性关系,即著名的Darcy定律,这标志着渗流力学的诞生。
　　1.3 理论模型
　　理论模型是包括了数学模型的,能从一定的基本概念和数量关系出发,进行推理和演算,对有关的各种现象和问题,进行定量的解释和回答,并且推导出新的预言,做出指明一定误差范围的预测。
　　例如,弹性力学中的能量原理是一个典型的理论模型,它可以直接处理整个弹性系统,考虑该系统的能量关系,建立一些泛函变分方程,把弹性力学问题归结为在给定约束条件下求泛函极值的变分问题。
　　1.4 半经验半理论模型
　　在很多情况下,复杂系统,特别是十分复杂的工程系统,通常机理不很清楚,关键数据匮乏,其中所涉及的变量和参量,不但数量大而且其中有许多因素是难以测量、难以定量化的,不能提炼出定量的数学模型,也不能应用理论分析模型对系统的行为做出有效的分析预测。于是人们就常常在经验基础上、或是经验与理论相结合的基础上,对某些因素做出量的估计,并据以提出概念和假设,这时所得到的结果其实只能理解为半定性半定量的。
　　半经验半理论模型,在科学和工程问题中大量地使用着,尤其对复杂系统的研究,煤矿冲击地压预测模型如强度理论、刚度理论以及冲击倾向性理论等,都属于半经验半理论模型。而在实际工程中,进行定量分析与定性分析相结合的综合研究方法往往有效。
　　2、科学模型的作用
　　模型在科学研究中体现出多重作用,这正是它能成为现代科学研究的核心方法,并具有强盛的生命力的重要原因。从以下三个方面简述科学模型的重要功能和作用。
　　2.1 科学模型研究的间接方法
　　能够直接通过观察实验进行研究的工程客体只占少数,大多数工程研究对象需要采用间接研究的方法,借助于既有客观依据又带有主观想象的模型来开展研究,逐步推进认识。纵观近、现代自然科学史,在以复杂系统为研究对象的天文学、地质学、生物学等基础科学研究中,科学模型的间接方法均有应用。
　　例如,恒星内部结构与演化理论研究是现代天文学研究前沿领域之一,是一个开放的复杂巨系统问题。由于除太阳以外,其他恒星都非常遥远,只能以“点源”看待,很难取得丰富的观测资料。太阳离地球最近,在恒星内部结构与演化研究中,理所当然地把太阳选作典型。已知太阳质量与半径,以其可观测量（主要是光度与表面温度）为边界条件,提出“把太阳看作球对称的平衡气体球”的假说,根据有关的科学定律导出太阳内部结构的数学模型,并用数值方法近似求解。分析结果表明,太阳内部大致可分为核反应区、辐射区和对流区。太阳结构模型经过可观测量的检验,反复调整有关内部参量后导出分析值,与实际观测值误差在1/1000以下。通过改变核心区参量,并作必要的补充假说,可依次导出红巨星、白矮星、中子星模型。1960年代发现的脉冲星,就是对这种以科学模型的间接方法及其预言的生动检验。 　　2.2 科学模型的研究纲领作用
　　科学模型不仅是已有认识的总结,作为科学工作者的创造,又加进了人们的新的猜测和假设,含有新的概念和思想。建立起新的理论模型,必须回答这个新的理论是否能够说明各种与其有关的实验现象,是否能对过去已知的事实,做出回溯性的合理的科学解释,是否能够预见新的事实？
　　太沙基提出的一维固结理论和有效应力远离标志着土力学学科的诞生,因此一维固结理论在土力学中有着重要地位。在此基础上,比奥考虑了土体固结过程中孔隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作用,提出了比奥固结理论,将一维固结理论推广到三维的情况。
　　因此,一个新的理论模型实际上能起到一种新的研究纲领的作用,使研究工作获得极大的推动和展开。
　　2.3 模型研究对实践的指导作用
　　科学模型是对实际工程客体的一种合理的正确的抽象,具有简化、优化和理想化的特点。在模型上进行研究的结果,一般优于实际结果。这样,就能以科学模型所提供的优化条件作为追求目标,使人们能够改善实际工程客体或环境条件,以争取达到较佳效果的方向和途径。
　　在工程设计中,模型对实践的指导作用尤为直接和明显。通过科学模型预测某一工程系统的未来发展情况,无论是做出短期的还是长期的预测,定性的或是定量的预测,都有重要意义。现在,有了电子计算机这样强有力的科学手段,使许多复杂问题的预测成为可能,这对于决策和管理的科学化是大有帮助的。
　　3、科学模型建立的途径
　　建模方法大体可分为白箱、黑箱和灰箱模型。白箱模型是根据系统运动规律建立的“机理模型”,它提供较完整的信息,在机理清楚的情况采用。黑箱模型无法反映系统的内部状态,一般是输入输出模型,可用统计或智能方法建立。如果我们对系统的结构和机理掌握部分知识,应充分利用,将黑箱转化为灰箱,灰箱模型是在工程中遇到最多的情况,建模方法则各有差异。
　　建模工作中要针对实际情况具体分析,结合整体论和还原论,不要舍本求末,结合宏观与微观的辩证统一,采用分解和集成或者定性合成与定量分析的综合手段,把微观机理特性反映到宏观模型中来。
　　建立模型的过程,是对原型客体进行科学抽象的过程。科学处理局部与整体、微观与宏观、经验和理论、定性与定量、感性与理性等问题,分清主次,舍弃次要的无关大局的细节,抓住本质性和关键性的东西,才能建立具有科学性的模型。
　　4、结语
　　面对越来越复杂的工程系统,应正确认识并提炼出来工程中的科学问题,抽象出能够正确描述工程问题的科学模型,将工程问题模型化,发挥科学模型其强大作用,对工程科学研究将起到明显的指导意义。
　　参考文献
　　[1]国家科学技术部,国家十一五科技发展规划.2005.
　　[2]辞海.上海辞书出版社,980.
　　[3]孙小礼.十九世纪以来科学与哲学关系的两大思想传统.科学技术与辩证法,1992,9(1):8-13.
　　[4]孙小礼.模型方法与社会研究.科学技术与辩证法,1992,9(1):29-32.

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