книги / Основы научных исследований

щих малый опыт работы с системой или испытывающих затруднения в формулировке своей задачи в термина­ лах планирования эксперимента или в выборе метода решения задачи, и в библиотечном режиме, рассчитан­ ном на пользователей, знающих методы решения задачи и имеющих достаточный опыт работы с системой. Для решения задач с помощью системы от пользователя не требуется знания алгоритмических языков программи­ рования. Необходимы лишь начальная подготовка в об­ ласти планирования эксперимента и знание клавиатуры терминала. Диалог пользователя с ЭВМ проводится с помощью терминала, назначенного в качестве пульта оператора. Результаты расчетов выводятся на алфавит­ но-цифровое печатающее устройство (АЦПУ).

С т а н д а р т н ы е и н т е р ф е й с ы 1 систем автомати­ зации эксперимента КАМАК предназначены для широ­ кого класса систем автоматизации эксперимента, обес­ печивают решение задач измерения, обработки резуль­ татов эксперимента, управления экспериментальным оборудованием самого различного назначения. Как уже отмечалось, КАМАК — это модульная система, состоя­ щая из отдельных блоков (модулей), которые выполня­ ют определенную функциональную нагрузку и могут быть объединены для выполнения более сложных фун­ кций. Все модули могут быть разделены на два боль­ ших класса: функциональные и управляющие (контрол­ леры). Функциональные модули служат для выполнения определенных операций преобразования, хранения ин­ формации, связи и могут работать только в режиме уп­ равляемых устройств. Управляющие модули предназна­ чены для управления функциональными модулями и свя­ зи с ЭВМ или специализированными вычислительными устройствами.

Модули системы контролируются в виде вставных блоков, устанавливаемых в стандартные каркасы — крейты. В каждом крейте может быть размещено до 23 функциональных модулей.

Неотъемлемой частью крейта является стандартная магистраль, которая представляет собой многопровод­ ную линию для передачи дискретной информации. Все

1 См.: Науман Г., Майлинг В., Щербина А, Стандартные интер­ фейсы для измерительной техники. М., 1982; Интерфейс для про­ граммируемых приборов р системах автоматизации эксперимента/ Под ред. Л, С. Сотникова. М., 1982; Глазунова Н. А., Карякин А. И. Филаретов Г. Ф. Стандартные интерфейсы. М', МЭИ, 1984.

241

модули имеют непосредственный доступ к магистрали через унифицированные разъемы. Назначение каждой из шин магистрали оговаривается стандартом. Магист­ раль включает шины для передачи данных, адресов, ко­ манд, сигналов управления и шины питания.

Один или несколько крейтов могут быть объединены в ветвь различной конфигурации с помощью магистра­ ли ветви. Управление работой ветви осуществляется контроллером ветви. В качестве контроллера ветви ис­ пользуются как специализированные вычислительные устройства, так и ЭВМ. Многокрейтовые ветви могут формироваться в виде последовательных замкнутых петлевых структур или в виде нескольких параллельных ветвей. Каждая ветвь параллельной системы может со­ держать до семи крейтов, расположенных на расстоянии нескольких метров. Многокрейтовые параллельные и последовательные системы могут объединяться до 62 крейтов. Эти системы применяются при автоматизации самых разнообразных научных исследований при построеннии многоцелевых автоматизированных систем научных исследований.

Основу системы КАМАК составляют функциональ­ ные модули. Разнообразные по назначению, с единой внешней и внутренней системой организации они позво­ ляют создавать экономичные, гибкие к перестройке си­ стемы для решения широкого класса задач. По назна­ чению функциональные модули делят на пять групп: входные модули (предназначенные для считывания дис­ кретной информации с внешних устройств); модули для управления выводными устройствами (печатающими, средствами отображения, выводом данных на перфо­ ленту); модули сопряжения (для общего пользования в системе и управляемые системным контроллером, на­ пример модули управления магнитными дисками, лента­ ми, телетайпами, дисплеем, блоками запоминающих устройств, двусторонней связью или связью с другими системами КАМАК); внешние модули (перерабатыва­ ющие сигналы от внешних устройств и не имеющие полных выходов на магистраль Крейта, например муль­ типлексоры аналоговых сигналов, усилители с прог­ раммно-управляемыми коэффициентами усиления и т.д.); внутренние модули (выполняющие арифметические операции, операции преобразования кодов запоминаю­ щих устройств).

Располагая широким напором функциональных мо­

242

дулей, высоким быстродействием и универсальностью, система КАМАК чаще всего используется на нижних уровнях сложных иерархических систем научных иссле­ дований крупных научных центров.

В более простых локальных системах автоматизации эксперимента на уровне отдельных установок, неболь­ ших научно-исследовательских лабораторий, для иссле­ дования специфических уникальных объектов использу­ ется стандарт на системный интерфейс для автономных программируемых приборов, рекомендованный Между­ народной электротехнической комиссией (МЭК) в ка­ честве международного стандарта. Этот стандарт уста­ навливает ограничения на логические переменные и электрические данные, а также другие данные, кото­ рые необходимо учитывать при соединении различных приборов. Поскольку стандарт МЭК не распространя­ ется на принципы построения приборов, это позволяет объединять в систему различные приборы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, без существенных доработок. Все приборы, объединяемые в систему в соответствии со стандартом МЭК, подраз­ деляются на три различных типа предназначения. К пер­ вому относятся приборы-источники, являющиеся уст­ ройствами, где образуется измерительная информация того или иного рода (цифровые вольтметры, аналогоцифровые преобразователи и т.д.). Ко второму типу от­ носятся приборы-приемники, которые воспринимают информацию от приборов-источников для последующей ее переработки (цифроаналоговые преобразователи, пер­ фораторы, различного рода индикаторы и т.д.). К треть­ ему типу относятся приборы-контроллеры, которые предназначены для управления работой интерфейса.

Физически один и тот же элемент (прибор) может выполнять одновременно несколько различных функций,

т.е. быть одновременно, например, прибором-источником

иприбором-приемником; прибором-источником и кон­ троллером; прибором-источником-приемником-контрол-

лером и т. д. В системе должно быть не менее двух приборов: один источник и один приемник. Контроллер в таком простейшем варианте не обязателен. В макси­ мальном варианте возможно подключение (без допол­ нительной аппаратуры, расширяющей эти возможности) до 15 приборов, в числе которых должны быть прибо­ ры-источники и приборы-приемники. В качестве конт­ роллера могут использоваться как специализированные

243

устройства, так и ЭВМ, которая также может подклю­ чаться к магистрали.

К настоящему времени наметились два направления использования приборного интерфейса МЭК: создание локальных автоматизированных систем научных иссле­ дований замкнутого типа, не связанных с ЭВМ более высокого уровня, и создание самостоятельных подси­ стем автоматизации научных исследований для обслу­ живания независимых экспериментов в реальном вре­ мени на нижней ступени иерархической автоматизиро­ ванной системы научных исследований, используемых ресурсы ЭВМ более высокого уровня.

Приведенные характеристики стандартных интерфей­ сов показывают, что каждый из них имеет свои преиму­ щества^ недостатки, которые определяют область их рационального применения. Интерфейс МЭК обычно ис­

фейс КАМАК — в системах автоматизации уникальных и сложных экспериментов с широким набором контроль­ но-измерительных устройств.

При таком разделении направлений рационального использования стандартных интерфейсов, очевидно, най­ дется такой класс задач, для решения которого потре­ буется использование возможностей первого и второго интерфейсов. Для этой цели создаются многоуровневые автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) с использованием двух стандартных интерфей­ сов.

Существует несколько возможностей построения та­ ких АСНИ, когда часть объектов исследования работает с одной интерфейсной системой, образуя ветвь КАМАК, а другая часть объектов с другой интерфейс­ ной системой образует ветвь МЭК. При этом в каждой ветви имеется своя управляющая ЭВМ, а объединение ветвей реализуется обычно на верхнем уровне АСНИ на базе мини-ЭВМ типа СМ ЭВМ.

ГЛАВА IX

Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я

9.1. Классификация, типы и задачи эксперимента

Важнейшей составной частью научных исследований яв­ ляется эксперимент, основой которого является научно

244

поставленный опыт с точно учитываемыми и управляе­ мыми условиями. Само слово эксперимент происходит от лат.- experimenlum — проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент» обыч­ но используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий: опыт, целенаправленное наблю­ дение, воспроизведение объекта познания, организация особых условий его существования, проверка предска­ зания. В это понятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент» оз­ начает действие, направленное на создание условий в целях осуществления того или иного явления и по воз­ можности наиболее частого, т. е. не осложняемого дру­ гими явлениями. Основной целью эксперимента являют­ ся выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка и организация эксперимента определя­ ются его назначением. Эксперименты, которые прово­ дятся в различных отраслях науки, являются химиче­ скими, биологическими, физическими, психологически­ ми, социальными и т. п. Они различаются по способу формирования условий (естественных-и искусственных); по целям исследования (преобразующие, констатирую­ щие, контролирующие, поисковые, решающие); по ор­ ганизации проведения (лабораторные, натурные, поле­ вые, производственные и т. п.); по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные); по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещест­ венные, энергетические, информационные); по характе­ ру взаимодействия средства экспериментального иссле­ дования с объектом исследования (обычный и модель­ ный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте

э к с п е р и м е н т предполагает проведение опытов в ес­ тественных условиях существования объекта исследова­

245

ния (чаще, всего используется в биологических, социаль­

чает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компо­ нентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должны способ­ ствовать формированию новых свойств и качеств объекта. К о н с т а т и р у ю щ и й э к с п е р и м е н т используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента констатируется наличие определен­ ной связи между воздействием на объект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фак­

объект исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта. П о и с к о в ы й э к- с - перимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое яв­ ление вследствие отсутствия достаточных предвари­ тельных (априорных) данных. По результатам поиско­ вого эксперимента устанавливается значимость факто­

одинаково согласуются со многими явлениями. Это со­ гласие приводит к затруднению, какую именно из гипо­ тез считать правильной.

Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другой.

Примером решающего эксперимента служат опыты по проверке справедливости ньютоновской теории исте­ чения света и волнообразной теории Гюйгенса. Эти опыты были поставлены французским ученым Фуко (1819—1868). Они касались вопроса о скорости распро­ странения света внутри прозрачных тел. Согласно гипо­ тезе истечения, скорость света внутри таких тел долж­ на быть больше, чем в пустоте. Но Фуко своими опыта­

246

ми доказал обратное, т. е. что в менее плотной среде скорость света большая. Этот опыт Фуко и был тем ре­ шающим опытом, который решил спор между двумя ги­ потезами (в настоящее время гипотеза Гюйгенса заме­ нена электромагнитной гипотезой Максвелла),

Другим примером решающего эксперимента может служить спор между Птолемеем и Коперником о дви­ жении Земли. Решающий опыт Фуко с маятником окон­ чательно решил спор в пользу теории Коперника.

Л а б о р а т о р н ы й э к с п е р и м е н т проводится в лабораторных условиях с применением типовых при­ боров, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т. д. Чаще всего в лабораторном экспе­ рименте изучается не сам объект, а его образец. Этот эксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучить влияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научную ин­ формацию с минимальными затратами времени и ре­ сурсов. Однако такой эксперимент не всегда пол­ ностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Н а т у р н ы й э к с п е р и ме н т * прово­ дится в естественных условиях и на реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависи­ мости от места проведения испытаний натурные экспе­ рименты подразделяются на производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т. п. Натурный эксперимент всегда требует тщательного продумывания и планиро­ вания, рационального подбора методов исследования. Практически во всех случаях основная научная пробле­ ма натурного эксперимента — обеспечить достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента ре­ альной ситуации, в которой будет работать впоследст­ вии создаваемый объект. Поэтому центральными зада­ чами натурного эксперимента являются: изучение ха­ рактеристик воздействия среды на испытуемый объект; идентификация статистических и динамических пара­ метров объекта; оценка эффективности функционирова-

1 См.: Баклашов Н. И.. Белюнов А. Н.. Солодикин Г. М . и др.

Натурный эксперимент: Информационное обеспечение эксперимен­ тальных исследований. М„ 1982; Капица П. JI. Эксперимент, теория, практика. М., 1977; Налимов В. В. Теория эксперимента. М., 1971; Тригг Д ж . Решающий эксперимент в современной физике. М., 1974.

247

ния объекта и проверка его на соответствие заданным

требованиям.

Эксперименты могут быть о т к р ы т ы м и и з а к р ы ­ тыми, они широко распространены в психологии, со­ циологии, педагогике. В открытом эксперименте его за­ дачи открыто объясняются испытуемым, в закрытом — в целях получения объективных данных эти задачи скрываются от испытуемого. Любая форма открытого эксперимента влияет (часто активизирует) на субъёктивную сторону поведения испытуемых. В этой связи открытий эксперимент целесообразен только тогда, ког­ да имеются возможность и достаточная уверенность

втом, что удастся вызвать у испытуемого живое участие

исубъективную поддержку намечаемой работе. За­

крытый эксперимент характеризуется тем, что его тща­ тельно маскируют; испытуемый не догадывается об эк­ сперименте, и работа протекает внешне в естественных условиях.-Такой эксперимент не вызывает у испытуемых повышенной настороженности и излишнего самоконтро­

взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, вы­ полняющих сложные функции. Высокая степень связ­ ности элементов приводит к тому, что изменение состоя­ ния какого-либо элемента или связи влечет за собой изменение состояния многих других элементов системы. В сложных объектах исследования возможно наличие нескольких разных структур, нескольких разных целей. Но все же конкретное состояние сложного объекта мо­ жет быть описано. В очень сложном эксперименте изу­ чается объект, состояние которого по тем или иным причинам до сих пор не удается подробно и точно опи­ сать. Например, для описания требуется больше вре­ мени, чем то, которым располагает исследователь меж­ ду сменами состояний объекта или когда современный уровень знаний недостаточен для проникновения в су­ щество связей объекта (либо они непонятны).

И н ф о р м а ц и о н н ы й э к с п е р и м е н т использу­

248

ется для изучения воздействия определенной (различ­ ной по форме и содержанию) информации па объект исследования (чаще всего информационный экспери­ мент используется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т. п.). С помощью этого эксперимента изу­ чается изменение состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации.

В е щ е с т в е н н ы й э к с п е р и м е н т предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние различных добавок на качество стали и т.п.

Э н е р г е т и ч е с к и й э к с п е р и м е н т используется для изучения' воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т. д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в естественных науках.

Об ы ч н ы й (или классический) э к с п е р и м е н т включает экспериментатора как познающего субъекта;

В обычном эксперименте экспериментальные средст­ ва непосредственно взаимодействуют с объектом иссле­

дель входит в состав экспериментальной установки, за­ мещая не только объект исследования, но часто и усло­ вия, в которых изучается некоторый объект.

Модельный эксперимент при расширении возмож­ ностей экспериментального исследования одновременно имеет и ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать ис­ точником ошибок и, кроме того, экстраполяция резуль­ татов изучения поведения модели на моделируемый объект требует дополнительных затрат времени и тео­ ретического обоснования правомочности такой экстра­ поляции.

Различие между орудиями эксперимента при модели­

1 См.: Чернов А. П . Мысленный эксперимент, М„ 1979,

249

зы, образно-знаковые модели, знаковые модели). Для обозначения мысленного эксперимента иногда пользу­ ются терминами: идеализированный или воображаемый

эксперимент. Мысленный эксперимент является одной из

ного эксперимента включает: построение мысленной мо­ дели объекта исследования, идеализированных условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и планомерное изменение, комбинирование условий эк­ сперимента и воздействий на объект; сознательное и точное применение на всех стадиях эксперимента объек­ тивных законов науки, благодаря чему исключается аб­ солютный произвол. В результате такого эксперимента формируются выводы.

М а т е р и а л ь н ы й э к с п е р и м е н т имеет анало­ гичную структуру. Однако в материальном эксперимен­ те используются материальные, а не идеальные объекты исследования. Основное отличие материального экспе­ римента от мысленного в том, что реальный экспери­ мент представляет собой форму объективной матери­ альной связи сознания с внешним миром, между тем как мысленный эксперимент является специфической

альный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала проводится человеком мысленно р процессе обдумывания и планирования. Поэтому мыс­ ленный эксперимент нередко выступает в роли идеально­ го плана реального эксперимента, в известном смысле предваряя его.

Мысленный эксперимент имеет более широкую сфе­ ру применения, чем реальный эксперимент, так как при­ меняется не только при подготовке и планировании по­ следнего, но и в тех случаях, когда проведение реальных опытов представляется невозможным. Так, Галлилей в мысленном эксперименте пришел к выводу о сущест­ вовании движения по инерции, опрокинувшему аристо­ телевскую точку зрения, согласно которой движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, пре­ кращает свое действие.

250