Моделирование и прогнозирование состояния окружающей среды

   МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ВЕЧЕРНИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ 
 
 
 

   Курсовая  работа на тему:

     «Моделирование и прогнозирование состояния окружающей среды» 
 

   Студентки Клемешовой Е.А.

   Группы  МЭ-06

   Преподаватель Качалина Л.М.

     
 
 
 
 
 
 
 

   Москва 2011г.

   Содержание

   1. Введение……………………………………………………………..…..3-4

   2. Модели и их классификация. Значение моделирования в экологии..5-12

   3. Статистические модели. Принципы построения статистических объектов экопроцессов…………………………………………………….. 13-22

   4. Понятие прогноза и прогнозирования……………………………….23-29

   5. Заключение………………………………………………………….…30-34

   6. Литература…………………………………………………………….…..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

   1. Введение

  Исторически первыми моделями как заместителями  некоторых объектов были, несомненно, символические условные модели. Ими являлись языковые знаки, естественно возникшие в ходе развития человечества и постепенно составившие разговорный язык.

  Следующим этапом развития моделирования можно  считать возникновение знаковых числовых обозначений. Сведения о результатах  счета первоначально сохранился в виде зарубок. Постепенное совершенствование этого метода привело к изображению чисел в виде. Можно предположить, что именно зарубки были прототипом римских цифр.

  Дальнейшее  развитие знаковых моделей связано  с возникновением письменности и математической символики. Наиболее древние письменные тексты, известные в настоящее время, относят примерно к 2000 г. до н. э.(Египет и Вавилон). Есть основания полагать, что вавилоняне уже пользовались понятием подобия прямоугольных треугольников.

  Значительное развитие моделирование получает в древней Греции в V-III вв. до н. э. Была создана геометрическая модель Солнечной системы, Гиппократ для изучения человеческого глаза воспользовался его физической аналогичной моделью - глазом быка, математик Евклид создал учение о геометрическом подобии.

  По  мере развития и укрупнения механического  производства, металлургии, кораблестроения, градостроения и т. д., все чаще обнаруживается недостаточность геометрического  подобия физически однородных объектов для прогнозирования свойств объектов больших размеров на основании свойств объектов меньших размеров.

  Первый  шаг в развитии учения о подобии  при физическом моделировании был  сделан И. Ньютоном (1643-1727), который сформулировал  условия подобия механических явлений. Далее развитие длительное время шло путем определения частных условий подобия для явлений только определенной физической природы - работы И. П. Кулибина (1735-1818) и Л. Эйлера (1707-1783) в области строительной механики, В. Л. Кирпичева (1845-1913) в области упругости и др.

  И, наконец, в 1909-1914 гг. Н. Е. Жуковским, Д. Релеем, Ф. Букингемом была сформулирована теорема, позволяющая установить условия  подобия явлений любой физической природы.

  Параллельно шло развитие логического моделирования  в знаковой форме, это, прежде всего развитие математики. В конце XVI в. Д. Непер (1550-1617) изобрел логарифмы. В конце XVII в. И. Ньютон и Г. Лейбниц (1646-1716) создали дифференциальное исчисление. Получают развитие численные методы решения различных задач.

  К первым вычислительным устройствам можно отнести счеты (XV-XVI в.), логарифмическую линейку (начало XVII в.). Длительное время вычислительные устройства были исключительно механическими - арифмометр, счетно-решающие механизмы и т. п. И только в 30-х гг. нашего столетия начинается развитие электрических аналоговых и цифровых вычислительных устройств.

  И первые обобщения двух направлений  материального моделирования - а) физического  и б) формального с помощью  вычислительных устройств были сделаны  В.А. Вениковым (1949 г.) и Л.И. Гутенмахером (1949 г.), а затем получили дальнейшее развитие у И.М. Тетельбаума (1959 г.), А.М. Сучилина (1964 г.), П.М. Алабужева (1968 г.). Философские концепции основных общих вопросов моделирования отражены В.А. Штоффом, И.Б. Новиковым, Н.А. Уемовым и др.

    

     
 

   2. Модели и их классификация. Значение моделирования в экологии

   Понятие “модель” возникло в процессе опытного изучения мира, а само слово “модель” произошло от латинских слов modus, modulus, означающих меру, образ, способ. Первоначальное развитие модели получили в строительном искусстве. Различные вещи, сделанные на основе каких-либо измерений, воспроизводящих что-либо или являющиеся прообразом чего-то, какими-то образцами для других вещей, стали называть моделями.

   Модель - упрощенное представление о реальном объекте, процессе или явлении. Это, как правило, искусственно созданный объект в виде схемы, математических формул, физической конструкции, наборов данных и алгоритмов их обработки и т.п. Модель воспроизводит в специально оговоренном виде строение и свойства исследуемого объекта. Исследуемый объект, по отношению к которому изготавливается модель, называется оригиналом, образцом, прототипом.

   Модель - это объект, используемый вместо другого  объекта с какой-то целью.

   Моделирование - это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

   Каждый  объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства. Так, модель самолета должна иметь геометрическое подобие оригиналу, модель атома - правильно отражать физические взаимодействия, архитектурный макет города - ландшафт и т.д.

   Модель - это система, исследование которой  служит средством для получения  информации о другой системе. Модели классифицируют исходя из наиболее существенных признаков объектов. Понятие “модель” возникло в процессе опытного изучения мира.

   Научной основой моделирования служит теория аналогии. Под аналогией понимают сходство объектов по их качественным и количественным признакам. Аналогия неразрывно связана с моделью, но нельзя путать эти два понятия. Это среднее опосредующее звено между моделью и объектом. Функция такого звена заключается в сопоставлении различных объектов, обнаружении и анализе объективного сходства определенных свойств, отношений, присущих этим объектам.

   При решении любой задачи основную роль играют эксперимент и модель, а  также анализ полученных результатов. Модель дает правильно поставленный эксперимент, а эксперимент уточняет модель. Эксперимент имеет два  направления: обработка результатов и планирование эксперимента.

   Достоверность модели достигается посредством  наблюдения и логически правильной обработки данных.

   Моделирование широко применяется в технике. Это  и исследование гидроэнергетических  объектов и космических ракет, специальные модели для наладки приборов управления и тренировки персонала, управляющего различными сложными объектами. Многообразно применение моделирования в военной технике. В последнее время особое значение пробрело моделирование биологических и физиологических процессов.

   Моделирование в настоящее время привлекает пристальное внимание и получило необычайно широкое применение во многих областях знаний: от философских и  других гуманитарных разделов знаний до ядерной физики и других разделов физики, от проблем радиотехники и электротехники до проблем механики и гидромеханики, физиологии и биологии и т. д.

   Превратилось:

   а) в общенаучный, в высшей степени  эффективный инструмент познания;

   б) в метод прогнозирования инженерно-конструкторских  разработок;

   в) в метод машинной имитации долгосрочных программ и планов в области экономики, анализа и оценки различных вариантов принимаемых ответственных решений и последствий их реализации.

   Моделирование - это воспроизведение характеристик  некоторого объекта на другом объекте, специально созданного для его изучения.

   Любая модель проще реального объекта. Она отражает не все его свойства и характеристики, а только те, которые  интересны в данном исследовании.

   Перед тем, как использовать модель для  изучения объекта необходимо доказать её подобие или адекватность реальному объекту. Рассмотрим конкретные типы моделирования:

   Физическое  моделирование - это создание уменьшенных  копий реальных объектов и систем. Примером физической модели в экологии является аквариум. Основным недостатком такого типа модели является то, что при обратно масштабном переходе, т.е. при увеличении размеров, некоторые закономерности, которые соблюдались на модели, соблюдаться перестают. Физическое моделирование характеризуется тем, что исследования проводятся на установках, обладающих физическим подобием, т. е. сохраняющих полностью или хотя бы в основном природу явлений. Физическое моделирование характеризуется, прежде всего, тем, что исследования проводятся на установках, обладающих физическим подобием, т. е. сохраняющих полностью или хотя бы в основном природу явлений. Если осуществлено полное или неполное физическое моделирование, то по характеристикам модели можно получить все характеристики оригинала пересчетом через масштабные коэффициенты.

   Концептуальное моделирование - это создание блок-схем, взаимодействие подсистемы процессов в пределах более сложных систем. Примером являются круговороты веществ.

   Графическое моделирование - это изображение  зависимости между переменными  в одной из систем координат, чаще всего в прямоугольной декартовой системе. Примером являются графики изменений численности популяций.

   Математическое  моделирование обладает более широкими возможностями. 
Это способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими моделями. Математическое моделирование имеет огромное преимущество перед физическим, поскольку нет необходимости сохранять размеры модели. Это дает существенный выигрыш во времени и стоимости исследования. Под этим видом моделирования понимают способ исследования различных процессов путем изучения явлений, имеющих различное физическое содержание, но описываемых одинаковыми математическими моделями. Например, колебания и волны различной природы (колебания маятника и колебания в электрической цепи аналогичны).

   К математическим моделям можно отнести  алгоритмы и программы, составленные для вычислительных машин. Эти программы  в условных знаках отражают (моделируют) определенные процессы, описанные дифференциальными уравнениями, положенными в основу алгоритмов.

   Математическое  моделирование имеет огромное преимущество. Поскольку при этом способе моделирования  нет необходимости сохранять  размеры сооружении, нагрузки на элементы конструкции, имеется возможность получить существенный выигрыш во времени и стоимости исследования.

   В общем случае процесс моделирования  состоит из следующих этапов:

   1. Постановка задачи и определение  свойств оригинала, подлежащих  исследованию.

   2. Констатация затруднительности или невозможности исследования оригинала в натуре.

   3. Выбор модели, достаточно хорошо  фиксирующей существенные свойства  оригинала и легко поддающейся  исследованию.

   4. Исследование модели в соответствии  с поставленной задачей.

   5. Перенос результатов исследования модели на оригинал.

   6. Проверка этих результатов.

   Основными задачами являются: во-первых, выбор  моделей и, во-вторых, перенос результатов  исследования моделей на оригинал.

   Можно много привести примеров моделей, при  помощи которых описываются и  изучаются те или иные явления.

   Так, например, на моделях стали изучать  течение водяных потоков, различные  гидродинамические явления, происходящие при мощных взрывах, при землетрясениях.