WYKŁAD NR 1 - CHARAKTERYSTYKA PROCESU MODELOWANIA

Modelowanie - tworzenie modeli układów lub zjawisk fizycznych służących celom naukowym, badawczym, laboratoryjnym - ujmowanie zjawisk fizycznych, chemicznych, technicznych, ekonomicznych itp. w modele matematyczne.

Model - układ względnie odosobniony, możliwie mało skomplikowany, działający analogicznie do oryginału, którym może być istota życia, maszyna, zakład przemysłowy, organizacja społeczna itp.

Modelowanie - przybliżone odtwarzanie najważniejszych właściwości oryginału. Podstawowym celem modelowania w nauce jest uproszczenie złożonej rzeczywistości, pozwalające na poddanie jej procesowi badawczemu.

Dzięki modelowaniu:

1. zmniejsza się lub powiększa obiekt badań do dowolnej wielkości np. model Układu Słonecznego;

2. analizuje się procesy trudne do uchwycenia ze względu na zbyt szybkie lub zbyt wolne tempo ich przebiegu np. model ruchu cząsteczek wody w wodospadzie;

3. bada się jeden wybrany aspekt zagadnienia, pomijając inne, np. model transportu pasażerskiego w pociągach ekspresowych w okresie wakacyjnym.

Modelowanie pełni szczególną rolę w warunkach przyrodniczych, traktując środowisko przyrodnicze, jako złożony system poddający się badaniom dzięki modelowaniu występujących w nim relacji i procesów.

Model jest bardziej lub mniej uproszczoną reprezentacją realnego procesu, który w swej złożoności, sam w sobie, bez procedur jego idealizacji może być nie do ogarnięcia.

Model z jednej strony specyfikuje kluczowe elementy analizowanego zjawiska jak postawy konsumentów, działania marketingu mix czy zachowania zakupowe, z drugiej strony ujmuje w formalne reguły relacje pomiędzy wyróżnionymi kluczowymi elementami.

Modelowanie jest, więc tworzeniem wyidealizowanej, ale użytecznej repliki realnego świata.

W dziedzinach technicznych szczególną właściwością jest przechodzenie ze strefy abstrakcji do konkretów i odwrotnie, czyli z modelu na rzeczywistość i z rzeczywistości na model.

Etapy wirtualizacji:

1. konceptualizacja

2. modelowanie

3. ontologia

Stopień złożoności uwarunkowany jest przede wszystkim jakościową różnorodnością elementów.

By poznać ten twór i sterować nim, trzeba go zdematerializować, czyli dokonać wirtualizacji.

Rozumienie problemu w oparciu o model

Kluczowe problemy rozwiązywane w oparciu o modele:

1. Problem identyfikacji rzeczywistości (odpowiedź na pytania: co? jak? gdzie? kiedy? ile?)

2. Problem optymalizacyjno - decyzyjny (wybór najlepszego rozwiązania i struktury, itp.)

3. Problem rozwoju i innowacji (wynajdowanie nowych, lepszych rozwiązań)

Każdy z tych problemów jest w istocie szukaniem najlepszego modelu. Model bowiem leży u podstaw metodologicznych pozyskania wiedzy.

Sugeruje i uwiarygodnia teorie

Sugeruje i uwiarygodnia doświadczenie

sugeruje teorie modeluje

dostarcza równania generuje dane rzeczywiste

procesy

wykonuje dokładne interpretuje wyniki

obliczenia sugeruje

doświadczenie

wykonuje obliczenia

w dużej skali analizuje dane

steruje aparaturą

Kompresja czasoprzestrzeni

Symulacja to proces opisujący stany modelu.

W naukach technicznych rozumienie pojmowane jest, jako rozumowe uchwycenie odpowiedniości między obiektami i zjawiskami naturalnymi a obiektami teoretycznymi, czyli określenie pojęć i relacji, które w danej teorii naukowej korespondują z określonymi cechami owych obiektów i procesów materialnych.

WYKŁAD 2

Podstawowe (kluczowe) problemy rozwiązywane w oparciu o modele:

OBIEKT A > OBIEKT B = OBIEKT C

relacja model

Konkluzja:

Model jest uproszczeniem istniejących systemów, procesów i zjawisk rzeczywistych. Metoda modeli ma charakter ogólno naukowy. Wszyscy stale posługujemy się modelami, a nauka w szczególności - zwłaszcza cybernetyka, w której modelowanie jest jedną z podstawowych metod badawczych. Model jest celowo dobranym układem cech przedmiotów poddanych naszej badawczej uwadze np. geometryczne pojęcie kuli uznajemy za model konkretnej kuli (np. bilardowej), taki model pomija odchyłki powierzchni od idealnej kuli.

Rozpoznanie obiektu, w celu stworzenia najodpowiedniejszego dla danych potrzeb modelu tego obiektu nazywany jest identyfikacją. Identyfikację należy traktować, jako pewnego rodzaju proces pomocniczy, stosowany we wszelkiej działalności twórczej, zarówno na gruncie badań naukowych, jak i w praktyce technicznej. Proces identyfikacji w tym sensie polega na porównaniu celem ustalenia tożsamości obiektu będącego przedmiotem zainteresowania, z modelem, który bądź powstaje w wyniku przebiegu procesu identyfikacji bądź został pobrany z banku modeli, właściwego dla odpowiedniej dziedziny wiedzy.

OBIEKT IDENTYFIKACJI IDENTYFIKATOR MODEL

(logika lub eksperyment)

W procesie identyfikacji ocenia się przydatność znanego już istniejącego modelu do odwzorowania badanego wycinka rzeczywistości.

Modelowanie to korzystanie z zależności i wnioskowań prowadzonych przy użyciu aparatu logicznego i formalizmu matematycznego, czego wynikiem są m.in. przewidywania, co do pewnych cech i zachowań rozpatrywanego układu.

Konkluzja:

Podczas projektowania urządzenia inżynier buduje opisowy model układu, będący hipotezą, co do sposobu działania układu i na jego podstawie może wnioskować, co do wpływu potencjalnych zakłóceń na stan układu.

W skróceniu model może posłużyć do teoretycznego wypróbowywania różnych strategii sterowania bez wpływania na rzeczywisty układ. Niektóre ciągi rozumowania, czasem dość subtelne nie dają się sprowadzić do prostego stosowania matematycznych reguł przekształcania wzorów. Wtedy stosuje się inne rodzaje modeli np. makiety.

Cele tworzenia modeli w technice:

1. dla potrzeb projektowania, gdzie model służy do optymalizacji struktury i parametrów konstruowanego obiektu i jest narzędziem oceny jakości konstrukcji, eliminacji słabych ogniw, projektowania układów nadzoru (modele funkcjonalne i niezawodnościowe);

2. dla potrzeb użytkowania i sterowania, wykorzystując model do podejmowania decyzji z działającym obiektem (zakres działań obsługowych, decyzje eksploatacyjne);

3. dla potrzeb diagnozowania, gdzie model jest podstawą ustalenia algorytmu diagnozowania, który prowadzi do określenia stanu aktualnego i przyszłego obiektu.

Modelowanie jest tworzeniem wyidealizowanej, ale użytecznej repliki.

Istota modelowania:

-model - jest to bardziej lub mniej uproszczona reprezentacja realnego obiektu (procesu), który w swej złożoności sam w sobie, bez procedur jego idealizacji może być nie do ogarnięcia.

-modele, jako pojęcia są intelektualną i pragmatyczną koniecznością,

-modelowanie to nie tylko otrzymanie konkretnego modelu, lecz cały cykl badawczy, rozpoczynając od tworzenia modelu, przez jego weryfikację, interpretację, a kończąc na kolejnym przybliżeniu. Jeżeli zjawisko jest zrozumiałe istnieje wtedy możliwość zbudowania modelu.

Korzyści z modelowania:

1. Modele dają podstawę do symulacji, czyli wirtualnego badania i przekształcania rzeczywistości.

2. Modele pozwalają na określenie związków pomiędzy parametrami symptomów diagnostycznych i cechami stanu obiektu technicznego.

3. Techniki modelowania i symulacji prowadzą do redukcji kosztów i czasu w projektowaniu nowych wyrobów i procesów.

4. Modele pozwalają przewidywać własności nowych materiałów, co w efekcie daje lepsze wykorzystanie nośności w nowym projekcie oraz lepsze przewidywanie czasu do koniecznej naprawy.

Konkluzja:

Modelowaniem nazywamy czynność, którą posługujemy się w opisie naukowym rzeczywistości, polegający na badaniu modeli, stanowiących jej przybliżenie.

Klasyfikacja jest podstawą do określenia zasadniczych funkcji spełnionych przez modele:

-funkcji praktycznej, którą spełniają modele traktowane, jako przedmioty poznania naukowego,

-funkcji teoretycznej, którą spełniają modele jednoczące elementy: logiczne, konkretne i abstrakcyjne.

Rodzaje modeli:

1. Z punktu widzenia spełnionych funkcji:

1. modele strukturalne - pokazujące powiązania i lokalizację geometryczną wyróżnionych elementów, wygodne do analizy organizacji obiektu i zagadnień związanych z kierowaniem i sterowaniem obiektem. Modele te mają zwykle postać relacji logicznych (powiązania strzałkowe), opisowo- graficzną np. Schemat organizacyjny lub postać złożeniowego rysunku technicznego.

2. funkcjonalne - pokazujące wpływ różnych elementów obiektu na poszczególne funkcje ( zadania) wykonywane przez obiekt np. modele opisowo- graficzne, schematy blokowe,itp.

3. badawcze:

1. ideowe - pokazujące sposób realizacji określonych zadań (np. schematy elektryczne);

2. analityczne - umożliwiające ilościowe określenie właściwości obiektu; mają one zwykle postać matematyczną np. zależności funkcyjne, macierze, opisy procesów.

WYKŁAD 3

2. Z punktu widzenia sposobu odtwarzania rzeczywistości:

1. materialne:

-podobne przestrzennie (makiety, układy plastyczne, modele przestrzenne w chemii, odlewy);

-podobne fizycznie (modele reprezentujące podobieństwo mechaniczne, dynamiczne, kinetyczne i inne rodzaje podobieństwa geometrycznego z oryginałem);

-podobne matematycznie (modele analogowe, strukturalne, maszyny cyfrowe, funkcjonalne układy cybernetyczne);

2. myślowe:

-znakowe (symboliczne); systemy znakowe, zinterpretowane w określony sposób;

-mieszane- obr./znak. (schematy, wykresy, mapy topograficzne i inne wzory strukturalne w chemii, szkice, grafiki);

-obrazowe (ikoniczne); modele hipotetyczne, analogony, idealizacyjne, inne wyobrażenia modelowe.

3. Z metodycznego punktu widzenia:

-zdeterminowane - występuje jednoznaczna zależność pomiędzy cechami obiektu (x), a modelem (y);

-losowe - na skutek dużej liczby zakłóceń zewnętrznych, brak takiej jednoznaczności y ≠ f(x)

Modelowanie zdeterminowane dla obiektów prostych i złożonych:

Obiekty proste:

opisywany

równaniami

liniowymi

Obiekty złożone:

opisywany

równaniami

nieliniowymi

W nauce i technice najbardziej poszukiwanymi modelami są modele matematyczne. Stanowią one najbardziej reprezentatywną grupę modeli myślowych. Są zapisywane w postaci równań: różniczkowych lub całkowych. Modelowanie matematyczne pozwala wniknąć w istotę badanych systemów i udostępnia szczegółowemu badaniu wiele własności, procesów i związków.

KONSTRUOWANIE MODELI

Modelem nazywamy układ materialny (np. makietę) lub abstrakcyjny (np. układ równań), który jest w jakimś sensie podobny do badanego układu pod określonym względem.

Ogólnie biorąc, proces modelowania traktuje się, jako proces odbioru i odpowiedniego przetwarzania informacji, dotyczących struktury i funkcjonowania danego wycinka rzeczywistości.

Podstawowa różnica między modelami materialnymi a myślowymi (abstrakcyjnymi):

-modele materialne - są zbudowane przez człowieka dla określonych celów, istnieją obiektywnie, funkcjonują wedle obiektywnych praw przyrody i w tym sensie są niezależne od człowieka,

-modele abstrakcyjne - mogą odtwarzać te same zjawiska, co modele materialne, istniejąc jedynie w głowie człowieka. Mimo, że mogą być one wyrażone i zazwyczaj bywają wyrażone w rysunkach, szkicach itp.

Budując model konieczne jest określenie trzech ważnych elementów:

1. Lista zjawisk i procesów, jakie występują w badanym układzie (obiekcie); lista ta jest zwykle uzupełniona graficznym schematem układu z zaznaczonymi na nim zmiennymi i parametrami.

2. Lista założeń, które wprost powinny wynikać z pożądanego zakresu ważności modelu (a ten jest dany lub przyjęty).

3. Lista uproszczeń, która wynika z założeń i pożądanego zakresu badań oraz potrzebnej (żądanej) dokładności analizy.

Przystępując do konstruowania modelu obiektu należy ustalić:

1. Cel, w jakim model jest tworzony i związane z tym wymagania.

2. Czy model ma dotyczyć obiektu, jako całości ( model urządzenia), czy też ważny jest jego podział na części i ich współdziałanie ( model systemu)?

3. Jakie części obiektu są istotne ze względu na tworzenie modelu i jakie ich właściwości charakteryzują powiązania wewnętrzne?

4. Rodzaj postaci modelu (fizyczny, matematyczny, graficzny).

Modelowanie fizyczne - polega na wykonaniu w odpowiedniej skali wiernego modelu fizycznego z uwzględnieniem istotnych cech, które mają wpływ na spodziewany wynik badania. Typowym przykładem może być tu badanie modelu samolotu lub łopatek turbiny w modelu turbiny aerodynamicznej.

Modelowanie strukturalne - sposób rozwiązywania…

Modelowanie matematyczne - metoda rozwiązywania problemów opisanych matematycznie, polegająca na zastosowaniu rozwiązania identycznych równań opisujących zjawisko w rzeczywistości i w modelu.

Modelowanie układów technicznych metodą strukturalną- metoda uzyskiwania informacji…

Modelowanie jest uproszczeniem istniejących systemów, procesów i zjawisk rzeczywistych.

Cele tworzenia modelu:

-dla potrzeb projektowania,

-dla potrzeb diagnozowania,

-dla potrzeb użytkowania i sterowania.

WYKŁAD 4 - MODELOWANIE WYPADKÓW PRZY PRACY

Modelowanie wypadków przy pracy opisują go fazy powstawania i przebiegu wypadku, zachowania człowieka w obliczu zagrożenia, charakteryzują przyczyny wypadków i stanowią często usystematyzowaną podstawę do badania wydarzeń lub tworzenia statystyk wypadkowych.

Zastosowanie w badaniu wypadków modeli pomagają zespołowi powypadkowemu w:

- tworzeniu obrazu sekwencji wypadkowej;

- zadawaniu właściwych pytań i ustalaniu rodzaju danych, które należy zebrać;

- sprawdzaniu, czy wybrano właściwe informacje;

- oszacowaniu zebranych (danych) informacji;

- ustaleniu kierunków dalszych badań dla znalezienia głębszych przyczyn;

- analizowaniu relacji między poszczególnymi informacjami;

- identyfikowaniu i ustalaniu właściwych działań profilaktycznych.

W oparciu o te wytyczne buduje się przykładowe modele wypadków.

Modele wypadków umożliwiają zrozumienie na poziomie przedsiębiorstwa, jak i dlaczego wypadki się zdarzają.

WYKŁAD 5

Zaliczenie:

-zbudować model przykładowego pytania (warunki graniczne),

-2 pytania z zagadnień ogólnych i jedno zagadnienie dotyczące wypadku,

-cel modelowania wypadku (aby uprościć sytuację)

TOL

W modelach służących badaniu wypadków najczęściej wykorzystywana jest systematyka TOL (technika, organizacja, ludzie), za pomocą, której analizuje się techniczne, organizacyjne oraz związane z człowiekiem przyczyny wypadków przy pracy.

Energetyczny model wypadku

-nie bada całej sekwencji zdarzeń

Założenia modelu:

• aby powstał wypadek człowiek musi zostać poddany działaniu energii przekraczającej poziom odporności organizmu;

• wypadek powstaje podczas niekontrolowanego przepływu energii od zagrożenia do obiektu (człowieka) przy braku barier;

• bariery mogą być: fizyczne - materialne (różnego rodzaju osłony itp.); proceduralne - związane z wykonywaniem zadań według znanych i ściśle określonych reguł oraz zachowawcze - związane ze szkoleniem, wiedzą itp.;

• przełamywanie barier, umożliwiające przepływ energii od zagrożenia do człowieka, prowadzi do urazu lub utraty zdrowia;

• energia traktowana jest w sensie ogólnym i jest nią wszystko to, co w jakiś sposób może spowodować uszkodzenie fizyczne lub psychiczne osoby ludzkiej.

ZAGROŻENIE CZŁOWIEK

(energia związana z

zagrożeniem)

Modelowanie jest po to, by określić, jaka ma być ta BARIERA.

Modele procesowe:

MODEL OARU (umożliwia zbadanie całej sekwencji zdarzeń)

Sekwencja wypadku dzielona jest na trzy fazy:

-inicjacyjną,

-realizacji,

-urazu.

Pomiędzy nimi występują cztery stany przejściowe:

1. przejście od normalnych warunków do stanu wystąpienia braku kontroli sytuacji;

2. przejście od braku kontroli do utraty kontroli; (proces kontroli odbywa się poza naszym wpływem);

3. przejście, przy którym człowiek (organizm ludzki) zaczyna absorbować energię;

4. stan zakończenia procesu absorbowania energii.

Bariery w sekwencji wypadku w modelu OARU.

Przyjmując do badania model OARU klasyfikuje się zidentyfikowane odchylenia, przypisując je do grup dotyczących:

-przepływu energii,

-personelu,

-informacji,

-techniki,

-działań ludzkich,

-środowiska pracy,

-środków ochrony.

Model wypadku według diagramu STEP

Założenia modelu:

Diagramy STEP przedstawiają sekwencję wypadku w ujęciu czasowym z uwzględnieniem „aktorów”, biorących udział w zdarzeniu wypadkowym.

Model wypadku zakłada, że każde zdarzenie wypadkowe jest wynikiem działania i aktora.

Tworzenie diagramu STEP dla wypadku przy pracy.

aktor 1 osoba

aktor 2 przedmiot

aktor 3 narzędzia

Modelowanie wypadku za pomocą drzewa niezdatności

Drzewo niezdatności (drzewo błędów) jest graficzną reprezentacją kombinacji logicznych przypadków, które mogą prowadzić do ustalenia przyczyn nieoczekiwanych stanów lub zdarzeń.

Modelowanie to wymaga przedstawienia przebiegu wypadku przy pomocy odpowiedniego schematu logicznego.

Używa się bramek „i” oraz „lub”.

Drzewo niezdatności umożliwia śledzenie różnych wariantów przebiegu wypadku.

Korzyści z zastosowania tego modelu:

-możliwość koncentrowania się na jednym błędzie bez utraty perspektywicznego spojrzenia na całość,

-szybkie zrozumienie wyników analizy,

-łatwość programowania.

Niekorzystne cechy:

-czasochłonność,

-wymaga doświadczenia,

-złudzenie dużej dokładności,

-brak gwarancji, że wszystkie błędy zostaną wykryte.

Przedsiębiorstwo

model informacyjny

model funkcjonalny

model ekonomiczny

model zasobów

model organizacyjny

Teoria

Eksperyment

Modele i symulacja

Metodologia pozyskiwania wiedzy naukowej

OBIEKT

x

z

y

y

MODEL

OBIEKT

y

x

MODEL

y

X₁

X_n

X₁

X_n

z₁

z₂

z_p

BARIERA

AWARIE

TECHNICZNE

BŁĘDY W ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIU

BŁĘDY LUDZKIE

NIEBEZPIECZNE

SYTUACJI LUB

ZAGROŻENIA

Powrót do normalnej pracy

Czy środki bezpieczeństwa są odpowiednie?

Rozwój

wypadku

Zdarzenie prawie

wypadkowe

Reakcje obronne

działania systemu

bezpieczeństwa

Wypadek

PROCES

odchylenie incydent absorpcja energii

WEJŚCIE

WYJŚCIE

czynniki przyczynowe i

źródła przyczyn

STRATA: ludzka, finansowa, środowiskowa itp.

braki w

kontroli sytuacji

utrata

kontroli

ekspozycja na

przepływ energii

zakończenie

przepływu energii

ODCHYLENIE

INCYDENT

ABSORBCJA

ENERGII

-zabezpieczenie przed powiększeniem energii,

-modyfikacja charakteru energii,

-ograniczenie ilościowe energii.

zabezpieczenie przed niekontrolowanym

uwolnieniem energii

modyfikacja ilości i koncentracji uwolnionej energii

separacja źródła energii w

czasie i przestrzeni

separacja za pomocą

barier fizycznych

poprawa odporności

na przepływ

energii

ograniczenie rozwoju

możliwego urazu

stabilna

naprawa

3 Działanie

osoby

2 Działanie

przedmiotu

1 Działanie

narzędzia

1 Działanie

osoby

1 Działanie

przedmiotu

1 Działanie

narzędzia

2 Działanie

osoby

URAZ

AKTORZY

CZAS

---