За прошедшие годы был накоплен огромный опыт проектирования и производства строительных материалов и композитов специального назначения. Помимо строительного материаловедения произошел бурный рост множества других наук: математики, кибернетики, физики, философии и т.п. и появилась возможность соединения лучших достижений смежных наук для нужд строительства. Это привело к дальнейшему развитию основ строительного материаловедения. В частности, авторами предпринимается попытка применить достижения теории оптимального управления и системного анализа при синтезе композиционных материалов специального назначения.
В настоящее время существует актуальная потребность создания наукоемких методологий для начальных этапов поиска решений трудных, нестандартных практических задач, содержащих трудно формализуемые и высокие требования к качеству управления, оценивания и прогнозирования. При разработке таких методологий основную роль играет системный подход к исследованию проблем идентификации, фундаментальные исследования математических и вычислительных проблем управления, концептуальных аспектов идентификации и моделирования, компьютерных проблем развития информационно-вычислительной среды. Это в полной мере относится и к строительному материаловедению.
При решении задач идентификации возникает вопрос: существуют ли какие-либо чувственно-воспринимаемые наглядные характеристики объективной реальности, измерения которых позволили бы достоверно утверждать, что при поиске решения практической проблемы лучше использовать непараметрические условия, чем параметрические (или наоборот); или все зависит от априорной нацеленности исследователя на применение определенного математического аппарата и от степени его разработанности (от наличия достаточных для отыскания решения практических проблем операциональных возможностей)? Конкретные математические и прикладные исследования часто опережаются и подсказываются математической интуицией и методологией.
Применение математического аппарата теории управления осложняется абстрактностью и отсутствием наглядности основных математических понятий, настолько сильно отличающихся от естественных для человека базисных понятий, что возникает необходимость создания возможностей перехода от явлений реального мира в виртуальный мир математической теории и обратно из виртуального – в объективную реальность (идентификации). В процессе идентификации создаются все необходимые описания реальности. Переход от объективной реальности к модельным представлениям математической теории и обратно связан с внутренними механизмами реальной идентификации со способностями субъекта идентификации, с возможностями информационной поддержки. Ясно одно, любая методология будет включать процесс человеческого выбора при выработке текущего выполнения процесса идентификации.
Под структурной идентификацией в настоящее время понимается поиск адекватного семейства математических моделей (альтернатив) для параметрической или непараметрической идентификации. В определении не указывается, что понимать под словами «поиск», «адекватность». В настоящее время нет общепризнанного толкования их смысла и значения и детально разработанных трактовок. На предметно-содержательном наглядном уровне поиск осознается как сложная интеллектуальная деятельность, где доминирующую роль играют технологические и теоретические знания, интуиция, здравый смысл и опыт субъекта идентификации; для формулировки его научного понятия целостный наглядный образ реальных процессов следует выразить на языке теории идентификации. На концептуальном (объяснительном) уровне считается, что в процессе структурной идентификации существенную роль играют интуиция и жизненный опыт лица, принимающего решение. На уровне конкретного теоретического исследования основные интеллектуальные усилия направляются на структуризацию и абсолютную формализацию данного процесса. В рамках математического дисциплинарного образа наиболее важны теоретические исследования по разработке алгоритмов генерации и перебора структур (структура – заданное семейство математических уравнений), выбор и оценка качества «наилучшей» структуры. Налицо конфликт между разными образами структурной идентификации, являющийся важным фактором постановки и решения новых теоретических задач. Не менее сложная ситуация связана со словом «адекватность».
В настоящее время содержанием математической теории структурной идентификации является математическое моделирование и исследование актуальных проблем локальных фрагментов без учета их реального контекста (их учет возможен при наличии отображения всего наглядного образа на дисциплинарный уровень при разработанных математических основах структурной идентификации).
Широко распространено словосочетание «структура математической модели объекта». Смысл выражения интуитивно ясен. Сложность вызывает обоснование употребления слова «структура». В математике этот термин имеет точно определенный смысл и существенно отличается от традиционно принятого в теории идентификации. Поэтому в настоящее время употребляется выражение «тип модели объекта», которое трактуется как семейство уравнений, к которому принадлежит модель объекта (в случаях, когда речь идет не о математической модели, например, «структура содержательной модели объекта», внутренних возражений употребления слова «структура» не возникает).
Приведем основные задачи, непосредственно связанные с проблемой структурной идентификации. В их числе:
- математический выбор типа ковариационной матрицы выхода многомерной системы, порядков дискретных динамических моделей на основе ранговых критериев, типа модели нелинейного динамического объекта;
- оценивание достоверности результатов при использовании различных методов практической идентификации;
- переход от идеи к адекватной математической задаче;
- локальная и глобальная идентифицируемость типа модели в пространстве состояний;
- автоматизация процессов структурной и параметрической идентификации;
- математический выбор типа моделей нелинейной системы из нескольких семейств нелинейных дифференциальных уравнений при различных входных процессах и воздействиях;
- многомерный статистический контроль технологического процесса по регрессионным остаткам и др.
Концепция структурной идентификации допускает наличие человеческого фактора. Интуиция, жизненный опыт и здравый смысл признаются в качестве основных инструментов субъекта структурной идентификации (доминирование творческих способностей человека над ценностью современного теоретического знания).
Допускаются различные типы структурной идентификации (в узком смысле понимается как особая человеческая деятельность, направленная на построение адекватной математической постановки практической задачи), включающей этапы:
- разработка содержательной постановки практической задачи,
- выбор математической задачи с заданными параметрами,
- поиск адекватных значений заданных параметров математической задачи,
- коррекция содержательной постановки практической задачи,
- предварительный выбор и алгоритмизация адекватной постановки,
- поиск решения пробной постановки практической задачи и др.
Как видим, идентификация рассматривается как процесс порождения знания, необходимого для внедрения в практику методов и алгоритмов математики.
При поиске решений задач управления сложными системами (например, управления качеством строительных материалов) наибольшая ответственность возникает при процедуре принятия решений. Такие объекты плохо формализуемы. К ним сложно применить аппарат математического программирования, построить математические модели объектов и т.д. Сама процедура принятия решения затрудняется сложной иерархией задач. Задачи оперативного управления являются лишь фрагментами глобальной задачи управления качеством и локальной задачи; должны отслеживаться их критерии. Попытки строить полностью автоматические системы управления качеством, в большинстве случаев обречены на неудачу, поскольку Человек имеет безусловный приоритет перед результатами анализа (например, многокритериальная оценка строительных материалов коллективом экспертов). Поэтому любые попытки создания автоматизированных систем оценки качества с применением алгоритмов параметрической идентификации являются актуальными. В обозримом будущем вряд ли можно будет говорить о решении всех вопросов теории идентификации. Создание и внедрение прототипов новых систем идентификации чрезвычайно актуальны. Однако это не исключает актуальности и тиражирования эталонных прикладных разработок теории идентификации в различные отрасли промышленности (например, создание шкалы оценок качества материалов, аналогичной шкале Купера-Харпера, используемой для оценки пилотажных свойств летательных аппаратов).
В основе разработки методов оптимизации структуры и свойств строительных материалов лежит решение задачи идентификации кинетических процессов в гомогенных и гетерогенных системах. Поскольку при разработке материалов, как правило, имеются экспериментально полученные зависимости изменения контролируемых параметров от времени, наибольший интерес представляют методы идентификации динамических процессов по данным нормального функционирования и по синхронным измерениям фазовых координат в процессе нормальной эксплуатации. Наиболее перспективным при разработке методики синтеза материалов представляется использовать данные о кинетических процессах формирования физико-механических характеристик материалов, обычно имеющих вид кривых, приводимых на рисунке.