Эмпирическое моделирование

Эта статья в значительной степени или полностью основана на одном источнике . Соответствующее обсуждение можно найти на странице обсуждения . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив ссылки на дополнительные источники . Найти источники:  «Эмпирическое моделирование» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( апрель 2021 г. )

Эмпирическое моделирование относится к любому виду ( компьютерного ) моделирования, основанному на эмпирических наблюдениях, а не на математически описываемых связях моделируемой системы.

Эмпирическое моделирование — это общий термин для обозначения деятельности, которая создает модели путем наблюдения и эксперимента . Эмпирическое моделирование (с заглавными начальными буквами и часто сокращенно EM) относится к особой разновидности эмпирического моделирования, в которой модели строятся в соответствии с определенными принципами. Хотя степень, в которой эти принципы могут быть применены к построению моделей без компьютеров, является интересным вопросом (который будет рассмотрен ниже), есть по крайней мере две веские причины рассматривать эмпирическое моделирование в первую очередь как основанное на компьютере. Без сомнения, компьютерные технологии оказали преобразующее влияние там, где речь идет о полной эксплуатации принципов эмпирического моделирования. Более того, концепция эмпирического моделирования была тесно связана с размышлениями о роли компьютера в построении моделей.

Эмпирическая модель работает на простом семантическом принципе: создатель наблюдает близкое соответствие между поведением модели и поведением ее референта. Создание этого соответствия может быть «эмпирическим» в самых разных смыслах: оно может подразумевать процесс проб и ошибок , может основываться на вычислительном приближении к аналитическим формулам , оно может быть выведено как отношение черного ящика , которое не дает никакого понимания того, «почему оно работает».

Эмпирическое моделирование основано на ключевом принципе радикального эмпиризма Уильяма Джеймса , который постулирует, что все знание коренится в связях, которые даны в опыте. Эмпирическое моделирование стремится создать соответствие между моделью и ее референтом таким образом, чтобы его вывод можно было проследить до связей, данных в опыте. Установление связей в опыте является по сути индивидуальной человеческой деятельностью, которая требует навыков и в значительной степени зависит от контекста. Примерами таких связей являются: идентификация знакомых объектов в потоке мыслей , ассоциация слов естественного языка с объектами, к которым они относятся, и подсознательная интерпретация строк и столбцов электронной таблицы как результатов экзаменов конкретных студентов по определенным предметам.

В эмпирическом моделировании процесс построения является постепенным, в котором промежуточные продукты являются артефактами, которые вызывают аспекты предполагаемого (а иногда и возникающего) референта посредством живого взаимодействия и наблюдения. Связи, вызванные таким образом, обладают отличительными качествами: они по своей сути личные и опытные по характеру и являются временными в той мере, в какой они могут быть подорваны, уточнены и усилены по мере развития опыта и понимания референта создателем модели. Следуя прецеденту, установленному Дэвидом Гудингом в его описании роли, которую артефакты играли в экспериментальном исследовании электромагнетизма Майклом Фарадеем , промежуточные продукты процесса эмпирического моделирования описываются как « конструалы ». Отчет Гудинга является яркой иллюстрацией того, как создание конструалов может поддерживать деятельность по созданию смысла, которая приводит к концептуальным прозрениям (ср. вклад, который работа Фарадея внесла в электромагнитную теорию) и к практическим продуктам (ср. изобретение Фарадеем электродвигателя ) .

Действия, связанные с созданием интерпретации в рамках эмпирического моделирования, изображены на рисунке 1.

Значок глаза в центре рисунка представляет собой наблюдение создателя за текущим состоянием развития конструкта и его референта. Две стрелки, исходящие из глаза, представляют собой связь, данную в опыте между конструктом и его референтом, которая устанавливается в сознании создателя. Эта связь создается посредством экспериментального взаимодействия с конструктом в стадии разработки и его возникающим референтом. Как и в настоящем эксперименте, сфера взаимодействий, которые может поддерживать создатель, невообразимо широка. По усмотрению создателя, взаимодействия, характеризующие конструкт, являются теми, которые уважают связь, данную в опыте создателя. По мере того, как разворачивается процесс эмпирического моделирования, конструкт, референт, понимание создателя и контекст для вовлечения создателя коэволюционируют таким образом, что:

• интерактивный опыт, который предоставляет конструирование, усиливается;
• интерактивный опыт, характеризующий референт, совершенствуется;
• расширяется репертуар характерных взаимодействий с конструктом и его референтом;
• выявляются контекстуальные ограничения характерных взаимодействий с конструктом и его референтом.

В эмпирическом моделировании создание и поддержание связи, данной в опыте, между конструируемым и референтом основано на трех основных концепциях: наблюдаемые , зависимости и агентство . Как в конструируемом, так и в его референте создатель определяет наблюдаемые как сущности, которые могут принимать ряд различных значений, и чьи текущие значения определяют его текущее состояние. Все изменяющие состояние взаимодействия с конструируемым и референтом рассматриваются как изменения значений наблюдаемых. Изменение значения одного наблюдаемого может быть напрямую связано с изменением значения другого наблюдаемого, и в этом случае эти значения связаны зависимостью . Изменения наблюдаемых значений приписываются агентам , среди которых наиболее важным является создатель конструируемого. Когда изменения наблюдаемых значений наблюдаются одновременно, это можно истолковать как одновременное действие со стороны разных агентов или как сопутствующие изменения наблюдаемых, полученные в результате действия одного агента через зависимости. Чтобы создать связь, данную в опыте, между конструктом и референтом, создатель конструирует конструкт таким образом, чтобы его наблюдаемые, зависимости и агентность близко соответствовали тем, которые наблюдаются в референте. С этой целью создатель должен придумать соответствующие способы, с помощью которых наблюдаемым и действиям агента в референте могут быть даны подходящие эмпирические аналоги в конструкте.

Семантическая структура, показанная на рисунке 1, напоминает ту, что принята при работе с электронными таблицами , где состояние, которое в данный момент отображается в сетке, имеет смысл только тогда, когда оно воспринимается в сочетании с внешним референтом. В этой обстановке ячейки служат наблюдаемыми, их определения определяют зависимости, а агентство реализуется путем изменения значений или определений ячеек. При создании конструала создатель исследует роли каждого соответствующего агента, проецируя на него агентство, как если бы это был агент-человек, и идентифицируя наблюдаемые и зависимости с этой точки зрения. Автоматизируя агентство, конструалы затем могут использоваться для указания поведения во многом таким же образом, как поведение может быть выражено с помощью макросов в сочетании с электронными таблицами. Таким образом, анимированные конструалы могут эмулировать поведение, подобное программному, в котором промежуточные состояния имеют смысл и соответствуют аудиту создателя.

Разработка компьютерных сред для создания конструктов была постоянным предметом исследований в течение последних тридцати лет. Многие варианты таких сред, которые были реализованы, основаны на общих принципах. Сеть зависимостей, которые в настоящее время связывают наблюдаемые, записывается как семейство определений. Семантически такие определения напоминают определения ячеек электронной таблицы, в которых изменения значений наблюдаемых в правой части распространяются таким образом, чтобы изменить значение наблюдаемого в левой части концептуально неделимым образом. Зависимости в этих сетях ацикличны, но также могут быть реконфигурированы: переопределение наблюдаемого может ввести новое определение, которое изменяет структуру зависимости. Наблюдаемые, встроенные в среду, включают скаляры, геометрические элементы и элементы отображения на экране: их можно разработать с использованием многоуровневых списочных структур. Зависимость обычно представлена ​​определением, которое использует относительно простое функциональное выражение для связи значения наблюдаемого со значениями других наблюдаемых. Такие функции обычно выражались фрагментами простого процедурного кода, но самые последние варианты сред создания констраулов также позволяют выражать отношения зависимости с помощью соответствующим образом контекстуализированных семейств определений. Создатель может взаимодействовать с констраулом посредством переопределения существующих наблюдаемых или введения новых наблюдаемых открытым и неограниченным образом. Такое взаимодействие играет решающую роль в экспериментальной деятельности, которая информирует о пошаговом развитии констраула. Для автоматизации изменения состояния могут быть введены триггерные действия: они выполняют переопределения в ответ на указанные изменения значений наблюдаемых.

На рисунке 1 определение «компьютера» как среды, в которой создается конструкт, потенциально вводит в заблуждение. Термин КОМПЬЮТЕР — это не просто ссылка на мощное вычислительное устройство. При создании конструктов основной акцент делается на богатом потенциальном объеме взаимодействия и перцептуализации, который компьютер предоставляет при использовании в сочетании с другими технологиями и устройствами. Основной мотивацией для разработки эмпирического моделирования является предоставление удовлетворительного описания вычислений, которое интегрирует эти две взаимодополняющие роли компьютера. Принципы, с помощью которых Джеймс и Дьюи пытались примирить точки зрения на агентство, информированное логикой и опытом, играют решающую роль в достижении этой интеграции.

Двойственная роль компьютера, подразумеваемая на рисунке 1, широко актуальна для современных вычислительных приложений. На этой основе эмпирическое моделирование можно рассматривать как основу для более широкого взгляда на вычисления. Эта перспектива отражена в многочисленных публикациях по эмпирическому моделированию по таким темам, как образовательные технологии, автоматизированное проектирование и разработка программного обеспечения. Создание конструктов также было предложено в качестве подходящего метода для поддержки конструкционизма, как его задумал Сеймур Паперт, и для удовлетворения гарантий «конструкции», как ее определил Бруно Латур .

Машина Тьюринга обеспечивает теоретическую основу для роли компьютера как вычислительного устройства: ее можно рассматривать как модель «разума, следующего правилам». Практические приложения эмпирического моделирования на сегодняшний день предполагают, что создание конструктов хорошо подходит для поддержки дополнительной роли, которую компьютер может играть в организации богатого опыта. В частности, в соответствии с прагматической философской позицией Джеймса и Дьюи, создание конструктов может выполнять объяснительную роль, предлагая условные объяснения человеческого опыта в контекстах, где вычислительные правила не могут быть использованы. В этом отношении создание конструктов можно рассматривать как моделирование «разума, осмысливающего ситуацию».

Точно так же, как машина Тьюринга является концептуальным инструментом для понимания природы алгоритмов, ценность которых не зависит от существования компьютера, принципы и концепции эмпирического моделирования могут иметь общую значимость в качестве основы для размышлений о создании смысла без конкретной ссылки на использование компьютера. Вклад, который анализ человеческого опыта Уильяма Джеймса вносит в концепцию эмпирического моделирования, можно рассматривать как доказательство этого. Таким образом, принципы эмпирического моделирования могут быть подходящим способом анализа разновидностей эмпирического моделирования, которые не основаны на компьютере. Например, вполне вероятно, что анализ с точки зрения наблюдаемых, зависимостей и агентства, который применяется к взаимодействию с электронными таблицами, также будет подходящим для ручных электронных таблиц, которые им предшествовали.

Эмпирическое моделирование было разработано в начале 1980-х годов Мейригом Бейноном и Исследовательской группой эмпирического моделирования в области компьютерных наук в Университете Уорика .

Термин «Эмпирическое моделирование» (ЭМ) был принят для этой работы примерно с 1995 года, чтобы отразить экспериментальную основу процесса моделирования в наблюдении и эксперименте. Специальное программное обеспечение, поддерживающее центральные концепции наблюдаемого, зависимости и агентства, находится в стадии непрерывной разработки (в основном под руководством студентов-исследователей) с конца 1980-х годов.

Принципы и инструменты ЭМ использовались и разрабатывались сотнями студентов в рамках курсовых работ, проектных работ и исследовательских диссертаций. Модуль бакалавриата и магистратуры «Введение в эмпирическое моделирование» преподавался в течение многих лет вплоть до 2013-14 гг., пока не вышли на пенсию Мейриг Бейнон и Стив Расс (авторы этой статьи). Существует большой веб-сайт [1], содержащий исследовательские и учебные материалы с обширной коллекцией рецензируемых публикаций и материалов конференций.

Термин «construal» используется с начала 2000-х годов для артефактов или моделей, созданных с помощью инструментов ЭМ. Термин был адаптирован из его использования Дэвидом Гудингом в книге «Эксперимент и создание смысла» (1990) для описания возникающих предварительных идей, которые формировались в уме Фарадея и были записаны в его блокнотах, когда он исследовал электромагнетизм и создавал первые электродвигатели в 1800-х годах.

Основная практическая деятельность, связанная с ЭМ, а именно «составление конструкций», стала предметом проекта Erasmus+ CONSTRUIT! (2014–2017)[2].

• Многоагентная система

1. http://www.dcs.warwick.ac.uk/modelling/ Исследовательская группа эмпирического моделирования
2. https://warwick.ac.uk/fac/sci/dcs/research/em/welcome/ КОНСТРУИРУЙТЕ! Веб-страницы проекта