Эмпирическое моделирование: построение моделей на основе наблюдений

Введение

Компьютерное моделирование, основанное на эмпирических наблюдениях, а не на математических зависимостях.

Эмпирическое моделирование – это любой вид (компьютерного) моделирования, основанный на эмпирических наблюдениях, а не на математически описываемых взаимосвязях моделируемой системы.

Эмпирическое моделирование как разновидность эмпирического моделирования

Эмпирическое моделирование – это общий термин для деятельности, направленной на создание моделей посредством наблюдения и эксперимента. Эмпирическое моделирование (с заглавной буквы, часто сокращается как EM) относится к конкретному виду эмпирического моделирования, в котором модели строятся в соответствии с определенными принципами. Хотя вопрос о том, в какой степени эти принципы могут быть применены к построению моделей без использования компьютеров, представляет интерес (и будет рассмотрен ниже), есть как минимум две веские причины рассматривать Эмпирическое моделирование изначально как компьютерное. Безусловно, компьютерные технологии оказали преобразующее влияние на полное раскрытие потенциала принципов Эмпирического моделирования. Более того, само представление об Эмпирическом моделировании тесно связано с осмыслением роли компьютера в процессе построения моделей. Эмпирическая модель оперирует простым семантическим принципом: создатель наблюдает тесное соответствие между поведением модели и поведением ее оригинала. Достижение этого соответствия может быть «эмпирическим» в самых разных смыслах: это может включать в себя метод проб и ошибок, может основываться на вычислительном приближении к аналитическим формулам или быть получено как зависимость «черного ящика», не дающая понимания «причины ее работы». Эмпирическое моделирование опирается на ключевой принцип радикального эмпиризма Уильяма Джеймса, который утверждает, что все познание коренится в связях, возникающих в опыте. Эмпирическое моделирование стремится установить соответствие между моделью и ее оригиналом таким образом, чтобы вывод этой модели можно было проследить до связей, полученных из опыта. Установление связей в опыте – это по сути индивидуальная человеческая деятельность, требующая мастерства и сильно зависящая от контекста. Примеры таких связей включают в себя: распознавание знакомых объектов в потоке мыслей, сопоставление слов естественного языка с объектами, которые они обозначают, и подсознательную интерпретацию строк и столбцов электронной таблицы как результатов экзаменов конкретных студентов по конкретным предметам.

Empirical modelling is a generic term for activities that create models by observation and experiment. Empirical Modelling (with the initial letters capitalised, and often abbreviated to EM) refers to a specific variety of empirical modelling in which models are constructed following particular principles. Though the extent to which these principles can be applied to model building without computers is an interesting issue (to be revisited below), there are at least two good reasons to consider Empirical Modelling in the first instance as computer based. Without doubt, computer technologies have had a transformative impact where the full exploitation of Empirical Modelling principles is concerned. What is more, the conception of Empirical Modelling has been closely associated with thinking about the role of the computer in model building. An empirical model operates on a simple semantic principle: the maker observes a close correspondence between the behaviour of the model and that of its referent. The crafting of this correspondence can be 'empirical' in a wide variety of senses: it may entail a trial and error process, may be based on computational approximation to analytic formulae, it may be derived as a black box relation that affords no insight into 'why it works'. Empirical Modelling is rooted on the key principle of William James's radical empiricism, which postulates that all knowing is rooted in connections that are given in experience. Empirical Modelling aspires to craft the correspondence between the model and its referent in such a way that its derivation can be traced to connections given in experience. Making connections in experience is an essentially individual human activity that requires skill and is highly context dependent. Examples of such connections include: identifying familiar objects in the stream of thought, associating natural languages words with objects to which they refer, and subliminally interpreting the rows and columns of a spreadsheet as exam results of particular students in particular subjects.

Эмпирические концепции моделирования

В эмпирическом моделировании создание и поддержание связи, данной в опыте, между конструктом и референтом основано на трех основных понятиях: наблюдаемые, зависимости и агентность. В рамках как конструкта, так и его референта, создатель определяет наблюдаемые как сущности, способные принимать различные значения, при этом их текущие значения определяют текущее состояние. Все взаимодействия, изменяющие состояние конструкта и референта, рассматриваются как изменения значений наблюдаемых. Изменение значения одного наблюдаемого может быть напрямую вызвано изменением значения другого наблюдаемого, в этом случае эти значения связаны зависимостью. Изменения значений наблюдаемых приписываются агентам, среди которых наиболее важным является создатель конструкта. Если изменения значений наблюдаемых наблюдаются одновременно, это может быть истолковано как одновременное действие различных агентов или как сопутствующие изменения наблюдаемых, полученные из действия одного агента посредством зависимостей. Чтобы установить связь, данную в опыте, между конструктом и референтом, создатель конструирует конструкцию таким образом, чтобы ее наблюдаемые, зависимости и агентность тесно соответствовали наблюдаемым в референте. Для этого создатель должен определить подходящие способы, с помощью которых наблюдаемые и действия агентов в референте могут получить соответствующие опытные аналоги в конструкте. Семантическая структура, показанная на рисунке 1, напоминает ту, что используется при работе с электронными таблицами, где отображаемое в сетке состояние имеет смысл только в сочетании с внешним референтом. В этом контексте ячейки служат наблюдаемыми, их определения задают зависимости, а агентность реализуется путем изменения значений или определений ячеек. При создании конструкта создатель исследует роли каждого релевантного агента, проецируя на него агентность, как если бы это был человек, и определяя наблюдаемые и зависимости с этой точки зрения. Автоматизируя агентность, конструкты можно использовать для спецификации поведения аналогично тому, как поведение выражается с помощью макросов в сочетании с электронными таблицами. Таким образом, анимированные конструкты могут эмулировать поведение, подобное программному, в котором промежуточные состояния осмысленны и доступны для проверки создателем.

In Empirical Modelling. making and maintaining the connection given in experience between the construal and referent is based on three primary concepts: observables, dependencies and agency. Within both the construal and its referent, the maker identifies observables as entities that can take on a range of different values, and whose current values determine its current state. All state changing interactions with the construal and referent are conceived as changes to the values of observables. A change to the value of one observable may be directly attributable to a change in the value of another observable, in which case these values are linked by a dependency. Changes to observable values are attributed to agents, amongst which the most important is the maker of the construal. When changes to observable values are observed to occur simultaneously, this can be construed as concurrent action on the part of different agents, or as concomitant changes to observables derived from a single agent action via dependencies. To craft the connection given in experience between the construal and referent, the maker constructs the construal in such a way that its observables, dependencies and agency correspond closely to those that are observed in the referent. To this end, the maker must conceive appropriate ways in which observables and agent actions in the referent can be given suitable experiential counterparts in the construal. The semantic framework shown in Figure 1 resembles that adopted in working with spreadsheets, where the state that is currently displayed in the grid is meaningful only when experienced in conjunction with an external referent. In this setting, the cells serve as observables, their definitions specify the dependencies, and agency is enacted by changing the values or the definitions of cells. In making a construal, the maker explores the roles of each relevant agent by projecting agency upon it as if it were a human agent and identifying observables and dependencies from that perspective. By automating agency, construals can then be used to specify behaviours in much the same way that behaviours can be expressed using macros in conjunction with spreadsheets. In this way, animated construals can emulate program like behaviours in which the intermediate states are meaningful and live to auditing by the maker.

Окружения для поддержки эмпирического моделирования

Разработка компьютерных сред для формирования интерпретаций была постоянным предметом исследований на протяжении последних тридцати лет. Множество вариантов таких сред, которые были реализованы, основаны на общих принципах. Сеть зависимостей, связывающих наблюдаемые величины, представляется в виде семейства определений. Семантически эти определения напоминают определения ячеек электронных таблиц, при этом изменения значений наблюдаемых величин в правой части распространяются таким образом, чтобы концептуально неделимым образом изменить значение наблюдаемой величины в левой части. Зависимости в этих сетях являются ациклическими, но также и переконфигурируемыми: переопределение наблюдаемой величины может привести к новому определению, которое изменяет структуру зависимостей. Наблюдаемые величины, встроенные в среду, включают скаляры, геометрические и экранные элементы отображения: они могут быть детализированы с использованием многоуровневых списочных структур. Зависимость обычно представляется определением, использующим относительно простое функциональное выражение для установления связи между значением наблюдаемой величины и значениями других наблюдаемых величин. Такие функции обычно выражаются фрагментами простого процедурного кода, но в новейших вариантах сред для формирования интерпретаций также появилась возможность выражать зависимости с помощью соответствующих контекстуализированных семейств определений. Создатель может взаимодействовать с интерпретацией, переопределяя существующие наблюдаемые величины или вводя новые, без каких-либо ограничений. Такое взаимодействие играет ключевую роль в экспериментальной деятельности, которая способствует постепенной разработке интерпретации. Для автоматизации изменения состояния могут быть введены триггерные действия, выполняющие переопределения в ответ на заданные изменения значений наблюдаемых величин.

Эмпирическое моделирование как более широкий взгляд на вычислительную технику

На рисунке 1 отождествление «компьютера» со средой, в которой формируется интерпретация, может быть вводящим в заблуждение. Термин «КОМПЬЮТЕР» – это не просто обозначение мощного вычислительного устройства. При формировании интерпретаций основной акцент делается на широких возможностях для взаимодействия и восприятия, которые компьютер предоставляет при использовании совместно с другими технологиями и устройствами. Главная цель разработки Эмпирического Моделирования – дать убедительное объяснение вычислениям, объединяющее эти две взаимодополняющие роли компьютера. Принципы, которыми Джеймс и Дьюи руководствовались, стремясь согласовать представления об агентности, основанные на логике и опыте, играют ключевую роль в достижении этой интеграции. Двойная роль компьютера, подразумеваемая на рисунке 1, широко применима к современным вычислительным приложениям. Исходя из этого, Эмпирическое Моделирование можно рассматривать как основу для более широкого понимания вычислений. Эта точка зрения отражена в многочисленных публикациях по Эмпирическому Моделированию, посвященных таким темам, как образовательные технологии, системы автоматизированного проектирования и разработка программного обеспечения. Формирование интерпретаций также было предложено в качестве подходящего метода для поддержки конструктивизма в понимании Сеймура Паперта и для соответствия требованиям к «конструированию», сформулированным Бруно Латуром.

Эмпирическое моделирование как общее осмысление?

Машина Тьюринга закладывает теоретический фундамент для роли компьютера как вычислительного устройства: её можно рассматривать как моделирование «разума, следующего правилам». Практический опыт применения эмпирического моделирования на сегодняшний день показывает, что формирование интерпретаций хорошо подходит для поддержки вспомогательной роли, которую компьютер может играть в организации богатого опыта. В частности, в духе прагматической философии Джеймса и Дьюи, формирование интерпретаций может выполнять объяснительную функцию, предлагая вероятностные объяснения человеческого опыта в ситуациях, где невозможно применить вычислительные правила. В этом смысле формирование интерпретаций можно рассматривать как моделирование «разума, осмысливающего ситуацию». Подобно тому, как машина Тьюринга является концептуальным инструментом для понимания природы алгоритмов, ценность которых не зависит от существования компьютера, принципы и концепции эмпирического моделирования могут иметь универсальное значение как основа для размышлений об осмыслении без прямой привязки к использованию компьютера. Вклад, который анализ человеческого опыта, предложенный Уильямом Джеймсом, вносит в концепцию эмпирического моделирования, может служить подтверждением этого. Следовательно, принципы эмпирического моделирования могут быть подходящим способом анализа различных видов эмпирического моделирования, не основанных на компьютере. Например, вполне возможно, что анализ с точки зрения наблюдаемых данных, зависимостей и агента, применимый к взаимодействию с электронными таблицами, также будет уместен для ручных таблиц, существовавших до них.

Предыстория

Эмпирическое моделирование было впервые разработано в начале 1980-х годов Мьюригом Бейноном и исследовательской группой эмпирического моделирования в области компьютерных наук в Университете Уорвика. Термин "эмпирическое моделирование" (EM) был принят для этой работы примерно с 1995 года, чтобы отразить эмпирическую основу процесса моделирования, основанного на наблюдении и эксперименте. Программное обеспечение специального назначения, поддерживающее центральные концепции наблюдаемого, зависимости и агента, находится в непрерывной разработке (в основном под руководством студентов-исследователей) с конца 1980-х годов. Принципы и инструменты ЭМ были использованы и развиты сотнями студентов в рамках курсовой работы, проектной деятельности и исследовательских диссертаций. Бакалаврский и магистерский модуль "Введение в эмпирическое моделирование" преподавался в течение многих лет до 2013/14 учебного года, пока на пенсию не вышли Меуриг Бейнон и Стив Рас (авторы этой статьи). Существует обширный веб-сайт [1], содержащий исследовательские и учебные материалы, а также большую коллекцию рецензируемых публикаций и материалов конференций. Термин "конструкт" используется с начала 2000-х годов для обозначения артефактов или моделей, созданных с помощью инструментов ЭМ. Этот 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 записных книжках во время его исследований в области электромагнетизма и создания первых электродвигателей в 1800-х годах. Основная практическая деятельность, связанная с ЭМ – "создание конструктов" – была предметом проекта Erasmus+ CONSTRUIT! (2014–2017) [2].