Введение к работе
Актуальность темы. К настоящему времени историческая наука накопила большой объем исторической информации. К сожалению, она нередко представляется в виде противоречивых массивов данных. Особенно проблема противоречивости актуальна для военной истории, где можно говорить о преднамеренном искажении информации в угоду тех или иных политических сил. Так, например, потери Сербии в годы Первой мировой войны по разным источникам различаются почти в 20 раз! Подобные расхождения в первоисточниках требуют от историков проведения исторической реконструкции (интерпретации), то есть увязывания в рамках одной теории и научного обоснования или опровержение содержащихся в первоисточниках цифр или фактов. Поэтому выбор в качестве объекта исследования исторической информации, представленной в виде массивов данных, методов определения объективного содержания артефактов и генезиса исторических процессов, описывающих динамику вооруженных конфликтов, а также реализация этих методов в виде специализированных комплексов программ для проведения исторической реконструкции (интерпретации) является безусловно актуальным.
До недавнего времени интерпретация исторических данных (историческая реконструкция) проводилась недостаточно системно и, как правило, без использования возможностей естественных наук. Историк реконструировал артефакты и процессы исходя из его собственных, нередко очень спорных и субъективных, представлений об изучаемом объекте. Применение математических методов и вычислительной техники вывело задачу интерпретации на научно обоснованный уровень. Например, появилась возможность ввести в арсенал историка статистическую обработку таких трудно фальсифицируемых источников, как массовые (результаты переписей населения, отчеты о стачках, демонстрациях и т.п.), методы и средства обработки баз данных и т.д.
Иное дело математическое моделирование. Так, в точных науках, где оно нашло наибольшее применение, обычно известны уравнения, которыми можно описать тот или иной физический процесс, и в этом случае математические модели позволяют существенно сократить предварительные операции по уточнению областей эксперимента, более точно подобрать исходные данные и т.д. А центральная проблема применения математического моделирования в исторической сфере заключается в том, что натурный эксперимент здесь затруднен или даже невозможен, так что сами результаты моделирования являются заложниками выбранных гипотез. С одной стороны, отработать и получить новые математические методы в истории можно лишь в процессе моделирования конкретных событий и процессов, сопоставляя их с реальностью. Но мы не имеем универсального математического аппарата, надежность и адекватность которого была бы раз и навсегда доказана для абсолютно всех задач, а с другой стороны, у нас нет перечня формализованных исторических законов, опираясь на которые, можно было бы отработать этот математический аппарат. Поэтому единственно возможным в данной ситуации видится совместное движение вперед как предметной, так и объектной области, по возможности находя макси-
мальное число точек их соприкосновения. В этом случае для моделирования исторических процессов и артефактов обычно строится эвристическая информационная модель, которая не является моделью явления в классическом понимании. Она имеет большое число свободных параметров, которые «подгоняются» под имеющиеся данные наблюдений.
Но это все универсальные математические процедуры, пришедшие из математических методов социологии, экономики, демографии и т.д., а дальнейшее развитие истории настоятельно требует от математиков создания специальных математических процедур, направленных на решение сугубо исторических задач. В связи с этим нам повезло присутствовать при зарождении науки, которой пока еще не дано общепринятого названия (разные авторы называют ее по-своему: исторической математикой, математической историей или клиодинамикой); нечто подобное, например, уже произошло в экономике, дав жизнь математической экономике.
Поэтому весьма актуальным видится сведение предмета исследования в область численных методов и специализированных комплексов программ на основе математического моделирования, составляющих единую систему моделирования военно-исторических процессов на трех уровнях: уровень действия отдельных видов вооружений, использующих метательный принцип поражения (математические модели технических систем, состоящих из разнородных структурных элементов), уровень тактических (модели ланчестерского класса с введением в них статистических коэффициентов, полученных на основе методов теории боевой эффективности, а также обработки и анализа моделей первого уровня) и уровень стратегических действий (в форме корреляционных зависимостей социоисторических макросистем, а также по данным, полученным при моделировании моделями второго уровня).
Цель работы состоит в разработке и реализации эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения адекватной и научно обоснованной исторической реконструкции, совокупность которых можно квалифицировать как существенный вклад в развитие математических методов в исторической науке.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
разработка нового математического алгоритма для интерпретации информации по мобилизационному процессу на примере начального периода Первой мировой войны;
выработка научно обоснованных решений и синтез математической модели движения участка фронта на основе уравнений Ланчестера, обоснование и введение в нее соответствующих коэффициентов на основании теории боевой эффективности, разработка алгоритмов и создание соответствующего программного обеспечения;
формализация исторических данных по морским боям с целью разработки нового алгоритма для моделирования боевых действий на море, с созданием соответствующего программного обеспечения;
разработка математических методов для реконструкции технических параметров артиллерийских систем, а также выработка подходов и разработка
алгоритмов для интерпретации натурных данных внешнебаллистических экспериментов по противоречивой информации с созданием соответствующего программного обеспечения;
- разработка новых математических методов и алгоритмов по интер
претации археологических данных, направленных на реконструкцию облика
древних стрел, экспериментальная проверка выбранных гипотез и создание
соответствующего программного обеспечения.
Методы исследования, применяемые в диссертации, представлены в первую очередь методами математического моделирования систем со сосредоточенными параметрами, описываемых обыкновенными нелинейными дифференциальными уравнениями, в основу которых положены фундаментальные зависимости физико-технического и военно-социологического характера. Коэффициенты, входящие в уравнения, определялись либо на основе данных других авторов, либо в результате критического анализа доступных военно-исторических источников и литературы, либо на основе корреляционного анализа. Программное обеспечение разработано в среде Borland Delphi и Visual Basic. Работа с базами данных осуществлялась в среде MS Excel и MS Access. Кроме того, в силу междисциплинарности, в диссертации нашли свое применение методы исторических и военных исследований.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждаются сопоставительным анализом разработанных и уже существующих моделей и методов. Адекватность сформулированных моделей подтверждена тестовыми расчетами, идентификацией на основе характерных исторических событий, повторением расчетов с повышенной точностью, согласованием численных решений и известных асимптотических решений. Достоверность и обоснованность исторической реконструкции подтверждаются использованием известной источниковой базы, выявлением логической объектно-предметной связи исторического субъекта, применявшего реконструируемые объекты на практике, а также определением возможной логической последовательности при объяснении «белых пятен» военной истории.
На защиту выносятся разработанные и реализованные эффективные численные методы и алгоритмы в виде комплекса проблемно-ориентированных программ для проведения адекватной и научно обоснованной интерпретации исторических данных, как для исторический реконструкции артефактов, использующих метательный принцип поражения (древних стрел, пневматической артиллерии конца XIX в., нарезной артиллерии конца XIX - первой половины XX вв., ракетной техники середины XX в.), так и процессов (боевого функционирования древнего городища как объекта, подверженного воздействию метательного оружия; динамические модели конфликтов сухопутного и морского боев, мобилизационных процессов), что позволяет извлекать из исторического источника максимум неявной информации, скрытой при применении традиционных методов исторических исследований.
На прикладном уровне на защиту выносится:
- эффективный алгоритм интерпретации мобилизационных процессов
во время Первой мировой войны, в результате чего предложена корреляци-
онная модель определения количества и качества военно-обученных резервов и модель мобилизационного развертывания;
математическая модель сухопутного боя на основе модели Ланчесте-ра с учетом скорости движения линии фронта, реализованная в проблемно-ориентированном программном комплексе «LanChester»;
эффективный алгоритм морского боя с учетом маневрирования участвующих кораблей, особенностей их конструкции и тактико-технических характеристик, а также баллистики корабельных орудий, с помощью которого разработан проблемно-ориентированный программный пакет «Warships»;
новые алгоритмы комплексной интерпретации результатов натурных испытаний артиллерии, опубликованных в исторической литературе конца XIX - начала XX вв., на основе чего значительно дополнена и откорректирована база данных артиллерии, сформированная Gunnery Fire Control Group «Database of Naval Guns»;
математические модели, реализованные в виде проблемно-ориентированных программных комплексов «Archer», «Artillery», «Aerobal», «Pnevmobal» для проведения интерпретации баллистической информации стрел, артиллерии и ракет;
эффективный алгоритм для комплексной исторической реконструкции системы «стрелок-лук-стрела-цель», на основе которого разработаны проблемно-ориентированные программные комплексы исторической реконструкции «Osseus», «Archer», «Penetrator».
Научная новизна работы состоит в разработке эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплекса проблемно-ориентированных программ, представляющего собой единую систему адекватной и научно обоснованной интерпретации военно-исторических данных, состоящую из иерархической структуры трех уровней. На первом уровне используются программные комплексы на основе математических моделей технических систем, состоящих из разнородных структурных элементов, описывающие отдельные виды вооружений. Комплекс моделей второго уровня, описывающий тактические действия, построен на основе моделей ланчестерского класса с введением в них статистических коэффициентов, полученных на основе методов теории боевой эффективности, а также обработки и анализа моделей первого уровня. Комплекс моделей третьего уровня, описывающий стратегические действия, построен на основе корреляционных зависимостей социоисторических макросистем, а также по результатам моделирования моделей второго уровня.
На прикладном уровне новизна исследования заключается в следующем:
- впервые реализован эффективный алгоритм интерпретации мобили
зационных процессов во время Первой мировой войны, предполагающий по
аналогии с теорией автоматического управления, представлять государство в
виде объекта управления, имеющего на входе релейную функцию принятия
политического решения, а на выходе - форму мобилизационного процесса, в
результате чего обнаружен эффект демографического подобия призывных
когорт;
впервые реализован эффективный алгоритм, реализованный в программных пакетах «Warships» и «Lanchester», предполагающий принципиально новый подход для реконструкции боевых действий на основе разработанных динамических моделей морского и сухопутного сражений, позволяющий с минимальным рассогласованием увязать информацию, полученную из противоречивых первоисточников;
предложена математическая модель движения участка фронта с введением в качестве основного аргумента скорости фронта, в которой коэффициенты ланчестерского уравнения определяются с использованием теории боевой эффективности;
разработаны новые алгоритмы комплексной интерпретации противоречивых результатов натурных испытаний нарезной артиллерии, реализованные в программных продуктах «Artillery», «Aerobal», «Pnevmobal», позволяющие привести к однородным условиям и увязать воедино коэффициенты формы по разнообразной опубликованной баллистической информации (например, пары «угол возвышения - дальность», «пробиваемая броня известного сорта - дальность» и т.д.);
впервые реализован эффективный алгоритм для комплексной проверки адекватности исторической информации системы «стрелок-лук-стрела-цель», на основе которого разработаны проблемно-ориентированные программные комплексы исторической реконструкции «Osseus», «Archer», «Penetrator», предполагающий использование проектных параметров (критериев подобия конструкций) и баллистическую экспертизу для ископаемых артефактов;
Теоретическая ценность работы. Отдельные элементы работы могут быть полезны для формирования как науки клиодинамики и математического моделирования социальной и исторической динамики, развивая:
теорию Дюпюи о моделировании военной динамики моделями ланчестерского класса, введением в них элементов теории боевой эффективности, а также скорости движения участка фронта как основного аргумента;
теорию «Мир-Системы», обоснованием и формализацией связей военной природы между ее элементами;
теорию автоматического управления, давая ее новое приложение при моделировании социальных процессов на примере мобилизационного развертывания.
Практическая значимость работы состоит в получении конечных программных продуктов, позволяющих проводить артефактную и процессуальную реконструкцию (всего по теме диссертации получена государственная регистрация 11 программных продуктов), составляющих единую систему моделирования техносоциоисторических систем. Применение на практике результатов, полученных в работе, может привести к увеличению копийности проводимой реконструкции, а также к снижению временных и стоимостных затрат. В связи с этим материалы диссертации нашли практическое применение в организациях, занимающихся исторической реконструкцией, таких как:
музеи и архивы (при анализе и сортировке найденного при раскопках вещевого материала, проведении экспертиз по достоверности обнаруженных первоисточников, реставрации и т.д.);
клубы исторической реконструкции (при создании реплик реального исторического оружия, определении безопасных зон при использовании древнего оружия и т.д.);
организации - разработчики игровых программных продуктов исторической направленности (при создании вспомогательных баз данных, применяющихся в игровых сценариях, уточнении областей возможных значений параметров, повышении физичности игровых сценариев и т.д.);
учебные заведения при подготовке и чтении курсов «Моделирование боевых действий», «Моделирование социологических систем», «Военная история» и т.д.
Реализация работы в реальных условиях. При непосредственном участии автора были разработаны и реализованы системы интерпретации исторических данных, построенные на основе математических моделей техносоцио-исторических систем и реализованные в математическом аппарате. Созданы технические и методические средства (прошедшие государственную регистрацию) направленые на повышение универсальности и достоверности интерпретации исторических данных. Полученные в ходе работы результаты и программные продукты используются в реальных условиях.
В Пермском ГПУ при обработке и исследовании вещевого материала, полученного при раскопках в полевом сезоне 2005 г. могильника Пыштайн, был использован программный пакет «Osseus», с помощью которого выдвинуты обоснованные предположения об открытии нового типа наконечников стрел, не включенных в ныне действующие классификации.
Фирма «Totem Games» (Брянск), занимающаяся разработкой игровых программных продуктов, в рамках проекта № 003 «Термиды» применила программный пакет «Artillery», позволивший в сжатые сроки сформировать банк данных по баллистике метательных снарядов, а также оптимизировать алгоритмы игровых сценариев.
По заказу военно-морского музея «USS Olympia» (Филадельфия, США) совместно с исследовательской организацией «Spanish-American War Centennial Website Research Society» была проведена прикладная НИР «Моделирование Манильского морского сражения 1 мая 1898 г.», в ходе которой в практику организации был внедрен программный продукт «Warships». Кроме того, организация использовала в своей практике разработанные автором элементы базы данных по военно-морскому вооружению «Database of Naval Guns», а также программные пакеты «Warships» при реконструкции исторических ситуаций во время Испано-американской войны, и при анализе роли крейсера «Olympia» в Манильском морском сражении 1898 г. Кроме того, пакеты программ «Artillery» и «Pnevmobal» были применены при реконструкции параметров пневматической артиллерии системы Жалиньского, стоявшей на вооружении американского флота и береговой обороны. Полученные в ходе выполнения результаты в настоящее время запрошены такими ор-
ганизациями, как «US National Archives», «US Naval Historical Center», «Smithsonian Institute» и «US Library Congress».
Совместно с организацией «Gunnery Fire Control Group» были проведены следующие прикладные научно-исследовательские работы: «Анализ эффективности артиллерийских систем во время англо-итальянского противостояния во Второй мировой войне»; «Разработка базы данных по артиллерии второй половины XIX - первой половине XX вв.». При проведении данных тем в практику организации были внедрены программные продукты «Artillery», «Aeroball» и «Pnevmobal». Кроме того, в настоящее время организация активно использует разработанную совместно базу данных «Database of Naval Guns».
Военно-морским музеем Сан-Фернандо и «Ассоциацией содействия морским музеям» (Кадис, Испания) были внедрены результаты выполненной автором исторической реконструкции ряда кораблей и судов испанского флота, а также реконструировано 120-мм орудие, примененное на эсминцах типа «Oquendo».
Военный музей «Форт МакАртура» (Сан Педро, США) внедрил результаты диссертации при реконструкции действующей модели испанской 11-мм митральезы Норденфельта. Кроме того, музеем были использованы данные баллистических расчетов других испанских реконструируемых орудий, а также информация по различным аспектам испанского военно-морского строительства конца XIX в.
В Ижевском ГТУ в качестве лабораторного практикума у студентов второго курса специальности 13.04 при изучении дисциплины «Механика полета» с 2004 г. внедрен пакет программ «Aeroball».
Кроме того, отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с планами прикладных научно-исследовательских работ: «Моделирование сражения у Хамбели, 1941 г.» (заказчик - Центральный военно-морской музей, Лима, Перу); «Разработка базовых имитационных моделей технических систем» (ГР 01950002046), «Моделирование газомеханических систем» (ГР 0198002046), «Историческая реконструкция параметров технических систем» (ГР 024000230).
Апробация работы. Отдельные законченные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на интернет-форумах: MARHST - International Marine History Information Exchange Group (при Marine Museum of the Great Lakes, Кингстон, Канада), GFCG - Gunnery Fire Control Group, «Международная военно-историческая ассоциация и Военно-морская история» (), «Историческая реконструкция средних веков» (tforam.info) на заседаниях ассоциаций «История и компьютер» (), «История и математика», в Центре военно-исторических исследований (Екатеринбург), Центре по изучению военной истории (С.-Петербург).
Кроме того, по отдельным законченным этапам работы сделано свыше 80 докладов на конференциях, наиболее значимые из которых: Международная НПК «III Окуневские чтения» (С.-Петербург, 2002 г.); Всероссийская НПК «Третьи Елагинские чтения» (С.-Петербург, 2005 г.); II Международная НПК «Чтения по военной истории» (С.-Петербург, 2005 г.); II—IV международные НТК «Ин-
формационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2000-2003 гг.); Всероссийская ШЖ «Археология и компьютерные технологии: представление и анализ археологических материалов» (Глазов, 2005 г.); Всероссийская ШЖ «Военная культура и военное искусство Евразии: тысячелетие противостояния и взаимовлияния» (Екатеринбург, 2005 г.); Международная ШЖ «Математические методы в исторических исследованиях» (Екатеринбург-Ижевск, 2006 г.); X и XI всероссийские ШЖ ассоциации «История и компьютер» (Москва, 2006-2008 гг.); Международная военно-научная конференция «Военные угрозы для России в современных геополитических условиях» (Екатеринбург, 2007 г.); Всероссийская военно-научная конференция, посвященная 100-летию боевого применения танков «Бронетанковая техника: история и современность» (Екатеринбург, 2006 г.); XV Международный научный симпозиум «Интеграция археологических и этнографических исследований» (Одесса, 2007 г.); II Международная ШЖ «Математическое моделирование социальной и экономической динамики» (Москва, 2007 г.); I и II международные ШЖ «Математическое моделирование исторических процессов» (Москва, 2006-2007 гг.); Всероссийская ШЖ «Культурно-исторические процессы в Западной Сибири с древности до XXI в.: источники и методики» (Томск, 2008 г.). В некоторых из указанных конференций автор состоял в оргкомитете или был одним из организаторов.
О приоритете автора в развитии заявленной тематики говорит избрание его в 2007 г. членом-корреспондентом Королевской морской академии наук (Испания), в 2009 г. - членом-корреспондентом Академии военных наук (Россия). В 2008 г. монография «Имитационное моделирование в военной истории», в которой отражено основное содержание диссертации, была удостоена Почетной грамоты РАН.
Публикации. В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликованы свыше двухсот научных работ (общий объем свыше 220 печ. л.). В том числе 15 монографий, 170 статей (в центральных отечественных и зарубежных изданиях, а также в трудах международных и всероссийских конференций). Автор имеет 11 программных продуктов, получивших государственную и отраслевую регистрацию, а также 25 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора наук (в том числе 9 статей по управлению, вычислительной технике и информатике и 4 статьи по военной кибернетике и моделированию боевых действий).
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение, изложенные на 373 с. машинописного текста. В работу включены 83 рис., 45 табл., список литературы из 208 наименований и 7 приложений, в которых представлены акты об использовании результатов работы.
![Математические модели и программные средства распределенных систем видеонаблюдения и идентификации объектов [Электронный ресурс]](/i/i/4487/180575.png "Математические модели и программные средства распределенных систем видеонаблюдения и идентификации объектов [Электронный ресурс] Соловьев Борис Александрович")