Компьютерная поддержка теоретических исследований

 

Вычислительная техника находит широкое применение в реализации задач теоретических исследований. Наиболее часто вычислительную технику используют в проведении математических расчетов. Программное обеспечение для данного направления условно делится на следующие категории:

1. Библиотеки программ для численного анализа, которые также делятся на библиотеки общего назначения (пакеты SSP, NAG) и узко специализированные пакеты, ориентированные на решение определенного класса задач (Micro Way - матрицы, преобразование Фурье).

2. Специализированные системы для математических расчетов и графического манипулирования данными и представления результатов (Phaser -дифференциальные уравнения, Statgraf - статистический анализ), Eureca, Statistica.

3. Диалоговые системы математических вычислений с декларативными языками, позволяющими формулировать задачи естественным образом (MuMath, Reduce, MathCad, Matlab, Mathematica).

4. Электронные таблицы (ЭТ), которые позволяют выполнять различные расчеты с данными, представленными в табличной форме (Supercalc, Quattro Pro, Lotus 1-2-3, Excеl).

В реализации эвристических методов рациональное применение вычислительной техники связано с использованием методов морфологического анализа (таблиц), ассоциативных методов (метод каталога, метод гирлянд случайностей и ассоциаций), с помощью которых генерируется большое число вариантов решения задачи, а затем производится их оценка и выбор рационального.

Теоретические исследования технических проблем в некоторых случаях целесообразно проводить с использованием автоматизированной системы решения изобретательских задач - АРИЗ, которая охватывает все этапы технического творчества от анализа технических систем до поиска вариантов решения.

Наиболее сложной является компьютеризация логико-лингвистических методов научного исследования. Решение проблемы в этом направлении обеспечивается средствами, включающими элементы искусственного интеллекта. Это системы автоматизированного перевода (COKPAT, PROMT, Stylus), интеллектуальные пакеты прикладных программ (ППП), расчетно-логические системы, системы поддержки принятия решение (СППР) и различные экспертные системы.

Интеллектуальные пакеты прикладных программ дают возможность решать задачи по описанию процесса с помощью непроцедурного языка без программирования алгоритма. При этом система сама формирует матмодель исследования и определяет необходимые программные модули для ее реализации (ПРИЗ, СПОРА, МАВР).

Расчетно-логические системы предназначены для коллективного решения общих задач научного исследования при выполнении локальных задач на отдельных рабочих местах за счет координируемого взаимодействия по каналам связи (Система комплексного планирования ГРАНИТ).

Экспертные системы - это программные комплексы, использующие знания в предметной области и способные на их основе с помощью логических (рассуждений) правил формулировать выводы о состоянии системы, основанные на анализе модели представления экспертов о закономерностях её функционирования. ЭС обычно включает: подсистему общения, БЗ с подсистемой накопления знаний, решающий блок, подсистему объяснения. Данные системы наиболее эффективные для анализа процессов и явлений, которые сложно представить матмоделью.

6. ЗАДАЧИ И СОСТАВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основными задачами ЭИ могут быть:

1. Целенаправленное наблюдение за функционированием объекта для углубленного изучения его свойств.

2. Проверка справедливости рабочих гипотез для разработки на этой основе теории явлений.

3. Установление зависимости различных факторов, характеризующих явление, для последующего использования найденных зависимостей в проектировании или управлении исследуемыми объектами.

ЭИ включают этапы подготовки эксперимента, проведения исследований и обработки результатов.

На подготовительном этапе определяются цели и задачи ЭИ, разрабатываются методика и программа его выполнения. Этот этап включает также подбор необходимого оборудования и средств измерений. При разработке программы ЭИ стремятся к меньшему объему и трудоемкости работ, упрощению эксперимента без потери точности и достоверности результатов. В этой связи данный этап ЭИ требует решения задачи определения минимального числа опытов (измерений), наиболее эффективно охватывающего область возможного взаимодействия влияющих факторов и обеспечивающего получения их достоверной зависимости.

Данная задача решается средствами раздела математической статистики - планирование эксперимента, который представляет необходимые методы для рациональной организации измерений, подверженных случайным ошибкам.

Этап проведения собственно исследований определяется спецификой изучаемого объекта. По характеру взаимодействия средств эксперимента с объектом различают обычные и модельные ЭИ. В первом, взаимодействие оказывается непосредственно на объект, во втором - на заменяющую его модель.

Метод моделирования объектов и процессов является основным в научном эксперименте. Различают физическое, аналоговое, математическое моделирование.

Физическое моделирование выполняется на специальных установках. При этом ВТ используются для управления процессом эксперимента, сбора регистрационных данных и их обработки.

Для аналогового моделирования используются аналоговые вычислительные машины (АВМ), что позволяет создавать и исследовать модели-аналоги, которые могут описываться одинаковыми дифуравнениями с исследуемым процессом.

Математическое моделирование, в широком смысле, включает исследования не только с помощью чисто математических моделей. Здесь используются также информационные, логические, имитационные и другие модели и их комбинации.

Применением матмоделей и ВТ реализуется один из наиболее эффективных методов НИ - вычислительный эксперимент, который позволяет изучать поведение сложных систем, которые трудно физически смоделировать. Часто это связано с большой сложностью и стоимостью объектов, а в некоторых случаях невозможностью воспроизвести в реальных условиях.

Для математического моделирования целесообразно использовать ПС известных фирм, разработанные высококвалифицированными специалистами с использованием последних достижений прикладной математики и программирования. Возможности современных ПС, в части машинной графики, включая параметризацию, использование КЭМ и способов “фрактала” и “морфинга”, цветовой динамики, мультипликации и т.п., обеспечивают достаточную наглядность результатов.

Наиболее широкое применение находят ВТ для:

· логического, функционального и структурного моделирования электронных схем;

· моделирования и синтеза систем автоматического управления (САУ);

· моделирования механических и тепловых режимов конструкций, механики газов и жидкостей.

При этом используются сотни функционально-ориентированных ПС (например, MICRO - Logic, PC - LOGS из P-CAD, ANSYS, DesignLAB), так и системы универсального применения (мощные ЭТ-Excel, QuattroPro, система MathCad).

 

СОДЕРЖАНИЕ ЭТАПА КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ НИ

Выполнение этапа проведения теоретических или ЭИ обеспечивает регистрацию больших объемов информации, которая может быть представлена в виде:

а) массивов числовых данных, как результатов дискретных измерений;

б) комплексов одномерных или многомерных сигналов.

Обработка числовых данных в зависимости от характера исследований может включать:

1. Выявление грубых измерений. Здесь используются:

а) правило трех сигм Xi>X ± 3 δ (X- среднеарифметическое значение, δ - среднеквадратичное отклонение);

б) величина малой вероятности результата;

в) эмпирические критерии ошибок (Романовского В.И.).

2. Анализ систематических и случайных погрешностей. Систематические ошибки обусловлены определенными постоянными факторами и определяются по таблицам, графикам для каждого прибора. Учет случайных погрешностей проводится с использованием теорий вероятности и теории случайных ошибок.

3. Графическую обработку результатов измерений, которая выполняется после исключения погрешностей числовых данных и позволяет наглядно выявлять функциональные зависимости исследуемых факторов.

4. Вывод эмпирических зависимостей, т.е. зависимостей между взаимодействующими величинами в виде алгебраических или других типов выражении, соответствующих экспериментальным кривым.

Здесь используются методы средних и наименьших квадратов, различные методы аппроксимации и интерполяции на основе полиномов, рядов, сплайн - функций и т.п., корреляционный и регрессионный анализы.

Обработка сигналов выполняется с целью выделения из них интересующей исследователя информации. При этом для одномерных сигналов характерны следующие операции:

1. Визуализация результатов измерений, т.е. графическое представление сигналов с использованием различных систем координат и масштабированием.

2. Измерение параметров сигнала (периоды колебаний, амплитуды и т.п.).

3. Обработка сигнала заключается в исключении содержащихся в нем случайных помех. Здесь используются методы сглаживания данных и фильтрации.

Исследования свойств сигнала во многих случаях проводятся с использованием методов спектрального анализа (СА). При этом определяются частотные составляющие, скрытые периодичности и т.п. Классическим средством СА является программная реализация преобразований Фурье.

В обработку сигналов входят также процедуры оценки передаточных функций (например, каналов связи или САУ).

4. Классификация и идентификация сигналов. Эти процедуры дают информацию для различных систем контроля и диагностики.

Обработка многомерных сигналов связана с анализом изображений (рентгеновских, ультразвуковых, оптических и т.п.) Многие задачи здесь близки анализу одномерных сигналов. Типичное матобеспечение этого процесса включает решение следующих функций:

1. Ввод, сжатие и запись в виде файлов.

2. Визуализация изображения с возможностью его контрастирования и использования цветовой гаммы.

3. Измерения на изображении (вычисление размеров, площадей, периметров и др. характеристик объектов).

4. Фильтрация изображения выполняется для подавления в нем случайных составляющих.

5. Статический анализ изображения по гистограммам яркости, что позволяет определить степень его искажения.

6. Классификация изображения основывается на измерении характеристик объектов, что позволяет их идентифицировать и распознать.

В заключении можно отметить, что на этапе обработки результатов НИ наибольшее применением находят ПС, обеспечивающие выполнение математических расчетов с использованием теории вероятности, теории ошибок, математической статистики и т.п., а также ПС векторного и растрового анализа изображений.

ПРОЦЕСС И МЕТОДЫ ОФОРМЛЕНИЯ НАУЧНЫХ РАБОТ. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПС

Результаты НИ могут быть представлены в виде отчета, доклада, статьи и т.п., в оформлении которых в настоящее время широко используются средства вычислительной техники. Обычно процесс создания научного документа включает:

1. Подготовку текстовой части, содержащей формулы и спецсимволы.

2. Формирование таблиц и их графическое отображение.

3. Подготовку иллюстраций в виде схем, рисунков, чертежей, графиков, диаграмм.

4. Грамматический и лексический контроль.

5. Импорт рисунков и графических изображений из других систем.

6. Прямой и обратный переводы.

7. Форматирование документа и печать.

Названные операции в основном поддерживаются текстовыми и табличными процессорами общего назначения, системами грамматического контроля, автоматизированного перевода, а также комплексными и интегрированными системами.

Необходимо отметить, что подготовка научных работ насыщенных математическими, химическими формулами, имеющими несколько уровней, представляет определенные трудности. Проблема решается использованием специальных редакторов для научных документов, к которым можно отнести: ChiWriter, TCube (T3), WordPerfect и др. Возможно использование для этих целей системы MahtCAD. Подготовка научных текстов сильно насыщенных формулами наиболее эффективна в системе TEX (ViTEX), где набор формул выполняется средствами специального языка, что ускоряет процесс в 2-3 раза.

Для документов с небольшим количеством формул из обычных ТР можно использовать MS Word, хотя работа в нем достаточно трудоемка, т.к. обеспечивает только поэлементное конструирование формул.

ТР Word поддерживает процесс создания научных документов следующими средствами:

1. Функция Вставка/Символ позволяет использовать в тексте различные символы.

2. ПГ X2, X2 и пункт Формат/Шрифт обеспечивают соответственно установку верхних и нижних индексов.

3. Редактор формул ПГ √a дает возможность набора формул с символа- ми ∑, ∫ и т.п.

4. Выполнение несложных схем и изображений с помощью функции панели инструментов - ПГ Рисование.

5. Создание и редактирование таблиц (пункт Таблица). 6. Грамматический контроль пункт Сервис/Орфография, соответствующая ПГ.

7. Замена повторяющихся слов на синонимы (пункт Сервис/Язык/Тезаурус).

В создании научных документов, кроме редакторов научных текстов используются следующие ПС:

1. Формирование табличной информации целесообразно вести средствами ТбП (Excel, QuattroPro) с использованием возможностей графического отображения.

2. Для создания сложных графических иллюстраций в научных документах удобнее применять системы деловой графики (например, Corel-Draw!) и геометрического моделирования (AutoCAD и т.п.).

3. Эффективный грамматический контроль текста выполняется с помощью специализированных систем типа Orfo, Lingvo Corrector, Propis и т.п.

4. Фотоизображения в текст документа можно встраивать, используя сканирование и средства оптического распознавания, средства их редактирования и цифровую фотографию (например, FineReader, Adobe Photoshop и т.п.).

5. Автоматизированный перевод может быть реализован системами Stylus, Promt, Socrat.

В обеспечении комплексного создания документов в настоящее время существуют направления:

1. Применение интегрированных программных систем, обеспечивающих в рамках одной системы создание текста, таблиц, графиков (Framework, Works).

2. Использование комплексов взаимосвязанных программ в рамках од- ной операционной оболочки. Например, MS Office включает самостоятельные ПС Word, Excel и др., но имеющие механизм эффективного обмена данными.

3. Гиперсреды и мультимедийные системы.

 

ОБМЕН ДАННЫМИ В MC OFFICE

Для реализации способов обмена данными в MS Office используются следующие средства:

• буфер обмена Windows;

• динамический обмен данными - DDE;

• технология связи и внедрения объектов - OLE;

• технология связи в офисе (OfficeLinks);

• замена формата файлов.

Использование буфера обмена Windows для копирования и перемещения фрагментов документов между приложениями аналогично действию этих операций в пределах одного документа и отличается необходимостью перехода в соответствующее открытое приложение. Здесь используются команды: Вырезать, Копировать, Вставить. Содержание буфера просматривается и ограниченно редактируется из программы Windows - Буфер Обмена. Необходимо помнить, что в нем находится только последний фрагмент информации, вырезанный или скопированный.

Связь типа DDE позволяет установить постоянную связь между двумя открытыми WS-приложениями через буфер обмена.

Порядок выполнения работ здесь следующий: запускаются обе про- граммы, выделяются необходимые фрагменты документов, выполняется команда Копировать, в документе-приемнике указывается место вставки и вызывается команда Правка/Специальная вставка. В диалоговом окне данного режима выполняются необходимые процедуры.

Способ связывания при этом реализуется включением кнопки Вставить связь, а способ внедрения - кнопкой Вставить. Здесь следует учитывать, что невозможно установить связь с файлом, еще не записанным на диск.

Вставляемый в документ-приемник фрагмент может быть изображен полностью или в виде значка при установке соответствующего флажка в диалоговом окне.

Технология OLE позволяет использовать вставку объекта непосредственно из документа-источника, что может быть удобно для установления связи с неактивным приложением.

Внедрение объекта этим способом выполняется в следующей последовательности: указывается место вставки объекта, активизируется пункт Вставка/Объект, в диалоговом окне которого используется вкладка Создать из файла с указанием необходимого файла. Способ связывание или внедрение реализуется флажком - Связать с файлом.

С помощью вкладки Создать новый пункта Вставка/Объект можно вставить в документ объект в виде фрагмента, в том числе из вспомогательных программ (например, из WordArt, ClipArt и т.п.).

Управление связями объектов DDE или OLE выполняется из диалогового окна Правка/Связи.

Изменения в перенесенном фрагменте выполняются средствами про- граммы-сервера, которая активизируется двойным щелчком левой кнопки мыши по данному объекту (выход - щелчок вне фрагмента).

Изменения можно выполнять и в документе-источнике, после сохране- ния которого (при наличии связи) они автоматически попадают в документ- приемник.

Внедрение объектов может быть выполнено из открытых рядом документов перемещением (выделение и буксирование мышью) или копированием (выделение и буксирование мышью с нажатием клавиши Ctrl).

Технология OfficeLinks основана на программных возможностях совместного использования приложений в MS Office. В частности это относится к:

• Созданию таблицы средствами Excel непосредственно в Word. Здесь используется кнопка ИП - Вставка таблицы Excel;

• Внедрению объектов с помощью пункта Вставка (Файл, Рисунок, Объект).

Замена формата файлов для совместного использования данных может выполняться как при использовании файлов приложений MS Office, так и файлов других программ.

При загрузке преобразование производится через пункт Файл/Открыть и диалоговое окно Преобразовать файл.

При сохранении используется пункт Файл/Сохранить как.../Вывести в формате, где указывается формат документа-приемника.

Таким образом, комплексная работа приложений обеспечивает в рамках одной среды создание полноценных документов.