Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Методологическое, математическое и информационное обеспечение АСНИ

Читайте также:
  1. I. ПРИКЛАДНОЕ ПРОГРАМНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
  2. II. Профориентационное направление работы: обеспечение формирования и развития профессионального и жизненного самоопределения Изучение образовательных запросов
  3. II. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
  4. III. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
  5. IV Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
  6. IV. Программно-методическое обеспечение и контроль по физике
  7. IV. Учебно-материальное обеспечение
  8. NE-информационное письмо
  9. V УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРАКТИКИ
  10. V. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

Современная научно-техническая революция стала возможной благодаря тесной связи науки и техники, их взаимному влиянию и обогащению. Фундаментальные открытия в настоящее время быстро становятся основой для создания новых технических систем, машин и аппаратов. Своевременное воплощение научных идей в конкретные технические разработки, необходимое для поддержания конкурентоспособности отраслей экономики, требует выполнения все большего числа прикладных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Соответственно увеличивают затраты на проведение этих работ и число людей занятых в этой сфере деятельности. Постоянно возрастающая доля бюджетных средств затрачиваемых на проведение научных исследований и рост числа научных работников является общей тенденцией для всех экономически развитых государств. При этом приобретает актуальность и проблема повышения эффективности научных исследований, одним из направлений решения которой является широкое привлечение вычислительной техники и средств автоматизации.

При проведении научно-исследовательских работ человеку приходится иметь дело с большим потоком информации, с необходимостью одновременного измерения многочисленных иногда быстро изменяющихся параметров изучаемых процессов и явлений, поддержанием этих параметров на заданном уровне или изменением их по заданному закону, с необходимостью проведения большого объема сложной математической обработки эмпирических данных как во время проведения эксперимента, так и по его завершении. Это обусловило возникновение и все более широкое распространение в исследовательской практике автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).

Под автоматизацией научных исследований понимается создание условий для проведения комплексных (экспериментальных и теоретических) научных исследований на основе широкого использования технических средств и математических методов с максимальным привлечением вычислительной техники.

Проблему автоматизации научных исследований следует рассматривать как часть комплексной проблемы автоматизации на различных организационных уровнях.

 

Наряду с термином АСНИ находит применение термин системы автоматизации экспериментальных исследований (САЭИ). Последний термин является, очевидно, менее удачным, поскольку отражает только проблему автоматизации натурального эксперимента, между тем как значительное количество времени при выполнении исследовательской работы затрачивается также на проведение теоретических расчетов и интерпретацию результатов эксперимента.

Проведение научных исследований с применением АСНИ позволяет увеличить производительность труда исследователей, сократить сроки получения информации , результатов полной обработки и интерпретации экспериментальных данных, интенсифицировать использование дорогостоящего оборудования. Применение АСНИ позволяет существенно повысить точность и достоверность получаемых результатов. Автоматизированные системы научных исследований расширяют возможности исследователей при изучении процессов в динамическом режиме, при исследовании быстропротекающих процессов. Незаменимы АСНИ при исследовании процессов на объектах, нахождение рядом с которыми связано с риском для здоровья и жизни.

Термин АСНИ не следует понимать в буквальном смысле как систему, выполняющую вместо человека научно-исследовательскую работу.

Проведение научных исследований связано с выполнением таких работ, как изучение и обобщение исходных данных, разработка исходных гипотез и модельных представлений об изучаемом явлении, путей экспериментальной проверки этих гипотез и принятие принципиальных решений по организации эксперимента и оформления экспериментальной установки, разработка плана проведения работ, обобщение полученных результаов и их теоретическое обоснование и многих других работ творческого характера, которые не поддаются автоматизации. К основным функциям АСНИ на современном этапе их развития относят сбор, обработку и накопление информации, отображение результатов исследования и их интерпретацию, управление экспериментом и контроль за ее ходом.

Сбор измерительной информации предполагает выполнение измерений исследуемой величины, преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретную цифровую форму, устранение избыточной информации и дальнейшее преобразование сигналов для передачи по каналам связи.

Обработку информации можно подразделить на первичную (расчет величин с использованием калибровочных зависимостей для измерительных трактов) основную определяемую целями и задачами исследования

и дополнительную (выбраковка результатов, их статистический анализ и т.п.).

Накопление информации осуществляется в целях ее обработки или последующего хранения.

Отображение результатов исследования в форме графиков, таблиц, формул может быть оперативным (в процессе поступления информации) или осуществляться по завершении исследования или его этапа.

Интерпретация результатов исследования предполагает:

1) сопоставление их с результатами расчетов по соответствующей математической модели и установление степени адекватности полученных результатов исходным гипотезам

2) сопоставление с имеющимися данными и выявление новых закономерностей явления, позволяющих исследователю построить его теорию или сформулировать новые гипотезы, требующие дальнейшей проверки.

Управление ходом эксперимента возможно по заранее составленной жесткой программе или по гибкой программе корректируемой в ходе экспериментального исследования по результатам очередного опыта (например, в соответствии с тем или иным методом планирования экстремальных экспериментов).

Совокупность технических и программных средств, обеспечивающих выполнение этих функций АСНИ, носит обобщенное название информационная измерительная система (ИИС).

Конкретные разновидности ИИС в соответствии с выполняемыми функциями называются:

- измерительными системами (ИС);

-измерительно-вычислительными системами (ИВС);

-измерительно-вычислительными комплексами (ИВК);

и т. д.

При проектировании и разработке ИИС следует учитывать то, что не все этапы исследования в настоящее время могут быть автоматизированы, поэтому АСНИ будет экономически оправдана лишь тогда, когда ее использование приведет к повышению эффективности исследования в целом, а не только его отдельных автоматизированных этапов. Если на недоступные для автоматизации творческие этапы исследования затрачивается большая часть времени и средств, то даже полная автоматизация всех остальных этапов не приведет к заметному повышению эффективности исследования в целом, хотя при этом может быть ускорено и облегчено выполнение творческих этапов. И напротив, даже частичная автоматизация одного наиболее трудоемкого этапа может ощутимо повысить эффективность всего исследования.

Методологическое, математическое и информационное обеспечение АСНИ

Методологическое обеспечение САЭИ включает в себя:

- выбор пути решения поставленной задачи исследования;

- разработку соответствующих методов исследования, позволяющих извлекать необходимую информацию, проверять ее достоверность и отображать в удобной для использования форме;

- формулировку исходных гипотез и модельных представлений в целях интерпретации получаемых результатов.

Методологическое обеспечение АСНИ должно быть ориентировано на углубленное изучение явлений и процессов, повышение качества, научной значимости и информативности, получаемых результатов. Это может быть достигнуто лишь при учете в процесс разработки методологического обеспечения АСНИ всех особенностей и возможностей автоматизированного исследования. Использование традиционной методологии научного исследования не всегда позволяет выполнить эти требования и поэтому снижает эффективность применения АСНИ.

Методологическое обеспечение, реализованное в виде методик и алгоритмов обработки измерительной информации, ее интерпретации, обобщения и отображения, а также алгоритмов управления ходом эксперимента, составляет математическое обеспечение АСНИ. Выполнение требований, предъявляемых к методологическому обеспечению АСНИ, в значительной мере определяется качеством математического обеспечения. Удовлетворение этим требованиям достигается широким использованием аппарата вычислительной математики и математической статистики, привлечением усложненных математических моделей для идентификации и интерпретации экспериментальных данных, использованием тонких методов расчета процессов на основе таких моделей.

Состав математического обеспечения АСНИ зависит от задач исследования. Он может включать в себя градуированные зависимости датчиков, алгоритмы переработки первичной информации в целях определения искомых величин, методики периодического тестирования и калибровки измерительных трактов в целях поддержания точности в ходе проведения эксперимента и соответствия обеспечения точности обработки его результатов. Алгоритмы проверки достоверности полученных результатов и отбраковки ошибочных данных, алгоритмы аппроксимации опытных данных уравнениями регрессии с последующим статистическим обоснованием полученных уравнений, банк математических моделей для идентификации изучаемого явления и алгоритмы для проверки адекватности моделей; алгоритмы управления ходом эксперимента в соответствии с тем или иным планом его проведения и др. Ряд этапов математической обработки выполняется по единым алгоритмам, независимо от темы исследования. Это, например, отбраковка ошибочных результатов, аппроксимация и т.п. Другие требуют специальных алгоритмов, пригодных только для данного исследования (например, переработка исходной информации для получения искомых величин).

При обработке результатов измерений возникает необходимость в использовании табличных данных, результатов исследований полученных ране и другой справочной информации. Полученные результаты исследования обычно также регистрируются и накапливаются для последующего использования. Если все необходимые данные хранить бессистемно в форме графиков, таблиц, отчетов и т.п., то произвести автоматизированный поиск научной информации будет практически невозможно. В этой связи возникает необходимость в создании специального информационного обеспечения АСНИ. Информационные системы создаются на основе ЭВМ имеющих внешнее запоминающее устройство достаточно большой емкости и обладающих высокой скоростью поиска записанной на них информации.

Автоматизированную систему программных, языковых, технических и организационных средств, предназначенных для централизованного накопления, хранения и коллективного использования данных называют базой данных (БД). Структура базы данных не зависит от структуры программ математического обеспечения. Это позволяет использовать хранящуюся в БД информацию в любой прикладной программе, а также обеспечивает возможность расширения базы данных за счет новой информации получаемой в результате проведенного исследования или других источников. Организация обмена информацией между ее источниками, потребителями и базой данных возлагается на специальную программно-языковую систему, которую называют системой управления базой данных (СУБД). Системы управления базой данных вместе с программами создания и обслуживания баз данных входят в состав программного обеспечения больших ЭВМ.

 

 

Программное обеспечение АСНИ.

 

Под программным обеспечением АСНИ понимают совокупность программ, обеспечивающих эффективное выполнение функций возложенных на эту автоматизированную систему.

В программном обеспечении АСНИ можно также как в ЭВМ выделить две части: операционную систему и программы прикладного математического обеспечения.

Операционная система управляет выполнением машинных программ, вводом и выводом данных, обеспечивает трансляцию программ (т.е. перевод программ, написанных на языке высшего уровня на машинный язык соответствующей ЭВМ), их отладку, распределяет память ЭВМ и т.п. Кроме того в соответствии с типом и классом задействованного в АСНИ ЭВМ операционная система обеспечивает реализацию ? ее работы, отличающихся формой организации вычислительного процесса, способом обмена информацией между объектом исследования и ЭВМ, принципом организации Взаимодействия между ЭВМ и исследователем.

По форме организации различают монопольный режим работы вычислительной системы, когда ее ресурсы безраздельно используются для решения одной задачи; режим пакетной обработки, при котором программы нескольких исследований группируются в пакет, совместно вводятся в ЭВМ и выполняются последовательно с автоматическим переходом от решения одной задачи к другой; режим разделения времени при котором несколько исследователей имеющих индивидуальные устройства ввода-вывода информации, одновременно выполняют решение своих задач. В этом случае ЭВМ чередует работу различных программ в целях более рационального использования процессора оперативного запоминающего устройства. При этом когда одна из программ обращается к периферийным устройствам, другая использует процессор и ОЗУ, что сводит их простои к минимуму.

По способу обмена информацией различают режим машинного времени, при котором сбор измерительной информации и дальнейшая ее обработка на ЭВМ разнесены во времени и режим реального времени, когда ввод измерительной информации в ЭВМ и ее обработка осуществляются одновременно с ходом исследуемого процесса. Это позволяет использовать результаты вычислений для оперативного воздействия на объект исследования, а также контролировать правильность функционирования экспериментальной установки. Для современных АСНИ характерен режим реального времени.

По принципам организации взаимодействия исследователя с ЭВМ различают директивный режим, при котором после запуска программы отсутствуют возможность вмешиваться в ход ее выполнения и диалоговый режим, при котором исследователь имеет возможность внесения изменений в ход процесса на основе анализа получаемых промежуточных результатов.

Предписанный режим работы ЭВМ обеспечивается программой управления (супервизором), которая является центральной частью оперативной системой. Супервизор обеспечивает упорядоченный вызов различных модулей ОС, обеспечивающих ввод программ и исходных данных, трансляцию, редактирование, загрузку программ в ОЗУ, вывод результатов и т.п. Иногда в супервизоре выделяется блок называемый диспетчером, который определяет режим работы системы.

Операционная система, кроме всего включает в себя программы, управляющие внешними устройствами (монитор, принтер, графопостроитель, модули КАМАК и т.д.), называемые драйверами; программу-загрузчик, обеспечивающую ввод информации в ОЗУ с внешних устройств, обслуживающие программы, обеспечивающие контроль работы и периферийных устройств.

Операционная система сама по себе не обеспечивает выполнение задачи, возложенной на конкретную АСНИ. А служит только средством для эффективного функционирования этой системы. Для выполнения своего назначения АСНИ должна быть снабжена набором специальных программ, составляющих вторую часть программного обеспечения – программы прикладного математического обеспечения (ПМО). Состав этих программ определяется целями и задачами исследования. В программах ПМО реализуются методики и алгоритмы математического обеспечения АСНИ.

К разрабатываемым программам ПМО предъявляются ряд требований, основными из которых являются удобство использования, оптимальные эксплуатационные характеристики (прежде всего высокое быстродействие и минимизация потребного объема памяти), возможность использования в ЭВМ разного типа и в других АСНИ.

Существуют различные типы представления программ ПМО, в разной степени, удовлетворяющие этим требованиям.

Программы ПМО могут быть объединены библиотекой программ. Такие библиотеки удобны в том случае, когда результаты расчета по той или иной программе являются окончательными и не используются при дальнейшей обработке. Эта форма представления программ оказывается неудобной, если результаты расчетов по одной из программ являются исходными данными для расчетов по другой.

От этого недостатка свободны единые многоцелевые программ, которые представляют собой сложные программы, позволяющие проводить полную обработку информации при автоматизации различных исследований в определенной области. При выполнении конкретного исследования работают лишь отдельные фрагменты. Недостатком этих программ являются громоздкость и, связанные с ней пониженное быстродействие и нерациональное использование оперативной памяти.

Программы ПМО могут быть выполнены в виде библиотеки модулей или в форме пакета прикладных программ. В этих случаях составными частями ПМО являются программные модули, каждый из которых предназначен для решения отдельной функциональной задачи. Общая программа обработки информации автоматически составляется из модулей специальной управляющей программой.

Управляющая программа составляется пользователем для каждой конкретной задачи. Отличительной особенностью ПМО в форме пакета прикладных программ является то, что составление управляющей программы в нем максимально упрощено в результате использования специально разработанного проблемно-ориентированного языка, близкого к обычному профессиональному языку специалиста соответствующей области. Эти две последние формы представления программ ПМО обладают большой гибкостью и широко используются в АСНИ.

 


Дата добавления: 2014-12-18; просмотров: 27 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Назначение автоматизированных систем научных исследований| Земельный налог

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2021 год. (0.01 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав