Пакеты программ для компьютерной обработки результатов научных исследований

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования 

«Калининградский  государственный технический университет»

Кафедра систем управления и вычислительной техники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

«Пакеты программ для компьютерной обработки результатов научных исследований»

 

 

 

 

 

Работу  принял:       Работу выполнил:

_________________________     ст. гр._ВИЭ-1_______

(ученая  степень, звание преподавателя)      (номер учебной группы)

_____________________________________     _Абросимова А. С  

(Ф.И.О. преподавателя)       (Ф.И.О. студента)

_____________________________________

(оценка)         

Подпись:__________________     Подпись:_____________

Дата:_____________________     Дата:_________________

 

 

 

Калининград

2013 г.

Содержание:

 

1. Базы данных научной  информации………………………………….3
2. Пакеты моделирования динамических систем……………………..5
3. Пакеты визуального моделирования………………………………...8
4. Существующие подходы к визуальному моделированию сложных динамических систем…………………………………………………10
5. Универсальные пакеты для научных исследований………………14
6. Список используемых источников………………………………….17
7. Приложение…………………………………………………………..18

 

 

 

 

1. Базы данных научной информации

 

Общей особенностью развития человечества в 20 веке является существенное ускорение научно-технического процесса. На протяжении жизни одного поколения происходит полная замена технических устройств (устройств связи, передвижения, записи и воспроизведения информации, и другой техники и т.д. и т.п.), а также меняются технологии их производства. Одним из моментов, дающий возможность новой научно-технической революции, является значительное ускорение обмена новыми научно-техническими идеями. Система международных научных общественных организаций, многочисленные научные издания и конференции, стажировки, обучение новых молодых специалистов - все это способствует быстрому и простому обмену актуальной информацией, плодотворными новыми идеями и, в конечном счете, ускоряет научно-технический прогресс. Однако последнее десятилетие 20 века предоставляет новые возможности в этой области, позволяющие говорить о появлении новых информационных технологий научного творчества. Эти возможности связаны с использованием неисчерпаемых информационных ресурсов глобальной компьютерной сети Интернет.

Большое значение имеет задача обеспечения научных  исследований удобной для восприятия информацией о важнейших научных  достижениях, полученных в прошлом. Таким образом, задача развития общегосударственной  системы сбора, обработки, хранения, эффективного поиска и передачи информации, основанной на использовании самых  современных методов и средств (в первую очередь вычислительной техники), является чрезвычайно актуальной. Методы информатики успешно применяются  для создания эффективных информационных систем и составляют основу для автоматизации  научных исследований, проектирования, различных производственных процессов. Сейчас почти любая интеллектуальная деятельность без применения электронных технологий является практически немыслимой, так как для ознакомления с актуальной научной, технической и коммерческой информацией необходима современная система информационного обеспечения. Университеты, научно-исследовательские организации, научные ассоциации и общества охотно выставляют свои материалы в Интернет (как на платной, так и на бесплатной основе). Начиная примерно с середины прошлого века, в создаваемые на Западе электронные БД включаются публикации практически из всех наиболее заметных научных периодических изданий, научно-технических отчетов о проводимых научных исследованиях, диссертации, патенты и другие виды научно-технической документации.

Естественно, любой ученый, аспирант или студент  теоретически может воспользоваться  таким ресурсом для своих профессиональных целей. И тут возникает несколько  проблем. Первая из них - как найти  необходимые источники, вторая - платность  больших массивов особо ценной научно-технической  информации (особенно это важно, если исследователь заинтересован в  ретроспективной глубине публикаций). Актуальна также проблема определения  реальной научной ценности бесплатной, легко доступной информации - насколько  ей можно доверять в научном плане, при использовании в качестве учебного материала или источника  для ссылки при написании научного труда? Ведь каждый может выставить  в Интернет любую информацию, не неся абсолютно никакой ответственности  за ее достоверность.

Но не все  так безнадежно, так как существует достаточно большое количество сетевых  ресурсов, на которые можно ссылаться, цитировать в научных трудах, использовать для учебной или профессиональной деятельности. Достоверность представляемых Интернет-ресурсов можно определить также с помощью ряда серьезных  специализированных сайтов по вопросам информационного обеспечения, где  публикуются списки ссылок или некие  таблицы достоверности.

2. Пакеты моделирования динамических систем

 

Имитационное  моделирование — это метод, позволяющий  строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в  действительности. Такую модель можно использовать во времени как для одного испытания, так и для других. И по этим данным можно получить достаточно верную статистику.

Имитационное моделирование — это способ исследования, при котором изучаемая система заменяется моделью с достаточной точностью описывающей настоящую систему и с ней проводятся опыты и эксперименты с целью получения информации о ней. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация — это постижение сути явления).

Имитационная  модель это также логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.

К имитационному  моделированию прибегают, когда:

• Большие затраты для экспериментов на реальном объекте;
• Нет возможности сделать аналитическую модель: в системе есть время, причинные связи, последствие, нелинейности, стохастические (случайные) переменные;
• нужно сымитировать поведение системы во времени.

Цель такого моделирования состоит в воспроизведении поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами или другими словами — разработке симулятора (англ. simulation modeling) исследуемой предметной области для проведения различных экспериментов.

Имитационное  моделирование позволяет имитировать  поведение системы во времени. Причём плюсом является то, что временем в  модели можно управлять: замедлять или ускорять для моделирования разных систем. Можно имитировать поведение тех объектов, реальные эксперименты с которыми дорогостоящи, опасны или невозможны.

Имитация, как  метод решения нетривиальных  задач, получила начальное развитие в связи с созданием ЭВМ  в 1950х — 1960х годах.

Можно выделить две разновидности имитации:

• Метод Монте-Карло (метод статистических испытаний);
• Метод имитационного моделирования (статистическое моделирование).¹

3. Пакеты визуального моделирования

 

Сложность изучаемых  нами проектируемых систем приводит к необходимости создания специальной, качественно новой техники исследования, использующей аппарат имитации – воспроизведения на ЭВМ специально организованными системами математических моделей функционирования проектируемого или изучаемого комплекса.

Это было трудно выполнимым требованием до появления в современном мире персонального компьютера с графическим дисплеем (для нашей страны это в большинстве случаев Intel-персональный компьютер с ОС Windows) и появления специального ПО - пакетов визуального моделирования. Системы автоматизации моделирования, разработанные в 60-70-е годы (Simula, SLAM, НЕДИС и другие), были еще слишком сложны для большего круга пользователя, прежде всего из-за сложности формы описания модели и отсутствия программных реализаций эффективных численных методов (в 70-е годы был единственный пакет GEAR, все современные численные пакеты датируются 80 годами).

Пакеты же визуального моделирования позволяют  пользователю вводить описание моделируемой системы в естественной для прикладной области и преимущественно графической форме (например,нарисовать функциональную схему, разместить в ней блоки и соединять их линиями-связями), а также представить результаты моделирования в удобной наглядной форме, например, в виде диаграмм или анимаций.

Одним из основных достоинств этих систем является то, что они позволяют пользователю не заботится о программной реализации модели, как о последовательности исполняемых операторов, и тем самым создают на компьютере некоторую чрезвычайно удобную среду для использования, в которой можно создавать виртуальные, но реалистично функционирующие системы и проводить на них эксперименты. Графическая среда становится похожей на испытательный стенд, только вместо тяжелых металлических ящиков, кабелей и реальных измерительных приборов, пользователь имеет дело с их образами на экране монитора. С помощью мыши с образами можно проделывать различные операции. Их можно перемещать, соединять и разъединят. Кроме всего этого, мы пользователи можем видеть и оценивать результаты моделирования по ходу эксперимента и, при необходимости, в него вмешиваться.

Программная реализация виртуального стенда скрыта от пользователя. Для проведения экспериментов не требуется никаких особенно глубоких знаний об устройстве компьютера, ОС или математическом обеспечении этой системы. Можно сказать, что виртуальный стенд превращает ЭВМ в невиданно точную и удобную аналоговую. Таким образом, прогресс средств автоматизации моделирования переносит нас на следующий уровень вычислительной техники.

Еще одной  немаловажной особенностью современного прикладного пакета автоматизации моделирования является использование технологии объектно-ориентированного моделирования, что позволяет намного расширить границы использования и повторного использования уже созданных и работоспособных моделей.

Успех новых  технологий резко увеличил круг пользователей визуальных пакетов моделирования, что усилило вечную проблему достоверности получаемых решений. Графическая интерфейс скрывает от пользователя сложные процедуры получения численного решения. В то же время, автоматический выбор нужного для решения конкретной задачи численного метода и настройка его параметров часто являются далеко не тривиальной задачей. В результате появляется опасность быстрых красиво оформленных, но неправильных результов.

 

 

 

4. Существующие  подходы к визуальному моделированию  сложных динамических систем

 

В настоящее  время существует большое количество визуальных средств моделирования. Универсальные пакеты, дающие возможность моделирования структурно-сложных гибридных систем.

условно делятся на три группы:

• пакеты "блочного моделирования";
• пакеты "физического моделирования";
• пакеты, ориентированные на схему гибридного автомата.

Это деление  является условным так как все эти пакеты имеют много общего: позволяют строить многоуровневые иерархические функциональные схемы, поддерживают в той или иной степени технологию ООМ, предоставляют сходные возможности визуализации и анимации. А их отличия обусловлены тем, какой из аспектов сложной динамической системы сочтен наиболее важным.

Пакеты "блочного моделирования" ориентированы на графический язык иерархических  блок схем. Элементарные блоки являются либо предопределенными, либо могут конструироваться с помощью специального вспомогательного языка более низкого уровня. Новый блок можно собрать из имеющихся блоков с использованием ориентированных связей и параметрической настройки. В число предопределенных элементарных блоков входят чисто непрерывные, чисто дискретные и гибридные блоки.

К плюсам этого  подхода нужно отнести, следующее, простоту создания не сложных моделей даже не опытным пользователем. Другим достоинством является эффективность реализации элементарных блоков и простота построения эквивалентной системы. В то же время при создании сложных моделей приходится строить довольно громоздкие многоуровневые блок-схемы, не отражающие естественной структуры моделируемой системы. Иными словами, этот подход работает хорошо, когда есть подходящие стандартные блоки. Наиболее известными представителями пакетами "блочного моделирования" являются:

- подсистема SIMULINK пакета MATLAB (MathWorks, Inc.; http://www.mathworks.com);

- EASY5 (Boeing)

- подсистема SystemBuild пакета MATRIXX (Integrated Systems, Inc. );

- VisSim (Visual Solution; http://www.vissim.com).

Пакеты "физического  моделирования" позволяют использовать не ориентированные и потоковые связи. Пользователь имеет возможность сам определять новые классы блоков. Непрерывная составляющая поведения элементарного блока задается системой алгебро-дифференциальных уравнений и формул. Дискретная составляющая задается описанием дискретных событий, при возникновении которых могут выполняться мгновенные присваивания переменным новых значений. Дискретные события могут распространяться по специальным связям. Изменение структуры уравнений возможно только косвенно через коэффициенты в правых частях.