ЭВМ и наука

ЭВМ И НАУКА

ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ И РАЗРАБОТКАХ

КАРЛ ХАММЕР

Возможности, которыми обладают современные ЭВМ, выходят за пределы воображения даже специалистов. Объем работы, выполняемой сейчас в США при помощи около 100 тыс. ЭВМ, вручную в реальные сроки выполнен быть не может: для этого потребовалось бы около 400 млрд. человек, что в 100 раз больше населения Земли. В современном мире с его громадными информационными потоками обработка информации (в самом широком смысле этого слова) стала обязательным условием существования и прогресса общества.

Когда Колумб высадился в Новом Свете в 1492 г., он не знал, где оказался. Только через много лет мир узнал о его отважном путешествии, и спустя десятки лет человечество осознало важность сделанного им открытия. Когда Армстронг в 1969 г. ступил на поверхность Луны, он точно знал, куда попал, так как полет происходил по строго определенному маршруту, а весь мир наблюдал за ним в реальном времени. Менее чем за 500 лет человечество прошло путь от примитивных форм обмена информацией к высокому уровню совершенства, который был достигнут с помощью 200 ЭВМ, используемых в программе «Аполлон».

ЭВМ в научных исследованиях стали одним из самых эффективных орудий человека. Они находят применение в гуманитарных науках, в управлении большими системами и даже в управлении самими общественными процессами. Сталкиваясь со все более сложными задачами, руководители государств и промышленности придают все большее значение созданию крупных банков данных и сложных математических моделей.

Управление при помощи ЭВМ

В США управление при помощи ЭВМ уже получило достаточно широкое распространение в таких отраслях промышленности, как химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная, металлургическая, а также на предприятиях по переработке отходов и очистке воды. Например, в технологическом процессе, обычно используемом для производства бумаги, водная смесь целлюлозных волокон поступает через распределитель на движущуюся проволочную сетку. По мере того как вода стекает через отверстия сетки, часть целлюлозы задерживается в виде слоя, который затем становится листом бумаги. Сетка с таким слоем пропускается через сифонные камеры, которые удаляют влагу, после чего слой снимается с сетки и пропускается между валками бумагоделательной машины. Затем он поступает в сушильное отделение для выпаривания остаточной влаги.

Бумагоделательная машина представляет собой хороший пример для исследовательского моделирования взаимосвязей между различными физическими процессами. Однако не все эти взаимосвязи достаточно хорошо изучены, и соответствующая технология в значительной степени основана на эмпирическом опыте. Разработанные в настоящее время более совершенные модели данного технологического процесса позволяют определить зависимость между плотностью листа, содержанием влаги и другими свойствами полуфабрикатов и готовых изделий и такими входными величинами, как подача материала, скорость работы машин, давление пара в сушильном отделении и т. д. Простые статические модели позволяют получать только равновесные значения переменных; более совершенные динамические модели предоставляют и изменения этих переменных во времени.

Ввиду сложности большинства промышленных процессов для создания их эффективных моделей часто необходимо затратить много человеко-лет исследований и значительные средства на сбор данных, не говоря уже о стоимости машинного времени. Примерами экономически рационального моделирования могут служить: определение технологических параметров, которые обеспечивают максимальную экономичность процессов; разработка более совершенных систем управления для сведения к минимуму брака при выпуске изделий; создание новых или усовершенствование существующих процессов.

При разработке и построении моделей технологических процессов необходимо выполнить большой объем числовых расчетов. Сейчас, когда в нашем распоряжении имеются мощные ЭВМ, с точки зрения вычислительных возможностей практически осуществимо любое моделирование процессов. С точки зрения уровня наших знаний основным препятствием, ограничивающим моделирование, является недостаточное понимание основных механизмов технологических процессов. Для многих важных процессов попросту неизвестны количественные величины коэффициентов диффузии, скорости реакций, растворимости и т. д.

По мере развития исследований по динамическому моделированию статистические модели, используемые на нефтеперерабатывающих, химических и металлургических заводах, все в большей степени предназначаются для управления массовым производством с использованием мини-ЭВМ. Эти машины стоят сравнительно недорого, и для них сейчас разрабатываются стандартные наборы программ. Исполнительная программа, параметры каждого изделия и стандартные подпрограммы обычно записываются во внутренней памяти. Программы управления различными технологическими процессами часто записываются в накопитель на магнитной ленте и в случае необходимости вводятся в машину программой-загрузчиком. Такие системы также обеспечивают печатание результатов, обнаружение ошибок, контроль окончания технологической операции и прямое цифровое управление. Это управление обычно реализуется путем разделения исполнительной программы на равные по времени подциклы. Многие специалисты в области электронно-вычислительной техники и ее математического обеспечения считают, что микропрограммы позволяют получить более универсальные машинные языки, расширить наборы команд и снять с пользователя громадную работу по программированию, которую ему довольно часто приходится выполнять.

В последнее время в США электронные системы начали также применяться для управления штучным производством. При использовании их в качестве устройств регистрации и контроля работы оборудования руководящий персонал получает оперативные данные для немедленного анализа.

Когда ЭВМ управляет технологическим объектом, основными видами выходной информации являются решения, инициирующие определенные операции над объектом, например запуск двигателей, включение клапанов или перемещение определенных деталей. По сравнению с системами обработки данных вычислительные машины, служащие для управления технологическими объектами, меньше по размерам: здесь часто достаточно использование мини-ЭВМ. Мини-машины соединяются с управляемыми объектами при помощи устройств связи с объектами. Эти устройства часто выполняют все операции аппаратурно при полном управлении ЭВМ. В последнее время они конструируются целиком на полупроводниковых элементах (больших интегральных схемах).

При управлении автоматизированной установкой ЭВМ выполняет следующие функции: управление установкой, контроль за ее работой, обнаружение и диагностика неисправностей, сопоставление заданных и фактических рабочих характеристик процесса, выявление неисправностей в работе оборудования.

С появлением мини-ЭВМ, способных взаимодействовать с крупной универсальной системой, была разработана и реализована концепция информационно-управляющего центра предприятия. В настоящее время такие центры выполняют следующие функции: расчет операционных графиков и их коррекцию в реальном времени в зависимости от наличия оборудования и материалов; управление потоками изделий и запасами, сборкой, складированием, погрузочно-разгрузочными работами и отгрузкой готовой продукции; управление технологическими процессами, включая контроль за качеством продукции, выявление производственных дефектов и контроль за исправностью оборудования.

За последнее время важный аспект производства оказался связанным с ответственностью изготовителя за качество как всего изделия, так и его отдельных компонентов, не ограничиваемой условиями гарантии. Поэтому для каждого изделия и узла, проходящего через технологический цикл, на предприятии ведется полная документация, что облегчает изъятие изделий и узлов в случае обнаружения в них дефектов, а также контроль за качеством готового изделия при его работе. Документация ведется по всем деталям для получения полной контрольно-учетной информации по всему циклу изготовления изделий. Исходным компонентам присваиваются порядковые номера, по которым они могут контролироваться в любом подразделении предприятия даже после того, как детали и узлы использованы для изготовления конечных изделий, имеющих серийный номер.

Документация по управлению производством может использоваться для сравнения производительности нескольких одинаковых технологических установок, для сопоставления качества изделий на различных технологических линиях многофазного процесса и для сравнительной оценки машинных и ручных операций и их роли в общем цикле производства.

Информационно-управляющий центр на промышленном предприятии, как правило, является системой с разделением времени. Концентраторы данных подают информацию в центр с частотой, определяемой алгоритмом системы. Эти устройства установлены во всех подразделениях предприятия и соединены каналами передачи данных с центром. Если какая-либо установка выходит из строя, то такая система способствует оперативному устранению неисправности. Она обеспечивает также периодический или выборочный контроль целесообразности затрат сверхурочного времени. Система может контролировать (ежедневно, еженедельно или по специальной команде) общий режим работы оборудования. Такой комплексный системный подход обеспечивает повышение производительности, улучшение качества продукции, уменьшение брака и более рациональное управление, т. е. повышение общей эффективности всего производства. Кроме того, он позволяет четко выявить взаимосвязи между человеком и машиной и тем самым приводит к повышению производительности труда рабочих и их удовлетворенности работой.

С 50-х годов начала развиваться машинная графика. В 60-х годах она получила достаточно широкое распространение, что в значительной степени объясняется поддержкой со стороны областей промышленности, обеспечивающих космические исследования и разработки. Сейчас в практическом проектировании машинная графика применяется в основном для анализа и конструирования.

Ниже приводится ряд примеров применения машинной графики в системах с разделением времени.

1. Моделирование полетных характеристик самолета. Непрерывные процессы моделируются на цифровой ЭВМ; входные и выходные переменные воспроизводятся на визуальном устройстве воспроизведения - дисплее. При использовании языка СIMP могут моделироваться как статические, так и динамические процессы. Например, на экране дисплея могут наблюдаться следующие режимы: балансировка, скольжение на крыло, полет против ветра, пробежка и взлеты для различных конструкций самолетов. На дисплее может воспроизводиться воздействие на самолет систем, работа которых основана на трении, сжатии, упругой деформации.

2. Анализ структуры корпуса самолета. Разработаны методы моделирования, основанные на двумерном представлении элементов конструкции. Ведется работа по применению этих методов для исследования трехмерных конфигураций, элементов с изменяющейся геометрией при воздействии переменных внешних нагрузок и при анизотропных характеристиках отдельных элементов.

3. Пересекающиеся балки. Одна из типовых программ позволяет получить математическое описание структурной модели, состоящей из двух наборов параллельных балок, пересекающихся под прямым углом. Модель позволяет вычислять результирующие изгибающие моменты и деформации в точках пересечения при приложении к ним сосредоточенной нагрузки.

4. Система машинной графики и конструирования. Обеспечивает конструирование, построение и графическое представление изделия, а также цифровое управление его изготовлением. По своему существу эта система является «чертежным» устройством, работающим на базе аппарата начертательной геометрии. Из отрезков прямых, окружностей, эллипсов и т. д. строятся сложные фигуры. Конструкторские схемы быстро преобразуются в технические чертежи. Система может совмещать различные виды и проекции изделий, выполнять компоновку и деталировку.

Основной задачей при разработке систем машинной графики было создание устройства, ориентированного на потребности пользователя. Воспроизводимое изображение и операции, которые необходимо над ним произвести, должны быть в принципе известны пользователю. Если он конструктор и использует экран как чертежную доску, то методы построения на экране не должны существенно отличаться от методов построения на чертежной доске. С помощью крупных систем с разделением времени такой разработчик может обеспечить высокую точность и технологичность конструирования.

О применении вычислительной техники в клинической медицине

За 25 лет после создания транзистора цифровые ЭВМ были значительно усовершенствованы, уменьшились их габариты, возросли скорости и вычислительные мощности. За тот же период клиническая медицина также шагнула далеко вперед. Так, например, операции на сердце стали обычным хирургическим вмешательством, профилактическая медицина и массовые обследования получают все более широкое распространение, а диагностические тесты, такие, например, как ЭКГ или химический анализ крови, производятся в массовом порядке. Это только пример достижений медицинской науки. Одним из результатов такого прогресса явилось значительное увеличение количества информации, которую врачи должны собирать, сортировать, анализировать, классифицировать, а затем практически использовать. Ввиду этого медики обратились к специалистам по вычислительной математике и технике за помощью в решении проблем, связанных со всевозрастающим потоком медицинской информации. В течение прошедших 20 лет эти две категории ученых тесно сотрудничали в области медико-вычислительных задач.

Применение ЭВМ в медицинских исследованиях показало, что роль ЭВМ не ограничивается традиционными функциями хранения и выборки информации. Вычислительные системы могут помочь медицинскому персоналу в выполнении многих повторяющихся и четко определенных видов анализа, используемых в клинической медицине. Эффективность ЭВМ в этой области обусловлена большой скоростью обработки информации, а также однородностью и точностью собираемых данных. Вычислительные системы могут уменьшить регистраторские функции, выполняемые врачами, средним медицинским персоналом и техническими специалистами здравоохранения. Они также могут способствовать повышению общего уровня охраны здоровья, что подтверждается ростом числа пациентов, которые обслуживаются такими системами. Остановимся на некоторых областях применения ЭВМ в медицине.