Для чего используются компьютеры в научных исследованиях

Обновлено: 07.07.2024

В любой области деятельности человека технология - это совокупность знаний о способах и средствах проведения производственных процессов, под которыми следует обобщенно понимать выполняемую работу.

В производственных процессах важнейшим ресурсом является информация, как один из основных факторов повышения их эффективности. В этой связи под термином информационная технология понимают современные виды информационного обслуживания, основанные на использовании средств вычислительной техники (СВТ), связи, множительных средств и оргтехники.

Компьютерные технологии являются частью информационных и обеспечивают сбор, обработку, хранение и передачу информации с помощью ЭВМ.

Основу современных компьютерных технологий составляют 3 технологических достижения: возможность хранения информации на машинных носителях, развитие средств связи и автоматизация обработки информации с помощью компьютера.

Практически компьютерные технологии реализуются применением программно-технических комплексов (ПТК), состоящих из персональных компьютеров (ПК) или рабочих станций (РС) с необходимым набором периферийных устройств, включенных в локальные и глобальные вычислительные сети и обеспеченных необходимыми программными средствами (ПС). Использование названных элементов увеличивает степень автоматизации как научных исследований, так и учебных процессов, что служит основой их совершенствования.

Компьютерные технологии повышают уровень эффективности работ в науке и образовании за счет следующих факторов:

1. Упрощение и ускорение процессов обработки, передачи, представления и хранения информации.
2. Увеличение объема полезной информации с накопителем типовых решений и обобщением опыта научных разработок.
3. Обеспечение глубины, точности и качества решаемых задач. Возможность реализации задач ранее не решаемых. Постановка исследований и получение результатов, недостижимых другими средствами.
4. Возможность анализа большого числа вариантов синтеза объектов и принятия решений.
5. Сокращение сроков разработки, трудоемкости и стоимости НИР при улучшении условий работы специалистов.

Компьютерные технологии в настоящее время используется практически во всех сферах деятельности человека.

Исходя из задач НИ и порядка их реализации, можно определить следующие основные направления рационального применения компьютерных технологий в научных исследованиях:

Наиболее эффективно, когда эти задачи реализуются в рамках автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Булатов Е. Д., Отливанчик Е. А., Отливанчик М. А., Сисакян И. Н., Суворов В. А.

Рассматриваются типы персональных компьютеров, их программное обеспечение, приводятся результаты сравнения производительности персональных компьютеров и распространенных мини- и микрокомпьютеров на программах, работающих с целыми числами и числами с плавающей точкой. Проводится оценка возможности применения всех классов персональных компьютеров в автоматизации научных исследований и основные направления их использования для задач сбора данных и обработки результатов.

Текст научной работы на тему «Персональные компьютеры в автоматизации научных исследований»

Е.Д. Булатов, Е.А. Отливанчик, М.А. Отливанчик, И.Н. Си сак ян, В.А. Суворов

ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ В АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Персональные компьютеры (ПК) появились уже почти десять лет назад и яа это яремя преярати-лись из средства развлечения (как приемника телевизионных игр) в мощное и наиболее массовое средство вычислительной техники (ВТ). Они вызвали появление феномена персональных вычислений и за-

ставили пересмотреть основные направления и перспективы развития ВТ и ее применения во всех областях деятельности человека. В настоящее время ПК существенно потеснили большие и мини-компьюте-ры на мировых рынках ВТ в стоимостном отношении, а в количественном отношении ежегодный вы-

пуск Г1К уже превысил выпуск всех остальных ви-дов автономной ВТ и составляет около 10 млн. шт.

Несмотря на то, что феномену ПК посвящен ряд публикаций , необходимо еще раз кратко оста-новиться на основных характеристиках ПК, их программном обеспечении и возможностях применения в научных исследованиях. Необходимость этого обусловлена как большим интересом, проявляемым общественностью к ПК, так и отсутствием у большинства специалистов опыта работы с этим видом вычислительной техники, что связано с малой его распространенностью в СССР.

ПК характеризуются, в первую очередь, малыми размерами, относительно низкой стоимостью и большими объемами выпуска, что обеспечивает возможность наличия такого компьютера в личном распоряжении каждого заинтересованного в этом человека и делает компьютер персональным. Необходимо отметить, что эти факторы взаимосвязаны: достаточно дешевым компьютер может быть только при больших объемах выпуска. Другим важным свойством ПК является простота обращения и общения с ним. Это дает возможность эффективно использовать его неквалифицированному в области программирования пользователю, каковым является массовый потребитель ВТ, и миновать наиболее сложную часть процесса автоматизации - формализацию профессиональных знаний. Простота обращения обеспечивается очень высокой надежностью аппаратуры и доступностью для пользователя программного обеспечения ПК, как прикладного, так и системного. Простота общения с ПК требует обязательного наличия встроенной интерактивной графики и использования звуковых эффектов, а в перспективе—и речевого ввода-вывода.

В настоящее время за рубежом выпускается огромное количество моделей ПК. Их можно разделить на три основные категории по стоимости и производительности.

Третья категория — это компьютеры со стоимостью более 5000 долл., называемые профессиональными. Они строятся на 16-и 32-разрядных микропроцессорах, имеют еще ббльшие объемы оперативной памяти (ОП) и обширную периферию. Эти ПК также имеют открытую структуру. Характерным представителем таких ПК является IBM-PC.

Границы этого разделения не четкие; так, среди домашних ПК есть и 16-разрядный Sinclar QL, а в других категориях выпускаются системы, являющиеся обычно упрощенными или переносными вариантами стандартных систем (Apple IIc.IBM PC/JR, DG/ONE).

В последних двух категориях ПК имеются лидеры, отличающиеся наибольшими объемами выпуска и разработанного для них программного обеспечения. Так как программное обеспечение сейчас является определяющим в производстве компьютеров, то большую роль играет программная совместимость ПК с лидерами. Так, многие фирмы выпускают компьютеры или программно совместимые с IBM PC и Apple II, или предусматривают специальный режим совместимости с ними.

Поскольку разнообразие и общее количество ПК очень велико и продолжает стремительно расти, не удивительно, что их программное обеспечение также чрезвычайно богато и разнообразно. Иногда это приводит к довольно неожиданным результа-

там: вместо того чтобы активно использовать в своей деятельности этот запас, пользователь-новичок пугается изобилия программ и замыкается на использовании минимального количества языков (обычно это BASIC) и традиционных методов программирования, принятых на доперсональных компьютерах. Сделанная здесь попытка дать краткий обзор программных средств для ПК имеет цель помочь такому пользователю разобраться в том, что ему может быть полезно.

Имеется также ряд операционных систем, похожих или совместимых с СР/М, например CDOS, I/OS. ТР/М и т. д.

С появлением 16-разрядных ПК на микропроцессорах Intcl-8086/88 почти одновременно появились операционные системы СР/М-86 и MS-DOS. Обе эти ОС являются развитием СР/М, хотя и не совместимы между собой. В настоящее время на компьютерах. совместимых с IBM PC, как правило, используется MS-DOS, а на других компьютерах на процес сорах Intel-8086/88—СР/М-86 особенно ее более поздняя версия Concurrent СР/М. допускающая мультипрограммную работу. Весьма интересным является дальнейшее развитие линии СР/М-86 - операционная система Concurrent PC-DOS для компьютеров IBM PC и совместимых с ними. Эта операционная система допускает параллельное выполнение до четырех программ, нормально работающих под СР/М-86 и MS-DOS. и совместима с обеими системами по формату записи на диск. Для ПК на основе микропроцессора Motorola-68000 существует операционная система СР/М-68К из семейства ОС СР/М.

Для 16-разрядных ПК существует еще одно семейство совместимых между собой, но несовме-

стимых с предыдущими операционных систем - ОС типа UNIX. Эта ОС первоначально использовалась в вычислительных системах коллективного пользования на мини-компьютерах, а затем была перенесена и на персональные компьютеры. Традиционно ОС этого семейства используются на микропроцессорах Motorola-68000 и National Semiconductor-16000, а также на некоторых других аппаратно-несовмести-мых системах. Имеются и операционные системы этого семейства для IBM PC: PC-IX, VENIX, XFNIX и некоторые другие, но они менее распространены, чем предыдущие.

Однако главной отличительной чертой программного обеспечения ПК является наличие большого количества программ и пакетов программ, ориентированных на пользователя-непрограммиста и, следовательно, весьма простых в обращении и не требующих умения программировать (то есть дружественных пользователю). Именно эти программы позволяют ПК выполнить свою основную функцию - разгрузить человека от повседневной рутинной работы. Как правило, такие программы работают в понятиях, знакомых человеку из его повседневной жизни, что и позволяет использовать компьютер более эффективно, скорее на интуитивном, чем на логическом уровне. Это в корне отличает ПК от других. Такое сопоставление работы на компьютере с реальной жизнью часто называют метафорой.

класса, в том числе методами последовательных приближений. Они оказались настолько удобными, что во многом определили успех ПК. Примерами таких программ являются VisiCalc, MultiPlan, Supcr-Cale.

Весьма полезными являются также программы обработки текстов, позволяющие редактировать и форматировать тексты произвольным образом, а также проверять ошибки (например, WordStar). Широко распространены и системы управления базами данных (СУБД) реляционного типа (dBase II, dBase III, R: base 5000 и др.).

Интерес представляют также интегрированные программные пакеты, объединяющие в себе свойст-ва таблиц, текстовых процессоров, СУБД, графики и коммуникации (Syrnphony, Framework. Enable).

Интересен также класс программ, называемый Pop-Up. Такие программы постоянно находятся в верхней части памяти ПК, не мешая работе других программ. Если во время работы нажать соответствующую комбинацию клавишей, управление передается Рор-Ир-программе, и она предоставляет на выбор записную книжку, телефонный справочник с номеронабирателем (если есть модем), календарь с расписанием дел и событий, калькулятор, таблицу ASCII-кодов и т.д. Работа идет в режиме рабочего стола. По ее окончании происходит возврат в то состояние программы и экрана, в котором работа была начата. Примерами таких программ являются Sidckick, Spotlight, IIomeBase и некоторые другие.

Из всего сказанного следует, что традиционно основными областями применения ПК являются автоматизация делопроизводства, включая обработку текстов, организацию баз данных, работу с крупноформатными элек1ронными таблицами, а также обучение и развлечения. Широкое распространение ПК, такие их характеристики, как наличие встроенной интерактивной графики и большого количества готового программного обеспечения предопределили их внедрение и в области создания систем проектирования и научных исследований. Так. многими зарубежными фирмами выпушены программные пакеты для проектирования печатных плат (smART-WORK), проектирования и моделирования электронных схем (Micro Сар и Micro Logic) разработки механических элементов, обработки и создания изоб-

ражений (IMIGIT). Кроме того, выпускаются программы для сбора и обработки экспериментальных данных, выполнения таких распространенных типов обработки, как статистика и спек1ральный анализ (ASYST). Для осуществления ввода эксперимен-тальных данных в ПК и управления установками выпускаются серийно как платы АЦП. ЦАП, ввода и вывода цифровых данных, устанавливаемые в компьютер, так и отдельные системы сбора данных и управления (ISAAK). Кроме того, ПК часто используются в качестве устройств управления различны-ми сложными приборами, например спектрометрами.

В области автоматизации научных исследований персональные компьютеры конкурируют с появившимися там существенно раньше мини- и микрокомпьютерами. Современные ПК, особенно восьмиразрядные. имеют меньшие объемы оперативной и массовой памяти и меньшую производительность, чем современные мини- и микрокомпьютеры. Поэтому успех применения ПК в автоматизации научных исследований существенно зависит от правильности определения областей научной деятельности, в которых они могут быть наиболее эффективными.

Результаты измерений приведены в таблицах

Средства вычислительной техники широко применяются во всех областях науки. Их правильное применение существенно влияет на эффективность исследования, заметно изменяет организационные формы научной работы.

ЭВМ делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые. Аналоговые машины широко применяют в исследованиях. Достоинство: быстрота, наглядность, удобно исследовать влияние факторов на протекание процесса. Недостаток: малая точность, отсутствие памяти, необходимость сборки блок-схемы для решения каждой задачи. Основное применение – интегрирование нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых аналитически невозможно. Кроме того, с их помощью решают задачи оптимизации, моделирования и т.д.

Этапы решения задачи на аналоговых вычислительных машинах:

– математическая формализация условий задачи, т.е. составление системы уравнений, определение граничных и начальных условий;

– расчет масштабных коэффициентов;

– сборка и настройка блок-схемы;

– пробное решение и отладка программы;

– решение и регистрация результатов.

Более широкими возможностями по сравнению с аналоговыми машинами обладают цифровые ЭВМ. Важное их преимущество состоит в наличии специальных средств управления, позволяющих выполнять действия над числами в определенной последовательности (программы). Кроме того, они точны и универсальны. Эти машины эффективно решают разнообразные задачи, в том числе и в диалоговом режиме. В последнем случае компьютер превращается в мощный придаток человеческого мозга.

Решение задачи на ЭВМ состоит из таких основных этапов:

– математическая формализация задачи;

– разработка алгоритма (выбор метода решения);

– составление программы для конкретной ЭВМ;

– подготовка цифровых данных к вводу в машину;

С момента появления (1946 г.) первой цифровой машины, ЭВМ прошли в своем развитии сложный путь. Сменилось уже несколько поколений, каждые 10 лет на смену приходит новое, которое существенно превосходит своих предшественников. В настоящее время цифровые вычислительные машины чаще называют компьютерами. Слово компьютер означает «вычислитель». Это связано с тем, что первые машины создавались как устройства для вычислений. Современные компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.

Каждый компьютер, согласно принципам фон Неймана, содержит следующие устройства:

– арифметическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

– устройство управления, которое организует процесс выполнения программ;

– запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

– внешние устройства для ввода и вывода информации.

Сам по себе компьютер является просто ящиком с набором электронных схем. Он не обладает знаниями ни в одной из областей своего применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьютере программах. Поэтому для эффективного использования вычислительной машины необходимо знать назначение и свойства необходимых для работы с ним программ.

Программы, работающие на компьютере, можно подразделить на три категории:

– прикладные программы, непосредственно обеспечивающие выполнение необходимых пользователям работ (редактирование текстов, рисование картинок, обработку информационных массивов и т.д.);

– системные программы, выполняющие различные вспомогательные функции, например, создание копий используемой информации, проверку работоспособности устройств компьютера и т.д. Основную роль играет операционная система – программа, управляющая компьютером, запускающая все другие программы и выполняющая для них различные сервисные функции;

– инструментальные системы (системы программирования), обеспечивающие создание новых программ для компьютера.

В научных исследованиях вычислительная техника применяется очень широко. С помощью компьютера автоматизируется процесс поиска и систематизации научной информации, ЭВМ широко применяют в вычислительном эксперименте, для автоматизации физического эксперимента и обработки его результатов.

Ручной поиск научной информации с помощью каталогов в библиотеке весьма трудоемок. Истинная автоматизация поиска достигается с помощью компьютера, локальных сетей и Inter Net (Inter Net – это общемировая совокупность компьютерных сетей, связывающих между собой миллионы компьютеров). Компьютерные базы данных, кроме адресного шифра и поискового образа информации, содержат еще библиографическое описание, ссылки на литературу, а в ряде случаев и видеокопию.

При проведении вычислительного эксперимента требуется выполнять большое число математических операций, например, интегрирование, решение систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений и т.д. Вычисление интегралов и бесконечных рядов без особых трудностей можно выполнить с помощью компьютера, так как для решения этих задач имеются стандартные программы.

При проведении сложного физического эксперимента (испытание образцов пород на ниспадающей ветви диаграммы загружения, поляризационно-оптическое моделирование и т.д.), связанного с изменением большого количества параметров и необходимостью управления экспериментом, невозможно обойтись без ЭВМ. Кроме того, в математическое обеспечение компьютера входит набор программ обработки данных, планирования и управления экспериментом, сервисные программы, обеспечивающие удобство связи исследователя с системой, что позволяет экспериментатору быть активным звеном, не только наблюдать, но и вмешиваться в эксперимент, т.е. управлять им.

При выполнении студентами НИР также целесообразно использовать вычислительную технику, применение которой позволяет:

– облегчить выполнение сложных расчетов, благодаря чему студент может уделить больше внимания творческой части решаемой задачи;

– выработать у студента навыки алгоритмического мышления.

Разработка алгоритма вычисления и составление программы на ЭВМ может являться темой индивидуального или группового задания по НИРС.

Уже длительное время компьютеры помогают ученым хранить, обрабатывать и анализировать данные. Однако быстрое накопление новых знаний меняет научный мир, меняются и компьютеры-помощники. Они становятся более самостоятельными, могут не только анализировать данные, но и формулировать предположения по результатам анализа. Уже сейчас работа ученого немыслима без помощи автоматических систем, и в будущем их роль будет только возрастать.

Перспективам использования компьютеров в научных исследованиях посвящена философская научная статья Андрей Юрьевича Ржецкого, профессора медицины и генетики Университета Чикаго, и его коллеги Джеймса Эванса. Работа опубликована в разделе Perspective последнего номера Science.

Ученые рассказывают, как новое поколение компьютеров влияет на социальные и культурные аспекты научного производства, ломает языковые барьеры в общении ученых из разных стран.

Мощные компьютерные устройства в ближайшие десятилетия будут на переднем крае новых масштабных экспериментов в биомедицине, химии, физике и общественных науках.

— Как появилась эта работа?
— Статья посвящена дисциплине, которая в США называется «вычислительной биологией» (Computational Biology), а в России когда-то именовалась «математической биологией». Она фигурирует в разделе «Философия науки»: фактически мы пишем о том, к чему мы стремимся в нашей работе. Но это не абстрактные теоретизирования. Многое из того, о чем там говорится, уже реализовано разными группами, разбросанными по всему земному шару.

История такая: мы изначально написали огромную обзорную статью, с гораздо большим количеством материала, фактов, более содержательную. А потом, как водится, наше сочинение редакция немилосердно порезала, переиначила, местами переформулировала — и получилось то, что опубликовано. То есть изначально это был обзор с элементами комментария — сейчас это комментарий, но он показывает возможное направление исследований, то, к чему мы стремимся в своей работе.

— Какова, по вашему мнению, будет роль человека и роль компьютеров, роботов в научной работе будущего?
— Роль человека, конечно, останется очень большой.

Все, что сейчас возможно сделать с помощью компьютеров, примитивно по сравнению с человеческими возможностями.

Как автоматическая проверка орфографии при написании статьи: это помогает написать статью, делает работу легче, но не пишет статью за вас. Еще одна метафора – экскаватор, помогающий строить дома, но не работающий без человека.

В журнале Nature была опубликована серия статей про роботов-ученых. Такой робот планирует эксперимент, ставит его, анализирует, а на основании анализа планирует дополнительные эксперименты. Конечно, это была очень узко поставленная задача: такой робот не конкурент реальным ученым. Но это робот, который может работать по 24 часа в сутки и может служить хорошим помощником.

Сейчас в науке нельзя обойтись без автоматизированной помощи. Яркий пример – химия: на данный момент уже ни один человек не знает, сколько разных молекул описано в литературе. Ни у одного химика в голове нет полного списка соединений, которые могут быть интересны потенциально. В больших профильных компаниях есть базы данных химических соединений, но самая большая из них, насколько я знаю, включает около 40 млн соединений — и это далеко не полный список. Сейчас объем информации так велик, что любая автоматизированная помощь, даже несовершенная, была бы очень большой подмогой для думающего ученого. Компьютеры могут делать, скажем так, «грязную работу» в больших количествах. Хороший пример – современные базы данных статей. Да, они далеки от полноты, несовершенно проиндексированы, но без них мы не смогли бы уже работать.

— Нужна ли современной науке философия?
— Наука постоянно сталкивается с философскими вопросами, динамично развиваясь в современных условиях. С одной стороны, наука – это сложная методология, эксперименты, но самое главное, на мой взгляд, — правильно выбранная цель, созданная воображением. Без воображения хорошей науки не бывает, а философские вопросы, связанные с выбором цели, возникают в науке постоянно.

Сейчас меняется мир научного диалога: публикации становятся все более легко (и часто бесплатно) доступными, в том числе для автоматизированного анализа. Однако в разных отраслях науки эта система работает по-разному. Отрицательный пример – химия. Она относится к более старым наукам, была основана совершенно в другие времена, когда можно было контролировать все публикации. И сейчас химические общества пытаются сохранить эту тенденцию — они владеют всеми публикуемыми данными. Статьи доступны по платной подписке и для «частного» пользования — их массовый автоматический анализ не разрешен.

А в молекулярной биологии, сравнительно молодой дисциплине, ситуация обратная. Идет мощное идеологическое движение за то, чтобы сделать все журналы открытыми. В результате этого появились новые авторитетные журналы «открытого доступа» (open-access), где все полнотекстовые статьи размещены в открытом доступе (пример – журналы PloS Biology и PLoS Genetics). Часть журналов, которые были закрытыми, стали открытыми. Все исследования, финансируемые Национальным институтом здоровья США, по закону оказываются в открытом доступе, вне зависимости от политики журнала, в котором они выходят.

И это очень сильное движение — я бы сказал, за права человека.

Потому что возможность получать и качественно анализировать информацию очень много дает ученому.

— Как русский ученый, работающий за границей, как вы относитесь к новой правительственной программе привлечения зарубежных ученых?
— Я считаю, что это очень интересное и очень важное предложение. Я сам получил образование в Новосибирском государственном университете, защитился в Институте цитологии и генетики там же, в Новосибирске. В 1991 году в качестве постдока поехал в США и с тех пор живу здесь. Я получил свою первую профессорскую позицию в Колумбийском университете в Нью-Йорке, теперь работаю в Чикагском университете. Если была бы возможность вести исследования в России и читать лекции на родном языке, я бы сделал это. После почти двадцати лет работы за рубежом я особенно остро осознаю связь со своей культурой (и чем я ей обязан), живое общение по-русски стало роскошью.

Читайте также: