книги / Автоматизация научных исследований

процесса и научные расчеты, информационный поиск, а также для автоматизации научно-организационных работ. Для каждой разно­ видности научной деятельности характерны соответствующие наборы задач автоматизации, решаемых АСНИ.

1.3.1. Задачи автоматизации экспериментальных исследований

Характерными задачами автоматизации экспериментальных ис­ следований являются:

1) сбор и регистрация экспериментальных данных (опрос датчи­ ков объекта, преобразование аналоговых сигнатов датчиков в цифро­ вую форму и ввод кодированных значений сигналов в ЭВМ для хра­ нения и дальнейшей обработки и т.п.);

2)автоматизированное (автоматическое) управление экспери­ ментами;

3)статистическая обработка выходной экспериментальной ин­ формации серии экспериментов;

4)выделение сигнала на фоне шума методами фильтрации;

5)хранение и экспресс-анализ экспериментальных данных;

6)обработка данных проведенного эксперимента;

7)обработка экспериментальных данных в реальном масштабе времени;

8)идентификация математической модели исследуемого объекта;

9)выполнение алгоритмов анализа, оценки и интерпретации вы­ ходной экспериментальной информации;

10)синтез оптимального плана эксперимента;

11)накопление данных серии экспериментов;

12)обеспечение возможности непосредственного оперативного участия исследователя в ходе эксперимента;

13)оформление и выдача выходной экспериментальной инфор­ мации в удобной для последующего использования форме;

14)выполнение алгоритма принятия решений по результатам экспериментальных исследований;

15)выполнение алгоритмов планирования экспериментов; 16) предсказание исследуемых процессов по их математическим

моделям с целью управления ими по заданному критерию качества; 17) распознавание и классификация объектов;

18)вычисление и статистический анализ функций распределения вероятностей наблюдаемых величин и их числовых характеристик;

19)нахождение по экспериментальным данным оценок парамет­ ров математических моделей исследуемых объектов;

20)графическое представление экспериментальных данных и ре­ зультатов обработки.

1.3.2. Автоматизация этапов НИ, носящих творческий характер

Можно выделить многообразные процессы, из которых состоят НИ. При этом многие этапы НИ, и часто самые важные, носят творче­ ский характер, т.е. зависят от эрудиции и таланта исследователей. Эти обстоятельства существенно затрудняют автоматизацию научных ис­ следований.

При теоретических НИ основным средством автоматизации явля­ ются ЭВМ, с помощью которых может быть полностью автоматизиро­ вано математическое моделирование. В остальных процессах теорети­ ческих НИ ЭВМ используют в основном для автоматизации расчетов.

При экспериментальных НИ автоматизации поддаются очень многие процессы.

Автоматизация НИ должна охватывать все трудоемкие нетворче­ ские процессы, максимально облегчать творческие процессы, быть высокоэффективной и экономичной.

Следует отметить, что автоматизировать можно только отдельные элементы творческого процесса. Отличительной чертой творческого процесса является его разнообразие. Математику при обдумывании новой идеи необходима помощь в аналитических преобразованиях, решении задач, образовании геометрических построений, отражаю­ щих суть математических преобразований, конструировании теорем и т.д. Физику, исследующему вещество, необходима помощь, напри­ мер, в выдвижении и проверке гипотез о его структуре и составе. Ученым разных специальностей приходится проводить эксперимент, связанный с математическим моделированием сложных процессов, объектов исследований, систем управления, и т.п.

Важной проблемой в области автоматизации элементов творче­ ского процесса в НИ является решение задач, точная постановка которых находится лишь в стадии становления. Методы и их решения

должны быть выработаны и обоснованы в процессе общения пользо­ вателя с ЭВМ в режиме диалога посредством привлечения той или иной информации, проверки различных гипотез. Основным направле­ нием решения этих задач является создание в составе АСНИ диалого­ вых человеко-машинных систем, в которых достигается генерирова­ ние алгоритма, неизвестного до начала диалога с машиной, а также изучение машинных средств решения задач определенного класса, происходящее в процессе генерирования.

Как уже говорилось выше, творческий характер многих этапов НИ существенно затрудняет автоматизацию этих НИ. Часто, но существу, необходимо автоматизировать мыслительный процесс. Тем не менее нужно отметить, что возможность автоматизации творческих процессов не исключается полностью. По сути дела, это проблема создания искус­ ственного интеллекта (ИИ). Основные направления НИ в системах ИИ, основанных на знаниях, следующие [17]:

-извлечение знаний из различных источников (формализация ка­ чественных знаний, интеграция знаний);

-приобретение знаний от профессионалов (организация работ

сэкспертами, оценка и формализация знаний, согласование знаний);

-представление знаний (модели знаний, системы представления знаний, базы знаний);

-манипулирование знаниями (пополнение знаний, классифика­ ция знаний, обобщение знаний);

-выводы на знаниях (системы правдоподобного вывода);

-рассуждения с помощью знаний;

-объяснения на знаниях.

В настоящее время построены различные системы ИИ, основан­ ные на знаниях. В частности, создаются интеллектуальные системы автоматизации НИ, основанные на знаниях. Например, разработан­ ный в научно-исследовательской работе [14] программный инстру­ ментарий послужил экспериментальной лабораторией для разработок интеллектуальных компьютерных систем в области автоматизации НИ и компьютерного обучения. На его основе отработаны и развива­ ются различные методы и средства построения интеллектуальных АСНИ [15] и обучающих систем [16]. Сам комплекс при этом также развивается и совершенствуется.

1.3.3. Задачи автоматизации при проведении

теоретических исследований

Доступность вычислительных ресурсов в связи с массовым вне­ дрением в автоматизацию НИ персональных компьютеров возросла. Следствием этого явилась возможность повседневного использования вычислительных машин для символьных преобразований математи­ ческих формул, а также для хранения нечисловых данных: графиков, формул, изображений, текстов.

Появилась возможность математического моделирования изучае­ мых процессов и явлений (машинные эксперименты) непосредствен­ но на столе исследователя.

Созданы и продолжают развиваться пакеты для символьных вы­ числений на компьютере, для имитационного моделирования физиче­ ских процессов и явлений, для статистической обработки экспери­ ментальных данных.

Все это дало мощный импульс для использования вычислительной техники в теоретических исследованиях, в деле автоматизации НИ.

Задачи автоматизации при проведении теоретических исследова­ ний включают:

-обеспечение эффективных условий для проведения теоретиче­ ских исследований (устранение рутинных операций, связанных с вы­ числениями и поиском информации, обеспечение быстрого распро­ странения получаемых результатов, эффективной связи исследовате­ лей со средствами автоматизации, моделирования и т.д.);

-выполнение алгоритмов моделирования элементов творческого процесса (поиска принятия решений, проверки гипотез, доказательст­ ва теорем и т.д.).

1.3.4.Задачи автоматизации, связанные

споиском информации

Группа задач автоматизации, связанных с информационно-поиско­ вой деятельностью, включает:

- выявление, сбор, представление, регистрацию и систематиза­ цию, анализ и обобщение требуемой информации;

-подготовку справок о состоянии разработок и решений по оп­ ределенной тематике;

-ответы на вопросы специалистов и организаций;

-выдачу соответствующей статистической информации и т.д.

1.4. Постановка и решение в АСНИ комплексных научных проблем

В настоящее время определилась тенденция постановки ком­ плексных научных проблем, предполагающих получение решений по основным этапам цикла научно-технической деятельности: проведе­ ние фундаментальных исследований, прикладных исследований, раз­ работок (производственных исследований), а также перевод результа­ тов этих решений в сферу производства и потребления. Постановка комплексных научных проблем требует организации совместного проведения таких разновидностей научной деятельности, как теоре­ тические и экспериментальные исследования, организационное управление исследованиями и информационно-поисковая деятель­ ность. С позиций системного анализа автоматизация НИ должна рас­ сматриваться как комплексная задача, включающая вопросы автома­ тизации всех стадий научной деятельности, начиная с фундаменталь­ ных исследований и заканчивая техническими приложениями. Таким образом, уже наметившаяся тенденция интеграции АСНИ в масшта­ бах отдельной научно-исследовательской организации, совокупности организаций смежного научного профиля в последующие годы, без­ условно, получит дальнейшее развитие, что будет способствовать обеспечению решения комплексных научных проблем.

1.5. Экономический эффект от автоматизации НИ

Экономический эффект от автоматизации НИ можно получить в процессе проведения НИ, при использовании их результатов (в про­ цессе создания, изготовления и эксплуатации продукции нового каче­ ства), при создании самих средств и систем автоматизации НИ.

В процессе проведения НИ факторами экономической эффектив­ ности работ по их автоматизации являются:

1)получение качественно новых результатов в данной области исследований;

2)повышение производительности труда исследователей;

3)сокращение сроков проведения НИ;

PNRPU

4)увеличение объема НИ;

5)интенсификация использования оборудования для исследований;

6)увеличение объема и повышение качества получаемой научной информации;

7)совершенствование методик проведения НИ;

8)снижение затрат материальных и энергетических ресурсов;

9)совершенствование конструкции оборудования для проведе­ ния НИ и повышение его качества (точности, надежности и т.д.);

10)возможность получения дополнительных или улучшенных технико-экономических характеристик результатов НИ;

11)сокращение числа людей, занятых в экспериментальных НИ;

12)автоматизация всех трудоемких процессов, исключающая полностью тяжелый физический труд;

13)снижение стоимости подготовки и проведения эксперимен­ тальных НИ;

14)представление результатов эксперимента в форме, обеспечи­ вающей их быстрое внедрение в производство.

При использовании результатов НИ (в процессе создания, изго­ товления и эксплуатации продукции нового качества) факторы эко­ номической эффективности работ по их автоматизации таковы:

1)совершенствование конструкции продукции (снижение ее ма­ териалоемкости, энергоемкости);

2)совершенствование технологии (в том числе снижение трудо­ емкости) изготовления продукции;

3)повышение технико-экономических характеристик продукции (рост производительности, сокращение сроков ремонта);

4)снижение эксплуатационных затрат.

Экономическая эффективность при создании средств и систем ав­ томатизации НИ достигается за счет принятия прогрессивных техни­ ческих и организационных решений (например, за счет использования технических средств с лучшими технико-экономическими показате­ лями, одновременного комплексного решения задач автоматизации НИ - экспериментов, вычислительных работ, элементов творческого процесса, проектно-конструкторских работ, научно-организационной деятельности).

В настоящее время наибольшее распространение получили АСНИ, ориентированные на автоматизацию экспериментальных ис­ следований (АСНИ-Э).

1.6.Основы построения АСНИ-Э

1.6.1.Экспериментальные исследования

Процесс научного познания человеком окружающего мира проис­ ходит в тесном взаимодействии теоретического и экспериментального (практического) познания. Предметом экспериментального исследова­ ния является реальный объект, предметом теоретического исследова­ ния - некоторая модель изучаемого объекта. Теория и эксперимент - это две стороны научной деятельности человека, основной целью ко­ торой является практика, общественное производство материальных ценностей.

В процессе научного познания эксперимент играет важную роль. На рис. 1.2 приведена общая функциональная схема системы экспе­ риментального исследования.

Экспериментальная установка

Рис. 1.2

Предметом экспериментального исследования (предметом труда) является изучаемый объект с неизвестными свойствами, технически­ ми средствами (орудиями труда) - экспериментальное оборудование, позволяющее оказывать на объект различного рода физические и хи­ мические воздействия, измерительная аппаратура, фиксирующая и регистрирующая реакцию взаимодействия изучаемого объекта

и экспериментального оборудования, устройство обработки экспери­ ментальных данных. В центре экспериментального исследования на­ ходится человек - экспериментатор, который определяет функциони­ рование всей системы экспериментального исследования.

Цель эксперимента состоит в опытном изучении неизвестных свойств объекта исследования и построении физической (описатель­ но) и математической модели объекта. При выборе структуры мате­ матической модели объекта в качестве априорной информации ис­ пользуются имеющиеся теоретические знания или предварительные экспериментальные сведения об объекте.

Методика экспериментального исследования может включать следующие основные этапы:

-постановку задачи исследования (определение объекта и цели исследования);

-разработку методики эксперимента;

-выбор техники эксперимента;

-разработку плана эксперимента;

-составление программы проведения (реализации) эксперимента;

-настройку экспериментального оборудования;

-контроль работоспособности техники эксперимента;

-проведение эксперимента по заданной программе;

-сбор экспериментальных данных;

-обработку экспериментальных данных;

-интерпретацию и обсуждение результатов обработки;

-оформление отчетной документации (пояснительный текст, таблицы, графики, рисунки);

-передачу отчетной документации в научный центр;

-поиск направлений дальнейшего исследования.

Наряду с творческой работой, связанной с постановкой задачи ис­ следования, выбором методов ее решения и интерпретацией результа­ тов эксперимента экспериментатору необходимо проделать большой объем сравнительно однообразной работы по проведению экспери­ мента, сбору и обработке экспериментальных данных.

Экспериментальное исследование связано с большим количест­ вом трудоемких операций, особенно в области контроля, управления экспериментом и обработки экспериментальных данных. Повысить эффективность и качество работы экспериментатора возможно лишь

путем автоматизации экспериментальных исследований на базе со­ временных средств автоматизации и вычислительной техники.

Определение целесообразности автоматизации эксперимента должно проводиться с использованием определенных критериев, ко­ торые условно можно подразделить на две группы. Критерии первой группы учитывают возможности осуществления принципиально но­ вых методов исследования, традиционных исследований в режимах, недостижимых без применения средств автоматизации, увеличения информативности эксперимента за счет повышения точности измере­ ний, чувствительности аппаратуры, воспроизводимости эксперимента и его быстродействия, динамической оптимизации алгоритма иссле­ дования. Критерии второй группы основаны на учете: дополнитель­ ных затрат ресурсов на автоматизацию; повышения производительно­ сти эксперимента в результате автоматизации; объема исследований, намеченных к выполнению с применением данного метода; возмож­ ностей формализации алгоритмов эксперимента.

1.6.2. Цели автоматизации экспериментальных исследований

Можно сформулировать основные цели создания АСНИ-Э:

-обеспечение высоких темпов научно-технического прогресса;

-повышение эффективности и качества НИ на основе получения

иуточнения с помощью ЭВМ более полных моделей исследуемых объектов, явлений или процессов, а также применения этих моделей для проектирования, прогнозирования и управления;

-повышение эффективности разработок объектов исследований

иуменьшение затрат на их создание;

-получение качественно новых научных результатов, достижение которых принципиально невозможно без использования АСНИ-Э;

-сокращение сроков и уменьшение трудоемкости НИ и ком­ плексных испытаний образцов новой техники.

1.6.3. Назначение АСНИ-Э

АСНИ-Э представляют собой человеко-машинную систему, кото­ рая в общем случае решает следующие основные задачи:

-планирование эксперимента;

-реализация (проведение) эксперимента;