Автоматизированные системы научных исследований

Автоматизи́рованные систе́мы нау́чных иссле́дований (АСНИ) — класс программного (программно-аппаратного) обеспечения на базе средств вычислительной техники, предназначенный для проведения научных исследований или комплексных испытаний образцов новой техники на основе получения и использования моделей исследуемых объектов, явлений и процессов.

Программно-аппаратный комплекс АСНИ состоит из средств методического, программного, технического, информационного и организационно-правового обеспечения.

Взаимодействие исследуемого объекта, явления или процесса с АСНИ осуществляется через аппаратуру сопряжения, входящую в состав программно-аппаратного комплекса.

Взаимодействие подразделений научно-исследовательской организации или предприятия с АСНИ регламентируется средствами организационно-правового обеспечения системы.

Назначение АСНИ

Повышение эффективности фундаментальных и прикладных научных исследований становится важным фактором ускорения научно-технического прогресса. Особое значение для повышения эффективности науки приобретает автоматизация научных исследований, позволяющая получать более точные и полные модели исследуемых объектов и явлений, ускорять ход научных исследований и снижать их трудоемкость, изучать сложные объекты и процессы, исследование которых традиционными методами затруднительно или невозможно. Применение автоматизированных систем научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники (АСНИ) наиболее эффективно в тех современных областях науки и техники, которые имеют дело с использованием больших объёмов информации. К ним прежде всего относятся:

ядерная физика (сбор и обработка экспериментальных данных, получаемых на реакторах, ускорителях и установках термоядерного синтеза);
физика плазмы и физика твёрдого тела;
радиофизика и электроника;
астрономия и радиоастрономия;
космические исследования (обработка информации, получаемой с искусственных спутников);
геология и геофизика (разведка полезных ископаемых);
исследования Мирового океана, экологические исследования, прогнозирование погоды и стихийных бедствий;
биология и медицина (исследования в области молекулярной биологии, микробиологического синтеза, диагностики заболеваний);
химическая технология (моделирование технологических процессов, получение материалов с заданными свойствами);
исследования сложных технологических процессов в промышленности;
исследования и разработки в области энергетики (электростанции, сети электропередачи, энергетические системы);
исследования и разработки в области транспортных коммуникаций, сетей связи и сетей вычислительных машин;
натурные и стендовые испытания сложных технических объектов (летательных аппаратов, транспортных устройств, машин, сооружений);
экономика, социальные исследования, право и языкознание.

Границы АСНИ определить трудно, нередко в её рамках решаются частные задачи, присущие другим разновидностям автоматизированных систем: АСУТП, САПР, ГИС, САЕ и др. В любом случае, основной задачей АСНИ является получение новых знаний об исследуемом процессе, объекте или явлении.

Автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний образцов новой техники обеспечивают получение значительного народнохозяйственного эффекта. Этот эффект образуется от повышения производительности труда в исследовательских и испытательных подразделениях, улучшения технико-экономических характеристик разрабатываемых объектов на основе получения и использования более точных моделей этих объектов, сокращения дорогостоящих натурных испытаний, исключения некоторых стадий опытно-конструкторских работ, что в конечном счете приводит к снижению затрат на разработку объектов новой техники.

АСНИ отличаются от других типов автоматизированных систем (АСУ, АСУТП, САПР и т. д.) характером информации, получаемой на выходе системы. Прежде всего это обработанные или обобщенные экспериментальные данные, но главное — полученные на основе этих данных математические модели исследуемых объектов, явлений или процессов. Адекватность и точность таких моделей обеспечивается всем комплексом методических, программных и других средств системы. В АСНИ могут использоваться также и готовые математические модели для изучения поведения тех или иных объектов и процессов, а также для уточнения самих этих моделей. АСНИ поэтому являются системами для получения, корректировки или исследования моделей, используемых затем в других типах автоматизированных систем для управления, прогнозирования или проектирования.

Как правило, все типы АСНИ должны создаваться на базе серийных средств вычислительной техники широкого применения (процессоров, устройств памяти на магнитных лентах и дисках, печатающих устройств, дисплеев и т. п.). Однако, в АСНИ может примениться и специальная аппаратура для сопряжения ЭВМ с исследуемыми объектами. Эта аппаратура должна обеспечивать разнообразные функции предварительной обработки информации, иметь гибкую структуру и максимальную взаимозаменяемость модулей и блоков.

Поэтому создание аппаратуры сопряжения ЭВМ с объектами является одним из важнейших направлений работ, обеспечивающих эффективную разработку и развитие различных типов АСНИ. Блоки и модули аппаратуры сопряжения должны выпускаться серийно в соответствии с международными стандартами.

Функции АСНИ

Основная функция АСНИ состоит в получении результатов научных исследований (комплексных испытаний) путем автоматизированной обработки экспериментальных данных и другой информации, получения и исследования моделей объектов, явлений и процессов на основе применения математических методов, автоматизированных процедур, планирования и управления экспериментом.

Автоматизированные процедуры в АСНИ состоят в том, что исследования (испытания) объектов, явлений и процессов, получение и исследование математических моделей осуществляется путем взаимодействия пользователя с АСНИ в режиме диалога.

В АСНИ могут осуществляться автоматические процедуры, при которых обработка данных, идентификация или построение математических моделей производятся без участия человека.

В АСНИ могут применяться также процедуры планирования и управления экспериментом, при которых использование моделирования корректирует условия эксперимента, а экспериментальная информация используется для выбора математической модели из некоторого заданного множества таких моделей^[1].

Результатом функционирования АСНИ является подтверждение (отклонение) гипотез или совокупность законченных математических моделей, удовлетворяющая заданным требованиям, а также обработанные результаты исследований, наблюдений и измерений.

Функционирование АСНИ должно обеспечивать получение выходных документов, выполненных в заданной форме и содержащих результаты научных исследований или испытаний, а также рекомендации по использованию этих результатов для прогнозирования, управления или проектирования.

Структура АСНИ

Основными структурными звеньями АСНИ являются подсистемы.

Подсистемой АСНИ называется выделенная по некоторым признакам часть АСНИ, обеспечивающая выполнение определённых автоматизированных процедур исследований (испытаний) и получение соответствующих выходных документов.

Различаются объектно-ориентированные (объектные) и обслуживающие подсистемы АСНИ.

Объектная подсистема осуществляет получение и обработку экспериментальных данных с некоторого объекта.

Объектными могут быть, например, подсистемы:

обработки экспериментальных данных, получаемых со специализированных установок (ускорителей, спектрометров, испытательных стендов);
обработки данных на морских судах, системы для сейсморазведки и т. п.;
коллективного пользования для куста однородных экспериментальных установок или стендов.

Обслуживающая подсистема осуществляет функции управления и обработки информации, не зависящие от особенностей исследуемого явления, объекта или процесса.

Обслуживающими могут быть, например, подсистемы:

управления АСНИ;
диалоговых процедур;
численного анализа;
планирования и оптимизации эксперимента;
ввода, обработки и вывода графической информации;
информационно-поисковых процедур.

Подсистема АСНИ состоит из компонентов, объединённых общей для данной подсистемы процедурой.

Компонентом называется элемент средств обеспечения, выполняющий определённую функцию в подсистеме АСНИ.

Структурное единство подсистемы АСНИ обеспечивается связями между компонентами различных средств обеспечения, образующими подсистему.

Структурное объединение подсистем АСНИ в систему обеспечивается связями между компонентами, входящими в подсистемы.

Средства обеспечения АСНИ состоят из компонентов:

методического обеспечения;
программного обеспечения;
технического обеспечения;
информационного обеспечения;
организационно-правового обеспечения.

Компонентами методического обеспечения являются документы, в которых изложены полностью или со ссылкой на первоисточники: теория, методы, способы, математические модели, алгоритмы, алгоритмические специальные языки для описания объектов, терминология, нормативы, стандарты и другие данные, обеспечивающие методологию научных исследований или испытаний в подсистемах АСНИ.

Из состава методического обеспечения могут выделяться компоненты математического и лингвистического обеспечения.

Компонентами программного обеспечения являются документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы, обеспечивающие функционирование соответствующих подсистем АСНИ.

Программное обеспечение подразделяется на общесистемное и прикладное. Компонентами общесистемного программного обеспечения являются, например, операционные системы, стандартные управляющие программы на базе операционных систем, трансляторы с алгоритмических языков и языков управления, эмуляторы.

Компонентами прикладного программного обеспечения являются программы и пакеты прикладных программ, предназначенные для осуществления процедур исследований или испытаний.

Компонентами технического обеспечения являются устройства вычислительной и организационной техники, средства и устройства связи с объектом, измерительные и другие устройства или их сочетания, обеспечивающие функционирование соответствующих подсистем АСНИ.

Совокупность компонентов технического обеспечения образует комплекс технических средств АСНИ.

Компонентами информационного обеспечения являются документы, содержащие описания стандартных процедур, типовые математические модели, основные законы, формулы, константы и другие данные, а также файлы и блоки данных на машинных носителях с записью указанных документов, обеспечивающие функционирование соответствующих подсистем АСНИ.

Совокупность компонентов информационного обеспечения образует информационную базу (базу данных) АСНИ.

Компонентами организационно-правового обеспечения АСНИ являются методические и руководящие материалы, положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования, инструкции для пользователей и другие документы, обеспечивающие взаимодействие подразделений организации или предприятия при создании, эксплуатации и развитии АСНИ.

Взаимосвязь между АСНИ и САПР

Каждая из систем АСНИ и САПР имеет свою специфику и отличается поставленными целями и методами их достижения. Однако очень часто между обоими типами систем обнаруживается тесная связь, и их роднит не только то, что они реализуются на базе компьютерной техники.

Например, в процессе проектирования может потребоваться выполнение того или иного исследования, и, наоборот, в ходе научного исследования может возникнуть потребность и в конструировании нового прибора и в проектировании научного эксперимента.

Такая взаимосвязь приводит к тому, что на самом деле «чистых» АСНИ и САПР не бывает: в каждой из них можно найти общие элементы. С повышением их интеллектуальности они сближаются. В конечном счёте и те и другие должны представлять собой экспертную систему, ориентированную на решение задач конкретной области.

Примеры АСНИ

EPICS — (от англ. Experimental Physics and Industrial Control System) — Система управления для экспериментальной физики и промышленности, разработка Аргоннской национальной лаборатории, США.
TANGO — (от англ. TAco Next Generation Objects) — Свободная распределённая система управления экспериментальными установками, разрабатываемая европейским сообществом синхротронов.

Примечания

↑ Панов С. А. Классификация компонентов подсистемы автоматизированной поддержки экспериментов // Научная сессия ТУСУР–2017: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 55-летию ТУСУРа, Томск, 10–12 мая 2017 г.: в 8 частях. – Ч. 4. — Томск: В-Спектр, 2017. — С. 104—107.

Литература

Гуляев Ю. В., Журавлёв Е. Е., Олейников А. Я. Актуальное состояние работ по автоматизации научных исследований в академических институтах: Тр. XV Международного симпозиума по ядерной электронике и Международного симпозиума КАМАК-92. Варшава, 29 сентября — 2 октября 1992 г., Дубна, 1993. С. 6—21.
Федотова Д. М. Автоматизированные системы научных исследований // Международный студенческий научный вестник. — 2019. — № 6. ; URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=19841 (дата обращения: 28.05.2023).
Панов С. А. Разработка архитектуры системы поддержки автоматизированных экспериментов [Электронный ресурс] / С. А. Панов, Т. Е. Григорьева, С. К. Важенин // Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, Россия, Томск, 26-29 апреля 2016 г. / под ред. И. А. Курзиной, Г. А. Вороновой. — Томск: Изд-во — Национальный Исследовательский Томский политехнический университет, 2016. — Режим доступа: http://science-persp.tpu.ru/Arch/Proceedings_2016_vol_7.pdf - С. 102—104. Дата обращения: 28.05.2023.
Панов С. А. Дистанционные реально-виртуальные лаборатории для автоматизации лабораторных и научных экспериментов в современном техническом вузе / С. А. Панов, С. С. Алексеенко // Современное образование: повышение профессиональной компетентности преподавателей вуза — гарантия обеспечения качества образования: материалы международной научно-методической конференции, 1-2 февраля 2018 г., Россия, Томск. — Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2018. — С. 223—224.

Ссылки

[1] Панов С. А. Классификация компонентов подсистемы автоматизированной поддержки экспериментов // Научная сессия ТУСУР–2017: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 55-летию ТУСУРа, Томск, 10–12 мая 2017 г.: в 8 частях. – Ч. 4. — Томск: В-Спектр, 2017. — С. 104—107.

[1]