MODUL TEMATIC 2

Evoluţii determinate de tehnica de calcul

în structura şi desfăşurarea activităţii de cercetare

Ing. Nicolae Comănescu

1. Tehnica de calcul în cercetarea experimentală

1.1. Legătura între cercetare şi tehnica de calcul

Elementele de bază ale calculatoarelor sunt: data, logica şi limbajul.

- Data este substanţa care este procesată sau manipulată prin tehnologii informatice; datele pot fi numere, simboluri, imagini, sunete sau cuvinte.

- Logica este natura procesării, de la aritmetica de bază până la raţionamentul şi analizele extrem de complexe.

- Limbajul este mijlocul de comunicare între utilizator şi calculator.

Natura cercetării şi activitatea cercetătorilor este caracterizată de aceleaşi trei elemente de bază:

- Colectarea datelor prin măsurători ale fenomenelor fizice, experimente, calcule matematice şi din ce în ce mai mult prin calcule şi simulări pe calculator.

- Construirea structurilor logice - teorii, modele matematice, modele pe calculator, structuri care permit descrierea şi înţelegerea fenomenelor studiate.

- Comunicarea rezultatelor cercetării într-un limbaj ştiinţific comun.

Tehnologia informaţiei reprezintă o infrastructură pentru cercetare.

In funcţie de puterea lor (element complex depinzând de mai mulţi factori, printre care viteza procesorului şi capacitatea de memorie), calculatoarele utilizate în cercetarea ştiinţifică pot fi: supercalculatoare, calculatoare mari, staţii de lucru şi calculatoare personale.

Calculatoarele pot avea un singur procesor sau mai multe procesoare lucrând în paralel.

1.2. Domenii şi moduri de utilizare a calculatoarelor în

cercetare

- Rezolvarea calculelor complexe, fie prin rezolvarea unui mare volum de ecuaţii atunci când baza matematică şi structura unui proces fizic sunt cunoscute, fie prin simplificarea problemei din punct de vedere al acurateţei şi al detaliilor (ex.: construirea unui model experimental de aripă de avion sau caroserie de automobil)

- Elaborarea de noi teorii şi modele pentru înţelegerea dinamicii unor procese. Crearea modelului pe calculator, bazat pe o anumită teorie, permite să se urmărească comportamentul acestuia în raport cu observaţiile directe asupra procesului (ex.: cercetările în astronomie privind vârsta unei stele sau formarea unei noi galaxii)

- Controlul instrumentelor experimentale şi analiza datelor. Majoritatea instrumentelor experimentale dispun de o anumită capacitate proprie de culegere, conversie, eşantionare şi procesare a semnalelor, furnizând calculatorului pachete masive de date. Calculatorul asigură despachetarea fluxului de date, identificarea elementelor acestora şi organizarea în baze de date asupra cărora se pot executa operaţii de prelucrare şi analiză specifice domeniului cercetat (ex.: prelucrarea datelor experimentelor de laborator)

- Prezentarea rezultatelor cercetărilor

La nivelul cel mai elementar, calculatoarele produc numere, dar aceste numere reprezintă de obicei un obiect sau un fenomen fizic care, pentru a fi mai uşor înţeles, trebuie vizualizat pe un display, însoţit eventual de culoare, textură, mişcare sau - în sisteme mai evoluate - de sunet sau chiar posibilităţi de atingere. Incorporarea tuturor acestor tehnologii poate crea aşa numita "realitate virtuală", care permite cercetătorului să interacţioneze cu modelul ca şi cum s-ar afla în mijlocul fenomenului modelat (ex.: modificarea poziţiei atomilor în interiorul sau în jurul unei molecule)

- Asistenţă "inteligentă", care depăşeşte nivelul elementar al calculelor numerice, permit,ând lucrul cu sisteme bazate pe "inteligenţă artificială" pentru demonstrare de teoreme, manipulare de expresii logice şi simboluri etc. (ex.: accesul în limbaj natural la baze de date)

2. Tehnici de modelare şi simulare

2.1. Metode şi tehnici de modelare a produselor

Procesul de cercetare şi proiectare inginerească este un proces creativ ce implică numeroase cerinţe, variante, restricţii şi uneori conflicte care trebuie sintetizate, evaluate şi rezolvate prin metode matematice, prin modelare şi simulare, prin realizarea şi testarea de prototipuri şi totodată, prin extrapolarea experienţei anterioare. Conceperea şi proiectarea unui nou produs implică mai multe activităţi:

- definirea caracteristicilor esenţiale ("conceptul" produsului);

- proiectarea logico-funcţională;

- proiectarea fizică (de execuţie).

Fiecare din aceste activităţi defineşte treptat o "imagine" din ce în ce mai concretă a viitorului produs, obţinându-se în final proiectul de execuţie al acestuia.

Intr-o astfel de ierarhie, este posibil ca un concept să fie implementat printr-unul sau mai multe proiecte logico-funcţionale, iar fiecare dintre acestea, printr-unul sau mai multe proiecte fizice.

Alegerea unei variante sau a alteia presupune un proces de analiză şi decizie multicriterială. Activităţile implicate în acest proces (fig. 1) sunt:

- sinteza diverselor căi posibile de a identifica o soluţie pentru a realiza o idee;

- analiza complexă a variantelor de soluţii, fundamentarea şi alegerea soluţiei definitive;

- evaluarea soluţiilor obţinute în diferite faze;

- prezentarea rezultatelor din diverse faze.

Rezultatele activităţii de cercetare şi proiectare inginerească se concretizează în modelul conceptual al obiectului ce urmează a fi fabricat în forma sa reală. In cercetarea şi proiectarea convenţională, modelul conceptual al obiectului real poate fi descris şi este operabil într-o manieră neformală.

In sistemele de proiectare asistată de calculator (CAD - Computer Aided Design) şi inginerie asistată de calculator (CAE - Computer Aided Engineering), implementarea şi utilizarea modelului unui obiect necesită formalizarea acestuia şi maparea sa într-o reprezentare internă computerizată.

Modelul produsului este un concept unanim recunoscut pentru prezentarea informatică a soluţiei de proiectare. Informaţiile care caracterizează un produs sunt de următoarele tipuri:

- geometrice - caracterizează forma, dimensiunile şi structura produsului, precum şi topologia componentelor;

- tehnologice - permit descrierea cu mai multă acurateţe a produsului în vederea fabricării lui ulterioare (material, dimensiuni şi tolerenţe, calitatea suprafeţelor, tratamente etc.);

- despre cerinţele funcţionale - caracterizează produsul din punct de vedere funcţional (specificaţii de proiectare);

- privind logica de proiectare - descriu modul în care sunt generate formele geometrice şi informaţiile tehnologice ţinând cont de cerinţele funcţionale;

- de gestiune - care permit identificarea produsului (cod, denumire, proiectant etc.);

- de reprezentare - care specifică modul în care produsul este prezentat grafic (vedere, culoare, grosime şi tip de linie etc.).

Modelul intern computerizat al produsului poate avea mai multe niveluri de complexitate:

- modelul produsului - conţine toate tipurile de informaţii ce caracterizează produsul;

- modelul geometric - conţine informaţii geometrice, tehnologice, de gestiune şi de reprezentare;

- modelul de reprezentare - conţine doar informaţii de reprezentare.

Tendinţa sistemelor moderne de modelare este de a susţine procesele de proiectare concurentă şi asociativă prin:

- integrarea tuturor informaţiilor relevante despre produs într-un model informaţional integrat al produsului (fig. 2);

- modelarea geometrică parametrică, ghidată de dimensiuni şi bazată pe elemente tipizate;

- importul, exportul şi transferul modelelor produselor între diferite sisteme software.

Modelele utilizate în sistemele CAD/CAE au la bază:

- metode numerice;

- metode de reprezentare grafică a obiectelor, structurilor şi datelor.

Metodele de modelare geometrică utilizate în sistemele CAD/CAE sunt:

- metode bidimensionale;

- metode tridimensionale:

- prin "cadre de sârmă" (wireframe);

- prin suprafeţe (surface);

- prin graniţe (B-rep - Boundary representation);

- prin graniţe a suprafeţelor compuse (CBR - Compound B-rep);

- prin model solid (CSG - Constructive Solide Geometry).

Metodele numerice utilizate în sistemele CAD/CAE sunt:

- metode de element finit (FEM - Finite Element Methods);

- metode de diferenţe finite (FDM - Finite Difference Methods);

- metode de simulare a proceselor dinamice;

- metode de optimizare.

Metodele de reprezentare grafică sunt:

- realizarea proiecţiei obiectului din 3D în 2D;

- eliminarea muchiilor şi feţelor ascunse;

- luminarea, colorarea, redarea texturii şi transparenţei suprafeţei corpurilor;

- animaţia.

2.2. Metode şi tehnici de simulare a sistemelor

Prin simularea unui sistem se verifică modelul sistemului şi se evaluează performanţele acestuia. In anumite domenii, cum ar fi sistemele VLSI, prelucrarea semnalelor şi sistemele de comunicaţii, simularea devine o parte integrantă a întregului proces, începând cu specificarea cerinţelor şi continuând cu proiectarea, implementarea şi testarea, fabricaţia şi întreţinerea. Metodele şi tehnicile de simulare se aplică în cele mai diverse domenii, de la sistemele sociologice, economice, militare, până la sistemele tehnice şi de producţie.

Un model de simulare include:

- entităţi care definesc structura sistemului;

- atribute care descriu starea entităţilor;

- activităţi, evenimente şi procese care pot crea şi şterge entităţi sau pot schimba starea acestora.

Diferenţele între sistemele de simulare sunt determinate de:

- alegerea şi structurarea entităţilor;

- organizarea activităţilor;

- condiţiile de testare a activităţilor;

- tipurile de teste posibile asupra datelor;

- us,urinţa de modificare a structurii modelului.

Problemele de simulare pot fi:

- deterministe - comportarea dinamică a sistemului este complet definită prin model şi starea sa iniţială;

- stohastice - comportarea sistemului este influenţată de procese stohastice (probabilistice).

Metodele de simulare sunt:

- de simulare discretă;

- de simulare continuă.

Diferenţa dintre simularea discretă şi simularea continuă derivă din modul de schimbare a stării sistemului:

- în simularea discretă, schimbarea stărilor (crearea sau ştergerea entităţilor, schimbarea individuală sau finită a valorii atributelor) se face în mod discret;

- în simularea continuă se aproximează schimbările stării, ca şi cum ar fi descrise printr-un set de ecuaţii diferenţiale simple, prin integrare numerică.

Simularea poate fi făcută integral pe calculator sau prin integrarea unor componente reale sau oameni în proces.

Simularea continuă se realizează în general prin tehnici analogice, utilizând limbaje de simulare bazate pe tehnici de reprezentare a problemelor dinamice:

- reprezentarea graficii prin diagrame bloc (XANALOG, MIDAS, MADBLOC etc.);

- reprezentarea prin ecuaţii diferenţiale (ACSL, DSL/90 etc.).

Simularea discretă se realizează în general prin tehnici digitale utilizând limbaje de simulare orientate pe:

- activităţi (CSL);

- evenimente (SIMSCRIPT);

- procese (SIMULA);

- fluxuri (GPSS).

In afara limbajelor de simulare specializate, se utilizează şi limbaje de uz general: Fortran, Pascal, C, destinate problemelor ştiinţifice sau Cobol destinat problemelor de gestiune economică.

Pentru prezentarea datelor rezultate din simulare se utilizează:

- liste de rezultate;

- reprezentări grafice.

3. Sisteme de informare documentară

Creşterea vertiginoasă a volumului de lucrări (cărţi, publicaţii periodice, teze de doctorat etc.) în diferite domenii de activitate, care se acumulează în fondul documentar al bibliotecilor şi al colecţiilor de publicaţii şi care trebuie valorificate adecvat printr-o stocare şi regăsire rapidă a informaţiilor, a făcut ca utilizarea tehnicii de calcul în vederea automatizării proceselor de informare documentară să cunoască o dezvoltare semnificativă.

Domeniul informaticii documentare include două mari categorii de sisteme: sisteme automatizate de bibliotecă şi sisteme automatizate de informare.

Sistemele automatizate de bibliotecă asigură unui utilizator conectat la un calculator sau la un terminal, aflat în bibliotecă, la serviciu sau acasă, următoarele posibilităţi:

- să caute în catalogul bibliotecii locale sau al unei biblioteci aflată la distanţă;

- să afle dacă o carte este disponibilă sau împrumutată;

- să solicite transmiterea unei cărţi sau a unui articol la o anumită destinaţie;

- să caute în bazele de date bibliografice semnalările din sferele de interes;

- să identifice articole din periodice aflate în biblioteca locală sau care trebuie obţinute din alte surse;

- să întocmească o bibliografie din catalogul bibliotecii, dintr-o bază de date locală sau dintr-o bază de date aflată la distanţă;

- să listeze o bibliografie sau s-o înregistreze pe discul unui calculator;

- să caute informaţii statistice în baza de date;

- să vizualizeze paginile de titlu ale fiecărei apariţii de periodic;

- să citească bazele de date cu textele periodicelor sau cărţilor;

- să trimită mesaje prin poştă electronică colegilor din alte biblioteci, universităţi etc.;

- să vizualizeze imagini cuprinse în articole s,i/sau cărţi, să asculte discursuri, muzică sau alte înregistrări sonore care însoţesc textul din baza de date.

Alături de biblioteci, un rol important în procesul infor- mării documentare revine instituţiilor care asigură informarea pe domenii de cunoştinţe (economic, tehnic, social etc.) şi, respectiv, celor specializate în prelucrarea unor categorii de documente de interes general (standarde, brevete, documente de arhivă etc.). Practica şi preocupările existente pe plan mondial evidenţiază câteva tendinţe importante în evoluţia sistemelor de informare documentară:

- specializarea pe domenii din ce în ce mai restrânse, dorinţa de informare pe zone stricte de interes, dar pe o arie informaţională cât mai cuprinzătoare;

- crearea unor sisteme de mari proporţii, care au ca principiu de bază cooperarea şi colaborarea în activitatea de informare documentară. Au apărut, astfel, sistemele de informare documentară cu caracter internaţional;

- dezvoltarea sistemelor automatizate de informare bazate pe reţele de calculatoare şi sisteme de comunicaţii.

Structura sistemelor automatizate de informare include:

- producătorii de informaţii, reprezentaţi de organismele de informare documentară (biblioteci, centre de documentare etc.). Aceştia asigură prelucrarea şi organizarea informaţiilor în baze de date (asigurând de cele mai multe ori şi accesul la sursa primară) şi furnizează informaţii în cadrul schimburilor internaţionale;

- centrele de schimb naţional şi/sau internaţional (centre de servire), care asigură interfaţa din punct de vedere informatic între producătorii de informaţii şi beneficiarii acestora;

- utilizatorii (beneficiarii) de informaţii.

Unul dintre sistemele automatizate de informare accesibil prin reţeaua EARN (v. cap. 4) este şi World-Wide Web (WWW sau W3).

Sistemul este bazat pe hypertext şi oferă mijloacele de "navigare" din document în document în cadrul unei reţele de informare.

Documentele hypertext sunt legate de alte documente printr-un set de cuvinte selectate. Când un nou cuvânt sau un nou concept este introdus în text, hypertextul asigură o referinţă către alt document care furnizează mai multe detalii despre acesta. Cititorul poate deschide cel de-al doilea document selectând cuvântul sau conceptul necunoscut şi primeşte informaţii relevante despre acesta. Cel de-al doilea document poate avea la rândul său legături pentru detalii suplimentare. Documentul hypertext nu trebuie să fie neapărat un text. El poate include grafice, imagini sau înregistrări sonore.

4. Bănci de date ştiinţifice şi cooperarea pe plan naţional şi internaţional în acest domeniu

Cercetătorii pot avea acces la resurse de calcul puternice, sisteme de comunicaţii, bănci de date şi servicii software. Una din aceste reţele, la care este conectată din decembrie 1992 şi România este reţeaua EARN (European Academic and Research Network) înfiinţată în anul 1985 cu scopul de a furniza servicii de comunicare din diferite domenii de interes (ştiinţă, tehnologie, ştiinţe umaniste, medicină, economie s,.a.) institutelor de cercetare şi universităţilor din Europa, Orientul Mijlociu şi Africa. In prezent sunt conectate peste 930 de calculatoare din 550 de instituţii din 27 de ţări.

Fiind interconectată cu reţelele BITNET în SUA, NETNORTH în Canada, ASIANET în Asia, GULFNET în Golful Persic şi având porţi de acces către alte reţele (ex. INTERNET), reţeaua EARN asigură comunicarea cu instituţii din peste 90 de ţări.

Nodul central de acces (ROEARN) al ţării noastre la reţeaua EARN se află la Institutul de Cercetări în Informatică (ICI). La nodul central ROEARN sunt în prezent conectate alte patru noduri (ROIFA - la Institutul de Fizică Atomică, ROIPB - la Universitatea Politehnică Bucureşti, ROUTT - la Universitatea Tehnică Timişoara şi ROMAR - la Institutul de Matematică al Academiei Române).

Prin intermediul acestor noduri sunt conectate la reţeaua EARN cca. 50 instituţii (institute şi centre de cercetare, universităţi, academii, biblioteci, licee) cu un număr de cca. 1800 utilizatori.

Principalele tipuri de servicii oferite de reţeaua EARN sunt:

- poştă electronică. Acest serviciu (cel mai folosit) permite unui utilizator să transmită mesaje la un alt utilizator pe calculatorul său, sau pe un alt calculator. Mesajul este pus în "căsuţa poştală" a destinatarului, care îl poate citi ime- diat sau mai târziu.

Orice utilizator poate transmite mesaje la orice alt utilizator care are acces la calculator şi are atribuită o adresă de poştă electronică;

- transferul de fişiere. Permite transferul unui fis,ier de pe un calculator pe alt calculator. Deoarece formatul de date variază destul de mult de la un tip de calculator la altul, serviciul de transfer de fis,iere suportă mai multe formate, dintre care cel mai folosit este tipul ASCII (cod cu 7 cifre binare);

- conferinţa electronică. Este un serviciu similar cu cel de poştă electronică, cu diferenţa că, spre deosebire de aceasta, este un mediu de comunicaţie între mai mulţi utilizatori. Mesajul se păstrează într-o singură copie pe un calculator pentru toţi participanţii la o conferinţă electronică (s,i nu o copie pentru fiecare participant).

Serviciul poate colecta mesaje sosite către anumite liste de utilizatori şi apoi livrează mesaje membrilor listei respective.

- comunicare prin mesaje interactive. Permite mai multor utilizatori să întreţină o conversaţie interactivă, timpul de livrare a mesajului în acest caz fiind foarte rapid în raport cu poşta electronică sau conferinţa electronică.

Serviciul oferă posibilitatea ca un grup de cercetători, studenţi sau profesori să comunice cu un grup similar de la un alt institut sau de la o altă universitate, conectate la reţea;

- acces la arhive de programe. Reţeaua conţine numeroase servere (calculatoare cu software special care acceptă cereri şi trimit automat răspunsuri) care pun la dispoziţia utilizatorilor un număr impresionant de programe de domeniul public, realizate în general în mediile universitare din Europa şi SUA.

Predominante sunt programele sub sistemele de operare MS-DOS şi UNIX;

- accesul la baze de date. Permite utilizatorilor accesul şi căutarea în baze de date care conţin colecţii de documente, imagini, înregistrări video sau sonore din cele mai diverse domenii, de la agricultură până la ştiinţe sociale.

Bazele de date pot fi organizate în diferite moduri, utilizând diferite sisteme de gestiune a datelor, dar utilizatorul are acces la ele fără a trebui să înveţe limbajele specifice de acces.

Pentru a facilita accesul utilizatorilor la resursele reţelei EARN sunt disponibile diferite instrumente prin intermediul cărora utilizatorii pot folosi texte, date, software şi informaţii, pot explora arhive publice de programe, pot consulta liste de poştă electronică, pot regăsi informaţii şi pot participa la discuţii în grup.

Notă SCIENTCONSULT 2001 :Desigur, domeniul a suferit dezvotări considerabile, deşi unele sunt menţionate, în embrion, încă aceste modul, realizat la nivelul anului 1994 : INTERNET-ul, realitatea virtuală, sistemele multimedia, sistemele de gestiune a cunoştinţelor ş.a.m.d.

Înapoi module tematice Înapoi