Автоматизированные системы научных исследований и управления научным экспериментом: структура, функции, методы реализации, примеры реали

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.

Основные принципы создания автоматизированных систем научных исследований и управления научным экспериментом

При создании и развитии АСНИ рекомендуется применять следующие  принципы:

• - последовательное расширение сферы автоматизации научных исследований;
• - интеграция АСНИ;
• - типизация, унификация и стандартизация компонентов АСНИ;
• - тиражирование типовых подсистем и компонентов АСНИ;
• - применение единой методологии создания и развития АСНИ;
• - системный подход к проектированию;
• - адаптивность;
• - разработка критериев эффективности АСНИ;
• - ориентация на методики ведущих в тематике коллективов;
• - опережающее развитие базовых решений в головных организациях.

Последовательное расширение сферы автоматизации научных  исследований предполагает:

• - внедрение средств автоматизации в новые области научных исследований, в первую очередь в те области, где получение новых существенных результатов невозможно без использования средств автоматизации;
• - расширение контингента пользователей автоматизированных систем научных исследований - от экспериментаторов до руководителей крупных научных программ;
• - автоматизация всех этапов научных исследований от планирования и управления экспериментами до анализа и перспективного планирования основных направлений научных исследований.

Тематическая, функциональная и территориальная интеграция АСНИ должна быть направлена в первую очередь  на создание систем коллективного пользования:

• - для крупных экспериментальных, исследовательских и опытных установок и комплексных производственных испытаний различных технических объектов в исследовательских и проектных организациях, в ВУЗах, на предприятиях, полигонах и т.п.;
• - для отдельных крупных научно-исследовательских организаций, проводящих комплексные исследования сложных объектов;
• - для взаимосвязанных единой программой работ или родственных по тематике групп исследовательских и проектных организаций;
• - для территориально объединенных групп исследовательских и проектных организаций, некоторых республиканских академий наук, академических и ведомственных научных центров.

Интеграция АСНИ включает в себя:

• - создание многомашинных иерархических измерительно-вычислительных комплексов коллективного пользования, обслуживающих несколько экспериментов;
• - развитие информационной базы (создание централизованных и распределенных банков научных данных, обмен научными данными по каналам связи между АСНИ в согласованных форматах, унификацию структур данных и типизацию систем управления базами данных);
• - развитие общесистемного программного обеспечения (унификацию операционной среды, использование стандартных и создание специализированных телекоммуникационных методов доступа, создание многоабонентских систем реального времени, работающих в режимах мультидоступа).

В качестве основы для создания АСНИ должны использоваться типовые, проблемно-ориентированные  или специализированные измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), включающие в себя серийные средства измерительной техники, а также типовое программное обеспечение.

Особое внимание должно быть уделено типовой аппаратуре сопряжения ЭВМ с объектом исследования, созданию типовых программно-управляемых  модульных систем для сбора информации и управления сложными объектами. Требования к этой аппаратуре формируются на основе соответствующих государственных и международных стандартов с тем, чтобы обеспечить максимальную совместимость технических и программных средств АСНИ, производимых различными организациями и в различных странах. Необходимо использовать стандарты КАМАК, обеспечивающие аппаратурную и программную совместимость подсистем и компонентов АСНИ.

Важнейшим условием унификации и типизации компонентов и  подсистем АСНИ является широкое  использование в них агрегатных средств измерительной и вычислительной техники, удовлетворяющих требованиям  конструктивной, информационной, эксплуатационной, энергетической и других видов совместимости.

В разработке новых компонентов  АСНИ необходимо широко применять аппаратную реализацию наиболее типовых функций обработки данных, операционных систем и других функций управления операционной средой.

Тиражирование типовых подсистем  и компонентов АСНИ основано на типизации, унификации и стандартизации проектных решений при создании подсистем и компонентов АСНИ, что создает условия для массового промышленного производства этих компонентов.

Перспективно, например, создание и тиражирование:

• - типовых АСНИ для экспериментальных исследований в подразделениях научно-исследовательских организаций, высших учебных заведений и предприятий;
• - типовых передвижных АСНИ для полевой разведки, для научно-исследовательских судов и других подвижных объектов, а также полигонных исследований;
• - типовых проблемно-ориентированных измерительно-вычислительных комплексов для сбора и обработки информации на исследовательских установках и в лаборатории.

Единая методология создания АСНИ должна учитывать достижения в  смежных областях науки и техники  и использовать взаимное влияние  тенденций развития техники, технологии и производства, с одной стороны, и автоматизации научных и  производственных экспериментов - с  другой. Это требование обеспечивается:

• - ориентацией развития автоматизации в научно-исследовательских организациях Академии наук СССР, а также министерств и ведомств на единую методологическую, техническую и программную основу технологии открытых систем;
• - типизацией, унификацией и стандартизацией проектных решений при создании АСНИ независимо от области их применения;
• - сближением принципов и технологии крупнейших научных и промышленных экспериментов;
• - использованием опыта создания и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП);
• - разработкой однотипных методов и средств автоматизации крупных научных экспериментов, с одной стороны, и промышленных экспериментов, испытаний технических объектов и систем и опытного производства - с другой.

Системный подход в проектировании предполагает проведение проектирования на основе системного анализа, включающего решение комплекса технических, экономических, организационных вопросов, решение которых в совокупности обеспечит создание АСНИ оптимальным способом.

Адаптивность предполагает легкую приспособляемость АСНИ к  изменению решаемых с ее помощью  задач - scalability.

Разработка критериев  эффективности АСНИ должна позволить  дать объективную оценку экономического или иного эффекта, получаемого от внедрения АСНИ.

При создании или заимствовании  компонентов АСНИ должны обеспечиваться требования к этим компонентам, вытекающие из общесистемных принципов, изложенных выше.

Компоненты методического  обеспечения рекомендуется создавать  на основе:

• - перспективных методов автоматизации научных исследований, поиска новых принципов действия и технических решений;
• - эффективных методов математического моделирования исследуемого объекта и его элементов;
• - использование методов формализованного описания и имитационного моделирования;
• - применения методов планирования и оптимизации эксперимента;
• - использования типовых и стандартных процедур обработки данных;
• - стандартных вычислительных и расчетных методов.

Компоненты программного обеспечения рекомендуется создавать  с использованием следующих требований:

• - максимального применения стандартного и серийного программного обеспечения технологии открытых систем;
• - адаптируемости к различным конфигурациям ЭВМ и их операционным системам - открытости, переносимости, взаимодействия;
• - обеспечения мультипрограммной работы, режима разделения времени, работы в режиме диалога;
• - модульного построения, расширения и обновления;
• - обеспечения контроля и диагностирования;
• - применения языков и систем программирования, рекомендованных ГКНТ;
• - автоматизации оборота документов;
• - в технических заданиях на разработку компонентов программного обеспечения предусматривать требования, обязывающие разработчиков использовать рекомендованные ГКНТ технологии программирования, повышающие производительность труда программистов.

Компоненты технического обеспечения должны создаваться  на базе:

• - серийных средств вычислительной техники общего назначения;
• - серийных агрегатных средств измерительной техники общего назначения;
• - специализированных технических средств, если их применение в АСНИ технически и экономически оправдано;
• - современных технических средств общего назначения для сопряжения ЭВМ с объектами исследования.

Компоненты информационного  обеспечения должны создаваться  на основе:

• - максимального использования серийных технических и программных средств;
• - гибкой организации и открытой структуры, приспособленной к пополнению и объединению открытых систем;
• - возможности логической структуризации данных по формальным признакам;
• - возможности одновременного использования данных несколькими подсистемами АСНИ;
• - обеспечения точности стандартных и нормативных данных;
• - разграничения доступа и защиты файлов и блоков данных;
• - соответствия международным стандартам открытых систем.

Компоненты организационно-правового  обеспечения АСНИ должны создаваться на основе:

• - прогрессивных методов научных исследований и испытаний;
• - стандартов и нормативных документов, регламентирующих научные исследования в отрасли;
• - современных методов планирования и управления;
• - анализа экономической эффективности и применения мер материального стимулирования.

Развитие (совершенствование) компонентов АСНИ осуществляется путем  создания новых модификаций (в том  числе новых редакций, версий, типов) этих компонентов.

Реализация автоматизированных систем научных исследований и управления научным экспериментом

Автоматизированные системы научных  исследований в химии и химической технологии (АСНИ), системы, в которых для повышения эффективности научных исследований ряд процедур получения, анализа, передачи и накопления информации, связанных с использованием в ходе изысканий метода мат. моделирования, формализован и выполняется автоматизированно. Задачи, которые можно решать с помощью АСНИ: 1) сократить сроки исследований, 2) повысить точность моделей и получить качественно новую информацию, 3) повысить эффективность использования оборудования, 4) сократить вспомогательный персонал изыскательских групп.

Автоматизация исследований требует прежде всего расчленения изучаемой сложной системы на составные части (уровни строения) с целью установления закономерностей процессов на каждом уровне. На основе знания свойств каждого уровня предсказываются характеристики различных вариантов еще не существующих (гипотетических) хим. и химико-технологических систем, а глубокое понимание физ.-хим. механизмов явлений позволяет целенаправленно искать наиб. эффективные элементы и структуры разрабатываемых систем. В мировой практике созданы и эксплуатируются сотни АСНИ для изучения на разных уровнях сложных химико-технологических систем.

Обобщенная структура важнейших  подсистем при автоматизации  хим. и химико-технологических исследований приведена на рисунке. Основные классы формализуемых процедур для выполнения их автоматически техн. средствами АСНИ распределяются по подсистемам след. образом.

1. В автоматизированной подсистеме исследовательских стендов (АСИС): стабилизация режимных параметров процессов в объектах эксперимента (дозирование веществ, стабилизация температуры, давления и др. параметров в микрореакторах, фрагментах аппаратов или химико-технологических схемах) для уменьшения неконтролируемых возмущений (шумов); программное управление во времени и пространстве режимными параметрами (создание контролируемых изменений независимых переменных объекта эксперимента по заданному плану); логическое управление устройствами для измерения отклика объекта на контролируемые возмущения (автоматический отбор проб на анализ, переключение режимов работы приборов, перемещение датчиков в объекте и др.);экспресс-анализ результатов измерений отклика объекта на возмущения (первичная обработка данных спектрального типа); экспресс-анализ опытов (оценки материальных и тепловых балансов по всем параметрам, определяющим состояние объекта эксперимента).