История компьютерного моделирования в России

Платонов Л.В.

 Обзорная статья истории компьютерного моделирования на постсоветском пространстве. Статья написана в рамках участия в IV международном конкурсе «Компьютерное моделирование сложных динамических систем» 2009 года

Современное время диктует новый ритм жизни, видоизменяя все сферы человеческой деятельности. Сегодня невозможно представить себе практически ни один производственный процесс или процесс научных исследований без применения компьютерного моделирования. Как и любое другое моделирование, компьютерное моделирование направлено на создание прототипов различного рода объектов, процессов или систем, в частности сложных систем, зависящих от совокупности взаимосвязанных и случайных факторов. Компьютерное моделирование позволяет значительно снизить затраты на проведение экспериментов, сократить сроки создания и анализа моделей, а также получить необходимые результаты в удобной форме.

Появление компьютерного моделирования неразрывно связано с появлением первых компьютеров, призванных решать различного рода математические задачи, на которых и основываются принципы компьютерного моделирования. В СССР первый компьютер был создан в 1948-1951 годы [1] в результате двухлетнего труда команды советских разработчиков под руководством Сергея Алексеевича Лебедева (1902 – 1974) (рис. 1).

Рисунок 1. Лебедев С. А. 70-е годы ХХ века

Первым советским компьютером стала МЭСМ - малая электронная счётная машина (рис. 2), это был не просто первый советский компьютер, это был первый компьютер континентальной Европы. В основе МЭСМ лежало 6 тысяч электровакуумных ламп (3500 триодов и 2500 диодов). МЭСМ была создана недалеко от Киева, в Феофании.  Она занимала площадь около 60 квадратных метров, потребляла 25 кВт электроэнергии и была способна выполнять около 3000 операций в минуту.  Следующим компьютером Советского Союза стала СЭСМ – специализированная электронная счётная машина, созданная также на основе идей С. А. Лебедева. СЭСМ была создана для решения систем линейных алгебраических уравнений и вычисления корреляционных функций. СЭСМ была последним проектом Лебедева в Киеве. Далее Сергей Алексеевич переехал в Москву и был назначен на должность директора ИТМ и ВТ (института точной механики и вычислительной техники) АН СССР. В общей сложности под руководством С. А. Лебедева было создано и передано в серийное производство более 15 типов сложных ЭВМ, каждая из которых превосходила предыдущую, отличалась более высоким быстродействием, более высокими показателями надёжности и эксплуатации. Московский период творческой деятельности Лебедева связан с работой над созданием ряда универсальных и специализированный ЭВМ. Среди универсальных ЭВМ были БЭСМ – большая электронная счётная машина, БЭСМ – 2, ЭВМ М-20, БЭСМ – 4, БЭСМ – 6, АС – 6. Возвращаясь к вопросам компьютерного моделирования, необходимо отметить, что на серийных БЭСМ – 2 решались теоретические задачи различного уровня сложности, задачи прикладной механики и инженерные задачи. Практическим примером моделирования на БЭСМ является использование подобных машин непосредственно для расчёта траектории полёта ракеты, которая доставила вымпел СССР на Луну. БЭСМ – 6 была первой ЭВМ в СССР, быстродействие которой превышало 1 млн. одноадресных операций в секунду, использовалась система элементов с тактовой частотой 9 МГц. ЭВМ такого типа успешно выпускались в течении 17 лет и использовались для моделирования и анализа систем различных отраслей народного хозяйства. За разработку и внедрение БЭСМ – 6 её создатели, в число которых также входил Лебедев были удостоены Государственной премии.

К специализированным ЭВМ Московского периода относятся: «Диана-1», «Диана-2», ЭВМ М - 40, ЭВМ М – 50, ЭВМ 5Э92, ЭВМ 5Э92б, ЭВМ 5Э61 и другие. Создатели многих приведенных ЭВМ также были удостоены Государственной премии СССР. Школа компьютеростроения СССР во главе с Лебедевы успешно конкурировала с известной американской фирмой IBM. Также следует отметить, что после смерти Лебедева и после распада Советского Союза его семье была вручена медаль Международного компьютерного общества IEEE Computer Society [2] в знак признания его пионером вычислительной техники.

Первым бытовым компьютером СССР, который попал в серийное производство, считается «Электроника БК – 0010», созданная в 1985 году [3]. Большинство бытовых компьютеров разрабатывалось силами энтузиастов без особой поддержки государства. Среди бытовых компьютеров Советского союза можно выделить следующие: «Микро – 80», Агат, Союз-Неон ПК11/16, Поиск, Ассистент 128 и другие. Также в период перестройки в СССР были доступны и некоторые модели зарубежных бытовых компьютеров.

В настоящее время на территории постсоветского пространства, в том числе и в России, широко распространены бытовые компьютеры зарубежных производителей.

Важной особенностью современного моделирование является использование различного рода прикладных пакетов, направленных на моделирование определённых явлений. Такие программные продукты в какой то мере сами по себе уже являются результатами компьютерного моделирования и служат для оптимизации и визуализации процессов моделирования конкретных объектов, систем и процессов.

Существуют различные среды компьютерного моделирования, характерные для моделирования и анализа специфических задач конкретных областей науки и техники.

 Сейчас наряду с внедрением и использованием программных пакетов ведущих мировых производителей в России существует и успешно развивается ряд компаний, деятельность которых направлена на создание и внедрение собственных программных продуктов.

Охватить всё многообразие современных систем компьютерного моделирование невозможно, поэтому, далее более подробно будет приведена картина сред компьютерного моделирования технических систем.

Компьютерное моделирование при решении инженерно-технических задач, в основном, направлено на автоматизацию создания имитационных прототипов технических систем, автоматизацию создания конструкторской и технологической документации, а также на автоматизацию выполнения прочностных расчётов, моделирования кинематических и динамических процессов машин и механизмов. Выделяют следующие типы САПР [4]:

- CAD – Computer Aided Design – конструирование с использование компьютерных технологий и программ, принято выделять три уровня сложности таких программ. Программы первого уровня решают задачи плоского черчения, второго – задачи пространственного моделирования. Программные продукты третьего уровня представляют собой сложные многофункциональные системы, позволяющие создавать полный комплект конструкторско-технологической документации и имеющие возможности параметрического моделирования.

- CAM – Computer Aided Modeling – подготовка процессов производства с использованием систем компьютерного моделирования, которая реализована в программных пакетах, генерирующих код для станков с числовым программным управлением.

- PDM – Product Data Management – обеспечение единого информационного пространства между различными производственными подразделениями, призванное оптимизировать общее управление производством.

- CAE – Computer Aided Engineering – выполнение инженерных расчётов с использованием компьютерных программ. К CAE относятся программы кинематического и динамического анализа, а также программы для расчёта различных параметров сплошных сред (напряжённые состояния, деформации, теплообмен, потоки жидкости,…).

PLM – Product Lifecyle Management – это концепция единого информационного пространства на основе функциональных возможностей PDM и ERP (организация системы электронного документооборота).

Кроме приведенных выделяют также: CALS, SDM, CIM – Computer Integrated Manufacturing, CAPP – Computer Aided Process Planning, CRM – Customer Relationship Management и  другие.

В качестве примера внедрения систем автоматизированного проектирования мировых производителей в России можно выделить успешное внедрение и использование таких программ, как Siemens PLM Software (Unigraphics, NX, TeamCenter, Tecnomatrix), Autodesk (AutoCad, Inventor), Dassault Systemes (CATIA, SolidWorks, SIMULIA) и другие. Система  CATIA успешно внедрена и используется на заводе ОАО «Тяжмаш», основанного в 1941 году и являющегося одним из ведущих предприятий тяжёлого, энергетического и транспортного машиностроения [5]. Российский лидер в области разработки и изготовления установок для производства криогенных технических газов и систем криогенного обеспечения технологических объектов также повышает свою производительность благодаря внедрению системы CATIA. Современные технологии проектирования судов в среде CATIA успешно реализовывает судостроительная верфь ФГУП «ЦС «Звёздочка».

Внедрение системы Autodesk Inventor Series помогло в решении производственных проблем [6] филиалу OAO «ФСК ЕЭС Электросетьсервис», занимающемуся ремонтом высоковольтных линий и подстанций. Далее можно привести ещё очень много примеров успешного внедрения и использования САПР мировых производителей на предприятиях России. Но и программы российских производителей также пользуются успехом среди зарубежных производителей. Например, [4] LVMFlow - компьютерная система моделирования тепловых и гидродинамических процессов литья, которая создана в лаборатории математического моделирования УдГУ (Ижевск), успешно внедряется на предприятиях США, Канады, Бразилии, Швеции, Норвегии, Австралии, Турции.

В качестве примера российских производителей систем автоматизированного проектирования можно выделить следующие:

- Научно - технический центр автоматизированного проектирования машин НТЦ АПМ [7], деятельность которого успешно развивается и реализовывается в производственных процесса путём внедрения и применения наукоёмкого программного комплекса APM WinMachine. Этот комплекс включает в себя программные продукты для принятия оптимальных решений в строительстве и машиностроении. НТЦ АПМ работает на рынке России более 15 лет, успешно сотрудничает с другими российскими производителями САПР.

-     группа компаний ADEM [8], образованная компаниями "Элгра" (Москва) и "Крона" (Ижевск). Эти компании соответственно являются разработчиками систем "CherryCAD" – решение задач плоского и объёмного моделирования и CAM системы "Катран" – автоматизация технологических процессов и подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ. После слияния компаний основным продуктом ADEM является интегрированная CAD/CAM/CAPP система ADEM VX.

- Лаборатория вычислительной механики Брянского государственного технического университета «Универсальный механизм» [9]. Продуктом лаборатории является программный комплекс «Универсальный механизм» (ПК «УМ»), включающий в себя ряд специализированных модулей для моделирования динамики железнодорожных экипажей, гусеничных экипажей, модулей оценки усталостной долговечности, модулей интеграции с программными продуктами других производителей, как российских, так и зарубежных. «Универсальный механизм» как и многие другие производители российских САПР расширяют сферы своих пользователей и за пределами России путём сотрудничества с другими организациями. Примером такого сотрудничества является сотрудничество с Ассоциацией механиков «АссоМ» (ДонНТУ, Украина) [10].

На примере истории создания компании АСКОН [11], [12] можно проиллюстрировать основные особенности истории развития компьютерного моделирования в Российской Федерации после распада СССР. В настоящее время основными программными продуктами группы компаний АСКОН являются: система твёрдотельного трёхмерного моделирования КОМПАС – 3D, чертёжно-графический редактор КОМПАС – График, система для автоматизации технологической подготовки производства ВЕРТИКАЛЬ, а также система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия ЛОЦМАН:PLM. Компания АСКОН была создана в декабре 1989 года [12] выходцами Конструкторского бюро машиностроения (КБМ) в Коломне Александром Голиковым и Татьяной Янкиной. Созданию самостоятельной коммерческой структуры предшествовала работа основателей АСКОН в рамках авторских коллективов через научно-технические центры. Они же заложили основы КОМПАС 4 под DOS. В 1993 году появилась необходимость создания новой версии КОМПАС под Windows. Таким образом, появился КОМПАС 5, который отличался от предыдущей версии наличием выделенного математического ядра, которое учитывало возможность последующего расширения функциональных возможностей  системы и перехода к 3D – моделированию. Реализация параметризации была одной из важнейших задач разработки ядра КОМПАС 5. В результате длительной работы к 2000 году у компании АСКОН появился продукт трёхмерного моделирования. Ещё с 90-х годов руководство компании налаживает международное сотрудничество. В настоящее время развитие международного сотрудничества является стратегической целью компании. Успешно развиваются региональные представительства компании на всём постсоветском пространстве. Со своими продуктами компания АСКОН участвует в различных международных выставках (например, участие в крупнейшей международной выставке EuroMold в Германии в декабре 2008 года), сотрудничает с российскими и зарубежными производителями софта и ПК.

Таким образом, следует отметить великую роль человеческого фактора в развитии компьютерного моделирования в России. В нестабильной экономической ситуации без поддержки государства на энтузиазме и стремлении отдельных личностей создавались первые САПР, которые в настоящее время получили широкое применение в производстве и продолжают динамично и стремительно развиваться, покоряя как российские, так и иностранные рынки информационных технологий.

Рисунок 3. Шевронный  редуктор.

Важной особенностью развития компьютерного моделирования сегодня является поддержка производителями САПР образования, что позволяет наладить более тесные связи образования и производства, способствует подготовки квалифицированных кадров, отвечающих современным требованиям. В качестве примера такой поддержки можно привести решения АСКОН в образовании, которые способствуют внедрению системы КОМПАС не только в ВУЗах России и ближнего зарубежья, но и в школах. Наличие университетской лицензии существенно помогает при решении задач различных дисциплин, позволяет освоить современные методы проектирования. Проводимый компанией АСКОН ежегодный конкурс «Будущие АСы КОМПьютерного 3D – моделирования» стимулирует изучение системы, способствует самореализации студентов и их интеграции в современный мир компьютерного моделирования. Эффективность подобной поддержки я ощутил на себе в ходе участия в конкурсе 2008 года с проектор «Редуктор цилиндрический двухступенчатый с двумя шевронными передачами» (рисунок 3) [13].

Таким образом, можно сформулировать, что в современной России компьютерное моделирование развивается динамично и оказывает благоприятное влияние на развитие компьютерного моделирования в странах ближнего зарубежья. На мой взгляд, учитывая вышеуказанные тенденции развития компьютерного моделирования, уже в ближайшем будущем Россия сможет стать мировым лидером в компьютерном моделировании.

 Стремительное развитие компьютерного моделирования оказывает существенное влияние на все сферы жизнедеятельности человека, во многом упрощая и улучшая его жизненные условия. Как мне кажется, компьютерное моделирование должно развиваться согласованно с культурой, моральными и духовными устоями человечества, чтобы не переступить черту, за которой не останется места чувствам, эмоциям, одним словом – человеку. Мы не должны допустить полную замену естественного интеллекта искусственным, логики и интуиции -  системами уравнений. Мы должны оставить место и для естественного моделирования естественных процессов природы и  человечества – жизни… 

При написании статьи использованы материалы следующих web – ресурсов:

1.     -  http://ukrainiancomputing.org/LEBEDEV/Lebedev_r.html

2.     - http://awards.computer.org/ana/award/viewHomepage.action

3.     - http://ru.wikipedia.org/wiki/

4.     - http://cae.ustu.ru/

5.     - http://www.3ds.com/ru/company/regional-spotlights/russia/

6.     - http://news.softline.ru/history

7.     - http://www.apm.ru/rus/

8.     - http://www.adem.ru/home/

9.     - http://www.umlab.ru/

10. - http://assom.donntu.ru/

11.  - http://www.ascon.ru/

12.  – САПР и графика, элита САПР, «Создание КОМПАС – как это было» (с. 39 – 42), январь – 2007.

13.  - http://bestmodels.ascon.ru/blank.php?id=5629

© Платонов Леонид - 2009