Акименко Евгении Геннадьевны

     Интернет в настоящее время используется не только как практически неограниченное информационное пространство, но и в качестве мощной вычислительной и моделирующей среды. В связи со стремительным развитием Интернет в этом направлении с помощью Интернет-технологий можно создавать не только информационные сайты и страницы, но и целые системы расчетов, которые на основе введенных данных производят вычисления и выдают результат в требуемом виде. Это направление сейчас очень актуально.

     На страницах Интернет уже работают OnLine калькуляторы, производящие различные инженерные и научные расчеты для большого круга областей: машиностроение, экономика и менеджмент, математика, физика, химия, биология и др. На сайтах компаний помещены OnLine версии выпускаемой ими продукции.

     Таким образом, можно выделить несколько возможных вариантов применения расчетных систем на базе инфраструктуры Интернет:

• в рекламных целях предоставлять пользователю Интернет некоторый расчетный сервис для продвижения выпускаемого компанией ПО;
• в образовательных целях для студентов и аспирантов ВУЗА, чтобы помочь в решении их научных и инженерных задач, чтобы предоставить современные обучающие курсы, опубликовать интерактивные электронные книги.
• в целях поиска новых рынков сбыта выпускаемого ПО. Этот вариант возможен, когда пользователю не требуется полная дорогостоящая версия продукта, так как он пользуется ей очень редко. Тогда этому пользователю через Интернет предоставляется сервис только необходимых ему расчетных модулей. Пользователь может воспользоваться расчетной системой, причем за гораздо меньшую плату.

     На сегодняшний день в рамках Донецкого Национального Технического университета нет такой системы расчетов, которая бы в образовательных целях помогала студентам и аспирантам в решении их научных и инженерных задач, обучении. Для решения этой проблемы планируется создать Интернет-ресурс, который будет предоставлять расчетный интерфейс по различным учебным направлениям и дисциплинам:

• Конвертация единиц измерения
• Машиностроение
• Физика
• Комбинаторика
• Сопротивление материалов
• Прикладная механика
• Математика
• Теория массового обслуживания
• Биология
• Химия
• Экономика и менеджмент и др.

     Конечно, создавать такую расчетную систему нелегко. Но надо с чего-то начинать. Охарактеризовать следующую проблему можно так. Существующие расчетные OnLine системы различаются своей степенью сложности, а также реализованы с использованием разных технологий и средств, которые обеспечивают быстрое и качественное получение результата. В зависимости от используемых технологий вычисления могут производиться как на клиентском, так и на серверном уровне. Таким образом, чтобы создать эффективный Интернет-ресурс по инженерным расчетам, необходимо проанализировать имеющиеся на данный момент передовые Интернет-технологии: JavaScript, Flash, Java, также NET и DCOM.

     Целью данной работы является разработка методов и средств выполнения инженерных расчетов на базе инфраструктуры Интернет. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Определить основные концепции функционирования расчетной системы.
2. Определить эффективность Интернет-технологий – провести исследование и сравнительный анализ современных Интернет-технологий.
3. Разработать функциональные схемы работы расчетной системы.
4. Провести исследование Java технологии, определив ее основные характеристики по производительности, эффективности.
5. Определить методы и алгоритмы по качественному улучшению Java-кода.

     Для решения поставленных задач в данной работе необходимо использовать научные методы исследования. Можно выделить следующие методы , применяемые в данной работе:

1. Системный анализ. Предполагает комплексное исследование проблем, с рассмотрением их со всех сторон.
2. Компьютерный эксперимент - компьютерное программирование. Этот метод служит для проверки работоспособности создаваемого алгоритма. В результате тестирование программы есть возможность выявить ошибки и получить ожидаемые результаты, проанализировать их.

     Показана необходимость анализа технологий выполнения инженерных расчетов на базе инфраструктуры Интернет, с целью выделения наиболее оптимального решения для создания такой инженерной расчетной системы, направленной на тот или иной вариант ее применения.

     Разработан системный подход определения основных концепций функционирования инженерной расчетной системы, учитывая развитие современных Интернет-технологий, языков программирования, специализированных пакетов.

     Наряду с теоретическими и экспериментальными научными исследованиями по данной теме магистерской диссертации, в ДонНТУ в рамках практического применения существующих компьютерных технологий под Интернет была создана начальная версия системы расчетов CALCULATION (по типу CAE-систем), позволяющая выполнять вычисления из разных предметных областей: физика, комбинаторика, сопротивление материалов, прикладная механика, математика, теория массового обслуживания. В реализации данного проекта участвовали студенты потока ПО-98. Познакомиться с данной системой можно по такому Интернет-адресу: http://uran.donetsk.ua/~students/fvti/calc. Эта система открыта и является практическим помощником в вычислениях для студентов вуза, так как в ней содержаться расчеты по учебным дисциплинам.

Рисунок 1 – Главная страница системы CALCULATION

     Структура данного приложения выглядит следующим образом: каждый расчет является отдельным модулем, помещенным на HTML страницу. Модули вызываются с главной страницы системы, где расчеты разбиты по тематикам вычислений. Главная страница системы CALCULATION изображена на Рисунке 1. Все расчеты работают по такому алгоритму:

1. Пользователь вводит для расчета все необходимые входные данные в таблице “Входные данные”.
2. Входные данные после нажатия на кнопку “Вычислить” проверяются системой на корректность (невыход за граничные значения, проверка по необходимости на отрицательные или нулевые значения).
3. После ввода корректных входных данных система производит вычисление результата. Результат расчета появляется в соответствующих ячейках таблицы “Выходные данные”.

     Внешний вид страницы с расчетом из курса математики “Расстояние от точки до прямой” изображен на Рисунке .2.

Рисунок 2 – Расчет “Расстояние от точки до прямой”

     Разработанная система CALCULATION создана с использованием возможностей Интернет-технологии JavaScript. Созданное Web-приложение использует клиентские и базовые возможности JavaScript, а, следовательно, интерпретируется браузером на стороне клиента. Код JavaScript внедрен в HTML страницу и открыт для пользователя.

     Материалы магистерской диссертации были обсуждены и получили одобрение на дне науки кафедры "Прикладной математики и информатики" ДонНТУ. Доклад был доложен в секции "Компьютерные технологии и Интернет" весной 2002 года.

     При планировании работы по полученным результатам важно также учесть рекомендации преподавательского состава по наполнению системы расчетными модулями.

     В мире создано немало программных средств (CAD/CAM/СAE), обеспечивающих повышение производительности труда путем автоматизации инженерной деятельности.

     CAD-системы (сomputer-aided design – компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования – САПР).

     CAM-системы (computer-aided manufacturing – компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.).

     САЕ-системы (computer-aided engineering – поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В CAЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. CAE-системы еще называют системами инженерного анализа.

     По ряду причин наибольшее распространение получил CAD (AutoCAD, T-FLEX), однако существует и довольно широкий круг полезных и эффективных проблемно-ориентированных программных комплексов, которые позволяют быстро и эффективно решать практические задачи. Также существуют более сложные наукоемкие комплексы (ANSYS, COSMOS, SOLIDWORKS, MATLAB).

     Чтобы определить основные концепции функционирования расчетной системы под Интернет необходимо проанализировать уже существующие расчетные системы и технологии. При создании автоматизированных систем, которые обеспечивают быстрое и качественное получение результата, используются различные компьютерные технологии, различающиеся своими возможностями: языки программирования (Microsoft Visual C++, Delphi, Borland C, Visual Basic, Fortran, Pascal), специализированные пакеты (MATLAB, Maple). А особый интерес представляют Интернет-технологии (Java, JavaScript).

     Расчетная система должна обеспечивать способность быстро и легко выполнять интерактивные вычисления в Интернет. Для этого необходимо выбрать метод представления входных данных.

     Основа MATLAB - это работа с матрицами, так что даже вычисления со скалярами реализуются как операции с матрицами размера 1x1. Матричные команды написаны тщательно, и, всюду, где это возможно, целесообразно пользоваться матричными (векторными) операциями, что ускоряет вычисления и предупреждает возможные ошибки. В Таблице 1 представлен сравнительный анализ четырех вычислительных сред: MATLAB, Maple, Фортран, Pascal.

Таблица 1. Сравнение четырех вычислительных сред

     Из Таблицы 1 видна удивительная лаконичность языков MATLAB и Maple. Предварительного описания переменных не требуется, вектор формируется указанием диапазона чисел, а вычисление синуса для всех векторных элементов потребовало одной строки.

     Спектр задач, которые решаются при помощи пакетов Maple и MATLAB, виден из следующего перечисления:

• проведение математических исследований, требующих вычислений и аналитических выкладок;
• разработка и анализ алгоритмов;
• математическое моделирование, компьютерный эксперимент;
• анализ и обработка данных;
• визуализация, научная и инженерная графика;
• разработка графических и расчетных приложений.

     MATLAB предоставляют удобные среды для компьютерных экспериментов, когда пробуются различные подходы к задаче, анализируются частные решения, при необходимости программирования отбираются требующие особой скорости фрагменты. Эти пакеты позволяют создавать интегрированные среды с участием систем программирования. Когда расчеты проведены и требуется оформить результаты, опять-таки можно использовать эти пакеты для визуализации данных и подготовки иллюстраций. Работа с системой проходит интерактивно - пользователь вводит команды, и видит на экране результат их выполнения. Квалификация пакета обеспечивает выбор подходящих типов переменных и выполнение операций, так что в общем случае не требуется описания переменных.

     Таким образом, расчетная система должна производить разнообразные инженерные расчеты, т. е. иметь большую тематическую базу данных расчетов, которую можно изменять и пополнять. Результаты расчетов могут быть как информационного, так и графического вида по необходимости. Расчеты могут быть произведены множеством различных путей, методов и решений.

     Во-вторых, система должна быть интерактивной. Этот пункт может быть реализован с помощью современных Интернет-технологий. Санкционированные пользователи системы инженерных расчетов могут модифицировать или изменять размещенное на сервере программное обеспечение в виде Java-апплетов для своих потребностей, заменяя соответствующие апплеты на собственные.

     В-третьих, система должна обладать максимально-возможным быстродействием и универсальностью. А для этого система должна создаваться с привлечением и необходимостью использования новых современных информационных технологий, наиболее эффективных. Одной из таких передовых технологий является Java. Это делает возможным использование всех ресурсов и средств, которые предоставляет компьютер.

     В будущем планируется также использовать JavaScript-технологию и Flash-технологию для оформления интерфейса пользователя и для наглядных графических выполнений несложных инженерных расчетов. А возможности Java-технологии будут использоваться для создания методов и средств выполнения наиболее сложной расчетной части будущего приложения.

     Также система должна иметь удобный интерфейс и свою политику безопасности.

     При разработке такой сложной и наукоемкой системы, как система инженерных и научных расчетов в Интернет, весьма важным является вопрос о функциональных возможностях и средствах реализации такой системы, методах и средствах выполнения отдельных инженерных расчетов. Иногда вопрос о методах и средствах выполнения отдельных инженерных расчетов пытаются свести к реализации с помощи одной из современных технологий под Интернет: JavaScript, Java. А особый интерес представляют распределенные Интернет-технологий, которые обладают довольно большими вычислительными мощностями, что резко уменьшает затраты времени на решение сложных инженерных и научных задач.

     Среди перспектив можно отметить широкое поле дальнейшего расширения, пополнения базы инженерных расчетов (расчеты из разных предметных областей, учебных дисциплин и т. д.).

     Итак, развитие современных Интернет-технологий входит в новый двадцать первый век и в третье тысячелетие с крупными фундаментальными и прикладными научными достижениями, которые могут сыграть существенную роль в организации дальнейшей производственной и образовательной жизни многих стран. Хотелось бы, чтобы результаты проделанной мною работы по созданию методов и средств выполнения инженерных расчетов в Интернет послужили хорошим толчком для тех студентов, которые будут в дальнейшем заниматься исследованиями в этом направлении.

    ЛИТЕРАТУРА

1. Эккель Б. Философия Java. Библиотека программиста. - СПб: Питер, 2001. - 880с.: ил.
2. Кингсли-Хью Э., Кингсли-Хью К. JavaScript 1.5: учебный курс. - СПб.: Питер, 2001. - 272 с.: ил.
3. Баррет Д., Браун М., Ливингстон Д. JavaScript. Web-профессионалам. - BHV: Санкт-Петербург, 2001. - 240 c.: ил.
4. Вайк Аллен и др. JavaScript. Перевод с анг./Аллен Вайк и др. - К.: Издательство "ДиаСофт", 2001. - 480 с.
5. Вайк Аллен, Вагнер Ричард. JavaScript в примерах. - К.: Издательство "ДиаСофт", 2000. - 304 с.
6. Сандерс Б. Эффективная работа: Flash 5. - СПб: 2001. - 352 с.: ил.