В предыдущих статьях нашего цикла, посвященного различным реальным приложениям, которые могут использоваться для тестирования процессоров, компьютеров, ноутбуков и рабочих станций и которые в дальнейшем будут положены в основу нового тестового пакета iXBT Application Benchmark 2018, мы уже рассмотрели довольно внушительный пакет различных приложений. Это были видеоконвертеры, приложения для редактирования и создания видеоконтента, редакторы цифровых фотографий, рендеры, а также архиваторы и программа оптического распознавания символов.
В этой статье мы рассмотрим еще несколько приложений, тесты на базе которых можно отнести к логической группе «Инженерные и научные расчеты»: SolidWorks, Matlab, NAMD и LAMMPS.
Этот набор приложений мы использовали и ранее, в предыдущей версии нашего тестового пакета. Причем в предыдущей версии у нас было даже больше приложений в данной логической группе: был еще тест на основе приложения FFTW. Однако учитывая узкую специфику приложения FFTW и тот факт, что среда Windows для него не совсем родная (хотя его и можно скомпилировать под Windows), мы решили убрать этот тест из нашего набора.
Более того, у нас есть сомнения и по поводу приложений NAMD и LAMMPS. Напомним, что это специализированные пакеты, которые применяются для решения задач молекулярной динамики. Сомнения относительно целесообразности включения данных приложений в тестовый пакет все те же. Во-первых, это очень специфический софт. Во-вторых, для таких приложений среда Windows является, что называется, не самой оптимальной. Да, имеются скомпилированные под Windows версии, но все же изначально эти приложения разрабатывались под Linux. И в-третьих, такие приложения запускают не на ноутбуках, а на суперкомпьютерах.
Поэтому еще раз отметим, что в отношении данных приложений у нас есть сомнения в целесообразности их включения в тестовый пакет. Пока мы решили оставить их, но, возможно, в окончательном варианте их не будет. И раз уж мы затронули целесообразность использования приложений NAND и LAMMPS, то с них и начнем.
Более подробно с особенностями использования Windows-версии пакета LAMMPS можно ознакомиться .
Саму тестовую задачу мы не меняли. Напомним, что при инсталляции пакета LAMMPS создается папка с названием Benchmarks. В этой папке содержатся файлы с задачами, которые можно использовать для тестирования. Всего в папке Benchmarks имеется пять различных задач, но использовать их все для наших целей избыточно, поэтому мы используем только две задачи: Rhodopsin protein benchmark (rhodo) и Lennard-Jones liquid benchmark (lj)). Подробное описание этих бенчмарков (на английском языке) можно найти .
Мы не будем расписывать подробно команды запуска тестов (все это можно найти в , посвященной предыдущей версии нашего тестового пакета) и напомним лишь, что для прогона тестов используется bat-файл, запускаемый с параметром, в качестве которого указывается количество ядер процессора (с учетом технологии Hyper-Threading).
Пакет не обновился, поэтому здесь все еще проще. Мы не стали менять и тестовую задачу (в этом нет никакого смысла). Подробное описание данного теста можно найти в , посвященной предыдущей версии нашего тестового пакета. А здесь мы лишь напомним основные моменты.
Как и в случае LAMMPS, программа NAMD не имеет графического интерфейса и для ее запуска используется командная строка, а для запуска в многопоточном режиме используется интерфейс MPI.
На сайте разработчика имеются программы для различных операционных систем. Для тестирования мы используем 64-битную Windows-версию NAMD 2.11 с поддержкой MPI (Win64 MPI).
Для запуска программы в многопоточном режиме необходимо дополнительно установить пакет MPI (Message Passing Interface). В нашем случае используется версия MPI Microsoft (MS-MPI 7.1).
Для тестирования мы использует тест f1atpase, который был нами позаимствован из пакета SPECwpc 2.0, в который входит тест на основе приложения NAMD. Запуск теста реализуется через интерфейс MPI.
В тесте на основе приложения мы обновили лишь версию самого приложения, а вот тестовая задача осталась прежней. Напомним, что в качестве теста мы используем решение задачи о колебаниях прямоугольной мембраны с закрепленными краями. Этот пример был нами позаимствован из учебника по Matlab (Matlab самоучитель. Практический подход (2-е издание). Автор Васильев А. Н.).
Не вникая в постановку задачи и сложные математические выкладки, приведем лишь аналитическое решение данной задачи, которое представляется в виде бесконечного ряда:
Данная формула используется в скрипте Matlab для построения профиля поверхности мембраны в заданный момент времени. Точнее, рассчитывается профиль поверхности мембраны для конечного числа точек в заданном временно́м интервале с построением трехмерного изображения поверхности мембраны. Это делается для того, чтобы реализовать анимацию колебания мембраны.
В тесте на основе приложения Dassault SolidWorks изменилась лишь версия самого приложения. Вместо Dassault SolidWorks 2016 SP0 используется Dassault SolidWorks Premium Edition 2017 SP4.2. Обновилась и версия устанавливаемого модуля Flow Simulation: теперь это SolidWorks Flow Simulation 2017.
Напомним, что в нашем тесте определяется скорость расчетов в задачах аэрогидродинамики и теплопередачи. В тесте используется тепловой расчет корпуса компьютера, в котором имеются тепловыделяющие элементы и один вентилятор. Этот проект входит в пакет Flow Simulation в качестве примера. Результатом теста является время расчета проекта.
В новой версии приложения Dassault SolidWorks Premium Edition 2017 есть свой встроенный бенчмарк, и мы даже хотели использовать его, однако он не очень подходит для нашего тестового пакета. Это хороший бенчмарк, который позволяет интегрально измерять производительность процессора, графической подсистемы и подсистемы ввода/вывода, но в большей степени он ориентирован на тестирование профессиональных (даже не игровых) видеокарт, нежели процессора. Кроме того, результат, который выдает этот тест, довольно сложно интегрировать в наш тестовый пакет, поэтому мы решили все-таки не использовать встроенный бенчмарк.
Для того чтобы проанализировать зависимость результатов тестирования от количества ядер процессора и технологии Hyper-Threading, мы использовали стенд следующей конфигурации:
Количество доступных ядер процессора (от одного до шести) регулировалось в настройках UEFI BIOS. Один раз тестирование проводилось при использовании технологии Hyper-Threading, а второй раз — при отключении данной технологии в UEFI BIOS.
Результаты тестирования при использовании технологии Hyper-Threading приведены далее.
Как видно по результатам, все тесты очень чувствительны к числу ядер процессора. Так, время выполнения теста на основе приложения LAMMPS сокращается в 5 раз при переходе от одного к шести ядрам процессора. Для теста на основе приложения NAMD 2.11 сокращение времени составляет 5,6 раза. А вот для тестов на основе приложений Dassault SolidWorks 2017 с пакетом Flow Simulation 2017 и Mathworks Matlab R2017b ускорение составляет 3,0 и 3,8 раза соответственно.
Результаты тестирования при отключенной технологии Hyper-Threading приведены далее. Собственно, здесь получаются очень похожие зависимости, но при отключенной технологии Hyper-Threading зависимость результатов от числа ядер процессора выражена еще более ярко. Теперь при переходе от одного к шести ядрам процессора время выполнения теста сокращается в 6,2 и 6,1 раза для тестов на основе приложений NAMD 2.11 и LAMMPS, а для тестов на основе приложений Dassault SolidWorks 2017 с пакетом Flow Simulation 2017 и Mathworks Matlab R2017b ускорение составляет 3,6 и 4,4 раза соответственно.
Можно также сопоставить для каждого теста в отдельности результаты тестирования при использовании технологии Hyper-Threading с результатами без этой технологии.
Для теста на основе приложения LAMMPS использование технологии Hyper-Threading позволяет сократить время расчета примерно на 30% в случае одного ядра и на 16% при шести ядрах процессора.
Для теста на основе приложения NAMD 2.11 использование технологии Hyper-Threading сокращает время расчета на 19% в случае одного ядра и примерно на 12% в остальных случаях.
В приложении Dassault SolidWorks 2017 с пакетом Flow Simulation 2017 использование технологии Hyper-Threading сокращает время расчета на 24% в случае одного ядра, но при увеличении числа ядер до шести сокращение времени расчета уменьшается до 9%.
Расчет в приложении Mathworks Matlab R2017b вообще мало зависит от технологии Hyper-Threading. В варианте одного ядра процессора сокращение времени расчета составляет 10% при использовании технологии Hyper-Threading, а при числе ядер больше двух более заметного эффекта от использования технологии Hyper-Threading не наблюдается.
В этой статье мы рассмотрели тесты на основе приложений LAMMPS, NAMD 2.11, Dassault SolidWorks 2017 с пакетом Flow Simulation 2017 и Mathworks Matlab R2017b, которые составляют логическую группу «Инженерные расчеты» и в дальнейшем будут использоваться в нашем тестовом пакете iXBT Application Benchmark 2018. Еще раз отметим, что тесты на основе приложений LAMMPS и NAMD 2.11 являются очень узкоспециализированными и у нас есть сомнения относительно целесообразности их включения в тестовый пакет. Пока мы решили их оставить, а дальше, что называется, посмотрим.
В следующей, завершающей статье нашего цикла, посвященного разработке нового пакета тестов на основе реальных приложений, мы рассмотрим тесты, которые определяют производительность подсистемы хранения данных, а также расскажем об алгоритме расчета интегрального показателя производительности.
1В данной работе описывается программа для расчета кинетических характеристик гетерофазных реакций, написанная на языке программирования Visual Basic Community 2015. Вычисление констант скоростей и энергий активаций осуществляется методами регрессионного анализа. Механизм реакции определяется по минимуму погрешностей аппроксимаций из ряда функций (степенного и экспоненциального законов, Праута – Томпкинса и Авраами уравнений). Механизм реакции определяет зону реакции: степенной – кинетическую, а три другие – диффузионную. Также на примере реакции фторирования анортозитов гидродифторидом аммония проводится статистическая проверка гипотез об адекватности используемых регрессионных моделей по Снедекору – Фишеру и о значимости коэффициентов регрессии по t-критерию Стьюдента. Программа апробировалась на расчетах гетерофазных реакций, осуществляемых в ходе технологических процессов комплексной фторидной переработки алюмосиликатного и силикатного сырья Верхнего Приамурья, а также ряда регионов РФ.
константа скорости
энергия активации
зона реакции
механизм реакции
линейная регрессия
нелинейная регрессия
процедура
1. Сорокин А.П., Римкевич В.С., Пушкин А.А., Еранская Т.Ю. Безотходные геотехнологии комплексной переработки алюмосиликатного и силикатного сырья Приамурья // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2016. – № 11. – С. 215–223.
2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1999. – 528 с.
3. Пушкин А.А., Римкевич В.С. Установление зон гетерофазных реакций // Международный научно-исследовательский журнал. – 2017. – № 03(57). – Часть 3. – С. 35–38.
4. Балдин К.В., Башлыков В.Н., Рукосуев А.В. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебник. 2-е издание. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2014. – 473 с.
6. Дукин А.Н., Пожидаев А.А.. Самоучитель Visual Basic 2010. – СПб.: БХВ-Петербург, 2010. – 560 с.
7. Шевякова Д., Степанов А., Дукин А. Самоучитель Visual basic 2008. – СПб.: БХВ-Петербург, 2008. – 592 с.
8. Колемаев В.А., Староверов С.В., Турундаевский В.Б. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебное пособие для экономических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 400 с.
Настоящая статья посвящена компьютерной обработке экспериментов по кинетике химических реакций. В нашем институте кинетика химических реакций изучается в процессе разработки технологических процессов комплексной фторидной переработки для различных видов алюмосиликатного сырья Верхнего Приамурья . Результатами экспериментального исследования по кинетике химической реакции являются значения концентраций некоторого вещества С ik (t ik) в заданные моменты времени t ik (i = 1, …, n k , где n k - количество отсчетов времени при температуре T k , k = 1,2, …, l, где l - количество температур). Количество рабочих температур l, допустимое в программе, от двух до четырех. Количество отсчетов времени n k , в общем случае, для разных температур T k отличается и изменяется от 3 до 9.
Результатами обработки экспериментальных данных являются константы скоростей и энергии активации, а также зоны протекания и механизмы реакции. Знание зоны и механизма реакции при той или иной температуре дает знание о физико-химическом процессе, который обуславливает её протекание и позволяет управлять ходом реакции. Сравнение констант скоростей и энергий активаций различных реакций позволяет сопоставлять между собой эти реакции.
Вычисления констант скоростей в работе мы проводим, используя четыре вида физико-химических процессов, соответствующих четырем законам изменения концентраций: степенному (), Авраами (), экспоненциальному () и Праута - Томпкинса , где w i - скорость реакции, C i - концентрация вещества, α i - степень превращения вещества, k - константа скорости. Степенной закон описывает столкновения частиц, остальные три - различные виды диффузии. В соответствии с этим зона реакций, описывающихся степенным процессом кинетическая, для остальных трех процессов - диффузионная .
Для определения механизма реакции в программе используются значения погрешностей аппроксимаций. Считаем, что механизм реакции при данной температуре определяется тем законом изменения концентраций, при котором погрешность аппроксимации при данной температуре минимальна. Поскольку погрешности аппроксимаций вычисляются для каждой температуры, постольку механизм реакций для каждой температуры может быть своим. В программе организован автоматический отбор данных (констант скоростей, энергий активации, зон и механизмов реакций) для каждой из исследуемых температур .
Цель исследования
Отправной точкой исследования в данной работе являются данные по кинетике химических реакций. Цель исследования - определить кинетические характеристики реакции. Математическая обработка результатов экспериментов значительно облегчается при использовании компьютерной расчетной программы. С целью разработки компьютерной программы создавался алгоритм расчета с последующей программной реализацией, первоначально средствами приложения Microsoft Access 2007 c применением vba. В данной работе описывается программа для обработки экспериментальных данных по кинетике с расчетом кинетических параметров: констант скоростей, энергий активаций, зон и механизмов реакций, написанная на языке Visual Basic Community 2015.
Материалы и методы исследования
Методами исследования в работе являются регрессионный анализ и компьютерный расчет. Для каждого из упомянутых выше процессов методом линеаризации его уравнения строится уравнение регрессии. Линеаризация осуществляется в случае степенного, экспоненциального законов и уравнения Праута - Томпкинса логарифмированием, а в случае Авраами - методом двойного логарифмирования. Полученные в результате уравнения регрессии являются нелинейными. Путем замен переменных мы осуществляем переход к двум линейным моделям регрессии: с угловым коэффициентом и свободным членом в случае степенного закона и Авраами и с одним угловым коэффициентом в случае экспоненциального закона и уравнения Праута - Томпкинса (см. табл. 1). Далее, по формулам метода наименьших квадратов вычисляем значения угловых коэффициентов и свободных членов. В случае степенного закона и уравнения Авраами угловой коэффициент равен порядку реакции, а свободный член равен логарифмам константы скорости. В случае экспоненциального закона и уравнения Праута - Томпкинса угловые коэффициенты представляют собой константы скоростей.
Таблица 1
Модели нелинейных регрессий, замены переменных для перехода к линейным моделям и их уравнения для используемых в программе процессов
|
Наименование закона |
Математическая формулировка закона |
Нелинейная регрессия |
Замена переменных |
Линейная регрессия |
|
Линейный |
||||
|
Степенной |
||||
|
Экспоненци-альный |
||||
|
Праута - Томпкинса |
||||
|
Аррениуса |
Энергии активаций в программе рассчитываются по уравнению Аррениуса для констант скоростей . После преобразования, логарифмирования и замены переменных получается уравнение с одним угловым коэффициентом, который рассчитывается методом наименьших квадратов. Угловой коэффициент равен энергии активации, деленной на универсальную газовую постоянную R (последняя строка в табл. 1).
В программе рассчитываются погрешности аппроксимаций по формуле
(*)
где cik(tik) - экспериментальные значения концентраций в моменты времени tik, - расчетное значение, полученное по исследуемому закону в точках tik при температуре Tk, а nk, как и ранее, количество отсчетов времени при данной температуре.
Отбор зависимости с меньшей погрешностью аппроксимации, а следовательно, и определяющего механизма реакции при данной температуре осуществляется в программе автоматически.
Кроме того, в работе проводится проверка статистических гипотез об адекватности каждой из моделей регрессий по критерию Снедекора - Фишера, а также о значимости коэффициентов этих моделей регрессии по t-критерию Стьюдента . Проверка гипотезы об однородности дисперсий воспроизводимости в работе не проводится, поскольку в каждой точке факторного пространства осуществляется только одно измерение.
Результаты исследования и их обсуждение
Программа Кинетика для расчета кинетических характеристик гетерофазных реакций написана на языке Visual Basic в интегрированной среде разработки программного обеспечения Visual Studio Community 2015.
Программа имеет десять вкладок: Вход, Кинетика, Зона реакции, Графики, СтатистикаХ (Х = 0, …, 5).
Вкладка Вход предназначена для размещения элементов управления, осуществляющих ввод данных: массивы концентраций КонцX(i) и времен ВремяХ(i), строку температур TемперХ (X = 1,…,4; i = 1, 2, …, n), число точек отсчетов времени nk, количество рядов данных l, максимальные времена и концентрации для каждой из температур Tk.
Уровень значимости (устанавливается выбором одного из восьми значений в списке в ComboBox-поле ) служит для выбора коэффициентов Стьюдента и Снедекора - Фишера из таблиц Excel Стьюдент и Фишер, подключенных к программе.
После выбора уровня значимости нажатием кнопки Вычислить на вкладке Вход запускается процедура вычисления всех предусмотренных характеристик. Первым делом создаются двумерные массивы концентраций и времени Time(i, j) и Сonc(i, j), одномерные массивы температур Temperature(k) и обратных температур ReTemp(k) = 1/(Temperature(k) + 273), k = 1,…, l.
Далее осуществляется переход к относительным величинам концентрации и времени Time_norm(i, j) и Сonc_norm(i, j), делением на максимальные значения. Затем вводятся обобщенные координаты, представляющие трехмерные массивы abscissa(4, 9, 4) и ordinate(4, 9, 4), в которых первый индекс означает порядковый номер закона изменения концентраций от 0 до 4, второй - порядковый номер отсчета времени от 3 до 9, третий - порядковый номер температурного ряда от 1 до 4. Приведем фрагмент программы, в котором осуществляется ввод обобщенных переменных:
If j = 0 Then ordinate (j, i, k) = Conc_norm (i, k): abscissa (j, i, k) = Time_norm (i, k)
If j = 1 Then ordinate (j, i, k) = Math.Log (Rate (i, k)): abscissa (j, i, k) = Math.Log (Conc_norm(i, k))
If j = 2 Then ordinate (j, i, k) = Math.Log (-Math.Log (1 - Conc_norm (i, k))): abscissa(j, i, k) = Math.Log(Time_norm(i, k))
If j = 3 Then ordinate (j, i, k) = Math.Log (1 - Conc_norm (i, k)): abscissa (j, i, k) = Time_norm (i, k)
If j = 4 Then ordinate (j, i, k) = Math.Log (Conc_norm (i, k) / (1 - Conc_norm (i, k))): abscissa (j, i, k) = Time_norm (i, k).
После этого происходит вычисление сумм для метода наименьших квадратов:
Sx (j, k) = Sx (j, k) + abscissa (j, i, k)
Sy (j, k) = Sy (j, k) + ordinate (j, i, k)
Sxy (j, k) = Sxy (j, k) + abscissa (j, i, k) * ordinate (j, i, k)
Sx2 (j, k) = Sx2 (j, k) + Math.Pow (abscissa (j, i, k), 2),
где Sx (j, k), Sy (j, k), Sxy (j, k) и Sx2 (j, k) - суммы абсцисс, ординат, произведений абсцисс на ординаты и квадратов абсцисс соответственно.
Далее в программе рассчитываются свободные члены и угловые коэффициенты регрессий для каждой модели регрессии (каждого из законов изменения концентрации) и при каждой температуре. Константы скоростей ConRat(j,k) для линейной модели (j = 0) равны свободному члену, для степенного закона (j = 1) и уравнения Авраами (j = 2) вычисляются взятием экспоненты от свободного члена, а порядки реакций m(j,k) для этих двух законов равны угловым коэффициентам (строки вторая и третья сверху табл. 1). Константы скоростей для экспоненциального закона (j = 3) и уравнения Праута - Томпкинса (j = 4) равны угловым коэффициентам соответствующих уравнений регрессий (в табл. 1 сверху строки 4 и 5).
Погрешности расчета констант скоростей pK(j,k) и порядков реакции pM(j,k) вычисляются по формулам для расчета коэффициентов регрессии , а погрешность аппроксимации Prec(j, k) рассчитывается по формуле (*). Погрешности расчета констант скоростей pK(j,k) и аппроксимаций Prec(j, k) вычисляются для каждой модели и при каждой температуре. Погрешности порядков реакций pM(j,k) вычисляются для моделей с j = 1, 2.
Вычисление энергий активаций производится по формуле, приведенной в последнем столбце шестой сверху строки табл. 1. В данной модели регрессии переменными являются обратные температуры ReTemp(k) и логарифм константы скорости ConRat(j, k). Из этой формулы следует, что энергия активации равна угловому коэффициенту данной модели, умноженному на универсальную газовую постоянную. Для каждой модели вычисляется одно значение энергии активации. Вычисляется также для каждой модели и погрешность энергии активации pE(j).
Расчет констант скоростей, погрешностей констант скоростей, погрешностей аппроксимаций, а также порядков реакции и их погрешностей приводится на вкладке Кинетика.
На вкладке Зона реакции (см. рис. 1) располагаются результаты автоматизированного отбора: данные о тех зонах и механизмах реакции, которые (по результатам расчета и отбора) имели место при каждой температуре. Сюда входят также значения констант скоростей, погрешностей их вычислений и погрешностей аппроксимаций, и энергий активаций.
Нажатием кнопки Вывод на вкладке Зона реакции происходит вывод данных в таблицу Microsoft Word. Вывод данных осуществляется при помощи отдельной процедуры, которая осуществляет автоматическое форматирование текста и таблицы. В программе предусмотрены вывод и заполнение таблицы для различного количества рядов данных (от двух до четырех).
На рис. 1 в качестве примера показаны результаты расчета реакции фторирования анортозитов гидродифторидом аммония. Из этого рисунка видно, что данная твердофазная реакция при всех температурах протекает в диффузионной зоне, при нижней и средних температурах по уравнению Авраами, а при верхней температуре по экспоненциальному закону. Энергия активации для Авраами равна в данном случае 19,1 кДж/моль, а для экспоненциального закона равна 19,7 кДж/моль. Несмотря на различные механизмы реакции, энергии активации близки и константы скорости монотонно возрастают от 0,004483 мин-1 до 0,017836 мин-1. По-видимому, это связано с тем, что порядки реакции для Авраами оказались близки к 1 и приняли значения 0,86; 0,91; 0,96; 1,09 (см. рис. 2). Из сравнения уравнения Авраами с экспоненциальным законом очевидно, что при порядке, равном 1, уравнение Авраами переходит в экспоненциальный закон.
Рис. 1. Вкладка Кинетика программы Кинетика с результатами расчета на примере реакции фторирования анортозитов гидродифторидом аммония
Рис. 2. Вкладка Кинетика программы Кинетика с результатами расчета на примере реакции фторирования анортозитов гидродифторидом аммония
Таблица 2
Статистическая проверка гипотез об адекватности моделей регрессии и о значимости коэффициентов регрессий по Снедекору - Фишеру и Стьюденту соответственно
В программе осуществляется статистическая проверка гипотез об адекватности регрессионной модели с использованием критерия Снедекора - Фишера и о значимости коэффициентов регрессии по t-критерию Стьюдента (см. табл. 2).
Статистическая проверка показала адекватность моделей с j = 2, 3, 4 при всех температурах. Модели с j = 0 и 1 неадекватны при нижней температуре. Проверка значимости коэффициентов регрессии показала значимость угловых коэффициентов регрессий для моделей с j = 0, 2, 3, 4 при всех температурах, с j = 1 при нижней температуре. Свободные члены значимы только для степенного закона при верхней температуре.
Вернемся к рис. 1. Отобранные по минимуму погрешностей аппроксимаций механизмы, Авраами и экспоненциальный, подвергнем статистическому анализу. Заметим, что константы скоростей для Авраами вычисляются взятием экспоненты от свободного члена, который согласно t-критерию Стьюдента является статистически незначимым при всех температурах. По-видимому, нам следует считать, что механизмом реакции является экспоненциальный закон, в том числе при нижних и средних температурах. Энергия активации, следовательно, будет равна 19,7 кДж/моль при всех температурах, а константы скоростей будут иметь значения 0,003942; 0,005346; 0,007637; 0,017836 (см. рис. 2).
Программа Кинетика для расчета кинетических характеристик опробовалась на расчетах различных реакций в процессе комплексной фторидной переработки алюмосиликатного и силикатного сырья с извлечением полезных продуктов .
Специализированное программное обеспечение для проведения научных исследований, сбора научной (экспериментальной) статистики и осуществления на основе собранных данных специальных научных расчетов не так широко известно. Одним из направлений научных исследований, на котором самым широким образом применяется специализированное научное программное обеспечение, является биоинформатика (Программа Avogadro), затем идут программы для общих математических, статистических и физических расчетов (наиболее часто встречаются STATISTICA, MathCad, MathLab, MATHEMATICA). Третий по количеству программ тип - программы для астрономического моделирования и астрономических расчетов.
Тенденция интеграции компьютерных технологий в учебный процесс сегодня проявляется все сильнее и сильнее, одновременно активно идет разработка программного обеспечения, специально ориентированного на учебный процесс. Программное обеспечение для учебного процесса можно разделить на три основные группы:
□ для взаимодействия;
□ для передачи знаний по определенным предметам;
□ для компьютерного тестирования и тренинга.
Мультимедийные программы
К классу мультимедийного ПО относятся программы, при помощи которых можно создавать, редактировать, сохранять и воспроизводить мультимедийные данные, т. е. данные, содержащие стационарные и движущиеся изображения, звук. К мультимедийному программному обеспечению относится целый ряд очень популярных программ: графические редакторы растровых форматов AdobePhotoshop и GIMP, векторные графические редакторы CorelDraw и CorelXara, программы для создания и редактирования flash-анимации, программы для работы со звуком, и целый ряд проигрывателей мультимедийных форматов, от программ просмотра рисунков до проигрывателей DVD-дисков.
Бухгалтерские программы
Бухгалтерские программы представляют огромный класс приложений. Это могут быть и автономные программные продукты, и программные модули, входящие в информационную систему. Среди отечественных бухгалтерских программ наиболее известна программа 1С: Бухгалтерия, которая включает в себя модули для кадрового учета (1С-кадры), складского учета (1С-склад), планирования финансовой деятельности промышленных предприятий (1С-предприятие) и торговых фирм (1С-торговля). Этот программный продукт является коммерческим.
Среди свободного программного обеспечения тоже есть решение для автоматизации бухгалтерского и экономического учета предприятий (Ananas), которое при грамотном применении может оказаться во многих случаях более целесообразным, чем достаточно дорогая и требующая специального обучения система 1С.
Программы для финансовых расчетов и прогнозирования
Основное назначение таких программ - выполнение финансовых расчетов. Подобные программы могут выполнять следующие функции:
□ разработка бизнес-плана предприятия;
□ проектирование развития бизнеса;
□ анализ финансового состояния предприятия на основе его финансовой отчетности;
□ расчет финансовых показателей;
□ расчет кредитоспособности заемщика;
□ подготовка годового отчета предприятия;
□ сравнение финансового состояния предприятия с компаниями-конкурентами;
□ анализ рентабельности, платежеспособности, ликвидности и финансовой устойчивости;
□ анализ планируемой инвестиционной деятельности.
В качестве примера программного обеспечения такого типа можно привести пакет программ фирмы ExpertSystems: ProjectExpert, AuditExpert и PrimeExpert. Эти программы позволяют производить все упомянутые виды финансового анализа и планирования, оценки рисков и возможностей предприятия.
Программы для технического проектирования
Наиболее известными программами этого класса являются AutodeskAutokad во всех модификациях, позволяющих производить автоматизированное проектирование от механических деталей до химических соединений, и GraphisoftArchiCAD, которая предназначена для архитектурного проектирования.
Кроме этих весьма недешевых программных продуктов есть целая линейка разного рода специализированных программ, как коммерческих, так и свободных.
Программы для бизнеса
Программное обеспечение для бизнеса включает в себя самые разнообразные типы программных пакетов:
□ программное обеспечение управления работой промышленного предприятия;
□ программное обеспечение управления технологическим процессом;
□ специализированное программное обеспечение для отраслей промышленности;
□ специализированное программное обеспечение по видам производств;
□ специализированные информационные системы для видов бизнеса;
□ программное обеспечение для малого бизнеса;
□ программное обеспечение для сетевого бизнеса.
Для предприятий крупного и среднего масштаба стали уже стандартом готовые системы планирования ресурсов (EnterpriseResourcePlanning - ERP). Наиболее известными программными пакетами такого класса являются SAPR/3 от компании SAPAG и OracleeBusinessSuite от компании Oracle. Из российских программных пакетов наибольшее распространение получил пакет Галактика ERP от корпорации Галактика, а также 1С: Предприятие.
RP-системы получили широкое распространение за счет своей модульной структуры, которая позволяет осуществлять гибкое конфигурирование программного продукта под нужды любого предприятия. Например, OracleeBusinessSuite включает в себя подсистемы управления:
□ эффективностью бизнеса;
□ материальными потоками;
□ взаимоотношениями с клиентами;
□ финансами;
□ техобслуживанием и ремонтом;
□ персоналом;
□ производством;
□ проектами;
□ жизненным циклом;
□ логистикой.
ERP-система очень гибкая в настройке, легко адаптируется по месту и может удовлетворить практические любые потребности бизнеса в управлении.
Социальные вызовы развития программного обеспечения. Несвобода человека
Все возрастающая свобода компьютера от программного обеспечения, а иногда от дисковых накопителей и от устройств хранения пользовательской информации, во многом благо: все, что нужно человеку, это компьютерная сеть и возможность подключиться к ней. В сети можно находить программы, возможно, даже операционную систему, в сети лежат документы, отредактировав или переслав их, человек снова сохраняет их в сетевых хранилищах. При этом свобода человека от программного обеспечения обменивается на несвободу в другом отношении. Какова степень конфиденциальности, защищенности, доступности документов?
Приятно заходить в «интеллектуальный виртуальный дом», который во всем соответствует вашим желаниям и старается их предугадать. Но кто может гарантировать, что завтра это также будут ваши желания, а не желания какого-нибудь хакера, взломавшего информационную систему управления вашим «разумным домом»?
Поэтому можно предсказать период долгого и настороженного отношения к некоторым тенденциям развития программного обеспечения, по крайней мере, до тех пор, пока они соответствующим образом и надежно не будут отрегулированы в правовой сфере. В противном случае свобода, даруемая технологиями, может обернуться неожиданным рабством.
Интеллектуальная деградация
Компьютеры становятся все «умнее» за счет все более сложного программного обеспечения. При этом интерфейс программ становится все проще и веселее. Не нужно думать, не нужно напрягаться, сложнейшие технологии, доступные в виде красочных значков и картинок, все сделают за вас: посчитают, оценят, спрогнозируют, подберут супруга, назначат диету. Ответов в Интернете стало гораздо больше, чем вопросов у людей, и это не может не вызывать тревогу. Если человек не тренирует мускулы, он деградирует физически, если человек перестает напрягать свой мыслительный аппарат, он деградирует интеллектуально. Это очень важный вызов, достойно ответить на который может только современная, построенная с расчетом на этот вызов система образования, в том числе система непрерывного образования на протяжении всей жизни.
Вопросы
1. Как можно классифицировать программное обеспечение по степени его взаимодействия с аппаратной частью компьютера?
2. Какие классы программного обеспечения по виду лицензирования вы знаете?
3. В чем разница между свободным, открытым, коммерческим и проприетарным программным обеспечением?
4. В чем разница между переносимым и межплатформенным программным обеспечением?
5. Классифицируйте программное обеспечение по способу его взаимодействия с компьютерной сетью.
6. Что такое опасное программное обеспечение?
7. Что такое переносимое приложение?
8. Перечислите известные вам классы прикладного программного обеспечения.
9. Каковы основные функции текстового процессора?
10. Каким требованиям должна отвечать современная электронная таблица?
11. Какова основная и дополнительная функциональность программы для создания и демонстрации презентаций?
12. Идентичны ли функционально программы, входящие в состав пакетов MicrosoftOffice и OpenOffice.org?
13. Для чего (с перечислением функций) предназначено программное обеспечение управления проектами?
14. Назовите функциональность, важную для современного текстового процессора.
15. Каковы функциональные различия MicrosoftWord и OpenOffice.orgWriter?
16. Перечислите главные функции табличного процессора.
17. В чем состоит дополнительная функциональность табличного процессора?
18. Что такое сводные таблицы, для чего они нужны?
19. Каково назначение и типичная функциональность органайзера?
20. Какие системы электронного документооборота вам известны?
21. Какова базовая функциональность системы электронного документооборота?
22. Создание презентации средствами PowerPoint.
23. Какие программы для работы с сервисами Интернета вам известны?
24. Какие функции выполняет образовательное программное обеспечение?
25. Как создавать документы и электронные таблицы в распространенных «офисных» форматах, не устанавливая на компьютер офисный пакет?
26. Каковы перспективы развития программного обеспечения?
27. Каковы социальные последствия интенсивного взаимодействия человека и современного программного обеспечения?
28. Социальные вызовы развития программного обеспечения
Существует много программ для научной работы. Есть узкоспециализированные, есть общего назначения, есть платные и бесплатные программы. Все они, так или иначе, должны помочь обработать данные и построить графики.
Программа широкого профиля позволяет экспортировать данные из ASCII-файлов (txt или dat), провести манипуляции с данными, построить график, провести сглаживание, аппроксимировать данные функцией пользователя или стандартными функциями и многое другое. Самое важное, чтобы программой было удобно пользоваться, и графики были пригодными дл публикации.
Стандартом де-факто для построения научной графики является Origin, да и как ни странно Excel. Хотя Excel и плохо строит графики, и работа с графикой у него оставляет желать лучшего, иногда в нем очень удобно работать. Здесь также можно упомянуть менее известные платные программы SigmaPlot, Grapher, Kaleidagraph, IgorPro и конечно самого большого монстра TechPlot. Эти программы дорогие или очень дорогие. Возникает вопрос, а можно ли их заменить бесплатными аналогами? Целиком и полностью – нет. Хотя основные функции, которые используют обычные ученые и студенты – запросто. Чтобы убрать эффект красных глаз совершенно необязательно использовать Photoshop: можно же использовать бесплатный Xnview. Так и в мире научных программ. Замена – есть. И всегда можно найти программу, которая выполнит нужные вам операции.
Как было сказано выше, есть программы широкого профиля, и они в какой-то мере являются аналогами Origin. Есть программы узкоспециализированные: они предназначены для аппроксимации данных функциями пользователя или стандартными; для оцифровки данных из напечатанного графика в журнале или старого графика с графопостроителя. Речь ниже пойдет именно об этих программах.
Программы для замены Origin:
Программы для аппроксимации данных функциями пользователя или стандартными:
PeakFit
Fityk 0.9.2
Программы для оцифровки графиков:
GetData (бесплатно для бывшего СССР)
Есть отдельный класс программ, который использует “командную строку”:
