Geum.ru

Разработка системы компьютерного моделирования с участием студенческих исследовательских групп

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ С УЧАСТИЕМ СТУДЕНЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ГРУПП


Тетерин С.А., Воронова Л.И.


Курганский Государственный Университет

Российский государственный гуманитарный университет, г.Москва


Создание новых металлических материалов с заранее заданными свойствами – одно из современных приоритетных направлений научных исследований. В настоящее время, наряду с эмпирическими способами изучения свойств и характеристик материалов, в физической химии широко применяется компьютерное моделирование.

В рамках научной группы, в состав которой входят преподаватели, аспиранты и студенты КГУ и РГГУ разрабатывается информационно-исследовательская система (ИИС) «Шлаковые расплавы».

ИИС «Шлаковые расплавы» это совокупность информации, физико-химических и математических методов и моделей, технических, программных, других технологических средств и специалистов, предназначенная для генерирования специализированной научной информации, ее обработки и принятия на ее основе прогнозных решений.

ИИС обеспечивает реализацию комплексных компьютерных экспериментов для моделей многокомпонентных шлаковых расплавов большой размерности (104-105 частиц) в широкой предметной области, хранение, автоматизацию обработки и аналитическое исследование их результатов.

В рамках единой интегрированной среды распределенной ИИС реализуются компьютерные эксперименты квантово-химическим, молекулярно-динамическим и статистико-геометрическим методом на основе комплексной модели многочастичной системы с сильным взаимодействием.

Созданная на базе новых информационных технологий (СORBA, WEB, XML) ИИС использующая комбинирование и распределение имеющихся информационно-вычислительных и телекоммуникационных ресурсов (набор ПК и низкоскоростные каналы связи), позволяет решить ряд актуальных задач:
  • предоставить широкому кругу специалистов в области физической химии, металлургии и компьютерного материаловедения оперативный доступ через INTERNET к ресурсам ИИС, реализации и результатам КЭ;
  • автоматизировать и интенсифицировать интеллектуальную деятельность исследователя;
  • моделировать системы большой размерности (порядка десятков тысяч модельных частиц) используя технологии высокопроизводительных вычислений (распараллеливание вычислений и распределение ресурсов на базе технологии CORBA).
  • значительно увеличить эффективность, адекватность и надежность прогнозных многопараметрических КЭ;
  • обеспечить надежность хранения экспериментальной информации в структурированной форме в системе баз данных

В процесс разработки системы активно вовлекаются студенты. Для студентов это опыт практической работы в создании сложной модульной системы, расширения кругозора в области новых компьютерных технологий, повышение творческого потенциала.

Студенты, входящие в состав научной группы участвуют в этой работе с большим энтузиазмом. Их знания совершенствуются не только в области информатики, но и в математике, в физике, химии. Студенты становятся более мобильными в освоении профессиональных навыков и знаний, обладая высоким уровнем учебно-познавательной активности, успешно защищают дипломы и поступают в аспирантуру.

Работа со студентами начинается с третьего курса и проводится поэтапно.

1 этап: информирование студентов о возможности участия в научном проекте по разработке информационной системы, демонстрация существующих наработок, постановка задач по разработке модулей системы.

2 этап: изучение предметной области: студенты получают сведения о применении компьютерного моделирования для проведения фундаментальных исследований в области физической химии, знакомство с основными пакетами программ.

3 этап: под руководством аспирантов, выступающих в роли научных руководителей, студенты самостоятельно изучают новые информационные технологии, в частности: СORBA, XML, Java и т.д.

4 этап: в рамках курсовых и дипломных работ студенты проектируют и разрабатывают отдельные модули ИИС.

5 этап: Интеграция приложения в ИИС, отладка, тестирование. Защита курсовой или дипломной работы включающей описание реализации модуля.

При участии студентов были созданы несколько модулей, в частности подсистема молекулярно-динамического моделирования, подсистема статистико-геометрического моделирования, база данных полианионных комплексов на основе квантово-химических экспериментов [1-4] и т.д. Одна из последних разработок – реализация удаленного доступа к результатам моделирования через Интернет.

ИИС построена по принципу модульной архитектуры. Внутри системы модули обмениваются информацией в формате XML, обеспечивая, таким образом, легкость конфигурирования и настройки.

Проблема удаленного доступа, извлечения данных из базы данных и их динамической публикации была решена путем интеграции в систему сервлета Cocoon 2.0.

Cocoon 2.0 это расширение веб-сервера (Apache), основанное на концепции разделения программного кода, средств визуализации и содержания данных. Cocoon основан на концепции конвейерной обработки данных, весь процесс от получения исходных данных до их отображения в окне браузера клиента разбит на отдельные части.

Каждый процесс обработки и создания html страницы начинается с генератора данных, содержит процессор преобразования данных и заканчивается генератором представлений

Генератор данных -является начальной точкой любого конвейера обработки xml документов. Источником данных для генератора может выступать база данных, поток xml данных, xml файл и.т.д.

Процессор преобразования- задачей процессора преобразований является обработка входящих SAX событий и генерация выходных SAX событий согласно схеме обработки.

Генератор представлений- конечная точка конвейерной обработки xml документов. Задачей генератора представлений является преобразование SAX событий в бинарный либо символьный поток для конечного представления данных на стороне клиента.

Управление логикой работы системы «Шлаковые расплавы» осуществляется через код встроенный в динамические страницы сайта. Пользователь задает условия моделирования, контролирует запуск и работу подсистемы компьютерного моделирования. Для анализа результатов пользователь может просматривать данные в табличном виде, в графическом и изучать систему в трехмерной модели (рис 1).





а) б)

Рис.1 а) Трехмерная модель моделируемой системы.

б) увеличенный элементарный комплекс.

Работа студентов получила высокую оценку Министерства Образования РФ. По итогам конкурса на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации в 2004 году работа студента Судникова А.В. «Распределенный компьютерный эксперимент в физической химии оксидных расплавов» по разделу “Новые информационные технологии” награждена медалью Минобразования (Приказ N1190 от 09.03.2004 г.)

По итогам работы научной группы получены два Свидетельства об отраслевой регистрации разработки, в которых студенты входят в состав авторского коллектива. Одна из студенческих работ получила диплом на IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов ЭКСПО-НАУКА 2003 (ESI 2003), Москва, ВВЦ, 12-18 июля. Ряд результатов по разработке ИИС отражен в публикациях во внешних изданиях, в соавторстве со студентами. В общей сложности опубликовано более двадцати научных работ. Студенты, наряду с аспирантами и преподавателями участвуют в грантах, получаемых научной группой, в том числе Фонда РФФИ.

Как правило, студенты, активно работавшие в составе научной группы, после окончания вуза поступают в аспирантуру и успешно защищают кандидатские диссертации.
  1. Воронова Л.И., Воронов В.И., Рыжов Н.А., Гусев А.И., Тен Э.А., Судников А.В. «Подсистема статистико-геометрического моделирования информационно-исследовательской системы «Шлаковые расплавы». Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 2496. Зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ 7.04.2003. Государственный координационный центр информационных технологий. Министерство образования Российской Федерации.
  2. Воронова Л.И., Рыжов Н.А, Воронов В.И., Тен Э.А., Гусев А.И., Тетерин С.А., Судников А.В., Середа Д.В., Трофимова Л.А. «Подсистема распределенного молекулярно-динамического моделирования информационно-исследовательской системы "Шлаковые расплавы». Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 3158. Зарегистрировано в Отраслевом фонде алгоритмов и программ 04.02.2004
  3. Рыжов Н.А. ,Тетерин С.А, Середа Д.В., Использование XML для интеграции приложений и реляционных СУБД. Сб.научн. трудов «Математическое моделирование: естественно-научные, технические и гуманитарные приложения». СПб: ЛГУ им.А.С.Пушкина, 2004, с.117-119.
  4. Гусев А.И., Тен Э.А., Рыжов Н.А., Воронов В.И. Подсистема распределенного молекулярно-динамического моделирования информационно-исследовательской системы "Slag Melt" Труды Российской конференции «Высокопроизводительные вычисления и технологии» (ВВТ-2003), г. Ижевск, изд-во УдГУ, 2003 г., с.82- 87