Виртуализация и программное моделирование задач исследований в условиях технических лабораторий ВУЗов
21 мая 2008
Рубрика: Статьи, присланные на конкурс.
Автор: Василий Федотов.

Бурное развитие НТР привело к смене нескольких этапов развития науки техники за современный период. Сегодня развитие цифровых и информационных технологий практически подвело человечество к стадии перехода в постиндустриальное общество, где основная часть человеческого потенциала сосредоточена в области управления информацией, а меньшая часть занята в области промышленно-индустриального труда (физический и механический труд).

В области машиностроения, телекоммуникаций и приборостроения эти процессы выражаются в виде перехода к все более автономным и программно управляемым техническим устройствам. При этом происходит унификация точек входа и управления для различного вида техники, а именно происходит становление единой цифро-программной платформы, которая по общим схемам и протоколам может взаимодействовать с совершенно различным оборудованием. Такой платформой является современная вычислительная микропроцессорная техника, построенная на основе достижений интегральной технологии и программное обеспечение, в котором также наблюдается развитие и тенденции унификации на основе базисных уровней.

Как иллюстрацию к вышесказанному необходимо представить себе, к примеру, некое современное предприятие, где используются различное промышленное оборудование, средства связи, транспортные средства, системы физической защиты территории и помещений, противо-чрезвычайные системы, а также системы технологического, финансового и кадрового учета. Существующие информационные технологии позволяют с различной степенью автоматизировать все виды перечисленных процессов и сосредоточить их под единым программным управлением на основе хранилищ данных. Это в свою очередь приводит к тому, что небольшая группа людей осуществляет управление различными системами, находясь за идентичными пунктами управления (мониторами, консолями и т.д.). Основной задачей такого специалиста ставится не только умение понимать физическую суть проводимого процесса, но и его виртуальное программное отображение.

В области фундаментальных и прикладных исследований также наблюдается усложнение методов и принципов изучения все более «тонких» и сложных технологий. Уже давно очень многие физические структуры и процессы не удаются наблюдать даже вооруженным глазом. Здесь также происходит широкое внедрение информационно-вычислительных систем, с помощью которых можно смоделировать визуальную модель поведения по изученному математическому алгоритму процесса. Далее, отталкиваясь от программной имитации, современный подход к информационным системам позволяет идти дальше и начать проведение дальнейших исследований уже на основе программной модели. Это существенно сокращает время, финансовые и человеческие ресурсы по сравнению с проведением исследования на реальных физических структурах.

В целом, для обоих случаев оценка сходятся, что автоматизация и информатизация полезна для данных областей. Однако для области исследований существует два разно-полюсных мнения:
1. Необходимо дальнейшее совершенствование информационно-вычислительной базы для ускорения проведения исследований и повешения точности результатов, а также для виртуального моделирования всего комплекса исследований для будущих еще боле сложных разработок;
2. Следует применять информационно-вычислительные возможности только ускорения проведения исследований и повешения точности результатов, но без переноса дальнейших задач в область виртуального моделирования т.к. любая модель не способна учитывает все факторы влияния на процесс, а также не дает возможности подготовки специалистов с практическими навыками.

Рассмотрим все «за» и «против» на поставленные вопросы обучения технических специалистов ВУЗов на примере технической лаборатории кафедры АФУ (антенно-фидерные устройства) ТУИТ (Ташкентский Университет Информационных Технологий).

Проблемы исследований в условиях технической учебной лаборатории АФУ

Для проектирования, наладки и обслуживания существующих технических систем радиосвязи требуются высококвалифицированные специалисты, которых должны готовить кафедры АФУ в ВУЗах. При этом необходимо подготовить не просто специалистов по конкретной технической дисциплине, а современных специалистов умеющих работать еще и с информационными системами управления и представления.

Каковы проблемы, возникающие перед ВУЗами и кафедрами АФУ, где проводится учебный процесс?

Теоретический фундамент курса СВЧ основывается на огромном, очень сложном и тяжело усваиваемом материале, связанным со сложным математическим аппаратом. Поэтому значительная часть курса студентами должна восприниматься в абстрактном виде (в виде рисунков, схем, графиков, силовых линий, различных структур полей, которые можно только рассчитать и представить в общем виде) и, следовательно, основное внимание уделяется теоретической части курса. Помимо этого обязательно в учебный процесс должен быть включен цикл практических и лабораторных исследований, которые позволят на практике доказать существование физических процессов, рассчитанных ранее теоретически.

Таким образом, к лабораторным занятиям должны предъявляться требования ничуть не ниже, чем к лекционным (а может быть и выше), в связи, с чем их главными задачами являются:
1. Обеспечение принципа наглядного обучения технических специалистов, который невозможен без изучения и знакомства с работой различного технического оборудования. От него ни в коем случае нельзя отойти или заменить на какие-либо другие формы обучения в полном объеме;
2. Необходимо обеспечить практическое усвоение сложного теоретического материала путем самостоятельного расчета предварительных параметров и их последующего подтверждения в ходе выполнения эксперимента.

Для обеспечения этих условий техническая лаборатория должна иметь все необходимые инструменты и совершенную техническую базу, а также квалифицированный обслуживающий персонал. Необходимо также внедрять действующие макеты установок современных технических устройств нового поколения и модернизировать имеющиеся.

Однако это, конечно, идеальные условия, которые на практике реализовать довольно затруднительно и проблематично для любой учебной технической лаборатории. Такое положение приводит к тому, что практические исследования, становится затруднительно проводить с необходимой эффективностью и точностью. Это связано со многими причинами, среди которых можно выделить следующие:
1. Физическое и моральное старение генерируемой, приемной, исследуемой и измерительной базы лабораторий АФУ университета, которые со временем теряют свою эффективность и точность;
2. Важной особенностью является зависимость результатов измерений от конструкции лабораторной установки. Свойства электромагнитной волны СВЧ (сверх высокие частоты) диапазона заключается в том, что длина волны, выдаваемая генератором меньше размеров элементов волноводных трактов. Поле и его структура внутри линии сильно зависит от ее конструктивных особенностей. Это означает, что малейшая неоднородность внутри линии, ненадежность крепления элементов тракта и т.п. приводит к резким изменениям полученных результатов. Таким образом, лабораторный макет любой СВЧ установки сильно подвержен различным воздействиям, даже иногда на первый взгляд незаметным;
3. Высокая зависимость результатов от методов исследований. На исследуемый элемент влияет окружающая магнитная и электрическая среды. Все это ведет к тому, что результаты измерений искажаются. Конечно, в идеальном случае было бы правильно поместить лабораторную установку в абсолютно замкнутом пространстве, изолированном от перечисленных факторов влияния. Однако реализовать это в условиях учебной лаборатории, довольно затруднительно, тем более необходимо учесть фактор присутствия и влияния самого исследователя.

В итоге, перечисленные особенности работы технической лаборатории приводят к таким явлениям при проведении образовательного процесса как:
1. Взаимное влияние различных устройств друг на друга при работе, связанное с близостью их расположения;
2. Искажение результатов измерений в связи со старением и несовершенством конструкции макетов установок и приборов;
3. Воздействие человека на исследуемый процесс, что искажает результаты измерений, и они становятся недостоверными;
4. Вредное воздействие существующих факторов влияния на самого исследователя (облучение, травмы).

Итак, мы показали основные особенности учебных исследований СВЧ устройств в условиях лаборатории, и связанные с ними проблемы. Далее рассмотрим возможности виртуализации исследований физических процессов в трактах СВЧ диапазона.

Постановка задачи реализации виртуального учебного процесса

Сегодня слово «виртуальность» стало обыденным, и используется в таких понятиях как — «виртуальные библиотеки», «виртуальные университеты», «виртуальные книги и каталоги», «виртуальные магазины и площадки» и «виртуальные лаборатории». На самом же деле под ним скрывается не такой загадочный смысл как может показаться. «Виртуальность» означает отображение процесса не в привычном до этого момента виде, что вызывает ощущение его отсутствия, т.е. он проходит не в реальности, а в выдуманной (виртуальной) реальности. При этом о виртуальной реальности можно говорить только в случае современной компьютерной техники, которая, бурно развиваясь, широким фронтом охватывает все сферы деятельности человека и пытается предоставить ему все больше новых возможностей. С этой точки зрения, как ни странно звучит, смысл слова виртуальность не такой уж и новый. Варианты ненастоящего, упрощенного отображения явлений существовали давно и назывались экспериментом или моделированием.

Таким образом, виртуальной лабораторией можно назвать любую действующую техническую учебную лабораторию, где проводятся эксперименты с физическими процессами. Однако в связи со сказанным необходимо уточнить, что под понятием виртуальная лаборатория далее будет иметься в виду техническая лаборатория, оснащенная виртуальными макетами, т.е. исполненными в программном виде и расположенными на компьютере, с помощью которого и будет проводиться лабораторный эксперимент.

Можно задаться вопросом, зачем это нужно?
1. Это обусловлено необходимостью автоматизации процессов экспериментальных исследований и испытаний, что позволит повысить точность измерений и провести проверку результатов при сравнении с показателями снятыми с использованием действующего лабораторного макета. Причем этот процесс может быть и обратным, а именно если произвольно выбранные данные в программном эксперименте дали интересный результат следует их проверить, повторив на конструктивной основе.
2. Высокие требования к современному специалисту должны отражаться в повышении уровня образовательного процесса, что выражается в его модернизации с использованием новых технологий донесения знаний, которыми являются современные технологии компьютерных программ.
3. Необходимо научить специалиста работать и управлять процессом, используя программное обеспечение и принцип графического олицетворения, т.к. именно с такими системами в реальности ему придется сталкиваться в своей производственной практике.

Из этого следует, что все существующее программное обеспечение, которое можно отнести к категории виртуальных лабораторий делится на два типа: направленные на процесс обучения и ориентированные на исследовательскую деятельность.

Программы, которые предназначены для исследований в рамках конкретной лаборатории ВУЗа — это программы, оказывающие помощь инженерам-конструкторам, исследователям и научным работникам. Такая виртуальная лаборатория может существенно помочь в поиске и разработке новых схемных решений, протестировать проектируемое устройство, которого ещё не существует в реальности. Помимо этого с помощью таких программ можно проводить компьютерные расчеты для курсового и дипломного проектирования, что снижает время на проведение однотипных, повторяющихся расчетов или цикла конструктивных испытаний. Для данной категории программ очень важна приближенность модели к реальности, точность исполнения, а главное, максимально возможная полнота воспроизведения.

Однако можно создать виртуальную лабораторию, специально предназначенную для процесса обучения. Тогда важно не только смоделировать всевозможные физические процессы, представляющие интерес для решения определённого круга задач из различных областей знаний, но и представить эти процессы обучаемым. От того, насколько точно и грамотно будет преподнесён материал, зависит, как будут представлять себе происходящие процессы учащиеся. Как и в первом случае явления должны быть представлены точно, такими, какие они существуют в реальности.

При этом необходимо добиваться максимального эффекта от процесса обучения, а значит, материал должен представляться в наглядной, легко усваиваемой форме, следует избегать излишней детализации, плавно переходить от общего к частному. Объём всего курса по какой-либо дисциплине обычно велик, и необходимо тщательно продумать способ разделения лабораторного практикума на отдельные этапы.

Итак, можно выделить основные критерии при построении виртуальной учебной лаборатории:
• Реалистичность отображения явлений и процессов;
• Наглядная и понятная форма для представления обучаемым;
• Поэтапность предоставления материала;
• Обновляемость модулей;
• Контроль качества проведения исследования и хранение результатов.

Определим условия, которые должен обеспечивать виртуальный компьютерный макет.
Как уже отмечалось, многие процессы можно смоделировать различными способами, но необходимо выбрать наиболее эффективный и достоверный с точки зрения полученных результатов. Сложность и многообразие процессов функционирования реальных систем не позволяет строить для них абсолютно адекватные математические модели. Математическая модель, описывающая формальный процесс функционирования системы, в состоянии охватить только основные закономерности, оставляя в стороне несущественные второстепенные факторы.

В связи с этим постановка задачи виртуальных исследований физических процессов должна иметь многоуровневую структуру и четкость определения основных характеристик в ходе виртуального исследования.

На первом этапе исследований, поскольку они моделируются на компьютере, необходимо ознакомить студентов с физическими процессами, происходящими внутри элементов тракта. Очень важным с этой точки зрения является моделирование возбуждения и распространения основной волны в направляющей системе. Здесь необходимо рассмотреть такие моменты как: структура поля, которая строится из силовых линий; расчет пределов одноволнового режима; расчет критической частоты и основных параметров волны. Следующим этапом исследований должно являться рассмотрение процесса распространения волны по замедляющей структуре — диэлектрическому волноводу.

Следующим этапом исследований должно являться рассмотрение процесса влияния или изменения исследуемого объекта по заложенным соответствующим математическим моделям. При помощи математического виртуального моделирования практически неограниченны варианты задания и число комбинаций исходных параметров. Можно задать любое количество исходных материалов или условий, причем возможно реализация ввода любого размера, типа или количества материала.

Последним этапом виртуальной лабораторной работы является задача определения направленных свойств диэлектрической антенны. Результат может быть представлен в числовом, текстовом или графическом виде, или же всеми способами одновременно. В этом случае получается несколько идеализированный результат, т.к. полностью отсутствуют внешние воздействия, влияющие на исследование. В связи с этим для более реалистичных результатов потребуется внести некоторую погрешность измерений.

Возможно совмещение в одной программе функции теоретического исследования и виртуального обучающего макета. Для режима исследования антенн должно быть возможно в реальном времени при изменении одного или несколько параметров наблюдать изменение графического отображения ДН (диаграммы направленности) на экране монитора. Для режима виртуального обучающего макета наоборот, следует использовать поэтапность проведения предварительных расчетов на основе заданных индивидуальных значений, и последующее конечное отображение результата как показатель верности проведенной работы со стороны учащегося.

Задача обучения студентов методам определения направленных свойств диэлектрической антенны стоит несколько особняком, т.к. такие исследования характерны только для радио устройств и, по сути, здесь учитывается процесс распространения волн в пространстве между источником сигнала и приемной антенной. Задача таких исследований должна быть поставлена корректно для получения правдоподобных результатов, поскольку в конечном итоге смысл всей виртуальной работы заключается именно в этом.

Наконец, после определения всего круга задач, необходимо рационально скомпоновать все ее отдельные структуры в единое целое. Делать это следует так, чтобы исследования проводились с наибольшим приближением к реальным условиям, хотя понятно, что любая виртуальная установка ни в коей мере не может заменить реально действующую, но приблизиться с некоторой степенью к этому можно и нужно. Виртуальный макет, создаваемый на основе лабораторной установки или исследуемой технологии, должен моделировать ход выполнения реальной лабораторной работы и обеспечивать измерение всех необходимых характеристик диэлектрической антенны в ходе проведения испытания.

Практическая реализация моделирования на примере макета установки диэлектрической стержневой антенны

Кафедрой АФУ ТУИТ была поставлена задача разработать и внедрить виртуальный макет на основе лабораторной установки диэлектрической стержневой антенны.
Реальная лабораторная установка схематически выглядит следующим образом:

pic

где 1 – генератор сантиметрового диапазона волн;
2 – прямоугольный волновод;
3 – рупорная антенна;
4 – исследуемая диэлектрическая антенна;
5 – аттенюатор волноводный калиброванный;
6 – детекторная секция;
7 – коаксиальный кабель;
8 – измерительный прибор.

Было решено разработать систему, выполняющую все рассмотренные выше возможности;
1. Математическое и физическое моделирование процесса исследования и получения результатов измерений;
2. Интерактивное обучение с пошаговым выполнением и предоставлением материала;
3. Возможностью профессионального исследования в режиме ввода произвольных значений и моментальное наблюдение результата.

Помимо этого в функции программы были включены такие как:
1. Установка/снятие пароля на выход и выбор варианта задания;
2. Режим включения/выключения записи последовательного лога всех выполняемых действий и их результативности;
3. Режим включения/выключения функции, определяющей уровень отображения окон программы на экране монитора по отношению к другим программам (не дает возможность перейти на другую программу пока запущена данная);
4. Функция блокировки принудительного несанкционированного снятия программы в любой ОС;

Обобщенный алгоритм программы можно представить как:

pic

При реализации проект также были созданы сопроводительные материалы;
• Новое методическое пособие для учащихся по выполнению виртуальной лабораторной работы;
• Инструкция по настройке и обслуживанию ПО работниками лаборатории;
• Программа автоматической установки и удаления данного продукта с ПК.

При испытаниях программы в ТУИТ было показано, что система способна обеспечить довольно высокое число вариантов заданий. Это позволяет использовать ее в достаточно большом компьютерном классе одновременно на всех ПК. Установка задания может быть произведена до начала занятий и с этого момента программа находится в режиме ожидания учащегося. Дополнительные функции программы не позволят студентам самовольно выйти из программы, сменить задание, отвлечься на другую программу или сфальсифицировать данные в своей лабораторной тетради. В каждом окне предварительного расчета предоставляется весь спектр необходимой информации (параметры определенные заданием, ранее уже рассчитанные параметры, иллюстрации, схемы и графики) с тем, чтобы учащийся смог успешно произвести заданный этап расчета. В помощь предоставляется калькулятор, результат расчета в котором автоматически подставляется требуемое поле. На каждом этапе расчета производится проверка значений, и программа не даст перейти в следующее окно пока значения не будут рассчитаны правильно.

Решение об оценке выполненной работы принимает преподаватель на основе записей студента и показаний ЛОГ файла, где указаны все заданные заранее и полученные в ходе выполнения работы данные (Ф.И.О., номер группы, вариант задания, промежуточные величины, итоговый расчет ХН (характеристика направленности антенны) и ДН (диаграмма направленности антенны). При этом в ЛОГ файл записывается информация обо всех ошибках, сделанных во время проведения предварительного расчета, что также должно быть учтено при определении оценки.

В режиме исследовательской работы система предоставляет возможность обойти этапы предварительного расчета для жестко заданных условий, и сразу перейти в окно расчета ХН и отображения ДН. Такой режим предназначен для исследователей характеристик диэлектрической антенны. Осуществляется это с помощью возможности производить изменение всех предварительных величин прямо в том же окне где, рассчитывается ХН и отображается ДН. После каждого изменения параметров моментально изменяются ХН и ДН. Таким образом, можно, произвольно подбирая характеристики, получить оптимальную ДН, а в случаи необходимости зафиксировать цифры ХН в ЛОГ файл. Далее, на основе полученных данных и для их подтверждения, возможно реализовывать реальную физическую установку с заданными размерами волноводов и входными параметрами.

pic
Окно расчета ХН и отображения ДН

Заключение

В завершении хотелось бы сказать о том, что виртуальные лабораторные работы это не просто дань моде, а огромная необходимость, позволяющая в значительной мере облегчить и оптимизировать учебный процесс на специфических кафедрах технических ВУЗов. С их помощью можно добиться не только точного воспроизведения физического процесса, описанного формулами электродинамики, но и реалистичности проведения исследования. Помимо этого виртуальная лабораторная работа способна нести учебно-методическую функцию и служить для студентов электронным пособием, значительно повышая эффективность учебного процесса.

Отвечая на поставленный выше вопрос о двух мнениях, не правильно производить противопоставление реального исследования и виртуального. Оба этих направления должны и могут существовать одновременно и равноправно, помогая решать проблемные вопросы, возникающие при противном способе, и находя в итоге общее оптимальное решение. Это значит, что при проведении лабораторных учебных занятий реальный физический эксперимент желательно проводить совместно с виртуальным моделированием на компьютере, для демонстрации эталонных теоретических принципов. И на оборот, виртуально исследовав невозможные для существующего оборудования характеристики обобщить результат так, как будто было произведено исследование на реальном оборудовании.

Автор: Федотов Василий Александрович, ИВЦ филиала ТШТТ АК «Узбектелеком», инженер программист в гр. администрирования БД.

Информация о конкурсе http://infocom.uz/more.php?id=3385_0_1_0_M

Orphus system
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте