Историю использования компьютеров для инженерно-технических и конструкторских расчетов условно можно разбить на три исторических этапа:
r работа с машинными кодами;
r программирование на языках высокого уровня;
r использование математических пакетов типа Mathcad, Maple, MATLAB, Mathematica, MuPAD, Derive и др.
Примечание
В список пакетов не попали электронные таблицы Excel, которые по-прежнему остаются самым популярным средством ведения расчетов на компьютере. Пакет Mathcad, кстати, перенял многие полезные качества электронных таблиц, избежав при этом некоторых их недостатков. Пакет Excel занимает промежуточную позицию между языками программирования и математическими программами.
Четких границ между перечисленными этапами (информационными технологиями) нет. Работая, например, в среде Mathcad, можно при необходимости вызывать собственные функции, написанные на языке C, в код которых вкраплены фрагменты ассемблера. Машинные коды, кстати, остались в программируемых калькуляторах, которые по-прежнему широко используются в научно-технических расчетах. Здесь скорее следует говорить не о неких изолированных этапах развития средств решения задач, а о тенденции, которая, в частности, приводит к резкому сокращению времени создания и реализации на компьютере расчетных методик и математических моделей, к исключению программиста как дополнительного звена между исследователем и компьютером, к повышению открытости самих расчетов, когда можно видеть не только результат, но и все формулы и промежуточные данные.
Кроме того, здесь необходимо отметить еще один важный аспект проблемы "исследователь — программист" ("человек — компьютер"). Языки программирования не терпят "дилетантства" со стороны исследователя. Это означает, что программирование требует от человека максимальной отдачи, что часто влечет за собой частичную или даже полную потерю квалификации в основной специальности, "подсаживание на иглу" компьютера. Математические же пакеты, в особенности Mathcad, не вызывают у человека такого "болезненного привыкания". Можно не работать с Mathcad полгода, год, но основные навыки общения с этим пакетом не утеряются и, если потребуется, то возникшая задача тут же будет быстро и качественно решена, без привлечения сторонних программистов. С другой стороны, можно привести ряд примеров, когда специалисты-некомпьютерщики становились высококлассными компьютерщиками, создающими успешные программные продукты не только прикладного, но и общекомпьютерного (системного) характера.
Можно также выделить три исторических этапа в режимах использования компьютеров для решения научно-технических задач:
r пакетный режим, когда одна ЭВМ (знаменитая БЭСМ-6, например, установленная в вычислительном центре) обслуживала многих пользователей, которые подносили к ней свои задачи, записанные в пакете перфокарт и на прочих уже забытых (бумажных) носителях информации;
r режим (времена) персональных компьютеров;
r режим глобальной и локальных (корпоративных, университетских и прочих) сетей, который по своей сути возвращает нас к пакетному режиму, но на ином, более качественном уровне; исходные данные и результаты расчетов передаются уже не на бумаге, а в электронном виде по Сети. Сами же расчеты при необходимости могут быть распараллелены (кластерные, распределенные расчеты и т. д.).
Пакет Mathcad вслед за электронными таблицами создавался как программное средство, альтернативное традиционным языкам программирования. Многие специалисты в конкретных областях знания (физика, химия, биология, машиностроение и т. д.), а также некоторые школьники и студенты не могли эффективно использовать компьютер из-за трудностей в освоении языков программирования. Или просто времени не хватало (его было жалко) на эту дополнительную учебу. Пакет Mathcad позволяет решать широкий круг научных, инженерно-технических и учебных задач без обращения к традиционному программированию.
В настоящее время ситуация несколько изменилась в том плане, что многие студенты, приступая к изучению своей будущей профильной специальности, как правило, знают один из языков программирования и готовы решать свои задачи с помощью уже изученных программных средств. В этой ситуации пакет Mathcad становится как бы лишним. Но у Mathcad есть еще ряд свойств, позволяющих ему не только "выжить", но и завоевать новых поклонников даже среди асов программирования.
Дело в том, что работа с пакетом Mathcad в несколько раз (на
порядок) ускоряет процесс постановки и решения задачи. Такой же рывок
наблюдался, когда переходили от работы в машинных кодах к работе с языками
программирования высокого уровня (Fortran, Pascal,
BASIC, C и т. д.). Кроме того,
повторяем, при переходе от работы с этими языками к работе в среде Mathcad
между специалистом и компьютером не возникает лишнего звена в образе программиста.
Еще один важный аспект перехода к расчетам на Mathcad. В настоящее время наблюдается некий кризис, связанный с тем, что из различных инженерных и проектных фирм уходят на пенсию или вообще, увы, из жизни люди, создававшие 20-30 лет назад программы для различных расчетов. Новая же смена по этим программам считать могут (хотя не всегда – иногда новые компьютеры отказываются запускать старые файлы), но модернизировать или расширить их – нет, так как эти программы представляют собой либо exe-файлы, либо электронные таблицы, разобраться в которых невозможно. Mathcad- же документы открыты для изучения, расширения и модернизации.
Но даже если работающий на компьютере достаточно хорошо знаком с языками программирования, стоит использовать Mathcad хотя бы на стадии становления и отладки математической модели. Автор данной книги руководит коллективом разработчиков, создавшим и довольно успешно продвигающим на рынке пакет программ WaterSteamProÔ (www.wsp.ru), предназначенный для расчета теплофизических свойств теплоносителей электростанций, систем теплоснабжения городов и поселков. Окончательный вариант пакета был написан и откомпилирован на языке Visual C++, но без предварительного анализа формул и алгоритмов в среде Mathcad с его удобными средствами визуализации чисел и формул ничего бы из этого проекта не вы вышло.
"Нет роз без шипов". Главный недостаток математических пакетов состоял в том, что они, как правило, не могли генерировать исполняемые файлы, которые можно запускать без программы-прародительницы. Это, в частности, существенно мешало такому прогрессивному явлению, как разделение сидящих за компьютером на пользователей и разработчиков. Люди, работающие с математическими пакетами — с тем же Mathcad, как правило, вели "натуральное хозяйство" — разрабатывали расчетные методики сугубо для личного употребления либо для узкого круга коллег, умеющих работать с Mathcad. Передать свои наработки можно было только тому, у кого на компьютере стоит Mathcad. А этот человек покупать файл не будет, а постарается (норовит, как скажет потенциальный продавец) воссоздать нужный расчет сам. Речь идет, конечно, о небольших расчетных программах, где время их создания и отладки сопоставимо со временем поиска их готового варианта, установки на компьютер и освоения новой программы. Но и объемные расчеты с трудом пробивают себе путь на рынке, т. к. собственный расчет всегда можно расширить и модернизировать, чего не скажешь о чужих программах. Здесь можно провести аналогию с другой, уже "внутриматкадовской" проблемой. Иногда бывает проще самому создать пользовательскую функцию, чем искать ее готовый вариант в дебрях встроенных функций Mathcad.
Передать же (продать) файл тому, кто не знаком с пакетом Mathcad и не имеет его на компьютере, можно было только с большой нагрузкой — с условием установки на компьютере самого пакета Mathcad нужной версии и изучения хоты бы азов этой программы, что часто влечет за собой необходимость обновления не только операционной системы Windows, но и аппаратного обеспечения или даже покупки нового компьютера. Да и поучиться обращаться c Mathcad, повторяем, тоже необходимо...
Фирма Mathsoft Engineering & Education, Inc., которая в 2006 году была приобретена фирмой PTC — новым владельцем пакета Mathcad — предпринимала ряд действий для исправления этого ненормального положения.
Во-первых, была попытка запуска с очередным (восьмым, если быть точным) релизом пакета Mathcad его бесплатной и укороченной версии — Mathcad Explorer, которая позволяла открывать Mathcad-файлы и считать по ним, но не редактировать и не сохранять на дисках документы (так называемая read-only версия Mathcad). Сама же программа Mathcad Explorer свободно скачивалась из Сети.
Во-вторых, интенсивно развивались средства публикации Mathcad-документов в локальных сетях или в Интернете для изучения, но не для счета по ним. Один из потребителей математических программ — это сфера образования, где важен не сам результат расчета, а путь к результату, изучение расчетных методик, заложенных в расчет. На это была нацелена, в частности, версия Mathcad 2001i, где буква i означала "интерактивный" (interactive).
Но все это были неполные решения. Довольно объемную программу Mathcad Explorer, как уже было отмечено, нужно было скачивать из сети и устанавливать на свой компьютер. А тут уж лучше поставить сам пакет Mathcad, а не его укороченную версию (в последнее время пакет Mathcad также стало возможным скачивать из Сети, предварительно, конечно, оплатив данную покупку). С другой стороны, Mathcad-документы, вернее их html- или MathML-копии (слепки), открытые в Сети, хочется не только разглядывать, но и "трогать" — изменять исходные данные и видеть (распечатывать, сохранять на диске) новый ответ.
Решение этой проблемы, но уже не частичное, а почти полное опять пришло со стороны Интернета.
В
Технология MA/CS позволяет решить следующие проблемы.
r Нет необходимости ставить на компьютер пользователя саму программу Mathcad нужной версии, где-то искать, проверять на отсутствие вирусов и запускать прикладные mcd-файлы — достаточно подключить компьютер к Интернету и обратиться к MA/CS через браузер Internet Explorer (версия 5.5 и выше, годятся и другие браузеры, включая и те, какими оборудованы карманные компьютеры или сотовые телефоны-коммуникаторы). При этом сохраняется полная иллюзия, что на компьютере открыт Mathcad-документ, в котором можно изменить исходные данные и считать (распечатать, сохранить на диске) ответ. Сама же расчетная методика (набор формул в традиционной математической нотации, а не в виде компьютерных программ — особенность, за которую так любят Mathcad), а также промежуточные данные могут быть либо открыты, либо закрыты полностью или частично (передача пользователю результата расчета, а не самого расчета).
r Новые расчетные методики становятся моментально доступны всем членам интернет-сообщества или работникам отдельной корпорации, если говорить о локальных сетях. Достаточно только сообщить будущим пользователям соответствующие интернет-адреса. Кроме того, сведения о данных расчетах будут появляться списках, выдаваемых различными поисковиками Интернета (Yandex, Google и др.). Чтобы эти расчеты стали товаром, можно администрировать доступ к сайту, сделать его платным (умеренно платным, частично платным), окружить ссылки на них баннерами и т. д.
r Любые ошибки, опечатки, недоработки и допущения в расчете, замеченные как самим автором (разработчиком), так и пользователями, могут быть быстро (и незаметно для пользователей) исправлены. Незаметно для пользователей можно также модернизировать и расширять расчеты.
r Технология MA/CS не исключает традиционной возможности скачивания с сервера самих Mathcad-документов для их расширения и модернизации. Для этого достаточно в расчете сделать соответствующие ссылки. С mcd-файлами, размещенными для скачивания из Сети, поступить можно опять же двояко. Можно передавать их только для счета на рабочей станции с установленным пакетом Mathcad, закрыв и "запоролив" сами расчеты. А можно отдавать безвозмездно или платно для работы без ограничений.
r Технология MA/CS позволяет экономить денежные средства на приобретение математического обеспечения для компьютеров корпорации. Нет необходимости ставить всем сотрудникам или во всех компьютерных классах учебного заведения программу Mathcad для ведения рутинных расчетов. Достаточно поставить ее только тем, кто создает расчеты. Остальные могут вести расчеты через корпоративный или университетский MA/CS.
Технология MA/CS помогает решить проблему лицензирования работы с программой: пользователю не нужно покупать дорогостоящую программу Mathcad или противоправно ставить на компьютер ее нелегальную копию — достаточно только обратиться к MA/CS. Покупать дорогостоящие программы должен будет только разработчик — создатель расчетных методик, размещаемых на MA/CS.
Не нужно также учиться обращаться с Mathcad-документами, открытыми в Сети, бояться испортить их. Изменение исходных данных в MA/CS-документе ведется несложными приемами, которые люди освоили, общаясь с коллегами на различных сетевых форумах, играя в сетевые и несетевые компьютерные игры и т. д. Следует также отметить, что в перспективе, когда будет реализована соответствующая технология (а такая работа ведется), расчет на сервере MA/CS может вестись намного быстрее, чем на рабочей станции за счет распараллеливания расчетов.
Как уже говорилось в предисловии, многие Mathcad-программы, описанные в книге, можно запустить на своем компьютере, не ставя на него саму программу Mathcad, но подключив компьютер ко Всемирной паутине. Некоторые рисунки книги имеют заголовок, где прописан соответствующий Интернет-адрес расчета — см. рис. 1.47, 2.2, 2.6, 2.7, 3.28, 3.30, 3.34, 3.35, 4.2, 4.11, 4.12, 4.16, 4.17, 5.3, 5.4, 5.20 и 5.21.
На MA/CS автора (www.vpu.ru/mas) открыто много и других полезных расчетов, в частности, затрагивающих и конструкторскую деятельность. Вот некоторые из них:
r расчет геометрических параметров зубчатой цилиндрической передачи (по ГОСТ 16532-70) — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/gearing.mcd;
r расчет пролета моста — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/CAESAR_BRIDGE_CROSSING_MARC.mcd;
r расчет теплоизоляции теплосети по СНиП — http://twt.mpei.ac.ru/mas/worksheets/Izol_Trub_Teploset.mcd;
r расчет напряжений и деформаций корпуса подогревателя высокого давления — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/Therm/Thickness_wall.mcd
и др.
Другие расчеты на в рубрике Разное на сайте www.vpu.ru/mas затрагивают такие разделы: решение алгебраических уравнений и систем, построение графиков, решение дифференциальных уравнений и систем, оптимизация, статистика, теория вероятностей и др.
Технология MA/CS позволила открыть сетевые интерактивные приложения книг и справочников:
r справочник по элементарной математике — http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/EM;
r справочник "Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара" — http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB;
r справочник "Теплотехника и теплоэнергетика" — http://twt.mpei.ac.ru/TTHB/index.html;
r справочник по гидрогазодинамике — http://twt.mpei.ac.ru/GDHB;
r справочник "Физические величины" — http://twt.mpei.ac.ru/PVHB;
r справочник по трубопроводам ТЭС — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/HBPipePP/index.html;
r теория автоматического управления — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/Rotach/index.html;
r дифференциальные модели/ведение с Mathcad — http://www.thermal.ru;
r водоподготовка в энергетике — http://www.vpu.ru;
r тепловой расчет котлов (нормативный метод) — http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/Boiler/index.html и др.
Автор надеется, что его читатели — разработчики Mathcad-расчетов смогут через технологию MA/CS быстро публиковать в Сети свои наработки. Корпорации же и учебные заведения смогут через свои корпоративные и университетские MA/C-сервера повысить точность и оперативность расчетов, развивать и дальше системы дистанционного образования.
Успехов!