УДК 620.9.330.115
Журнал Теплоэнергетика. 2006. № 6. С. 71-77.
Очков В.Ф., канд. техн. наук, Московский энергетический институт (ТУ)[1]
Рассмотрено новое направление в области
информационных технологий в энергетике – создание интерактивных
Интернет-справочников по теплоэнергетике и теплотехнике. Адреса уже
существующих подобных справочников такие: www.vpu.ru/mas, http://twt.mpei.ac.ru/pvhb, http://twt.mpei.ac.ru/tthb, http://twt.mpei.ac.ru/gdhb, http://www.thermophysics.ru, www.teplota.org.ua и др.
В настоящее время различные справочники с научно-технической информацией перемещаются с «бумажных» носителей на сайты Интернета. Сейчас, если понадобится, например, уточнить, чему равна теплопроводность латуни при определенной температуре, то проще ввести соответствующие ключевые слова «теплопроводность латунь температура» в окошко какой-нибудь поисковой машины Интернета (www.yandex.ru, www.google.ru, http://search.msn.com и т.д.), чем снимать с полки толстый справочник и листать его. Но тут возникают проблемы (и решения!) особого рода, которые рассмотрены в данной статье.
Достоверность информации в «бумажных» справочниках в какой-то мере подтверждается солидностью соответствующих издательств с их штатом научных консультантов, редакторов и корректоров. Страницы же Интернета, как правило, отданы на откуп случайным создателям и не подвергаются жесткому редактированию и тщательной корректуре. С другой стороны, автор собрал довольно большую коллекцию опечаток в справочниках весьма солидных издательств, когда вместо, например, 0,02387 стоит 0,02387 (двойка перестала быть нижним индексом, отмечающим повторяющиеся нули), а вместо 27.39 – 72.93 (вероятно, число набрал человек, знающий немецкий язык, на котором говорят не «семьдесят два», а «два и семьдесят», не «девяносто три», а «три и девяносто») и т.п. Такие ошибки практически невозможно выявить при традиционной (визуальной) правке корректур «бумажных» справочников, которые часто, но не далеко не всегда выходят со списком опечаток (по-английски Errata – см пример такого списка опечаток >>>>>>>). Тем не менее, они остаются ошибками со всеми вытекающими последствиями. Рассказывают, что академик А.Н. Крылов (1863-1945 – см. http://gov.cap.ru/home/chuv_archiv/Vistavki/krilov), будучи еще студентом, устраивался на работу в инженерное бюро. Там ему в качестве испытательного теста предложили проверить проект моста. Будущий академик тут же приступил к проверке и через пару часов вскрикнул: «Этот мост строить нельзя – он разрушится!». Ему ответили: «Да, его построили и он разрушился. Вы приняты на работу!». Не такую ли справочно-табличную ошибку («очепятку») выявил будущий выдающийся механик в проекте моста, какой мы коснулись выше!? Вот один из примеров таблицы с «бракованными» данными (>>>>>>>). А вот, как подобные ошибки «высвечиваются» с помощью математических пакетов (>>>>>>>).
Инструментальные средства, о которых пойдет речь ниже, позволяют выявить такие опечатки или, по крайней мере, нивелировать их нежелательный эффект.
Последние годы бурно развиваются средства публикации в Сети (в Интернет и в Интранет – в корпоративных сетях) документов, созданных с помощью математических пакетов. Если говорить о Mathcad [1-4], то этим средством является Mathcad Application Server [4-6]. Но публиковать в Сети с помощью математических пакетов можно не только чистые расчеты (примеры таких расчетов для теплоэнергетики можно увидеть на сайте www.vpu.ru/mas), но и некие гибриды таблиц (основная форма «бумажной» справочной информации) и расчетов. Встроенные средства математических пакетов позволяют провести статистическую обработку табличных данных с «интеллектуальной» выдачей запрашиваемой информации. Так, если мы откроем страницу «бумажного» справочника [7] с информацией о теплопроводности латуни, то увидим таблицу, в боковике которой перечислены сплавы, в том числе и латуни разного состава, а в шапке – значения температуры, для которых в таблице приведены значения теплопроводности. Если же мы откроем страницу Интернета с адресом http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/Therm/Heat_Cond_alloy.mcd, то увидим то, что показано на рис. 1.
Посетитель данного сайта может выбрать из списка интересующий его сплав, ввести значение температуры по различным шкалам (Цельсия, Кельвина, Фаренгейта или Ренкина) и получить требуемое значение в разных единицах теплопроводности. Кроме того, выдаются графики изменения теплопроводности от температуры, что позволяет наблюдать поведение искомой величины при изменении температуры и текущую точку на кривой. Дополнительно посетитель сайта может задать степень полинома n, аппроксимирующего табличные данные, и получить его коэффициенты для использования данной зависимости в других программах – в Excel, например. Так, на рис. 2 можно увидеть, как коэффициенты аппроксимирующего полинома третьей степени[2] введены (скопированы с сайта, показанного на рис. 1) в строку формул Excel (в ячейку B3) для расчета значения теплопроводности по значению температуры, хранящейся в ячейке B2. Эти коэффициенты, как понимает читатель, можно скопировать и в строки создаваемых или редактируемых программ на языках BASIC, Pascal, C, fortran и др.
На рис. 1 показаны две графические зависимости: сплайн-интерполяция (верхний график) и аппроксимация (нижний график). И это сделано намеренно, чтобы посетитель сайта имел больше информации и возможности для выбора. Кроме того, эту двойственность можно считать рабочим моментом при создании сайта. Дело в том, что интерполяция (кривая проходит строго через точки, которые на первом графике не показаны) позволяет четко увидеть ошибки или опечатки в исходных таблицах или ошибки, внесенные при переносе данных с бумаги в компьютер сканированием или ручным набором чисел. Аппроксимация же (кривая проходит вблизи точек, которые на втором графике показаны) позволяет нивелировать последствия возможных ошибок такого рода, если они не были выявлены интерполяцией.
На перечисленных выше сайтах собрано большое количество подобной интеллектуальной информации с удобными средствами доступа.
К справочной информации относят и различные формулы, необходимые для проведения расчетов. И в этом случае Mathcad Application Server может внести много полезного при публикации формул в Сети.
На рис. 3 в качестве примера показана страница Интернета с опубликованными на ней четырьмя формулами, описывающими изменение температуры в сферической стенке при стационарной теплопроводности. Формулы «живые» – это означает, что посетитель сайта имеет возможность «поиграть» с переменными формул – изменить исходные данные и увидеть новые значения, возвращаемые формулами: числа и точку на графике, который сам в свою очередь меняется в зависимости от исходных данных. «Живость» формул опять же преследует две цели. Во-первых, посетитель сайта может сразу получить ответ по формулам, не вводя их в свой компьютер или калькулятор, а во-вторых, этим опять же лишний раз проверяется, нет ли ошибки в исходном «бумажном» варианте записи формулы и не допущена ли ошибка при вводе формулы в компьютер – при создании соответствующего Mathcad-документа, открытого в Сети по технологии Mathcad Application Server. А ошибки эти известны: вместо плюса поставили знак умножения или наоборот, а вместо одной степени – другую. Пакет Mathcad со своим механизмом контроля размерностей [8] существенно снижает риск появления ошибок такого рода. Со страницы Интернета можно сделать ссылку на отсканированную бумажную страницу первоисточника, например, на тот же справочник или даже на журнал проведения экспериментов (см. предпоследнюю строку на рис. 3).
Формулы, хранящиеся на справочных страницах Интернета, можно переносить в другие программные среды визуально, в ручном режиме, а можно автоматизировать этот процесс. Последние версии пакета – Mathcad 12 [4] и Mathcad 13 позволяет записывать файлы этой математической программы в формате HTML (hypertext markup language), что дает возможность просматривать и редактировать Mathcad-файлы на компьютере без программы Mathcad. Такой файл, размещенный в Сети для считывания (см. ссылку в конце рис. 3), можно открыть в каком-либо текстовом редакторе. В этом случае формулу справочника, записанную в текстовом формате, можно скопировать в другие программные среды, например, в Maple (см. рис. 4), где формула будет трансформирована в графическую форму, более пригодную для визуального анализа.
Реализация справочников в Сети через инструменты математических программ с их средствами графической визуализации позволяет по-новому выдавать информацию по функциям двух и более аргументов. Так, на рис. 5 можно видеть не только значение энтропии s, удельного объема v и энтальпии h воды или водяного пара в разных единицах измерения по заданным посетителем сайта параметрам (давление пара и его температура), но и соответствующие изотерму и изобару на термодинамической поверхности[3] с линиями насыщения по воде и пару (см. также www.wsp.ru – сайт пакета WaterSteamPro [11], функции которого были использованы при построении термодинамической поверхности, показанной на рис. 5).
В среде Интернет-справочников, базирующихся на математических программах, легко реализовать запросы не только по отдельным точкам – фиксированным состояниям материалов и теплоносителей (см. рис. 1-рис. 5), но и по процессам. Так, на рис. 6 показана страница теплотехнического Интернет-справочника (www.vpu.ru/mas) с отображением процесса изоэнтропного расширения пара с фиксацией на h, s-диаграмме (T, s-диаграмме или P, s-диаграмме) изотермы и изобары и других линий, характеризующих этот процесс. На отмеченном сайте открыты расчеты с отображением на диаграммах различных процессов расширения реальных паротурбинных и парогазовых энерго блоков.
Автором разработаны шаблоны Mathacd-документов для «оживления» в Интернете справочной табличной и прочей информации различного вида: полностью заполненные таблицы, разреженные таблицы со сдвинутыми аргументами или размытыми диапазонами и т.д. [4]. Основная трудоемкость данной работы связана с переводом исходных таблиц в электронный вид. В этом автору помогают его студенты – слушатели курса «Информатика» института Теплоэнергетики и технической физики МЭИ. Постепенно в Интернете вырисовываются контуры популярных научно-технических справочников, учебников, учебных пособий и другой служебной информации [10-11]. Так, на рис. 7 отображена страница Интернета с электронной, «живой» версией учебника В.Я. Ротача «Теория автоматического управления» (http://twt.mpei.ac.ru/MAS/Worksheets/Rotach/index.html).
Расчеты, приведенные в учебнике В.Я. Ротача, выполнены в среде Mathcad. Читателям предлагается либо скачать файлы расчетов с сайта (см. третью строку на рис. 7), либо работать с ними через Сеть в интерактивном режиме – менять исходные данные и видеть результат без установки на компьютере каких либо лицензированных программ. В настоящее время ведется перевод на данную технологию некоторых книг издательства МЭИ и других издательств: www.vpu.ru [12], www.thermal.ru [13], http://twt.mpei.ac.ru/GDHB [14] и др. Кроме того, в издательстве МЭИ готовится к выпуску пятый, дополнительный том справочника [7] с описанием методики сетевых интерактивных справочников. Отдельные главы пятого тома размещены в сети по адресу http://twt.mpei.ac.ru/TTHB.
1. Очков В.Ф., Утенков В.Ф., Орлов К.А. Теплотехнические расчеты в среде Mathcad // Теплоэнергетика. 2000. № 2. С. 73–78.
2. Очков В.Ф., Пильщиков А.П., Солодов А.П., Чудова Ю.В. Анализ изотерм ионного обмена с использованием пакета Mathcad // Теплоэнергетика. 2003. № 7. С. 13–18.
3. Очков В.Ф., Пильщиков А.П., Чудова Ю.В. Открытые расчеты в теплоэнергетике на примере водоподготовки // Энергосбережение и водоподготовка. 2002. № 1. С. 21–24.
4. Очков В.Ф. Mathcad 12 для студентов и инженеров. БХВ-Петербург, 2005.
5. Очков В.Ф. Mathcad: от графика к формуле, от расчета на компьютере к расчету в Интернет // Exponenta Pro. Математика в приложениях». 2003. № 4. С. 84–85.
6. Очков В.Ф. Математические пакеты: От натурального хозяйства к товарному производству через Интернет // КомпьютерПресс». 2004. №5. С. 172–173.
7. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общей ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МЭИ, 2001.
8. Очков В.Ф. Физические и экономические величины в Mathcad и Maple. М.: Финансы и статистика, 2002.
9. Александров А.А., Орлов К.А., Очков В.Ф. Исследование схем парогазовых установок с впрыском водяного пара в газовый тракт на основе разработанных прикладных программ по свойствам рабочих тел ПГУ. // Новое в российской электроэнергетике. 2004. №4. С. 27-31.
10. Очков В.Ф. Теплотехнический справочник в Интернете // Новое в российской электроэнергетике. 2005. №4. С. 48–58.
11. Очков В.Ф., Осипов О.Г., Волокитин М.В. Новые подходы при публикации в корпоративной сети энергетики отраслевых стандартов и других руководящих документов с расчетной составляющей // Новое в российской электроэнергетике. 2005. №10. С. 21–25.
12. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. М.: Изд-во МЭИ, 2003.
13. Solodov A., Ochkov V. Differential Models. An Introduction with Mathcad. Springer-Verlag, 2004.
14. Касилов В.Ф. Справочное пособие по гидрогазодинамике для теплоэнергетиков. М.: Изд-во МЭИ, 2000.
[1] 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, МЭИ, e-mail OchkovVF@mpei.ru, http://twt.mpei.ac.ru/ochkov
[2] Полинома третьей степени обычно бывает достаточно для описания многих зависимостей одного аргумента. Такая зависимость дает две непрерывные производные, нужные, например, для реализации вспомогательных алгоритмов поиска экстремальных точек.
[3] Подобная деревянная и раскрашенная поверхность хранится в учебной лаборатории термодинамики кафедры Теоретических основ теплотехники МЭИ. На отмеченном сайте размещена ее виртуальная копия с подвижными изобарами, изотермами и изохорами.
