Использование IPython в качестве интерактивной среды математического моделирования процессов в машиностроении | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: ,

Рубрика: Спецвыпуск

Опубликовано в Молодой учёный №21 (101) ноябрь-1 2015 г.

Дата публикации: 16.12.2015

Статья просмотрена: 376 раз

Библиографическое описание:

Игнатьев А. А., Субоч К. А. Использование IPython в качестве интерактивной среды математического моделирования процессов в машиностроении // Молодой ученый. — 2015. — №21.2. — С. 25-27. — URL https://moluch.ru/archive/101/23656/ (дата обращения: 22.09.2018).

 

Python – это язык программирования высокого уровня, позволяющий создавать кросплатформенный, легко читаемый, гибкий и лаконичный код. Python отличает высокая скорость разработки, лёгкость в освоении, возможность решения как простых прикладных задач, так и проведение сложных математических расчётов. Эталонная реализация Python – CPython распространяется под лицензией Python Software Foundation License, позволяя использовать его в проприетарных приложениях. Стандартная библиотека языка включает множество полезных функций, также, функционал может быть расширен, путём подключения сторонних библиотек, большинство из которых распространяются под лицензиями GPL и LGPL. Все вышеперечисленные факторы позволили этому, относительно молодому языку программирования, стать мощным инструментом в решении научных и вычислительных задач. Различные реализации Python используются в таких компаниях, как IBM, CERN, NASA, STSCI, Apple, Google, Яндекс, Mail.Ru.

Одной из самых известных масштабируемых сборок Python, предназначенных для обработки данных, прогнозирования, анализа, математического моделирования, визуализации, машинного обучения, инженерных и научных расчётов, является Anaconda, предоставляемая компанией ContinuumAnalytics. В её состав входят интерпретаторы Python 2-ой и 3-ей ветви (2.6, 2.7 и 3.3 соответственно), а также более 100 библиотек для научных, инженерных, финансовых и аналитических расчётов, в числе которых NumPy, SciPy, Pandas, IPython, Matplotlib, Numba, Blaze, Bokeh. Стабильность работы компонентов сборки, её богатые возможности и бесплатность (сборка распространяется под лицензией GPL2) позволяют ей успешно конкурировать с такими коммерческими математическими пакетами, как Matlab, Maple, Mathematica.

IPython – один из компонентов пакета SciPy, интерактивная оболочка над интерпретатором Python, разработанная Fernando Perez и распространяемая под лицензией BSD. Она позволяет производить интерактивные параллельные вычисления, визуализацию данных и создание графического пользовательского интерфейса как из командной оболочки операционной системы, так и посредством браузера, через веб-интерфейс IPythonNotebook.

Создание абстрактной модели агрегата производственной системы — одна из задач, на верном решении которой строится успешное моделирование работы всей системы. Модель агрегата представляет собой объект, который может находится в одном из нескольких состояний в зависимости от управляющих команд и других моделируемых факторов. Состояний объекта соответствуют выполняемым им функциям, а также включают простои и поломки оборудования. Состояние любого агрегата в момент времени может описываться уравнением:

        (1)

где — оператор переходов агрегата; — начальный момент времени; — следующий за момент времени, в который произошло изменение состояния агрегата; - начальное состояние агрегата.

Модель агрегата реализуем в виде стандартного класса Python. Основные константы, влияющие на поведение модели, реализуются в виде полей класса, методы класса условно подразделяются на внутренние и открытые. Внутренние методы предназначены для логической группировки кода класса, внешние же методы реализуют управляющий функционал. В file-header указываются директивы импорта математических модулей. Слоты определяют набор полей объекта класса Agregat, хранящих всю информацию о его состоянии. Основными моделируемыми параметрами оборудования относительно времени его работы являются время, необходимое для обработки детали, количество деталей в буфере агрегата, ошибки в работе оборудования и его простои, вызванные этими ошибками, простои, вызванные отсутствием детали в агрегате и его буфере.



Результат моделирования представляется в виде диаграмм, способы реализации которых аналогичны графикам в Mathlab.

Рис. 1. Результаты моделирования работы элемента ГПС в системе IPython

Основной график отображает время оставшееся время работы установки (до завершения механической обработки). Графики в верхней части изображения показывают количество деталей в буфере агрегата, наличие ошибок в работе агрегата и время, оставшееся до их устранения и моменты простоя агрегата относительно общего времени моделирования.

Таким образом, применение пакета Anaconda к классической задаче имитационного моделирования, позволило построить тривиальны алгоритм, основанный на базовых принципах ООП и полностью отвечающий требованиям, поставленным перед математической моделью. Язык Python в целом и пакет Anaconda в частности открывает перед инженером огромные возможности по моделированию и анализу машиностроительных процессов любой сложности, позволяя сократить затрачиваемые материальные и человеческие ресурсы, что является весомым аргументом при выборе программной базы для автоматизации производства.

 

Литература:

  1. Python Software Foundation. Python Official Website.// Python Comunity. 1990-2014. URL: http://www.python.org/ (дата обращения: 10.10.2013).
  2. Python Software Foundation. The Python Tutorial. 1990-2014. URL: http://www.python.org/3/tutorial/index.html (дата обращения: 10.10.2013).
  3. Continuum Analytics. Anaconda Scientific Python Distribution. URL: https://store.continuum.io/cshop/anaconda/ (дата обращения: 10.10.2013).
  4. IPython development team. Announcements — IPython. URL: http://ipython.org/ (дата обращения: 10.10.2013).
  5. В. Дьяконов. MATLAB 6/6.1/6.5 Simulink 4/5 в математике и моделировании. Салон-пресс. М. 2003. – 576с.
  6. Ларсен Р. У. Инженерные расчеты в Excel (Пер. с англ.). М. Вильямс. 2002. – 544с.
Основные термины (генерируются автоматически): BSD, модель агрегата, буфер агрегата, STSCI, NASA, LGPL, IBM, GPL, CERN, момент времени.


Похожие статьи

Моделирование бизнес-процессов в условиях антикризисного...

Например, если использовать платформу компании IBM, которая в ближайшее время откажется от продукции Microsoft и будет программировать модели бизнес процессов только на оборудовании Apple, многие компании не смогут...

Моделирование системы автоматического регулирования уровня...

При возмущении расходом пара (нагрузка) или отключении ГЦН (изменение теплоподвода) проявляется явно выраженное ‹‹набухание›› уровня, т. е. изменение его в начальные моменты времени в сторону, не соответствующую знаку возмущающего воздействия.

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Однако данные вычисления должны проводится с учетом анализа полной модели ГТД и полученных данных о внутренних состояниях агрегата: поступающее давление, режимы форсажной работы, зависимость от используемого топлива или температуры и многое другое.

Стенд по исследованию алгоритмов работы вычислителя БИНС...

Отладка осуществляются, в первую очередь, посредством математических моделей реальных систем.

дважды интегрировать ускорения объекта по времени.

Принцип действия основан на измерении гироскопического момента двухстепенного гироскопа, пропорционального...

Математическое моделирование короткозамкнутого асинхронного...

Модель содержит трехфазную асинхронную машину (Asynchronous Machine SI Units), запитанную от трехфазного источника напряжения

При запуске модели осуществляется прямой пуск АКЗ, по истечении некоторого времени прикладывается момент нагрузки.

Применение самозапуска для электродвигателей насосных...

где — вращающий момент двигателя, определяется по пусковой характеристике двигателя; — гидравлический момент насоса; — момент, затрачиваемый на трение в сальниках и подшипниках агрегата.

Организация автоматизированной системы управления...

‒ Сabletron spectrum; ‒ IBM/tivoli Systems 10; ‒ System Center Operation Manager 2007 R2 (SCOM).

Рис. 3. Доступные объекты и состояние их «модель — здоровья». Мы можем в любой момент посмотреть атрибуты любого из объектов — рисунок 4 — название компьютера, какому...

Использование современных СУБД в информационных системах...

Реляционная модель некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени.

В настоящий момент файл-серверная технология считается устаревшей и используется для решения тривиальных задач.Примерами такой СУБД могут...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Моделирование бизнес-процессов в условиях антикризисного...

Например, если использовать платформу компании IBM, которая в ближайшее время откажется от продукции Microsoft и будет программировать модели бизнес процессов только на оборудовании Apple, многие компании не смогут...

Моделирование системы автоматического регулирования уровня...

При возмущении расходом пара (нагрузка) или отключении ГЦН (изменение теплоподвода) проявляется явно выраженное ‹‹набухание›› уровня, т. е. изменение его в начальные моменты времени в сторону, не соответствующую знаку возмущающего воздействия.

Анализ лопастей турбины ГТД из карбида титана в пакете Ansys

Однако данные вычисления должны проводится с учетом анализа полной модели ГТД и полученных данных о внутренних состояниях агрегата: поступающее давление, режимы форсажной работы, зависимость от используемого топлива или температуры и многое другое.

Стенд по исследованию алгоритмов работы вычислителя БИНС...

Отладка осуществляются, в первую очередь, посредством математических моделей реальных систем.

дважды интегрировать ускорения объекта по времени.

Принцип действия основан на измерении гироскопического момента двухстепенного гироскопа, пропорционального...

Математическое моделирование короткозамкнутого асинхронного...

Модель содержит трехфазную асинхронную машину (Asynchronous Machine SI Units), запитанную от трехфазного источника напряжения

При запуске модели осуществляется прямой пуск АКЗ, по истечении некоторого времени прикладывается момент нагрузки.

Применение самозапуска для электродвигателей насосных...

где — вращающий момент двигателя, определяется по пусковой характеристике двигателя; — гидравлический момент насоса; — момент, затрачиваемый на трение в сальниках и подшипниках агрегата.

Организация автоматизированной системы управления...

‒ Сabletron spectrum; ‒ IBM/tivoli Systems 10; ‒ System Center Operation Manager 2007 R2 (SCOM).

Рис. 3. Доступные объекты и состояние их «модель — здоровья». Мы можем в любой момент посмотреть атрибуты любого из объектов — рисунок 4 — название компьютера, какому...

Использование современных СУБД в информационных системах...

Реляционная модель некоторой предметной области представляет собой набор отношений, изменяющихся во времени.

В настоящий момент файл-серверная технология считается устаревшей и используется для решения тривиальных задач.Примерами такой СУБД могут...

Задать вопрос