Статья посвящена вопросам истории возникновения и становления компьютерного моделирования в России. Обоснована существенная роль компьютерного моделирования во всех сферах жизнедеятельности человека в настоящее время. Приведена краткая история появления первых компьютеров в СССР, описан значительный вклад Лебедева С. А. в создание первого в СССР компьютера, а также в развитие советского компьютеростроения.
В статье содержится краткая классификация средств автоматизированного проектирования (САПР), приведены примеры успешного внедрения различных таких средств мировых производителей ведущими предприятиями России. Приведены примеры российских производителей различных сред моделирования и анализа. Содержатся примеры внедрения САПР российского производства представителями предприятий всего мира. На конкретном примере проиллюстрированы особенности появления и развития первых российских САПР. Обоснована важность поддержки образования путём внедрения различных сред необходимых для компьютерного моделирования.
Выделена важность формирования компьютерного моделирования в соответствии с нормами морали и общечеловеческими ценностями.
Ключевые слова: история, моделирование, первые компьютеры, Россия, САПР
Современное время требует новый ритм жизни, проникающий во все сферы человеческой деятельности, не оставляя за собой незамеченными преобразования. На сегодняшний день процесс научного познания, производственный процесс представить без применения компьютерного моделирования сложно, можно сказать даже невозможно. Компьютерное моделирование направлено на формирование прототипов различного рода объектов, процессов или систем, (в особенности сложных систем), которые зависят от совокупности взаимосвязанных и случайных факторов. Благодаря ему можно позволить значительно снизить затраты на проведение экспериментов, сократить сроки создания и анализа моделей, а также получить необходимые результаты в удобной форме.
Призвание первых компьютеров, состояло в том, чтобы решать различные математические задачи, которые и являются основополагающими принципами компьютерного моделирования. А значит, что появление последнего неразрывно сопряжено с появлением первых вычислительных машин.
Малая электронная счётная машина (МЭСМ) является первым компьютером, созданным в СССР, в 1948–1951 годы, благодаря плодотворному двухлетнему труду советских разработчиков под руководством Сергея Алексеевича Лебедева (1902–1974) (рис. 1).
Рис. 1. Лебедев С. А.
Рис. 2. Дашевский Л.Н. и Погребинский С.Е. за пультом управления МЭСМ
Им удалось вывести в свет не просто первый советский компьютер, а первый компьютер континентальной Европы, основу которого составляло 6000 электровакуумных ламп (3500 триодов и 2500 диодов). Создан он был недалеко от Киева, (Феофания) и занимал площадь около 59 квадратных метров. Потребляемая электроэнергия составляла 25 кВт электроэнергии. Такая машина имела способность проводить около 3000 операций в минуту.
Аббревиатура СЭСМ относится к следующему компьютеру Советского Союза и имеет полную расшифровку специализированной электронной счётной машины, которая также была создана на основе идей Сергея Алексеевича Лебедева. Она имела своё предназначение в решении систем линейных алгебраических уравнений и вычислении корреляционных функций.
В Киеве эта машина была последним проектом Сергея Алексеевича, затем тот переехал в Москву и был назначен на должность директора ИТМ и ВТ (института точной механики и вычислительной техники) АН СССР.
С. А. Лебедев создал и передал в массовое производство около 15 типов сложных электронно-вычислительных машин, каждая из которых в свою очередь была более совершеннее предыдущей (высокое быстродействие, показатели надёжности и эксплуатации).
Творческая деятельность Лебедева в Москве связана с работой над созданием ряда универсальных (большая электронная счётная машина (БЭСМ): БЭСМ — 2, ЭВМ М-20, БЭСМ — 4, БЭСМ — 6, АС — 6.) и специализированных ЭВМ.
Рассматривая вопросы относительно компьютерного моделирования, заметим, что на машинах серии БЭСМ — 2 находились различного уровня сложности решения теоретических задач, прикладной механики и инженерные задачи. Примером моделирования, имеющим практическую ценность на БЭСМ является применение машин такого типа конкретно для расчёта траектории полёта ракеты, которая доставила вымпел СССР на Луну.
БЭСМ — 6 являлась первой ЭВМ в Советском Союзе, скорость обработки одноадресных операций которой превышало 1 млн. в секунду. Эта система элементов с тактовой частотой 9 МГц. ЭВМ успешно выпускалась в течение 17 лет и использовалась для развития различных отраслей народного хозяйства. Разработчики системы, в которую также входил С. А. Лебедев были награждены Государственной премией.
К специализированным ЭВМ Московского периода относятся: «Диана-1», «Диана-2», «ЭВМ М — 40», «ЭВМ М — 50», «ЭВМ 5Э92», «ЭВМ 5Э92б», «ЭВМ 5Э61». Создатели многих приведенных ЭВМ также были удостоены Государственной премии СССР. Компьютеростроительная школа СССР во главе с Лебедевым имела успех в конкуренции с известной американской фирмой IBM. После распада Советского Союза, смерти Лебедева, (в знак признания его пионером вычислительной техники) его семье была вручена медаль Международного компьютерного общества IEEE Computer Society [3].
В 1985 году на серийном производстве оказался первый бытовой компьютер СССР, имеющий название «Электроника БК — 0010» [1]. Большинство компьютеров, представляющие бытовые, разрабатывались силами энтузиастов без особой поддержки государства. К компьютерам СССР бытового назначения стоит перечислить: «Микро — 80», Агат, Союз-Неон ПК11/16, Поиск, Ассистент 128 и другие. Во времена перестройки в Советском Союзе использовались некоторые зарубежные модели бытовых компьютеров. Сейчас на территории России и постсоветского пространства получили широкое распространение именно бытовые компьютеры зарубежных производителей.
Важно отметить, что программные продукты, в какой-то мере, сами по себе уже являющиеся результатами компьютерного моделирования служат для оптимизирования и визуализирования процессов моделирования определенных объектов, систем и процессов.
Имеют место быть большое число различных сред компьютерного моделирования, для которых характерно моделирование и анализ индивидуальных задач конкретных областей науки и техники.
В настоящее время в России помимо внедрения и использования программных пакетов ведущими мировыми производителями имеет место быть и успешно развиваться ряд компаний, занимающихся созданием и внедрением собственных программных продуктов.
Находясь в процессе решения инженерных, технических задач, компьютерное моделирование сосредоточено на автоматизационном создании имитационных прототипов технических систем, конструкторского и технологического документооборота, а также на выполнения прочных расчётов, моделирования кинематических и динамических процессов машин и механизмов.
Выделяются следующие типы систем автоматизированного проектирования [2]:
– CAD (Computer Aided Design) — конструирование с использование компьютерных технологий и программ в зависимости от одного из трех уровней их сложности:
Первый уровень: решение программами задач плоского черчения;
Второй уровень: решение задач пространственного моделирования;
Третий уровень: здесь программные продукты, представляющие собой сложные многофункциональные системы, которые позволяют создавать полный комплект технической документации, имеющий возможности параметрического моделирования.
– CAM (Computer Aided Modeling) — создание производственных процессов систем компьютерного моделирования и дальнейшего использования программных пакетов, для генерации кодов станков с числовым программным управлением.
– PDM (Product Data Management) — концепция единого информационного пространства между всевозможными производственными подразделениями, которое призвано для оптимизации общего управления производственным процессом.
– CAE (Computer Aided Engineering) — проведение компьютерными программами инженерных расчётов. К ним имеют отношение программы для кинематического и динамического анализа, а также программы, используемые для расчёта различных параметров сплошных сред (напряжённые состояния, деформации, теплообмен, потоки жидкости и другое).
– PLM (Product Lifecyle Management) — единое информационное пространство, образованное на основе функциональных возможностей PDM и ERP (организация системы электронного документооборота).
Кроме выше перечисленных, заслуживают внимание также: CALS, SDM, CIM— Computer Integrated Manufacturing, CAPP— Computer Aided Process Planning, CRM— Customer Relationship Management и другие.
Примерами благополучного внедрения систем автоматизированного проектирования мировых производителей в России являются такие программы, как Siemens PLM Software (Unigraphics, NX, TeamCenter, Tecnomatrix), Autodesk (AutoCad, Inventor), Dassault Systemes (CATIA, SolidWorks, SIMULIA) и другие.
Успешное внедрение и использование системы CATIA обнаружилось на одном из ведущих предприятий тяжёлого, энергетического и транспортного машиностроения — заводе ОАО «Тяжмаш», основанном в 1941 году [3].
Российский разработчик в области производства установок для криогенных технических газов и систем обеспечения технологических объектов увеличивает своё производство благодаря внедрению системы CATIA.
Судостроительная верфь ФГУП «ЦС «Звёздочка» успешно реализовывает современные технологии проектирования судов в среде CATIA.
В решении проблем на производстве [3] филиалу OAO «ФСК ЕЭС Электросетьсервис», деятельность которого связана с ремонтом высоковольтных линий и подстанций помогло внедрение системы Autodesk Inventor Series. Вслед за этим, можно еще привести большое количество примеров успешного внедрения и использования САПР мировых производителей на предприятиях РФ. Российские производители также пользуются успехом и в зарубежных странах. Например, [3] LVMFlow — компьютерная система моделирования тепловых и гидродинамических процессов литья, которая создана в лаборатории математического моделирования УдГУ (Ижевск), успешно внедряется на предприятиях США, Канады, Бразилии, Швеции, Норвегии, Австралии, Турции.
Российские производители САПР, которые можно выделить в качестве примера:
– Научно-технический центр автоматизированного проектирования машин НТЦ АПМ [3]. Успешно развивается и реализовывается в производственных процессах путём внедрения и применения наукоёмкого программного комплекса APM WinMachine. Он содержит программные продукты для принятия оптимальных решений в строительстве и машиностроении. НТЦ АПМ работает на рынке России более 15 лет, благополучно сотрудничает с другими российскими производителями САПР.
– группа компаний ADEM [3]. Образована компаниями «Элгра» (Москва) и «Крона» (Ижевск), которые являются разработчиками систем «CherryCAD» — решение задач плоского и объёмного моделирования и CAM системы «Катран» — автоматизация технологических процессов и подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ. После слияния компаний основным продуктом ADEM является интегрированная CAD/CAM/CAPP система ADEM VX.
– Лаборатория вычислительной механики Брянского государственного технического университета «Универсальный механизм» [3]. Программный комплекс «Универсальный механизм» является детищем лаборатории. Он состоит из ряда специализированных модулей, создающих динамику экипажей: железнодорожных, гусеничных, а также модулей для оценки долговечности, интеграции с ПО производителей, в России и за рубежом.
Пример истории создания компании АСКОН (декабрь, 1989) иллюстрирует основные особенности в истории развития компьютерного моделирования существующие в РФ после распада СССР.
В настоящее время такие программные продукты как: система твёрдотельного трёхмерного моделирования КОМПАС — 3D, чертёжно-графический редактор КОМПАС — График, система для автоматизации технологической подготовки производства ВЕРТИКАЛЬ, а также система управления инженерными данными и жизненным циклом изделия ЛОЦМАН:PLM являются основными группы компаний АСКОН.
Она была сформирована, организована представителями Конструкторского бюро машиностроения (Коломна) Александром Голиковым и Татьяной Янкиной.
Предпосылкой самостоятельности этой коммерческой структуры послужила работа (в качестве авторских коллективов) основателей АСКОН посредством научно-технических центров. Эти же люди заложили основы КОМПАС 4 под DOS. А в 1993 году появилась необходимость создания версии КОМПАС под Windows: так появился «новый» КОМПАС 5. Его отличие от предыдущей версии заключается в наличии выделенного математического ядра, учитывающего возможность последующих расширений функциональных возможностей системы и перехода к 3D — моделированию.
Для разработки ядра КОМПАС 5, одной из важнейших задач была реализация параметризации. В завершение длительной работы к 2000 году у компании АСКОН появился продукт трёхмерного моделирования.
В недалёком будущем стратегическая цель компании — развитие международного сотрудничества. На всей территории бывшего Советского Союза успешно работают представительства компании.
Компания Аскон активно участвует во всех международных выставках (например, участие в крупнейшей международной выставке EuroMold в Германии в декабре 2008 года), и предлагает свои продукты российским производителям софта, ПК и за рубежом.
В заключение отметим, что человеческий фактор имеет важную роль в становлении компьютерного моделирования в России.
Первые САПР были созданы отдельными людьми, которые самостоятельно без поддержки государственных структур стремились к развитию этого направления, что явилось толчком для динамичного и стремительного развития российской науки в сфере IT разработок, которые нашли широкое использование в производственном процессе (явились свежим влиянием научных разработок) и внесли свой вклад в развитие иностранных рынков информационных технологий.
Также важно поддержание производителями САПР образования, способствующего установлению более тесных связей образования и производства, подготовки квалифицированных кадров, отвечающих современным требованиям.
Пример такой поддержки можно увидеть на решениях в образовании — АСКОН. Они оказывают благоприятное воздействие для внедрения системы КОМПАС как в ВУЗах России и ближнего зарубежья, так и в школах. Наличие лицензии университета существенно помогает при решении задач различных дисциплин, делает возможным освоение современных методов проектирования.
Компания АСКОН ежегодно проводит конкурс «Будущие АСы КОМПьютерного 3D — моделирования» стимулируя тем самым изучение системы, способствуя самореализации студентов и их интеграции в современный мир компьютерного моделирования.
Можно определить, что российское компьютерное моделирование имеет динамичное развитие, оказывающее благоприятное воздействие и на развитие компьютерного моделирования в странах ближнего зарубежья. На мой взгляд, учитывая вышеуказанные тенденции, уже в ближайшем будущем Россия сможет стать мировым лидером в компьютерном моделировании.
Благодаря ускоренному развитию компьютерного моделирования улучшаются (упрощаются) жизненные условия во всех сферах жизнедеятельности человека.
Развитие компьютерного моделирование должно протекать в соответствии с культурой, моральными и духовными устоями общества, чтобы не переступить ту грань, не оставляющую чувств и эмоциям человеку.
Мы не должны допустить полной замены естественного интеллекта — искусственным, логичность и интуицию — системами уравнений. Должно оставаться место и для моделирования естественных процессов, участвующих в жизни природы и человечества.
Литература:
- С. Н. Колупаева. Математическое и компьютерное моделирование. Учебное пособие. — Томск, Школьный университет, 2008. — 208с.
- Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2001. — 320с.
- В. А. Дмитриева, Ю. А. Святец. Реконструкция прошлого в познавательном пространстве «виртуальных реальностей». Stepbystep // Круг идей: модели и технологии исторической информатики. М.,1996. — 181с.
