УДК 541.64: 681.142

Разработка программного обеспечения для визуально-атомарного моделирования при конструировании новых полимерных материалов
Знаменский В.С., Берикетов А.С., Лакунов Т. З.
znamenski@mail.ru
http://www.chat.ru/~marskb/

Проблеме разработки программного обеспечения для поиска полимеров с заданными физико-химическими свойствами уделялось большое внимание на всех этапах развития вычислительной техники, как только появилась возможность решать указанную выше задачу с помощью ЭВМ [1]. Требования к программам, и соответственно, математические, алгоритмические и программные решения поставленной задачи зависели от уровня развития вычислительной техники и программного обеспечения. Стремительный прогресс информационных технологий привел к изменению взглядов на эффективность тех или иных методов решения задач на ЭВМ или даже на принципиальную возможность их применения. За время использования вычислительной техники в научных исследованиях стала более понятна роль компьютеров и вычислительных экспериментов в научном поиске, изменились взгляды на соотношение задач, решаемых компьютером и человеком-исследователем, использующим компьютер.

Особенностями современного этапа развития вычислительной техники можно назвать:

1) широкое распространение персональных компьютеров, вычислительные возможности которых превысили мощности тех больших ЭВМ, на которых были получены первые положительные результаты по конструированию новых полимеров;

2) развитие средств электронной связи и, главное, повсеместное распространение глобальной компьютерной сети Интрернет.

Именно эти аспекты повлияли на выбор дальнейшего направления развития системы "АРМ химика-синтетика" и ее базовой программы "Поиск", разрабатываемых Опытно-конструкторско-техноологическим бюро "Марс" Кабардино-Балкарского университета (OKTБ "Марс" КБГУ).

Рассмотрим основные принципы, которые принимаются во внимание при разработке программного обеспечения для научных исследований по созданию полимеров с заданными эксплуатационными свойствами.

1. Эргономика исследовательской работы. Программное обеспечение, которое используется в исследовательской работе, чаше всего само является объектом постоянного совершенствования. Особенность применения программы именно в исследованиях обуславливается тем, что расчетные методы, которые лежат в программе, чаще всего сами являются результатом научного поиска. Если их адекватность уже проверена и подтверждена для некоторого круга явлений и объектов, то сама диалектика научного поиска заставляет исследователя выходить за рамки этого круга, апробировать расчетные методы для новых классов объектов и явлений, искать рамки их применимости и составлять новые расчетные методы, более точные, более универсальные или более специфические, учитывающие частные особенности определенных объектов. Таким образом, результат работы исследовательской программы является только промежуточным звеном в творческой, поисковой работе. Поэтому удобство работы с такой программой заключается в том, чтобы иметь возможность быстро получать результаты в удобном для восприятия виде, в тех формах и представлениях, которым оперирует исследователь; затем иметь возможность анализировать результаты, накапливать, возвращаться к ним вновь, использовать наработки в новых поисковых расчетах. Численный эксперимент становится инструментом исследователя, гибким, удобным, настраивающимся на ту или иную область исследований. Диалоговые возможности выходят на одно из первых мест в оценке качества таких программ, а в оценке диалоговых свойств наиболее ценным оказывается естественная форма представления данных и оперирования с ними. Химику - синтетику, занимающимся поиском новых полимерных материалов, в первую очередь необходимо предоставить возможность работать с химическими формулами, как он привык с ними работать на листе бумаги (возможно, что этот тезис в связи с повсеместным внедрением персональных компьютеров, со временем изменится, и тогда будут искать новые формы представления информации в бумажных копиях, более адекватные тем компьютерным информационным формам, которые будут уже казаться естественными всем химикам). Но в отличие от листа бумаги, компьютерная форма должна являться источником исходной информации для немедленного получения оценочных расчетов физико-химических свойств полимера. Замедления в получение результата, вызванные или неудобством диалогового взаимодействия, или большим объемом вычислений, требующим увеличения машинного времени, приводят к прерыванию творческого процесса поиска, что вызывает повышенные усилия исследователя на поддержку внимания, сосредоточенности на поставленных задачах, запоминания образов. Таким образом, эргономика научного компьютерного поиска, по нашему мнению, в первую очередь зависит от быстроты взаимосвязи человек-компьютер. Это быстрота основывается на удобстве представления и оперирования данными и непрерывности взаимодействия человек-компьютер, что в нашем случае получило название визуально-атомарного моделирования.

2. Офисная эргономика. Творческая работа по поиску новых материалов требует чаще всего больших затрат времени и усилий на самую заурядную работу по оформлению отчетов и описаний, статей и лекций. Для работы с документами широкое развитие получили программные средства, которые можно назвать офисными, по примеру программной системы Microsoft Office. Имеются специальные средства, разработанные для оформления научных документов, публикаций, которые можно с той или иной степенью удобства приспособить к требованиям различных научных дисциплин с их системами знаков и графических образов. Имеются такие системы и для химиков, но общим недостатком этих систем является то, что графические образы, созданные в них, остаются только графическими знаками, понятными людям, но не могут служить источниками данных для ввода информации в расчетные машинные программы. С другой стороны, для составления химических формул в этих офисных научных системах необходимо пройти вручную весь заданный инструкциями путь, часто достаточно сложный и утомительный, особенно при большом объеме материала. Поэтому одним из важных требований к научным исследовательским программам является их удобный интерфейс обмена данными с другими, популярными офисными системами. (Будем считать очевидным, что разработчики исследовательских программ не смогут предоставить пользователям все преимущества, например, редакторов текстов и, таким образом, заставить их отказаться от офисных программ.) Современные средства разработки программного обеспечения предоставляют такую возможность, которая получила название в операционной системе Windows как технология внедрения и связывания объектов OLE 1.0. Эта технология означала, что пользователь мог создавать сложные составные документы, в которых содержались документы различного происхождения. Внедренные объекты могли вызываться к редактированию двойным щелчком мыши на соответствующем изображении объекта. Другой особенностью было такое связывание объектов, что если данные в оригинале одного объекта обновлялись, то при загрузке другого объекта, имеющего ссылку на первый объект и, соответственно, его изображение, ссылка обновляла документ, отражая проведенные изменения. Основой усовершенствованного подхода OLE 2.0 стала компонентная модель объекта, которая предусматривает полную совместимость во взаимодействии между компонентами, написанными разными компаниями на разных языках. OLE-02 обеспечивает доступ к объектам приложения и манипуляцию с ними извне [2].

3. Интернет-технологи. Наука в настоящее время представляет собой коллективный процесс, имеющий глобальный характер в рамках всей Земли. Накопление, обработка, систематизация, передача, распространение научной информации являются важными составляющими элементами научного процесса и технической основой этого процесса сейчас являются новые информационные технологи на базе персональных компьютеров и компьютерных сетей. Одними из первых, кто понял значение компьютерных технологий, были химики, так как химия требует накопления и систематизации большого объема знаний. В настоящее время имеются различные химические базы данных; разработаны специальные языки машинного представления химических данных и знаний, например, химических формул; созданы специальные глобальные информационные компьютерные сети. Разработка новых программных систем в области химии требует выполнения следующих коммуникационных принципов автоматизации работы с информацией:

1) получения материалов из электронных баз данных и знаний разных профилей, что требует разработки системы перевода форм представления данных (импорт) во внутреннюю форму;

2) отправку материалов в электронные базы данных и знаний разных профилей, что требует разработки система перевода из внутренней формы представления данных программой в формы этих баз данных (экспорт);

3) накопление материалов (или ссылок на них), полученных различными пользователями системы в Центральном узле системы, выполняющем одновременно роль Центрального узла или сервера компьютерной сети пользователей системы, выполняющего обычные для таких серверов функции: сопровождение программного обеспечения, ведение телеконференций, выполнение рассылок новой информации по спискам рассылок, предоставление консультационных и вычислительных услуг.

Программная система "Поиск", разработанная ОКТБ "Марс" КБГУ, прошла путь развития от пакетно-запускаемой программы ЭВМ серии ЕС [1]; затем приложения под операционную систему DOS, использующего для представления химических формул алфавитно-цифровой режим дисплея, до приложения под WINDOWS, использующего преимущества графического человеко-машинного интерфейса, управляемого с помощью мыши [4-6].

Новая версия системы "Поиск" станет полноправным компонентом технологии внедрения и связывания объектов OLE. Разработка выполняется средствами С++ Builder 4 [3]. В результате графические изображения химических формул, полученные системой "Поиск", будут легко вставляться в любые документы Windows, редактироваться, распечатываться и пр.

Для удовлетворения вышеперечисленных принципов программа "Поиск" в новой версии будет иметь следующие модификации:

1) программа для IBM PC совместимого компьютера для операционной системы Windows (язык программирования - С++), позволяющая автономно работать с локальными базами данных, а также входить в химические информационные сети, выполняя роль своеобразного браузера, выходить по сети Интернет на базы данных и, главное, взаимодействовать с Центральным узлом системы;

2) программа на языке Java, как составляющая часть страницы Интернет Центрального узла системы (WEB-сервера), которая будет передаваться пользователям по сети Интернет с сервера, и запускаться на компьютере клиента, имеющего только одну из популярных программ интернет-коммуникации, выполняя некоторые элементарные функции атомарно-визуальной технологии конструирования полимерных систем.

3) серверная часть программы "Поиск", предоставляющая возможность удаленным пользователям выполнять работы в режиме клиент-сервер, используя в поиске полимерных материалов значительный объем данных, накопленных в Центральном узле системы и его повышенные вычислительные ресурсы.

1.     Берикетов А.С., Бочарова Л.Н., Микитаев А.К. Априорный расчет эксплуатационных характеристик полимеров при помощи моделирования возможных структур на ЭВМ. Высокомолек. соедин. А. 1985. Т. 27, ? 9. С. 2008-2012.

2.     Аскадский А.А., Гальперн Е.Г., Матвеева Т.П. и др. Поиск полимеров с заданными физико-химическими свойствами с помощью ЭВМ. Высокомолек. соед. А. 1987. Т. 29. ?11. С. 2433-2440.

3.     Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 4. - 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2000 г. - 1088 с.

4.     Аршиева А.С., Знаменский В.С., Берикетов А.С. Компьютерная технология поиска новых химических соединений и эффективность этапа конструирования повторяющегося звена полимера. Физика и химия перспективных материалов: сборник научных трудов. Нальчик, КБГУ. 1998. С.67-70.

5.     Берикетов А.С., Знаменский В.С., Мурзаханова И.И., Лакунов Т.З. Модель компьютерного поиска химических структур полимеров с заданным диэлектрическим параметром. Международная научно-практическая конференция "Elbrus'97 - Новые информационные технологии и их региональное развитие", Эльбрус, 20-24 октября 1997 г. Тезисы докладов. Нальчик: КБГУ, 1998. С. 113.

6.     httpp://www.chat.ru/~marskb/