8.9 Применение компьютерных технологий обработки данных при исследованиях
Возможности рассмотренных выше математических аппаратов статистической обработки массивов и планирования активных экспериментов значительно расширяются, а продолжительность обработки результатов исследований сокращается при использовании современных компьютерных систем обработки данных.
Достаточно вспомнить популярное приложение Windows — Excel, содержащее богатую библиотеку статистических методов обработки данных. Однако, существуют и более специализированные программы, направленные не только на обработку данных, но и на многочисленные методы моделирования и планирования экспериментов.
К таким программам можно отнести приложения Windows с различными версиями Mathcad, Statistica, Axum7, Statgraphics Plus, Simulink и др.
Mathcad является мощным математическим редактором, который позволяет проводить различные научные и инженерные расчёты с использованием принципа Wysiwyg («что Вы видите, то и получите»). Например, для выполнения сложных расчётов достаточно ввести математическое выражение с помощью встроенного редактора формул и тут же получить результат. Есть возможность графического представления результатов. В состав Mathcad входят несколько интегрированных между собой компонентов: текстовый редактор; вычислительный процессор, выполняющий расчёты по введённым формулам с использованием численных методов; символьный процессор, который является, по сути, системой искусственного интеллекта; большое количество справочной информации, как математической, так и инженерной, оформленной в виде библиотеки интерактивных электронных книг.
Statistica — это профессиональный статистический модуль, который обладает широкой гаммой базовых и специфических аналитических процедур для обработки данных в бизнесе, науке и инженерном деле.
В приложении 5 приведен пример подготовки и проведения физического эксперимента по воздушной сепарации с использованием методов планирования и программного модуля Statistica.
Программный модуль Axum7 удобный для создания профессиональных двух- и трёхмерных графиков различных типов. Обладает Microsoft Office интерфейсом и широкими возможностями управления исходными данными, их математической обработки и редактирования графического представления результатов.
Statgraphics Plus for Windows является наиболее популярным статистическим графическим продуктом, обладающим удобством пользования интерфейсом. Рассмотрим возможности данной программы подробнее.
Statgraphics Plus включает более 250 статистических и системных процедур, которые могут применяться практически во всех областях научных исследований и при решении промышленных задач.
Статистические процедуры имеют модульную структуру в составе:
— меню Describe: содержит статистические методы анализа по одной и множеству переменных, процедуру подбора распределений и средства табуляции данных;
— меню Compare: включает методы сравнения двух и более выборок данных, процедуры дисперсионного анализа;
— меню Relate: посвящено процедурам простого, полиномиального и множественного регрессионного анализа;
Кроме того, программа содержит меню Special, где предусмотрены модули:
— модуль «Контроль качества»: предназначен для оценки эффективности всех цепей промышленного процесса и формирования контрольных карт;
— модуль «Планирование эксперимента»: поможет сформулировать критерий эффективности исследуемого процесса, подобрать лучший план, организовать сбор и обработку нужной информации. В модуле предлагаются эффективные способы упрощения и интеграции знаний о процессе.
— модуль «Многомерные методы»: предназначен для изучения и раскрытия взаимоотношений множества переменных факторов. Модуль поможет сгруппировать данные, определить взаимосвязи между переменными, выдвинуть и проверить различные статистические гипотезы. Существуют процедуры для проведения кластерного анализа, анализа по методу главных компонент, факторного и канонического корреляционного анализа;
— модуль «Расширенный регрессионный анализ» включает (кроме базовых процедур регрессионного анализа) сравнение линий регрессии, нелинейную множественную регрессию и ряд других полезных процедур.
Одной из сильных сторон Statgraphics является интерактивная графика с Windows-интерфейсом, которая позволяет пользователю взаимодействовать с данными с помощью графики любым способом. Существует возможность вращения и рассматривания со всех сторон трёхмерного изображения.
Следует остановиться на широких возможностях модуля «Планирование эксперимента». Модуль включает в себя полный набор различных типов планов, учитывающих взаимодействия факторов до восьмого порядка. Основные процедуры, входящие в рассматриваемый модуль:
— планирование эксперимента — полные и дробные планы, планы Плакетта-Бурмена, блочные планы;
— формирование поверхности отклика — центральные композиционные планы, трёхуровневые факториалы, планы Бокса-Бенкена, блочные планы и др.;
— формирование сечений поверхностей отклика;
Для примера рассмотрим использование Statgraphics Plus в качестве аппарата исследования процесса обогащения угольного шлама в винтовом сепараторе.
С помощью данной программы был разработан и в лабораторных условиях реализован ротатабельный композиционный факторный план второго порядка, для которого дисперсия функции отклика является постоянной во всех точках, равноудалённых от центра эксперимента.
Входными факторами приняты: производительность сепаратора, Q; содержание твёрдого в питании, Т; содержание в исходном питании класса Fрасч). Среднеквадратичная ошибка эксперимента составила Sотх = 1,55%, Sк-т = 0,24%.
На рис. 8.8 приведены частичные пересечения поверхностей отклика, представленные рассмотренным модулем в соответствии с выражениями (8.40) и (8.41). Сечения реализованы при постоянном значении объёмной нагрузки на сепаратор.
Программа позволяет получать и контурные графики в плоском координатном пространстве, так называемые «линии равного выхода», которые иллюстрируют наличие (или отсутствие) экстремума функции отклика и его координаты.
Simulink — это программный пакет, предназначенный для построения модели, проведения модельных экспериментов и анализа динамических систем. Он поддерживает работу с линейными и нелинейными системами, которые моделируются в непрерывном времени, промежутке времени. Системы могут быть многоскоростными, то есть состоять из различных частей, которые выбраны или обновлены с различными скоростями.
Пакет содержит модуль Matlab, который позволяет получать результаты анализа полученных динамических моделей как в аналитическом представлении, так и в визуальном.
Благодаря Simulink есть возможность выйти за пределы идеализированных линейных моделей и исследовать более реальные нелинейные модели, которые учитывают всевозможные факторы, например, сопротивление среды, влияние температуры и др.
Пакет может быть полезным при анализе уравнений кинетики некоторых процессов обогащения, накопления продуктов в циркуляционных схемах и др.
Источник
Применение эвм в научных исследованиях
В настоящее время для повышения эффективности научных исследований важное значение приобретает их автоматизация, позволяющая осуществлять моделирование исследуемых объектов, явлений и процессов, изучение которых традиционными способами затруднено или невозможно. Решению этой задачи призваны служить автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).
ЭВМ в АСНИ могут использоваться для решения следующих основных задач:
1) управление экспериментом;
2) подготовка отчетов и документации;
3) поддержание базы экспериментальных данных;
4) построение информационных и экспертных систем.
Эффективность применения ЭВМ в автоматизации научных исследований заключается в следующем:
• в несколько раз сокращается цикл исследования за счет ускорения подготовки и проведения эксперимента, уменьшения времени обработки и систематизации данных, уменьшения числа ошибок при измерении и обработке;
• увеличивается точность результатов и их достоверность;
• повышается качество и информативность эксперимента за счет числа контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;
• в ходе интерактивного взаимодействия с АСНИ достигается усиление контроля за ходом эксперимента и возможность его оптимизации;
• сокращается штат участников эксперимента.
Еще одно направление использования ЭВМ связано с решением задач моделирования, часто встречающихся в практической деятельности исследователей.
Модель – система, обеспечивающая требуемую имитацию определенного процесса.
Информационная модель – набор параметров, содержащий всю необходимую информацию об исследуемых объектах и процессах.
Здесь допустимо не только математическое моделирование какого-либо процесса или явления, но и визуально-натурное моделирование, которое обеспечивается за счет виртуального отображения этих процессов и явлений средствами машинной графики (а не табличными данными или графиками, как это принято) в реальном масштабе времени. Рассмотрение различных имитационных вариантов позволяет исследователю выбрать оптимальный.
На высших уровнях иерархии в АСНИ находятся информационная и экспертная системы.
Информационная система – автоматизированная система для хранения большого объема информации, быстрого поиска требуемой информации и вывода ее в удобном для человека виде. Информационная система предназначена для хранения и просмотра базы экспериментальных и других данных. Большие объемы информации часто встречаются при цифровой обработке изображений, например в аэрокосмической съемке, астрофизике, ядерной физике и других подобных областях.
Особое место в АСНИ отводится экспертной системе, которая представляет собой мостик между теорией и практикой. Так, методы анализа данных, берущие свое начало в математической статистике, все усложняются и включают логические структуры, которые обеспечивают более высокий уровень обобщения информации.
АСНИ выпускаются в виде как специализированных компьютерных систем, так и прикладных пакетов общего назначения.
Большой популярностью среди научных работников пользуются интегрированные пакеты АСНИ. Примером такого пакета является система MathCAD фирмы MathSoft, которая позволяет в интерактивном режиме создавать, редактировать и отображать на экране монитора широкий класс функций, решать уравнения, заданные в аналитической или графической форме. Система MathCAD имеет встроенные тригонометрические и гиперболические функции, позволяет оперировать как действительными, так и комплексными числами, использовать различные системы единиц. Кроме того, встроенный синтаксический анализатор выполняет проверку синтаксической правильности вводимых формул.
Пакет STATISTICA фирмы StatSoft – один из самых мощных пакетов по математической статистике. Он включает очень широкий набор возможностей, в том числе и таких сложных, как кластерный анализ, непараметрическая статистика, нелинейная регрессия, корреляционный анализ. Система имеет удобный интерфейс, управление которым основано на полиэкранных меню.
Применение ЭВМ в медицине
За последние 20 лет уровень применения компьютеров в медицине чрезвычайно возрос. Практическая медицина становится все более и более автоматизированной.
Сложные современные исследования в медицине не мыслимы без применения вычислительной техники. К таким исследованиям можно отнести компьютерную томографию, томографию с использованием явления ядерно-магнитного резонанса, ультрасонографию, исследования с применением изотопов. Количество информации, которое получается при таких исследованиях, так огромно, что без компьютера человек был бы неспособен ее воспринять и обработать.
Компьютерная томография представляет собой метод рентгенографического исследования, позволяющий при помощи специальной технологии получать рентгенограммы человеческого тела по слоям и удерживать эти снимки в памяти компьютера после специальной обработки; она дает возможность установить локализацию патологического процесса, оценить результаты лечения, в том числе лучевой терапии, выбрать подходы и объем оперативного вмешательства. Для этой цели используются специальные аппараты с вращающейся рентгеновской трубкой, которая перемещается вокруг неподвижного объекта, “построчно” обследуя все тело или его часть. Так как органы и ткани человека поглощают рентгеновское излучение в неравной степени, изображения их выглядят в виде “штрихов” – установленного ЭВМ коэффициента поглощения для каждой точки сканируемого слоя. Компьютерные томографы позволяют выделить слои от 2 до 10 мм при скорости сканирования одного слоя 2–5 секунд с моментальным воспроизведением изображения в черно-белом или цветном варианте.
Очень важным в последнее время становится использование в медицине компьютеров, объединенных в компьютерные сети при помощи специальных кабелей или телефонных каналов. Такие компьютерные сети позволяют очень эффективно производить обмен данными между удаленными друг от друга компьютерами. В рамках российского Министерства здравоохранения и медицинской промышленности функционирует компьютерная сеть MEDNET, которая позволяет упростить сбор статистических медицинских данных по регионам, делать соответствующую обработку, агрегирование данных и составление отчетности. Кроме того, эта сеть может передавать все данные в любые медицинские учреждения, имеющие компьютеры.
В последнее время также получили распространение компьютерные гипертекстовые системы, которые позволяют таким образом организовать информацию, что она становится легко доступной для людей, не являющихся специалистами в компьютерном деле. Такие гипертекстовые системы могут включать в себя как текстовую информацию, так и звуковую и графическую, в том числе движущиеся видеоизображения. Это делает возможным создание информационных систем, осуществляющих информационную поддержку медиков в тех случаях, когда их квалификации или опыта недостаточно для принятия решений о комплексе лечебных мероприятий. Эти же системы, оснащенные подсистемой вопросов и оценки ответов, могут использоваться для целей обучения.
В медицине широко применяются экспертные системы, основное назначение которых – медицинская диагностика. Диагностические системы используются для установления связи между нарушениями деятельности организма и их возможными причинами. Наиболее известна экспертная диагностическая система MYCIN, которая предназначена для диагностики и наблюдения. Ее первая версия была разработана в Станфордском университете в середине 70-х годов. В настоящее время эта система ставит диагноз на уровне врача-специалиста. Она имеет расширенную базу знаний, благодаря чему может применяться и в других областях медицины.
Статьи к прочтению:
Subnautica (Experimental) — Мощный выстрел и база на пушке. #56
Похожие статьи:
Глава 9. Применения информатики и компьютерной техники Как используются компьютеры в быту? В последнее время компьютерыв жилища людей и постепенно…
9.1. Как используются компьютеры в быту? В последнее время компьютерыв жилища людей и постепенно становятся предметами первой необходимости. Есть два…
Источник