..

Автор: Дордюк Владислав

20. Компьютеризация научной деятельности. Развитие информационных технологий и автоматизация проектирования

Что такое информационные технологии?

Информационные технологии - это методы и способы, использующие компьютерные программно-технические средства, отдельные или совокупные информационные процессы и операции для достижения поставленных целей.

Этапы развития информационных технологий

Существует множество определений этапов развития информационных технологий, однако они могут быть условно поделены на следующие:

  • Эпоха ручной обработки информации (до 1940-х годов):
    • Первые информационные системы были основаны на ручной обработке данных. В этот период информация хранилась в виде бумажных документов, а её обработка требовала множества человеческих ресурсов. Калькуляторы и механические устройства использовались для выполнения базовых вычислений.
  • Раннее компьютеризированное общество (1940-1970-е):
    • В данную эпоху наблюдается появление электромеханических компьютеров и систем, примером такой системы является Mark 1 - один из первых электромеханических компьютеров, способных выполнять широкий спектр вычислительных задач. Эти машины заложили основы для дальнейшего развития информационных технологий.
    • 1950-е и 1960-е годы принесли эру мейнфреймов, таких, как IBM 700. Эти крупные компьютеры обрабатывали огромные объемы данных и стали основой для корпоративных информационных систем. Они использовались для обработки бухгалтерской отчётности, управления запасами и других корпоративных задач.
    • В 1960-х годах появились мини-компьютеры, которые были более доступными и компактными по сравнению с мейнфреймами. Мини-компьютеры обеспечивали функциональность мейнфреймов, но с более низкой стоимостью. (CDC 160, PDP-1, УМ-1НХ)
  • Персональные компьютеры и интернет (1980-е - начало 2000-х):
    • 1980-е и 1990-е годы принесли собой распространение персональных компьютеров (ПК). С развитием аппаратных и программных технологий ПК стали доступными для широкой аудитории. Это внесло революцию в работу офисов и домашних пользователей, упрощая доступ к информационным технологиям.
    • С развитием компьютерных сетей и появлением интернета началась эпоха глобальной связности. Компании стали активно использовать сетевые технологии для обмена данными и управления информацией. Клиент-серверные системы и веб-приложения стали общепринятым стандартом.
  • Современное компьютеризированное общество (начало 2000-х - настоящее время)
    • Современный этап характеризуется широким использованием облачных технологий. Облачные сервисы позволяют хранить и обрабатывать данные удалённо, устраняя необходимость в собственных серверах. Это также стимулирует развитие “Интернета вещей” и увеличивает внимание к кибербезопасности.

Современные информационные системы активно используют искусственный интеллект (ИИ) и обработку больших данных. Анализ данных, машинное обучение и ИИ становятся неотъемлемой частью систем, обеспечивая более точные прогнозы и эффективное принятие решений.

Смена поколений ЭВМ и новые методы исследования в технических науках

Каждая смена поколений ЭВМ приводит к увеличению скорости обработки информации, что позволило работать с большими наборами данных. Также новые поколения ЭВМ стали более доступными для широкой публики, что спровоцировало рост количества доступных для исследования данных и повсеместному использованию компьютеров для проведения вычислений.

Развитие ЭВМ способствовало появлению новых методов исследования:

  • Симуляция и моделирование. Компьютеры позволили исследователям моделировать сложные системы и явления, позволяя изучать и понимать процессы, которые иначе трудно или невозможно наблюдать напрямую. Этот подход широко используется в таких областях, как физика, инженерия и биология.
  • Проведение вычислительных экспериментов и статистический анализ больших данных. Вычислительные методы, включая численный анализ и алгоритмы, стали важнейшими инструментами для решения математических задач и анализа данных. Исследователи могли использовать вычислительные методы для обработки больших массивов данных. Хотя сами статистические методы существуют уже несколько столетий, появление компьютеров произвело революцию в этой области, позволив применять сложные статистические методы к большим массивам данных и облегчив проведение более тщательного и точного анализа.
  • Машинное обучение и искусственный интеллект. С экспоненциальным ростом объема данных в цифровую эпоху методы интеллектуального анализа данных и машинного обучения стали мощными инструментами для извлечения закономерностей, тенденций и знаний из огромных массивов данных.

Решение прикладных задач на компьютерах

Решение прикладных задач с помощью компьютера можно разбить на несколько этапов:

  • Выявление и формулировка проблемы, постановка задачи. Это включает в себя сбор требований, понимание области и определение проблемы таким образом, чтобы ее можно было решить вычислительным путем.
  • Выбор алгоритма решения проблемы. Данный этап подразумевает разбиение проблемы на более мелкие, управляемые этапы и разработку новых алгоритмов или выбор существующих для решения каждого из них. Чаще всего строится или выбирается математическая модель, описывающая соответствующую физическую задачу и выбирается численный метод, позволяющий свести ее к некоторому вычислительному алгоритму.
  • Разработка и отладка программы Алгоритм решения задачи записывается как последовательность логических и арифметических операций. Программа, реализующая алгоритм решения задачи, записывается на одном из языков программирования, после чего проводится тестирование и исправление ошибок.
  • Проведение вычислительных экспериментов. На этом этапе готовятся входные данные для проведения вычислений и осуществляется запуск программы.
  • Сбор результатов. Полученные с помощью компьютера результаты численного счета анализируются, сравниваются с экспериментальными данными и оформляется соответствующая научно-техническая документация.
  • Внедрение и поддержка. Полученная программа интегрируется в оптимизируемый процесс, после чего проводится контроль и поддержка приложения, чтобы оно продолжало работать правильно и эффективно.

Автоматизация проектирования

Проектирование включает в себя комплекс работ по изысканию, исследованию, расчетам и конструированию, имеющих целью получение описания предмета проектирования, необходимого и достаточного для создания нового изделия. Под автоматизацией проектирования понимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, когда проектные процедуры операции осуществляются проектировщиком при тесном взаимодействии с компьютером. Автоматизация проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ком­пьютером и обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Целью автоматизированного проектирования являются повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и числа проектировщиков, повышение производительности их труда.

Для автоматизации проектирования используются САПР (англ. CAD) системы, включающие математические методы и построенные на их основе математические модели, описывающие объекты проектирования;

Применение компьютеризации и информационных технологий в конкретной научной или инженерной отрасли

  • Применение информационных технологий в авиации:
    • Создание цифровых двойников двигателей с целью симуляции поведения самолета в разных условиях (погодные условия, внутренние дефекты и т.д.), проверки систем на отказоустойчивость, а также для выбора наиболее эффективного дизайна.
  • Применение информационных технологий в медицине:
    • Создание цифровых двойников пациента для реализации эффективной персонализированной медицины, планирования абляционной терапии, моделирование операции с целью определения оптимальных действий хирурга.