Введение. Характерной чертой современной науки является постоянное углубление научных исследований, широкое применение автоматизации эксперимента и обработки данных

Характерной чертой современной науки является постоянное углубление научных исследований, широкое применение автоматизации эксперимента и обработки данных. При росте сложности и информативности процессов исследований, возрастании требований к сокращению времени получения и к качеству научного результата автоматизации научных исследований - основное средство повышения эффективности фундаментальной и прикладной наукии, следовательно, ускорения научно-технического прогресса.

Для современной науки стала весьма актуальной задача организации комплексных исследований, т.е. изучения различных сторон объектов, явлений и процессов согласовано во времени, пространстве и по параметрам конкретных измерений.

Решение этих проблем неизбежно связано с одновременным или последовательным применением различных методов исследований как при построении моделей явлений, так и при организации экспериментальныхизмерений параметров явлений; объединением локальных явлений в глобальные модели; объединением измерений на разнообразных установках и приборах в согласованные программы; привлечением специалистов разных областей знаний. Комплексные задачи решаются многостадийно: от постановки задачи - через обоснование требований к параметрам и принципу действия экспериментальных средств, разработку методики измерений, выбор или создание необходимых приборов и установок, программ управления экспериментом - к выполнению собственно эксперимента (натурного), обработке и анализу экспериментальных данных, моделированию изучаемых явлений (вычислительному эксперименту) и анализу полученных результатов. При этом исследования носят итерационный характер: конечный результат (модель изучаемого явления или процесса) получается путем многократных последовательных приближений и уточнений. Развитие комплексных исследований сопровождается повышением требований к параметрам экспериментальных и информационно-вычислительных средств, усложнение моделей исследуемых явлений влечет за собой усложнение экспериментов, как натурных, так и вычислительных. В комплексных исследованиях участвуют большие коллективы, наих подготовку и выполнение исследований затрачивается длительное время, может потребоваться значительное финансирование и материально-техническое обеспечение. Исследования, чаще всего сопровождаются большими объемами обрабатываемой информации.

Задачи организации комплексных исследований поставлены и решаются в ядерной физике, геофизике, метеорологии, океанологии, сейсмологии, медицине и многих других областях науки. Одним из первых примеров организации комплексных исследований является проект "Международный геофизический год" (1957-1958 гг.), когда впервые был реализован глобальный подход к изучению большинства геофизических процессов и явлений. Примером современных глобальных исследований служит международная геосферно-биосферная программа "Глобальные изменения", организуемая по инициативе международного совета научных союзов. Комплексные исследования по этой программе направлены на изучение долговременных и кратковременных взаимных воздействий между оболочками земли (литосферой, биосферой, гидросферой, атмосферой и окружающей космической средой), как естественных, так и обусловленных деятельностью человека.

Характерной областью развития комплексных исследований является солнечно-земная физика, предметом которой является изучение солнечно-земных связей, т.е. влияния солнечной активности на процессы в околоземном космическом пространстве, магнитосфере, ионосфере и атмосфере Земли. Современные знания солнечно-земных связей основываются не просто на очевидной и статистической зависимости. Использование разнообразных, в том числе ракетных и спутниковых, методов экспериментальных исследований в солнечно-земной физике позволило вступить в совершенно новую эру, что обусловило резкое увеличение знаний в этой области за последнее десятилетие. Вместе с тем стало совершенно очевидно, что решение главных на ближайшее будущее фундаментальных проблем - создание моделей солнечной активности и моделей солнечно-земных связей - и весьма важных практически вопросов разнообразных воздействий Солнца и Землю невозможно без реализации согласованных всесторонних исследований процессов на Солнце, в космическом пространстве, магнитосфере и ионосфере Земли

Реализация комплексных исследований приводят,как правило, к созданию интегрированных многоуровневых распределенных автоматизированных систем научных исследований (АСНИ),в которых интегрируются средства подготовка и реализации натурных и вычислительных экспериментов. При этом многоуровневость и распределенность определяются конечными целями экспериментов, так как последние (как натурные, так и вычислительные) направлены на создание, развитие и исследования иерархии моделей исследуемых объектов (явлений). Структура иерархической декомпозиции моделей определяется иерархической структурой исследуемых задач. Характерные уровни иерархии моделей:

1) модели конкретных проявлений изучаемых объектов и явлений строятся с разной степенью сложности в зависимости от применений, корректируются на основании данных конкретных экспериментальных установок и предъявляют разные требования ко времени моделирования вплоть до моделирования в реальном масштабе времени с оперативной коррекцией по данным эксперимента, например, для решения задач определенного прогнозирования;

2) модели изучаемых объектов (явления). Эти модели строятся и корректируются на оснований экспериментальных данных, полученных с комплексов объектно-ориентированных экспериментальных установок;

3) модели взаимосвязей между отдельными объектами. Здесь привлекаются данные с экспериментальных установок различных объектно-ориентированных комплексов;

4) модели всего изучаемого комплекса явлений, учитывающие взаимосвязи между всеми объектами.

Приведенная классификация носит иллюстративный характер и выделяет уровни иерархии, имеющиеся в большинстве дисциплин, связанных с моделированием и экспериментальными исследованиями сложнейших объектов (явлений). В реальных приложениях число уровней и элементов иерархии существенно больше.

Многоуровневая распределенная структура исследуемых задач и связанная с ней такая же структура моделей, итерационный характер процесса комплексных исследований и интеграция информационно-вычислительных и экспериментальных средств - это основные причины того, что в современных комплексных исследованиях натурные и вычислительные эксперименты тесно переплетаются между собой как внутри элементов различных уровней многоуровневой распределенной АСНИ, так и в рамках всей системы. Между этими экспериментами появляются многочисленные сложные взаимосвязи как по экспериментальным данным, так и по управлению этими экспериментами.

Приведенные специфические черты комплексных научных исследований, выполняемых с использованием разнообразных экспериментальных и информационно-вычислительных средств. привлечением на всех этапах подготовки и реализации исследований больших исследовательских коллективов, показывают целесообразность использования единого подхода к организации уровней и элементов автоматизированной системы управления комплексными исследованиями подхода, учитывающего специфику всех основных этапов исследований. Рассмотрению такого подхода и его конкретизации применительно к вычислительному эксперименту посвящен материал учебного пособия.