Общая модель вычислительного эксперимента

Общая схема процесса вычислительного эксперимента (рис. 2.1) заключается в следующем. Строится математическая модель исследуемого объекта в виде, например, системы дифференциальных или интегральных уравнений, описывающих влияние тех или иных свойств объекта на его используемые характеристики. По математической модели разрабатываются численные алгоритмы решения сформулированной математической задачи. После этого следуют этапы, связанные непосредственно с реализацией вычислительного эксперимента на ЭВМ: подготовка программы на каком-либо алгоритмическом языке (языках), отладка, проведение методических численных экспериментов для тестирования алгоритмов и расчеты практических задач. Следует отметить [5] актуальность такого понятия, как информационная модель объекта, поскольку для задач с большим объемом исходных данных она во многом определяет реализацию алгоритмов, характер программ и способы общения исследователей с ЭВМ. На основе анализа полученных результатов и их сравнения со свойствами исследуемого объекта делаются выводы о проведении дальнейших расчетов по готовым программам, модернизации программ или алгоритмов, изменения математической модели.

Усложнение математических моделей, рост объемов фактической информации, необходимой для их применения, повышают требования к способам численной реализации математических моделей в виде ППП. Например, рассмотрим класс задач, связанных с проблемами физики атмосферы, океана и окружающей среды. Используемые для их решения математические модели описываются системами трехмерных нестационарных нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Многие физические факторы учитываются в них параметрически. Параметры моделей, краевые и начальные условия оцениваются по результатам обработки данных физического эксперимента. Опыт показывает, что не всегда возможно заранее алгоритмизировать различные ситуации, поэтому необходимо предусматривать интерактивный режим взаимодействия исследователей с реализованными на ЭВМ математическими моделями.

Сложность современных математических моделей требует большого запаса алгоритмов, чтобы выбирать тот или иной алгоритм в зависимости от особенностей конкретной задачи. При этом нужно обеспечить не только устойчивость и экономичность алгоритмов с вычислительной точки зрения, но и простоту их конструктивной и программной реализации. При построении моделей сложных объектов эффективно использование различных приемов декомпозиции [9], с помощью которых сложная задача сводится к совокупности более простых подзадач для их численного решения.

С методами декомпозиции наиболее естественным образом согласуется модульный принцип программирования. При этом [13] для каждого класса задач выбирается некоторое базовое множество алгоритмов универсального назначения, которые реализуются в виде библиотеки программных модулей, составляющих ядро функционального наполнения ППП. При наличия такой библиотеки упрощается процесс конструирования численных моделей. Если структура моделей задана, этот процесс во многих случаях сводится к объединению некоторого набора библиотечных модулей в единую программу; математическая модель, построенная на принципах декомпозиции и модульного программирования, имеет блочную структуру. Учет в модели новых факторов может быть реализован путем введения новых этапов в процедуру декомпозиции и новых модулей в библиотеку. Модульная структура алгоритмов и программ дает возможность подойти к решению целых классов задач, а наличие средств адаптации пакетов к конкретным условиям позволяет активно использовать накапливаемый опыт. Такая методология положена в основу ППП АТОС для решения задач физики атмосферы, океана и охраны окружающей среды [12].

Большую помощь в облегчении взаимодействия исследователей с ППП может оказать хорошо организованный диалоговый интерфейс между ними [2]. Пользователей ППП можно условно разделить на три группы: администратор пакета (обеспечивает постановку пакета на ЭВМ и его правильную эксплуатацию); прикладные программисты (пользуются предоставляемыми ППП возможностями и при необходимости модифицируют функциональное наполнение пакета путем подготовки новых программных модулей или изменения существующих); конечные пользователи (специалисты в определенной предметной области, желающие использовать ППП для решения своих конкретных задач).

Диалоговый интерфейс облегчает работу пользователей всех групп. Для администратора он позволяет автоматизировать процесс адаптации к конкретной операционной среде, а в дальнейшем - облегчить процесс сопровождения пакета. Перенос многих деталей взаимодействия ППП с операционной системой и системой программирования внутрь диалогового интерфейса позволяет в принципе использовать в качестве администратора пакета не системного, а прикладного программиста. Освобождение от рутинных действий по организации интерфейса со штатным программным обеспечением ЭВМ повышает производительность труда прикладных программистов при проведении вычислительного эксперимента. Конечным пользователям развитый диалоговый интерфейс позволяет самостоятельно ставить и решать задачи из предметной области ППП.

Удовлетворяющий этим требованиям диалоговый интерфейс должен обладать большими возможностями. В него нужно заложить знания о способах взаимодействие задачи пользователя с операционной системой и системой программирования. Интерфейс должен поддерживать диалоговое взаимодействие с различными классами пользователей пакета, обеспечивая, таким образом, различные сценарии диалога.