Наталия Теряева. 3D моделирование для рынков НТИ

ПРИМЕНЕНИЕ СКВОЗНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ НОВЫХ РЫНКОВ НТИ

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ РЫНКОВ НТИ

НАТАЛИЯ ТЕРЯЕВА

КАНДИДАТ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК, КОНСУЛЬТАНТ ПРИ ДИРЕКЦИИ ОИЯИ, РУКОВОДИТЕЛЬ ШКОЛЫ ЮНОГО ИНЖЕНЕРА «ВЕКТОР NICA»

КОНСПЕКТ

АУДИО

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: применение

Компьютерное 3D-моделирование — способ создания моделей объемных объектов с помощью компьютерной программы. Компьютерные модели объемных объектов создают для двух видов применения.

Ими могут быть цельные предметы, устройства, механизмы или их отдельные элементы

Примерами могут служить компьютерные игры или тренажеры, компьютерная графика в фильмах или медицине

Трехмерное моделирование бывает не только компьютерным. Архитекторы традиционно прорабатывают композицию проекта, изготавливая макет из бумаги. Скульпторы проверяют пластическую идею своей скульптуры из металла или бетона в ее уменьшенной модели из гипса. И форму для отливки готовой скульптуры делают по ее полноразмерной гипсовой модели.

Инженеры создают упрощенную модель небольшого размера для испытания работоспособности изобретенной конструкции и отрабатывают на ней принципиальные механизмы ее работы. Стоматологи-ортопеды по гипсовым слепкам зуба создают его протез из пластмассы, керамики или фарфора. И это только некоторые из примеров.

Преимущества компьютерного 3D-моделирования

Экономит время на изготовление реальной модели

Экономит материал для изготовления реальной модели

Позволяет создавать модель с любой точностью

Позволяет легко исправлять недостатки модели

В наше время существует много компьютерных программ для 3D-моделирования. Они отличаются точностью создаваемых моделей, возможностями анимации и визуализации. Самые точные и сложные программные комплексы 3D-моделирования применяются для промышленного и машиностроительного проектирования. Обычно такие комплексы называют системами автоматизированного проектирования (САПР).

САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ САПР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ

Все перечисленные системы автоматизированного проектирования (САПР), кроме SolidWorks, имеют бесплатную академическую версию для обучения школьников или студентов. Зарубежные:

Франция, Dassault Systemes

США, Autodesk

США, Autodesk

Германия, Siemens PLM Software

Российские:

Алгоритм работы с ADEM CAD

Академическая версия отличается от коммерческой ограниченным количеством лицензированных форматов готовых файлов с построенными 3D-моделями. Но лицензированных форматов вполне достаточно, чтобы научиться строить и редактировать 3D-модели и печатать их на 3D-принтере или вырезать на станке ЧПУ лазерной резки. Формат файла для печати на 3D-принтере у всех перечисленных программ одинаков и не зависит от типа 3D-принтера. Формат файлов с 3D-моделями, которые можно редактировать, у всех САПР разный. И, как правило, эти форматы несовместимы друг с другом.

Все лицензионные коммерческие версии САПР — и зарубежные, и российские — предназначены как для работы на индивидуальном, домашнем компьютере, так и для коллективной работы в сети компьютеров. Зарубежные САПР даже при работе на индивидуальном компьютере требуют интернет-соединения с облачным сервером компании-производителя. Разработчики САПР сделали специализированные версии программных комплексов по профилям их применения:

Специализированные программные комплексы позволяют создавать детали сложной конструкции, собирать их в единый механизм и проверять их взаимное расположение с помощью анимации. Они могут даже рассчитывать механические и тепловые нагрузки.

Анимированная 3D-модель детектора MPD для строящегося в подмосковной Дубне коллайдера NICA. Ее создали конструкторы Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ


NICA MPD

Борясь за клиента, производители САПР для промышленного проектирования предлагают решения специально для малого бизнеса, рассчитанные на конкретные потребности и бюджет покупателя. Дизайнеры интерьеров, разработчики компьютерных игр и спецэффектов не нуждаются в машиностроительной точности. Зато им нужен богатый выбор цвета, текстуры, простота в работе с пластичностью формы, световые эффекты и расширенные возможности анимации. Профессионалы для этого используют:

США, Autodesk

США, Autodesk

Для визуализации и анимации кинематографического уровня

Есть масса более простых программ для любителей, которые с легкостью используют даже школьники младших классов: к примеру, гугловская SketchUp, предназначенная для моделирования простых трехмерных объектов — строений, мебели, интерьера. Все компьютерные программы для создания виртуальных 3D-моделей не предназначены для печати разработанных моделей на 3D-принтере.

Анимация программного комплекса Maya

Больше лонгридов и заданий доступны при записи на курс

Записаться

Находясь на сайте, вы даете согласие на обработку файлов cookie. Это необходимо для более стабильной работы сайта

Понятно

Close

Инженерно-технические программные средства компьютерного моделирования в России

Землянский Илья Александрович1, Гусева Елена Николаевна2
1Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Институт строительства, архитектуры и искусства, студент 5 курса
2Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, Институт энергетики и автоматизированный систем, кандидат педагогических наук, доцент кафедры бизнес-информатики и информационных технологий

Аннотация
В статье рассматривается история создания компьютерного 3D моделирования в России, а также инженерно-технические программы для 3D моделирования.

Ключевые слова: инженерно-технические программные средства, малая электронно-счётная машина, моделирование 3D, скульптинг

Zemlyanskiy Ilya Aleksandrovich1, Guseva Elena Nikolaevna2

1Nosov Magnitogorsk State Technical University, Civil Engineering, Architecture and Arts Institute, student of the 5th course
2Nosov Magnitogorsk State Technical University, Power Engineering and Automated Systems Institute, PhD in Pedagogical Science, Associate Professor of the Business Computer Science and Information Technologies Department

Abstract
The article discusses the history of the creation of 3D computer modeling in Russia, as well as engineering software for 3D modeling.

Keywords: 3D modeling, engineering software, scalping, small electronic-computing machine (SECM)

Библиографическая ссылка на статью:
Землянский И.А., Гусева Е.Н. Инженерно-технические программные средства компьютерного моделирования в России // Современная техника и технологии. 2017. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2017/01/11660 (дата обращения: 16.04.2023).

Мир постоянно меняется, постепенно нас окружают всё новые и новые технологии. В двадцать первом веке, невозможно представить жизнь без компьютерных технологий. При создании любого объекта, важно учитывать его основные параметры. На помощь приходит компьютерное моделирование, которое помогает оценить масштабы модели,  возможные риски при разработке проекта. Компьютерное моделирование ориентированно на создание различных видов объектов и систем. Это позволяет нам правильно сформировать структуру будущему проекту на подготовительном этапе, снизить риски дополнительных затрат, уменьшить сроки создания.

В основе 3D графики было обычное плоское изображение. Развитие компьютерной  графики за десятилетие достигло небывалых результатов. В результате исследований и наработок ученых и конструкторов, мы можем создавать и редактировать трехмерное изображение реальных и виртуальных объектов. Двумерное изображение имеет две оси координат: ширину и высоту. В 90-х годах прошлого века появилась возможность создания третьего измерения – объема. Третье измерение назвали осью глубины «Z». Это открытие взбудоражило многие умы того столетия, несмотря на то, что компьютеры были очень массивными, это не только не подавило исследовательскую деятельность, но привлекло многих ученых к разработке технологий 3D моделирования.

Впервые компьютерное моделирование в России появилось благодаря Лебедеву С. А. – основателю вычислительной техники в СССР. Впервые под его руководством в СССР в 1948—1950 годах была создана первая Малая электронно-счётная машина. Данная машина обладала такими параметрами: тактовая частота: 5 кГц, быстродействие 3000 операций в минуту, энергопотребление 25кВт, занимаемая площадь 60 квадратных метров.

Она предназначалась для решения систем линейных алгебраических уравнений и вычислении корреляционных функций. Прогресс не стоял на месте и вскоре в 1985 году на серийном производстве оказался первый бытовой компьютер СССР, имеющий название «Электроника БК — 0010», надо сказать что, идея создания компьютеров в СССР лежала на плечах электротехников энтузиастов, так как государство не особо интересовалось разработкой таких проектов.

Постепенное развитие микрокомпьютеров в СССР, дало возможность создавать новые программы для компьютерного моделирования. Безусловно лидерами по программному исследованию были американские ученые, но и отечественные разработки в некоторых случаях не уступали аналогам из-за границы. В ходе нескольких лет разработок лучшими учеными СССР, были созданы такие проекты как:

  1. 1968, ВЦ АН СССР, машина БЭСМ-6, первый отечественный растровый дисплей с видеопамятью на магнитном барабане;
  2. 1972, Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ), векторный дисплей “Символ”;
  3. 1973, ИАиЭ, векторный дисплей “Дельта”;
  4. 1977, ИАиЭ, векторный дисплей ЭПГ-400;
  5. 1982, Киев, НИИ периферийного оборудования, векторный дисплей СМ-7316, 4096 символов, разрешение 2048/2048;
  6. 1979-1984, Институт прикладной физики, серия растровых цветных полутоновых дисплеев “Гамма”. Дисплеи имели таблицу цветов и возможность масштабировать в окне.

При усовершенствовании микрокомпьютеров, моделирование поделилось на несколько типов.

«Выделяются следующие типы систем автоматизированного проектирования:

– CAD (Computer Aided Design) — конструирование с использование компьютерных технологий и программ в зависимости от одного из трех уровней их сложности: Первый уровень: решение программами задач плоского черчения; Второй уровень: решение задач пространственного моделирования; Третий уровень: здесь программные продукты, представляющие собой сложные многофункциональные системы, которые позволяют создавать полный комплект технической документации, имеющий возможности параметрического моделирования.

– CAM (Computer Aided Modeling) — создание производственных процессов систем компьютерного моделирования и дальнейшего использования программных пакетов, для генерации кодов станков с числовым программным управлением.

– PDM (Product Data Management) — концепция единого информационного пространства между всевозможными производственными подразделениями, которое призвано для оптимизации общего управления производственным процессом.

– CAE (Computer Aided Engineering) — проведение компьютерными программами инженерных расчётов. К ним имеют отношение программы для кинематического и динамического анализа, а также программы, используемые для расчёта различных параметров сплошных сред (напряжённые состояния, деформации, теплообмен, потоки жидкости и другое).

– PLM (Product Lifecyle Management) — единое информационное пространство, образованное на основе функциональных возможностей PDM и ERP (организация системы электронного документооборота). Кроме выше перечисленных, заслуживают внимание также: CALS, SDM, CIM— Computer Integrated Manufacturing, CAPP— Computer Aided Process Planning, CRM— Customer Relationship Management и другие» [1]. Рынок перешел к более продвинутым программам, и первым продуктом стал «Autodesk»

«Первым продуктом компании стал разработанный в 1982 году AutoCAD — система автоматизированного проектирования, предназначенная для работы на устройствах, известных, в то время как «микрокомпьютеры», включая восьмиразрядную операционную систему CP/M и новые шестнадцатиразрядные IBM PC. Она позволяла создавать детализированные чертежи и была доступна для многих небольших компаний.

АutoCAD — система автоматизированного проектирования для двухмерного и трехмерного проектирования и черчения (рис 1). Ранние версии AutoCAD оперировали элементарными объектами, такими как круги, линии, дуги и др., из которых составлялись более сложные объекты. Однако на современном этапе программа включает в себя полный набор средств, обеспечивающих комплексное трёхмерное моделирование, в том числе работу с произвольными формами, создание и редактирование 3D-моделей тел и поверхностей, улучшенную 3D-навигацию и эффективные средства выпуска рабочей документации. Начиная с версии 2010, в AutoCAD реализована поддержка параметрического черчения, то есть возможность накладывать на объект геометрические или размерные зависимости. Это гарантирует, что при внесении любых изменений в проект, определённые параметры и ранее установленные между объектами связи сохраняются» [2]. (рис1)

Рисунок 1 – Модель здания в программе AutoCAD

В 1989 году на торговый рынок по продажам программ для компьютерного моделирования, вышла компания именуемая «Аскон», предлагаемая продукт «Компас» – система автоматизированного проектирования. В 1997 году вышла первая версия под Windows – «Компас 5.0». На данный момент компания выпускает различные редакции программ 3D моделирования, к примеру «Компас – 3D» (рис 2) и «Компас – График».

Рисунок 2 – Объемная модель в программе Компас 3D

Lego Digital Designer

Рисунок 3 – Интерфейс программы Lego Digital Designer

Lego Digital Designer — это игровая программа, благодаря которой вы можете создать лего-конструктор на своем компьютере. Это приложение можно лишь условно отнести к программам для 3D моделирования. Эта программа развивает пространственное мышление, а так же воображение у человека. Данную программу можно условно отнести к 3D программам.

Резкий скачек развития компьютерных технологий привел к совершенствованию программного обеспечения. Разработчики не только создают полнофункциональные программы для компьютерной графики и 3D моделирования, но и программы которые соответствуют высоким требованиям пользователя. С такими программами очень трудно работать, так как каждый набор команд, имеет свои исходные данные. В некоторых программах всего одна клавиша на клавиатуре, может иметь три или даже пять команд исполнения.

Cinema 4D

Рисунок 4 – Интерфейс программы Cinema 4D

Cinema 4D – универсальная программа для создания и редактирования 3D моделей. Представление о работе этой программы у вас будут такими же как, с работой в Autodesk, но логический набор функций кардинально различается, к тому же данная программа имеет более совершенный вид в создании видео анимации в режиме реального времени, а так же данная программа идет с поддержкой русского языка, безусловно это является огромным плюсом в 3D моделировании, но из-за того, что ранняя версия этой компании набрала широкий спектр использования 3D моделей, то Cinema 4D осталась в тени своего предшественника

Мы провели обзор ряда программ направления 3D моделирования. Резкий скачек интереса пользователей в мире к различным компьютерным играм и видеофильмам, привел к совершенствованию не только сценария, произведения, но и более качественной детализации картины, к четкой  прорисовке персонажей. Такие программы сложны в разработке, но в конечном результате появляются шедевры компьютерных игр, а также различные кино-проекты.

«Цифровая скульптура (скульптурное моделирование или 3d скульптинг) – вид изобразительного искусства, произведения которого имеют объёмную форму и выполняются с помощью специального программного обеспечения, посредством инструментов которого возможно производить различного рода манипуляции над 3d моделями, как если бы скульптор работал над обычной глиной или камнем» [3].

Blender Foundation — некоммерческая организация, занимающаяся разработкой программного пакета трёхмерного моделирования с открытым исходным кодом под названием Blender [4].

Blender — профессиональный комплекс трехмерного моделирования. В пакет входят такие функции как: анимация, рендернг, монтаж со звуком и видео и компоновка с помощью узлов Node Compositing. Данная программа имеет безграничные возможности по созданию трехмерной графики.

 

Рисунок 5 – Работа над моделью в программе Blender

В 2009 году на коммерческий рынок вышел продукт компании Pixologic «ZBrush» – программа которая в режиме реального времени создавала объекты трехмерного измерения. Новшеством этой программы было в том, что процесс проходил путем создания «лепки» трехмерной скульптуры, теперь каждая точка имела не только координаты XYZ, но и глубину, и цвет. Теперь пользователь мог сразу раскрасить объект, а так же пользователю не нужно больше делать тени либо блики, ZBrush сделает это за вас самостоятельно.

Компьютерное моделирование прочно вошло в нашу жизнь. Оно позволяет существенно сократить и автоматизировать те или иные процессы жизни, снизить затраты на работу, улучшить представление об объекте. В современном мире мы постоянно сталкиваемся с 3D моделированием, выйдя на улицу мы видим рекламу нарисованную 3D программой, мы смотрим видео фильм и там тоже видим работы с помощью 3D программ. Каждый человек желает, чтобы его окружало все самое лучшее, поэтому разработчики 3D ПО вкладывают огромные усилия по разработке и индивидуальности своих продуктов.

Библиографический список

  1. Молодой учёный №21 ноябрь-1 2016 г. // Компьютерное моделирование в России. URL: http://moluch.ru/archive/125/34919/(дата обращения: 3.1.2017).
  2. История создания  AutoCAD // Autodesk. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Autodesk(дата обращения: 29.12.2016).
  3. 3D скульптинг  // Blender Foundation. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Blender_Foundation(дата обращения: 27.12.2016).
  4. Астафьева В. В. Компьютерное моделирование в России // Молодой ученый. — 2016. — №21. — С. 747-750.
  5. Верстак В. А. 3ds Max 8. Секреты мастерства. – СПб.: Питер, 2006 . –672 с.
  6. Гусева Е. Н. Дидактические условия использования педагогических программных средств в процессе профессиональной подготовки будущих учителей/дис. канд. пед. наук:13.00.08/Гусева Елена Николаевна; МГПИ:–Магнитогорск, 1999, – 168 с.
  7. Гусева Е. Н. Математика и информатика: [электронный ресурс]  учеб. пособие/ Е. Н. Гусева, И.Ю. Ефимова, И.Н. Мовчан,  Л.А. Савельева. – 3-е изд., стереотип.–М.:Флинта, 2015–400с.–URL:  lf5.com/Knigi/Nauka-Obrazovanie/Matematika/Matematika-i-informatika-148-103807
  8. Гусева Е. Н. Имитационная модель «Центра социальной помощи семье и детям» //Перспективы развития информационных технологий. 2014. № 17. С. 17-22.
  9. Гусева Е.Н. Имитационная модель строительной фирмы / Е.Н. Гусева // Вестник науки и образования Северо-Запада России. Том  1 № 4. Экономические и педагогические науки, 2015. С. 1-6.
  10. Гусева Е.Н. Имитационное моделирование как среда компьютерной визуализации знаний/ Новые информационные технологии в образовании/ Материалы VII международной научно-практической конференции. Российский государственный профессионально-педагогический университет. 2014. С. 395-399.
  11. Гусева Е.Н. Имитационное моделирование разработки рудника по добыче  меди// Научные труды SWorld. 2013. Т. 11. № 4. С. 73-76.
  12. Гусева Е.Н., ДружкинаИ.Ю. Проблемы формирования и развития навыков моделирования у учащихся среднего звена в рамках кружка по робототехнике/ Е.Н. Гусева, И.Ю. Дружкина //Современная педагогика. 2014. № 6 (19). С. 11.
  13. Кулагин Б.Ю. 3ds Max 7.5. Актуальное моделирование, визуализация и анимация. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. — 496 с.
  14. Процесс создания 3D-графики в фильмах и играх.–URL:  https://videosmile.ru/lessons/read/protsess-sozdaniya-3d-grafiki-v-filmah-i-igrah.html
  15. Робертс С. Анимация 3D-персонажей. – М.:
    НТ Пресс, 2006. –  264 с.
  16. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Практикум. – М.: Высшая школа, 1999. – 224 с.
  17. Флеминг Б. – Создание трехмерных персонажей. Уроки мастерства: пер. с англ. / М.: ДМК, 1999. — 448 с.: ил.
  18. Чекмарев А. Средства визуального проектирования: учеб.пособ.: [электронный ресурс]/ А. Чекмарев.- СПб.: BHV, 1998.-400с. – URL: https://www.ozon.ru/context/detail/id/89835/

Все статьи автора «Землянский Илья Александрович»

Компьютерное моделирование | Определение и факты

Ключевые люди:
Джей Райт Форрестер
Связанные темы:
компьютер искусственная жизнь моделирование клеточные автоматы компьютерная модель

См. весь связанный контент →

компьютерное моделирование , использование компьютера для представления динамических реакций одной системы поведением другой системы, смоделированной по ее образцу. Моделирование использует математическое описание или модель реальной системы в виде компьютерной программы. Эта модель состоит из уравнений, которые дублируют функциональные отношения в реальной системе. При запуске программы результирующая математическая динамика формирует аналог поведения реальной системы, а результаты представляются в виде данных. Моделирование также может принимать форму компьютерного графического изображения, которое представляет динамические процессы в анимированной последовательности.

Компьютерное моделирование используется для изучения динамического поведения объектов или систем в ответ на условия, которые не могут быть легко или безопасно применены в реальной жизни. Например, ядерный взрыв можно описать математической моделью, включающей такие переменные, как тепло, скорость и радиоактивное излучение. Затем можно использовать дополнительные математические уравнения, чтобы приспособить модель к изменениям определенных переменных, таких как количество расщепляющегося материала, вызвавшего взрыв. Моделирование особенно полезно, поскольку позволяет наблюдателям измерять и прогнозировать, как на функционирование всей системы может повлиять изменение отдельных компонентов в этой системе.

Викторина «Британника»

Викторина «Компьютеры и технологии»

Простейшие модели моделирования, выполняемые персональными компьютерами, состоят в основном из бизнес-моделей и геометрических моделей. К первым относятся электронные таблицы, финансовые и статистические программы, которые используются в бизнес-анализе и планировании. Геометрические модели используются во многих приложениях, требующих простого математического моделирования объектов, таких как здания, промышленные детали и молекулярные структуры химических веществ. Более продвинутые модели, например моделирующие погодные условия или поведение макроэкономических систем, обычно выполняются на мощных рабочих станциях или суперкомпьютерах. В инженерии компьютерные модели вновь спроектированных конструкций проходят симуляционные испытания для определения их реакции на нагрузку и другие физические переменные. Моделированием речных систем можно манипулировать, чтобы определить потенциальное влияние плотин и ирригационных сетей до того, как начнется какое-либо фактическое строительство. Другие примеры компьютерного моделирования включают оценку конкурентной реакции компаний на конкретном рынке и воспроизведение движения и полета космических аппаратов.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Компьютерное моделирование: определение, примеры, использование

Компьютерное моделирование — это программы, запускающие различные математические сценарии для определения потенциальных масштабов или воздействия, которое может иметь конкретный сценарий.

Например, моделирование помогает производителям автомобилей проводить виртуальное краш-тестирование своих новых моделей автомобилей. Вместо того, чтобы физически разбивать десятки новых автомобилей, исследователи запускают симуляции, чтобы увидеть все возможные сценарии, которые могут произойти как с автомобилем, так и с пассажирами во множестве аварий. Эти симуляции определяют, достаточно ли безопасен автомобиль для вождения.

Идея состоит в том, что компьютерное моделирование позволяет исследователям воспроизвести возможные события реального мира — от распространения инфекционных заболеваний до надвигающихся ураганов — чтобы мы могли сэкономить время и деньги, планируя будущее.

 

Что такое компьютерное моделирование?

Проще говоря, компьютерные симуляции — это компьютерные программы, которые моделируют сценарий или продукт из реальной жизни и проверяют на них множество возможных результатов.

«Если работа с самой реальной системой слишком масштабна, слишком дорога или слишком рискованна — вот почему мы используем компьютерное моделирование», — сказал Барри Нельсон, профессор инженерии Северо-Западного университета. «Моделирование позволяет создавать концептуальные данные или системы, которые люди хотят создавать, рассматривать или изменять. Иногда я говорю, что моделирование — это аналитика данных для систем, которых еще не существует».

Компьютерное моделирование Определение

Компьютерное моделирование использует математические уравнения для моделирования возможных реальных сценариев, продуктов или условий и создания различных реакций на них. Он работает путем дублирования реальной модели и ее функций, и как только симуляция запущена, симуляция создает запись о том, что моделируется, и ее реакции, которые преобразуются в данные.

Хотя компьютерное моделирование обычно используется для проверки потенциальных сценариев реального мира, оно также может носить более теоретический характер. В 2016 году ученые из Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго, штат Иллинойс, пришли к выводу, что зомби потребуется всего пара месяцев, чтобы захватить город и уничтожить его население.

К счастью, теперь у нас есть «знания для разработки действенной программы по обучению населения как лучшей защите от зомби, так и наиболее эффективным наступательным действиям», — сказал в интервью Built In старший системный инженер из Аргонны Чик Макал. . Фу.

Зомби не реальны, но инфекционные заболевания реальны. Макал и его коллеги хотели предсказать, как могут распространяться более вероятные инфекционные заболевания, и определить наиболее эффективные методы вмешательства и политических действий. Их исследования основывались на так называемом агентном компьютерном моделировании и симуляции. Этот метод позволил исследователям во всех типах академических дисциплин и коммерческих отраслей выяснить, как вещи (оборудование, вирусы и т. д.) будут функционировать или действовать в определенных средах без необходимости физического воспроизведения этих условий. В случае с Макалом и его соратниками это означает, что ни один живой человек — или нежить — не пострадал в ходе своей работы.

Коллега Макала, ученый-вычислитель Джонатан Озик, описал эту часть своей работы как «вычислительное открытие эффективных вмешательств», и она особенно хороша при работе с определенной группой людей. Дополнительным преимуществом, по его словам, является то, что «мы можем проводить эти эксперименты, не беспокоясь о стоимости экспериментов или даже об этических соображениях и соображениях конфиденциальности», потому что популяции, которые они изучают, являются синтетическими, математическими представлениями, а не реальными.

Читать дальше: Что такое квантовые вычисления?

 

Как работает компьютерное моделирование?

Компьютерное моделирование представляет собой пошаговый процесс, в котором программа компьютерного моделирования моделирует реальную систему (системой может быть автомобиль, здание или даже опухоль). Чтобы воспроизвести систему и возможные результаты, при моделировании используются математические уравнения для создания алгоритма, который определяет состояние системы или комбинацию различных возможных переменных.

Например, если вы моделируете автомобильную аварию, алгоритм моделирования можно использовать для проверки того, что произойдет, если во время аварии будет шторм, и что произойдет, когда погода будет более мягкой.

Моделирование вычисляет состояние системы в данный момент времени (t), затем оно переходит к t+1 и так далее. После завершения моделирования последовательность переменных сохраняется в виде больших наборов данных, которые затем можно преобразовать в визуализацию.

«Мы не заинтересованы в простой экстраполяции в будущее», — сказал Макал. «Мы заинтересованы в рассмотрении всех неопределенностей, а также различных параметров, характеризующих модель, и выполнении тысяч или миллионов симуляций всех различных возможностей и попытке понять, какие вмешательства будут наиболее надежными. И здесь на помощь приходят высокопроизводительные вычисления».

Благодаря мощным возможностям суперкомпьютеров по обработке данных моделирование стало более совершенным, чем когда-либо, и развивается быстрыми темпами.

Имеющиеся в их распоряжении вычислительные ресурсы, по словам Озика, позволяют исследователям «полностью изучить поведение, которое могут демонстрировать эти модели, а не просто применять специальные подходы для поиска определенных интересных моделей поведения, которые могут отражать некоторые аспекты реальности».

То есть симуляции намного шире, а потому еще более реалистичны — по крайней мере, с гипотетической точки зрения.

 

Компьютерные симуляции в реальном мире

Многие симуляции выполняются с использованием гораздо меньшей вычислительной мощности, чем у Аргонна. Элисон Бриджер, заведующая кафедрой метеорологии и климатологии Государственного университета Сан-Хосе в Калифорнии, сказала, что кластерные компьютеры на месте достаточно сильны, чтобы запускать модели моделирования климата, которые она создает. Услуги облачных вычислений, подобные тем, которые предлагают Amazon (AWS) и Microsoft (Azure), также постепенно укрепляются в этом пространстве.

Наряду с ядерной физикой метеорология была одной из первых дисциплин, в которой после Второй мировой войны использовалось компьютерное моделирование. А моделирование климата, по словам Бриджера, «похоже на близкого родственника прогнозирования погоды. Еще в 1960-х годах люди использовали ранние модели прогнозирования погоды для предсказания климата. Прежде чем вы сможете предсказывать погоду, вы должны быть в состоянии правильно воспроизвести ее с помощью своей модели».

В работе Бриджера используется широко используемая модель «локального масштаба» под названием WRF, что означает «Погода, исследования и прогнозирование» и может производить «достаточно хорошее моделирование погоды в масштабе, скажем, Северного Иллинойса — от Чикаго до Грин-Бей и вниз в центральную часть штата. Он будет прогнозировать такие вещи, как высокие и низкие температуры, дождь и так далее. И обычно он запускается только для имитации погоды на 24, 48 или 72 часа».

Для дальнейшего объяснения своего процесса Бриджер использует изображение куба с центром в Чикаго, расположенного примерно в километре с востока на запад и на километр с севера на юг. Цель состоит в том, чтобы предсказать температуру в центре куба и экстраполировать это значение на все пространство. Есть также, по ее словам, дополнительные кубы, окружающие первоначальный, «сложенные до самого верха атмосферы», будущие температуры которых будут предсказываться с различными временными интервалами — через час, через 12 часов, через день, через три дня и так далее.

Затем к смеси добавляются переменные, влияющие на температуру, такие как количество солнечного света, облачный покров, стихийные бедствия, такие как лесные пожары и техногенное загрязнение. Затем нужно применить законы физики для определения различных явлений, связанных с погодой: повышение и понижение температуры, количество ветра и дождя.

Компьютерное моделирование может использоваться не только для предсказания климата и погоды.

 

6 Примеры компьютерного моделирования

Независимо от того, хотят ли ученые лучше понять ответные меры здравоохранения или даже исследовать черные дыры, компьютерное моделирование дает важные исследовательские возможности. Вот шесть наиболее примечательных:

 

1. Реагирование на пандемии

Вместе с Озиком и их коллегой-исследователем Ником Кольером Макал также работал над проектом по моделированию и симуляции, который определял, что может произойти, если смертельный вирус Эбола, который первоначально распространился по Западной Африке в 2013 г. 2016 года с разрушительными последствиями — повлияет на население США. Часть этого процесса включала посещение чикагских больниц, чтобы узнать о процедурах, связанных с лихорадкой Эбола, а затем включение этих процедур в их модели.

 

2. Улучшение лечения рака

Другие ученые из Аргонны использовали моделирование и моделирование для улучшения лечения рака с помощью прогностической медицины, выясняя, как разные пациенты и опухоли реагируют на разные лекарства.

А одно исследование 2019 года показало положительные результаты в моделировании опухолей рака молочной железы. Для исследования исследователи построили компьютерную симуляцию, которая смоделировала опухоли у четырех разных пациентов при 12-недельном лечении. После того, как две смоделированные опухоли не ответили на лечение, они пришли к выводу, что более частые низкие дозы химиотерапии могут уменьшить опухоль с низкой пролиферативной активностью, в то время как более низкие дозы антиангиогенных агентов помогли опухолям с плохой перфузией лучше реагировать на медикаментозное лечение.

 

3. Прогнозирование нарушений Кодекса здравоохранения

Департамент общественного здравоохранения Чикаго использует компьютерное моделирование и симуляцию, чтобы предсказать, где в первую очередь могут возникнуть критические нарушения. Затем эти рестораны поднимаются на вершину списка из 15 000 заведений, за которым наблюдают всего три десятка инспекторов. И, судя по всему, это работает: одна симуляция выявила на 14% больше нарушений, что в идеале означает более ранний осмотр и меньшую вероятность того, что клиенты заболеют от плохо охлажденной рыбы.

 

4. Понимание наших отношений с религией и кризисом

Компьютерное моделирование интересно используется в Бостонском университете. Уэсли Уайлдман, профессор философии, теологии и этики, использует компьютерное моделирование для изучения — как он выразился в статье для The Conversation — «как религия взаимодействует со сложным человеческим разумом, в том числе в таких процессах, как управление реакцией на ужасающие события».

Для этого он и его команда спроектировали мир и наполнили его управляемыми компьютером персонажами или «агентами», которые «запрограммированы следовать правилам и тенденциям, выявленным у людей с помощью психологических экспериментов, этнографических наблюдений и социального анализа». ».

Затем они увидели, что произошло, когда их агенты были протестированы на реальных примерах, таких как сильное землетрясение, которое произошло в Крайстчерче, Новая Зеландия, в 2011 году.

«Чем лучше наши агенты имитируют поведение реальных людей в подобных обстоятельствах», Уайлдман сказал: «Чем ближе модель соответствует реальности, и тем удобнее мы говорим, что люди, вероятно, будут вести себя так же, как агенты, в новых и неисследованных ситуациях».

 

5. Изучение землетрясений

В Германии команда суперкомпьютерного центра Лейбница провела моделирование землетрясений, взяв за основу разрушительное землетрясение в Индийском океане 2004 года, вызвавшее мощное цунами.

По словам профессора Михаэля Бадера из Института информатики Германии, они хотели «лучше понять весь процесс того, почему одни землетрясения и вызванные ими цунами намного сильнее других. Иногда мы видим относительно небольшие цунами при сильных землетрясениях или удивительно большие цунами, связанные с относительно небольшими землетрясениями. Моделирование — один из инструментов, позволяющих получить представление об этих событиях».

Но это далеко не идеально. Репортер New York Times Шери Финк подробно рассказала, как базирующийся в Сиэтле стартап по реагированию на стихийные бедствия под названием One Concern разработал моделирование землетрясения, которое не смогло включить в свои тестовые прогоны многие густонаселенные коммерческие строения, «поскольку расчеты ущерба в значительной степени основывались на данных переписи населения». Потенциальный реальный результат этой ошибочной прогностической модели: спасатели могли не знать местонахождение многих нуждающихся жертв.

 

6. Изучение черных дыр 

В 2022 году исследователи создали модель черной дыры, смоделировав цепочку атомов из одного файла, чтобы создать горизонт событий черной дыры. Это привело к тому, что команда наблюдала за излучением Хокинга, гипотетической теорией, согласно которой частицы, образованные краем черной дыры, создают температуры, обратно пропорциональные массе черной дыры.

Хотя исследование все еще находится на ранней стадии, оно потенциально может помочь ученым понять и устранить различия между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Произошла ошибка.

Невозможно выполнить JavaScript. Попробуйте посмотреть это видео на сайте www.youtube.com или включите JavaScript, если он отключен в вашем браузере.

Ученые НАСА используют компьютерное моделирование, чтобы понять, что происходит при столкновении черных дыр. | Видео: НАСА

 

Использование компьютерного моделирования в различных отраслях промышленности

За последние 75 лет компьютерное моделирование и имитационное моделирование превратились из преимущественно научных инструментов в то, что промышленность приняла в целях оптимизации и прибыльности.

«Промышленность осваивает моделирование быстрее, чем когда-либо прежде, и связывает его с тем, что я бы назвал аналитикой данных для таких вещей, как планирование и управление цепочками поставок», — сказал Макал. «Промышленность пытается смоделировать все, что они делают, потому что они понимают, что это дешевле и быстрее, чем реальное создание прототипа системы».

Когда Нельсон из Northwestern разговаривал с Built In, он недавно вернулся с ежегодной конференции по прикладным вероятностям. Там обсуждаемые приложения для моделирования включали, но не ограничивались следующим: авиационное моделирование, кибербезопасность, экологическая устойчивость и риски, управление финансовыми рисками, здравоохранение, логистика, цепочка поставок и транспорт, производство полупроводников, военные приложения, сетевые коммуникации, управление проектами. и строительство.

«Часто компании, использующие моделирование, хотят в некотором смысле оптимизировать производительность системы», — сказал Нельсон, приводя в качестве примера автомобильную компанию, которая хочет построить новый сборочный завод или решить, какие автомобили вывести на рынок.

«Поэтому оптимизация является ключом ко многим видам бизнеса в промышленности, но оптимальные решения часто ненадежны, — продолжил он. «Я имею в виду, что если небольшие проблемы, связанные с предположениями или приближениями моделирования, которые вы сделали, неверны, то внезапно что-то, что казалось оптимальным в вашей модели, может оказаться катастрофически плохим».

Нельсон добавил: «Когда люди строят математические и компьютерные модели, даже если модель может быть построена на основе данных, они обращаются с ней так, как будто модель верна и, следовательно, решение, которое [результаты] является оптимальным. Что мы пытаемся сделать, так это продолжать включать в модель неопределенность, которая была создана, когда мы ее строили».

Финансовый кризис 2008 года, по словам Нельсона, является одним из случаев, когда риск модели пагубно преуменьшался.

«Финансовая индустрия использует огромное количество очень сложных математических компьютерных моделей [методов]», — сказал он. «И совершенно ясно, что корреляции между различными финансовыми инструментами, ценными бумагами и так далее как бы игнорировались, поэтому мы получили каскадные сбои».

Однако подобные предостережения не означают, что те, кто создает математические и компьютерные модели, на которых основаны симуляции, должны стремиться к совершенству, потому что ни одна модель не идеальна, а модели движут прогрессом. Требование совершенства, сказал Нельсон, «парализует нас. Но по мере того, как мы начинаем принимать более важные для жизни решения на основе моделей, становится все более важным учитывать риски».

Дополнительная литература: 17 высокопроизводительных вычислительных приложений и примеры

 

Будущее компьютерного моделирования 

Представьте себе: прошло много лет, и у вашего знакомого диагностировали раковую опухоль. Но вместо того, чтобы немедленно бомбардировать их радиацией и высокотоксичными химиотерапевтическими препаратами и надеяться на лучшее, врачи вместо этого проводят тесты, на основе которых они создают математический виртуальный двойник злокачественной опухоли этого человека. Затем цифровая копия подвергается вычислительным воздействиям в виде миллионов или даже миллиардов симуляций, которые быстро определяют наиболее эффективную форму обработки.

Это менее фантастично, чем кажется.

«Недавние разработки в области «больших данных» и экспериментальных технологий, связанных с раком, в сочетании с достижениями в области анализа данных и высокопроизводительными вычислительными возможностями создают беспрецедентные возможности для углубления понимания рака в более широких и более точных масштабах», — National Cancer Об этом сообщает институт.

Другие революционные разработки с далеко идущими последствиями уже внедряются.

Как сказал Science Daily физик Лос-Аламосской национальной лаборатории Джастин Смит, «теперь мы можем моделировать материалы и молекулярную динамику в миллиарды раз быстрее по сравнению с обычными квантовыми методами, сохраняя при этом тот же уровень точности».

No related posts.