1.3. Структура информационно-аналитической системы обратных задач химической кинетики
При изучении механизмов сложных химических реакций методами математического моделирования можно выделить четыре взаимосвязанных процесса.
Первый – постоянное накопление экспериментальных и расчетных данных, которые требуют своего упорядочения, структурирования и классификации. Для хранения и использования информации соответствующей предметной области (химической кинетики) в необходимых форматах создается база данных (БД) кинетических исследований.
Второй – разработка новых подходов к обработке информации в зависимости от сложности решаемых задач. Они включают в себя: 1) принципы математического моделирования; 2) численные методы; 3) алгоритмы; 4) системы управления базами данных; 5) программы; 6) проведение многочисленных вычислительных экспериментов.
Третий – обновление технических средств обработки информации (увеличение скорости вычислений и объемов хранения данных, применение технологий параллельных вычислений).
Четвертый – внедрение автоматических систем научного исследования в виде комплекса программных пакетов. Все эти процессы имеют место в информационной аналитической системе (ИАС).
Изучение сложных механизмов предполагает построение кинетической модели реакции. Одним из способов разработки кинетической модели сложной химической реакции является решение обратной задачи химической кинетики (ОЗХК).
Создание
структуры ИАС
включает несколько этапов. На начальном
этапе формируется основа ИАС, которая
состоит из четырех основных частей: 1)
входные информационные потоки (ИП); 2)
выходные ИП; 3) методы обработки информации
(МОИ); 4) технические средства обработки
информации. На рис. 1 представлена
начальная форма создания ИАС, которая
используется как для первоначального
планирования, химического эксперимента,
так и дл вычислительного эксперимента.
Из рисунка видно, что входные информационные
потоки образуют единую реляционную
базу данных (РБД). Выбор реляционной
модели базы данных диктуется тем, что
пользователи представляют данные в
виде таблиц (матриц). С другой стороны,
реляционная модель – единственная
наиболее существенная разработка в
истории развития баз данных.
Рис.1. – Первичная, обобщенная структура ИАС ОЗХК
Между частями ИАС существуют определенные отношения. Входные ИП тесно связаны с выходными ИП. Например, для оперативного сравнения экспериментальных и расчетных концентраций наблюдаемых веществ во времени, необходимо их расположить в одинаковые структурные записи РБД. Адекватный расчет энергий активации достигается многократными решениями прямых задач с разными температурными значениями. Таким образом, при организации РБД необходимо учитывать возможность многократного использования данных. Для первоначального ввода и постоянного просмотра, редактирования разрабатывается реляционная система управления базой данных (РСУБД). Реляционная система управления (РСУ) связывает базу данных с методами обработки информации, которые состоят из математического описания конкретного процесса, алгоритмов и пакетов программ. Вид и структура пакета программ также зависят от технических средств. Программные модули допускают возможность их использования, как на отдельной рабочей станции (персональном компьютере), так и в работе в системе клиент-сервер (персональный компьютер – суперкомпьютер). В зависимости от поставленных задач выходные ИП образуют несколько уровней. Основным (нулевым) уровнем выходных ИП являются рассчитанные концентрации реагирующих веществ от времени, значения кинетических параметров – константы скорости (КС) и энергии активации (ЭА) отдельных стадий сложной химической реакции. Далее формируются первые, вторые и последующие уровни выходных ИП. Вид и форма этих уровней для каждой исследуемого механизма зависит сложности и характера протекания реакций [3].
Упражнения и контрольные вопросы к главе 1
Как методы математического моделирования связаны с промышленной и исследовательской химией?
Что понимается под системой? Что такое системный подход? Элемент системы?
Дайте определение понятия моделирования? Что представляет собой математическое моделирование?
Какова роль вычислительных машин в процедуре системного анализа?
Перечислите основные компоненты информационно-аналитической системы (ИАС).