«Информационные Ресурсы России» №4, 2010

Введение
Последние достижения в области информационных технологий и интернета дают основания считать, что в настоящее время уже сложились новые методы организации процесса обмена научными знаниями, а в ближайшем будущем, по-видимому, произойдет повсеместный переход от традиционных способов распространения научных знаний через бумажные журналы и книги к их электронным аналогам.
Предлагаемая вниманию читателей статья посвящена одному из современных аспектов распространения научных знаний – новой форме передачи созданного интеллектуального продукта, программных комплексов решения различных научных и прикладных задач, от разработчиков к потребителям.
Традиционно процесс передачи вычислительных комплексов заключался в приобретении потребителем (будущим пользователем) у разработчиков кодов (в некоторых случаях и текстов) программ и инсталляции их у себя на компьютере. При этом для безотказной и декларированной работы программного комплекса пользователь должен иметь аналогичную операционную среду, в том числе системы визуализации цифровых данных.
В целом этап инсталляции программ, даже при поддержке разработчика, является весьма сложным и зачастую вызывающим массу затруднений, преодоление которых требует значительных и, в сущности, непродуктивных затрат интеллектуальных усилий и времени.
От всех проблем, связанных с инсталляцией приобретенного программного продукта, освобождает новая форма использования вычислительных комплексов .
В интернете создается особая площадка – Центр компьютерного моделирования. В этом Центре размещаются программные комплексы со всеми своими атрибутами – препроцессорной системой подготовки заданий, процессорной системой выполнения заданий (проведения вычислительных операций) и постпроцессорной системой вывода полученной информации в цифровой и графической формах.
Пользователь должен только сформулировать собственную вычислительную задачу, введя необходимые числовые данные и запустить ее на счет. Решение задачи ему будет предоставлено по окончании вычислений. Комфорт пребывания посетителя в Центре должны обеспечивать специальные сервисы клиентской поддержки. В экономических терминах такой метод эксплуатации программных комплексов означает не покупку, а взятие их в аренду или лизинг у разработчиков ресурса.
Пионером этого нового направления развития современных информационных технологий является Центр компьютерного моделирования SciShop.ru. Центр был создан в результате выполнения целого ряда работ (см., например, [1–10]). Общее описание и инфраструктура Центра приведены в [1–3], а его контент, информационно-вычислительные комплексы решения задач некоторых научных областей, представлены в [4–8]. В настоящее время Центр компьютерного моделирования успешно функционирует во Всемирной Сети, продолжает (см. [9, 10]) непрерывно модернизироваться и развиваться.
Этот проект направлен на применение прорывных технологий в области развития и совершенствования новых способов распространения научных знаний с использованием Всемирной Сети и предназначен для дистанционного обучения специалистов, аспирантов и студентов методам математического моделирования и практического тренинга решения научных и прикладных задач. Обучение и тренинг проводятся на базе эффективно функционирующих программных комплексов, состав которых непрерывно пополняется.


1. Центр компьютерного моделирования SciShop.ru
Проект по созданию Центра компьютерного моделирования (http://www.SciShop.ru) ориентирован на развитие и совершенствование новых способов распространения научных знаний на базе современных инфокоммуникационных технологий обработки, хранения, передачи и защиты информации.

• Центр предназначен для реализации современных потребностей в коммерциализации научных продуктов и направлен на решение фундаментальных проблем, связанных с разнообразными научными, техническими, социальными и психологическими аспектами разработки и продвижения в системе Интернет специализированного Web-ресурса.
• Центр структурно состоит из двух сегментов: Центр-1 и Центр-2.
• Центр-1 включает в себя 4 крупных информационно-вычислительных комплекса «Удар», «Поток», «Астра» и «Нано».
• Посетителю Центра-1 предоставляются сервисы:
1. Доступ к библиотекам, содержащим научные статьи в соответствующих областях знания.
2. Доступ к табличным и/или графическим базам данных, содержащих результаты компьютерного моделирования соответствующих компьютерных задач.
3. Доступ к процессорным системам, позволяющим клиенту самому организовать и провести компьютерное моделирование интересующих его задач.
4. Доступ к шлюзам для выхода на сайты ведущих российских и зарубежных журналов в соответствующих областях знания.
5. Доступ на сегмент «Форум» для получения консультаций и обсуждения проблем.
• В некоммерческом режиме посетителю доступны демоверсии систем Центра-1. Для полномасштабного доступа следует пройти регистрацию и произвести оплату.
• Система приема платежей Центра принимает оплату из любых электронных платежных систем (WebMoney, Яндекс.Деньги, E-gold и др., входящих в консорциум Robokassa). Разработана и верифицируется система приема оплаты с использованием кредитных банковских карт и SMS-сообщений сотовой телефонии.
• Центр-2 предназначен для размещения программных разработок в различных областях знания, без ограничений на тематику. Контент этого раздела может быть дополнен ресурсами любых специалистов, имеющих авторские права на эти информационные ресурсы.
• К сотрудничеству с Центром-2 приглашаются все специалисты в области компьютерного моделирования в любых областях знания, имеющие программные разработки и желающие их продвигать, в том числе и на возмездной основе. Специалистам, желающим разместить в Центре-2 свои научные продукты, следует ознакомиться с условиями их размещения, связаться с администрацией Центра и заключить Договор.
• Подробно со всеми аспектами функционирования Центра можно ознакомиться в специальном разделе «Публикации», по соответствующей гиперссылке с Главной страницы (рис. 1) сайта.


2. Общая характеристика организации вычислений в Центре и преимущества непосредственного компьютерного моделирования в интернете
Важнейшим атрибутом любого программного комплекса является комфортность пребывания клиента в Интернет-центре и удобная форма пользования его сегментами: библиографическим разделом, базами данных, содержащих уже полученную таблично-графическую информацию, и, в особенности, процессорными системами. Именно это обычно вызывает наибольшие затруднения у пользователя.

Системы препроцессорной подготовки заданий (ввод параметров и запуск процессорных систем) организованы в ясной, удобной и предельно простой форме, не вызывающей двоякого толкования и затруднений у специалистов даже с небольшим опытом.
Операции с процессорными системами осуществляются пользователем не на собственном компьютере при установке на нем комплекса, а в режиме дистанционного доступа по Всемирной Сети на его локальном портале – непосредственно в Центре компьютерного моделирования. Это дает возможность посетителю Центра в режиме реального времени провести изучение вычислительного комплекса, организовать решение интересующей его задачи и получить результаты компьютерных исследований.
Обычно передача вычислительного комплекса заключается в приобретении лицензии, документации и кодов компьютерной программы. После этого покупателем производится установка приобретенного продукта на собственном компьютерном оборудовании. Как правило, это происходит с большими затруднениями, которые могут быть вызваны разнообразными причинами, от использования разных версий операционной системы до особенностей установленных у продавца и покупателя поддерживающих систем.
При размещении процессорных систем в Центре таких проблем нет. Все интерфейсы налажены, хорошо отработаны и «притерты». В указанных диапазонах вариации параметров функционирование комплексов – безотказное (заметим, что на форуме сайта всегда можно задать любой вопрос и получить разъяснение). Еще одним преимуществом этого подхода является то, что пользователь освобождается от необходимости закупки аппаратного обеспечения (часто весьма недешевого), необходимого для осуществления нужных ему расчетов, фактически «арендуя» его у создателей сайта лишь на время решения своей задачи.
Подчеркнем, что такой эффективный метод эксплуатации процессорных комплексов посетителем Центра потребовал разработки и реализации оригинальных решений. Так как ни один из провайдеров интернета не позволит проводить на своем узле массовые и, возможно, длительные вычисления, забирающие высокие ресурсы и уменьшающие пропускную способность каналов, то потребовалось использовать другую схему проведения расчетов.
В Центре клиент организует вычислительную задачу (выбирает процессорную систему и вводит в нее параметры) и запускает ее на счет. Системы этого сегмента сайта по сопровождению заданий пакуют в файл задание и отправляют его по Сети в вычислительный центр, содержащий спектр компьютеров, в том числе многопроцессорные системы. Здесь производится решение задачи, результаты (рис. 2) отправляются либо в Центр, если клиент ждет, либо на его домашний адрес в Сети. Эта схема отлично зарекомендовала себя при опытной эксплуатации.


3. Система регистрации клиентов и коммерческая система Центра
Программные комплексы Центра могут быть использованы как безвозмездно (демо-версии), так и на коммерческой основе. Доступ в режим полномасштабного функционирования Центра осуществляется после регистрации посетителя в специализированной «книге учета» (рис. 3) и внесения им абонентской платы через электронные платежные системы.

Для коммерческого сегмента Центра организовано применение (с отработкой необходимых интерфейсов) специализированной банковской системы «Robokassa», обеспечивающей использование более 20 электронных платежных систем (WebMoney, Яндекс.Деньги, Интернет.Деньги, Iнтернет.Грошi), а также ряда зарубежных электронных платежных систем типа E-Gold, PayPal, MoneyBookers, EvoCash и др. с целью существенного расширения круга клиентов. Также была внедрена система, позволяющая проводить платежи с использованием SMS сотовой телефонии (рис. 4). Безопасность прохождения платежей, прозрачность их маршрутизации, необходимые сообщения клиенту, конвертация валют в различных электронных платежных системах гарантируется специальными структурами системы «Robokassa» и проверено в ходе опытной эксплуатации Центра компьютерного моделирования.
Однако следует подчеркнуть, что получение прибыли в настоящий момент не ставится доминирующей целью выполняемого многогранного проекта, являющегося функциональным исследованием проблем распространения научных знаний на основе современных информационных технологий.


4. Контент Центра
Сайт SciShop.ru – развивающийся Центр компьютерного моделирования. В настоящее время содержит 4 действующих информационно-вычислительных комплекса (ИВК):
– «Удар», высокоскоростная внутренняя аэродинамика: расчет ударно-волновых структур на входе в диффузор гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД);
– «Поток», высокоскоростная внешняя аэродинамика: расчет обтекания объектов в атмосферах Земли и Марса;
– «Астра», вычислительная астрофизика: моделирование динамики процессов в межгалактическом газе и протопланетных облаках;
– «Нано», микроэлектроника: компьютерная поддержка проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов.

Каждый из этих комплексов включает в себя библиографический раздел, табличные и графические базы данных, в которых содержатся результаты расчетов задач в своих предметных областях, а также процессорные системы, позволяющие посетителю самостоятельно организовать решение интересующей его задачи. Все ресурсы создавались и отрабатывались в ходе выполнения многочисленных вычислительных экспериментов.
ИВК «Удар» (рис. 5). В работах [3, 4] выполнен широкий цикл исследований ударно-волновых картин течений, возникающих на входе в воздухозаборник тракта ГПВРД с учетом изменения свойств газовой среды на скачках. Определена конфигурация скачков, тип их взаимодействия (маховский и/или регулярный) и параметры потока между фронтами скачков при вариации высоты полета в атмосфере Земли от 0 до 100 км, скорости полета от 1.5 до 7 км/с, углов диффузора от 0 до 50 град.
ИВК «Поток» (рис. 6). В работах [5, 6] на основе специально разработанных методов, вычислительных алгоритмов и компьютерных программ проводилось исследование стационарного и нестационарного обтекания тел различной конфигурации потоком как идеального (модель уравнений Эйлера), так и вязкого теплопроводного газа (модель полных уравнений Навье–Стокса) в широком диапазоне определяющих параметров. Исследовались структуры течения вблизи головной части тела, над его боковой поверхностью и кормой, а также течения в ближнем и дальнем следе за телом. Были определены характеристики и особенности этих структур в зависимости от режимов полета, в том числе при локализованном энергоподводе в набегающий поток с образованием сложной картины движения образующихся внутренних ударных волн, определяемых частотой следования импульсов внешнего источника, что может приводить к резонансным явлениям, когда вкладываемая в импульс незначительная мощность вызывает существенную дестабилизацию течения, высокие силовые и тепловые нагрузки на поверхность тела.

Комплекс позволяет моделировать аэродинамику сверх- и гиперзвукового полета в атмосфере Земли на высотах от 0 до 100 км в диапазоне скоростей от 0.8 до 10 км/с, а также, с определенной степенью точности (в соответствии с имеющимися данными), – высокоскоростной полет в атмосфере Марса.
В этих работах на качественно новом уровне изучались важнейшие проблемы адекватности математической модели и реализующих ее алгоритмов и кодов протекающему физическому процессу. Были рассмотрены три сегмента этого вопроса, связанных с неединственностью: аналитических решений уравнений Эйлера, численных решений полных уравнений Навье–Стокса и потери симметрии в симметричных задачах. Исследовались процессы эволюции картины обтекания тела с возможностью перехода с одной ветви решения на другую и определялись бассейны притяжения решений. Были изучены траектории продвижения расчета в области решений от стартового к финальному (стационарному, квазистационарному, нестационарному апериодическому).
ИВК «Астра» (рис. 7). В работе [7] были рассмотрены и проанализированы физико-математические и вычислительные проблемы моделирования нестационарных трехмерных задач космической газодинамики. В качестве базовой системы дифференциальных уравнений математической модели использовалась система газодинамических уравнений Эйлера, дополненная силовыми и энергетическими составляющими, моделирующими отклонение уравнения состояния от идеального, процессы переноса тепла (теплопроводность, конвекцию, излучение), гравитацию (поле тяготения точечной массы и самогравитацию распределенного газового облака). Моделирование проводилось на основе принципа декомпозиции полной задачи на ряд подзадач, соответствующих различным физическим процессам. Этой декомпозиции, в свою очередь, соответствовало структурирование вычислительного комплекса на ряд автономных сегментов, что обеспечивает расширяемость и дополняемость пакета компьютерных программ. Были проведены циклы расчетов задач о движении ударных волн и волн разрежения в межгалактических газовых средах, гравитационного коллапса неподвижных и вращающихся газовых облаков, разлета газового сгустка, моделирующих образование и взрыв протозвезд.
Проведена тщательная верификация теоретического метода, вычислительного алгоритма и комплекса компьютерных программ для всестороннего анализа свойств (точности счета и быстродействия вычислительного процесса).

ИВК «Нано» (рис. 8). В работе [8] разработаны теоретические методы и на их основе – эффективные вычислительные алгоритмы и комплекс компьютерных программ математического моделирования ряда физико-химических и механических процессов технологического цикла производства новых полупроводниковых материалов, в частности, движения волны оксидирования в кремнии, в том числе под технологическими масками, обеспечивающими особые конфигурации границ «материал/оксид» с образованием многосвязных областей.
Были разработаны специальные методы, высокоточные алгоритмы и компьютерные программы расчета физических процессов сегрегации легирующих донорных и акцепторных примесей (бор, сурьма, мышьяк) на фронте волны оксидирования в свободнокристаллическом и напряженном кремнии.
Было проведено компьютерное моделирование формирования специфических наноструктур – узколокализованных зон повышенной электропроводности n- и p-типа.

Комплекс позволяет конструировать нано - и микроэлектромеханические системы (диоды, конденсаторы, транзисторы и т.п.), входящие в состав больших, сверхбольших и ультрабольших интегральных схем.
Полученный в ходе выполнения работ многогранный опыт заложен в алгоритмику программных комплексов, предоставляемых в распоряжение посетителей Центра [9, 10] для решения их собственных задач в соответствующих областях знания.

Заключение. В статье кратко рассмотрены инфраструктура и контент Центра компьютерного моделирования SciShop.ru, пионера новой формы распространения научных знаний. Этот Центр предназначен для непосредственного использования программных комплексов математического моделирования процессов в различных научных областях, предоставляя возможность прямого проведения вычислений в интернете в режиме удаленного доступа. Такая форма имеет широкие перспективы применения в научных исследованиях и прикладных разработках, а также для дистанционного обучения специалистов, аспирантов и студентов.

Литература:

1. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Анищик В.С., Тарнавский А.Г., Жибинов С.Б., Чесноков С.С. Информационные технологии и проблемы создания Центра компьютерного моделирования в Интернете // Информационные технологии. - 2009. - №8. - С.68–73.
2. Тарнавский Г.А. Облачные вычисления: контент, инфраструктура и технологии организации информационных потоков Центра компьютерного моделирования SciShop.ru // Исследовано в России. - 2010. - Т.13. - №001. - С.1–29. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2010/001.pdf.
3. Тарнавский Г.А., Тарнавский А.Г., Гилев К.В. Информационно-вычислительный Интернет-центр «Аэромеханика». Первая линия: программный комплекс «Удар» // Вычислительные методы и программирование. - 2005. - Т.6. - №1. - С. 27–48.
4. Тарнавский Г.А. Ударно-волновые режимы течения на входе в диффузор гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя: влияние высоты и скорости полета // Теплофизика высоких температур. - 2005. - Т.43. - №1.- С.57–70.
5. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Компьютерное моделирование в аэромеханике: программный комплекс «Поток-5» // Авиакосмическая техника и технология. - 2007. - №4. С.27–38.
6. Тарнавский Г.А., Алиев А.В. Особенности аэродинамики высокоскоростного полета: компьютерное моделирование гиперзвукового обтекания головной части объекта // Вычислительные методы и программирование. - 2008. - Т.9. - №2. - С.371–394.
7. Алиев А.В., Тарнавский Г.А. Иерархический SPH-метод для математического моделирования в гравитационной газовой динамике // Сибирские электронные математические известия. - 2007. - Т.4. - С.376–434.
8. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Инструментарий NanoMod компьютерной поддержки проектирования наноструктурированных полупроводниковых материалов // Вычислительные методы и программирование. - 2009. - Т.10. - Раздел 2. - С.34–50.
9. Тарнавский Г.А. Дистанционное компьютерное моделирование ударно-волновых структур в гиперзвуковых потоках газа: технология облачных вычислений «Рабочее место как услуга» // Вычислительные методы и программирование. - 2010. - Т.11, раздел 2. - С.1–25.
10. Жибинов С.Б., Тарнавский Г.А. Центр компьютерного моделирования в Интернете: проблемы авторского права и интеллектуальной собственности контента // Исследовано в России. - 2009. - Т.12. - №073. - С.953–967. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/073.pdf.