Тема 7. Программное обеспечение проектных работ

Введение

В Петербурге работают 15 предприятий, занимающихся производством лекарственных препаратов и их субстанций. К ним следует добавить научно-исследовательские и проектные организации фармацевтического профиля.

За 2013 год объемы производства лекарственных средств в Санкт-Петербурге составили около 12 млрд. рублей. Сейчас СЗФО за счет петербургских производителей занимает 4-е место в России по объему выпускаемых лекарственных средств, а также первое место по темпам роста их производства. При увеличении рыночной потребности практически каждый производитель готов наращивать мощность своего предприятия, что потребует значительно объема проектных работ.

Проектирование фармацевтического производства сложная и специфическая задача. Она подразумевает разработку проектной, конструкторской и др. технической документации, предназначенной для осуществления капитального строительства и/или реконструкции предприятий в соответствии отечественными нормативными документами, а с 2014 года – и с нормами GMP (Good Manufacturing Practice) - системой норм, правил и указаний в отношении производства лекарственных средств, активных ингредиентов, медицинских устройств.

Разработка и проектирование столь сложных объектов немыслима без широкого использования средств вычислительной техники, в том числе специализированного программного обеспечения.

Эти программы можно разбить на 2 категории: программы для расчетов (силовых, тепловых, гидротехнических, электротехнических) и системы автоматизированного проектирования с возможностями оформления конструкторской документации.

Анализ сложных моделей процессов, протекающих в процессе производства лекарственных средств, требуют использования мощных математических программ. В настоящее время предлагается около десятка различных математических программ. К их числу относятся Mathematica, Maple и MathCAD.

Система компьютерной алгебры – программное приложение для символьных вычислений, т.е. выполнения преобразований и работы с математическими выражениями в аналитической форме.

Mathematica – система компьютерной алгебры, используемая во многих научных, технических и математических областях. Число пользователей этой программы тоже превысило миллион.

Все математические возможности заключены в небольшом наборе мощных функций, предоставляющих возможность решения алгебраических, дифференциальных, реккурентных и функциональных равенств и неравенств, а также линейных систем; возможность проводить дифференциальный и интегральный анализы, анализ рядов и анализ Фурье, кластерный анализ, интегральные преобразования и многое другое. А также: символьные матрицы, матрицы с числами любой точности, матрицы с миллионами элементов, различные численные методы для нахождения корней и систем алгебраических уравнений. Mathematica предоставляет полную систему для дискретных вычислений, включает в себя все аспекты алгебры полиномов, такие, как разложение на множители и декомпозицию, структурные операции, деление многочленов и т.д.

Mathematica содержит графические примитивы, с помощью которых можно строить двумерные и трехмерные графики любой сложности, может оперировать с числами любого размера.

Имеет ряд приложений, обеспечивающих взаимодействие Mathematica с LabVIEW (Mathematica Link for LabVIEW), а также для разработки инженерных и биологических моделей (MathModelica) и для анализа цепочек биохимических реакций (PathwayLab Research Edition).

Maple – система компьютерной алгебры, которая имеет ряд средств и для численного решения дифференциальных уравнений и нахождения интегралов. Обладает развитыми графическими средствами. Имеет собственный язык программирования, напоминающий Паскаль. Продается как студенческая, так и профессиональная версии Maple, с заметной разницей в цене ($124 и $2845, соответственно).

Maple умеет выполнять сложные алгебраические преобразования и упрощения над полем комплексных чисел, находить конечные и бесконечные суммы, произведения, пределы и интегралы, решать в символьном виде и численно алгебраические (в том числе трансцендентные) системы уравнений и неравенств, находить все корни многочленов, решать аналитически и численно системы обыкновенных дифференциальных уравнений и некоторые классы уравнений в частных производных.

В Maple включены пакеты подпрограмм для решения задач линейной и тензорной алгебры, евклидовой и аналитической геометрии, теории чисел, теории вероятностей и математической статистики, комбинаторики, теории групп, интегральных преобразований, численной аппроксимации и линейной оптимизации, а также задач финансовой математики и т.д.

Maple обладает также развитым языком программирования. Символьный анализатор Maple V используется и в MathCAD.

MathCAD – система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением, отличается легкостью использования и применения для коллективной работы.

MathCAD имеет интуитивный и простой для использования интерфейс пользователя. Для ввода формул и данных можно использовать как клавиатуру, так и специальные панели инструментов.

Работа осуществляется в пределах рабочего листа, на котором уравнения и выражения отображаются графически, в противовес текстовой записи в языках программирования. При создании документов-приложений используется принцип WYSIWYG (что видишь, то и получишь).

Благодаря простоте применения, наглядности математических действий, обширной библиотеке встроенных функций и реализованных численных методов, а также развитому аппарату представления результатов вычислений MathCAD стал популярным математическим приложением Windows. Число пользователей этой программы достигло 1,8 миллиона.

Все перечисленные математические программы существуют уже около четверти века. За этот период выпущено более десятка версий каждой программы со все более развитыми возможностями и высокой надежностью функционирования

MathCAD. Свойства. Эта программа, в основном, ориентирована на пользователей-непрограм-мистов, хотя может использоваться и в сложных проектах. MathCAD содержит сотни операторов и встроенных функций для решения различных технических задач. Программа позволяет выполнять численные и символьные вычисления, производить операции со скалярными величинами, векторами и матрицами, автоматически переводить одни единицы измерения в другие.

Среди возможностей Mathcad можно выделить:

· решение дифференциальных уравнений;

· построение двумерных и трёхмерных графиков функций (в разных системах координат);

· использование знаков греческого алфавита как в формулах, так и в тексте;

· выполнение символьных вычислений, в том числе символьное решение систем уравнений;

· выполнение операций с векторами и матрицами;

· аппроксимация кривых

· поиск корней многочленов и функций;

· проведение статистических исследований и работа с законами распределения;

· вычисления с единицами измерения;

· интеграция с системами САПР, использование результатов вычислений в качестве управляющих параметров.

Достоинства и недостатки. MathCAD отображает на дисплее запись, понятную даже людям, далеким от компьютеров. Редактор формул обеспечивает естественный многоэтажный набор формул в привычной математической нотации (деление, умножение, квадратный корень, интеграл, сумма и т.д.). Так как рабочие листы содержат вычисления в реальном времени, то одно единственное нажатие клавиши, изменяющее входные данные или вид уравнения, немедленно обновляет результаты расчетов. В случае изменения значения переменной также происходит немедленный пересчет результата и обновление графиков, что избавляет от необходимости нового их формирования.

Кроме того, данные можно импортировать из таблиц Excel, анализировать и экспортировать обратно. MathCAD легко выполняется преобразование единиц измерения из одной системы в другую, находит ошибки, сделанные в единицах измерения, используемых в вычислениях. Единицы измерения поддерживаются в функциях, графиках и массивах.

Но механизм визуализации MathCAD значительно уступает таковому у Maple, где достаточно иметь только вид функции, чтобы построить график или поверхность любого уровня сложности. Графика MathCAD не позволяет строить поверхности, заданные параметрически, с непрямоугольной областью определения двух параметров. создание и форматирование графиков только через меню.

Экран MathCAD содержит привычные элементы: основное меню, панели инструментов, падающие меню и панели для ввода формул и команд (рис.)

Интерфейс MathCAD. Основное меню и панели инструментов

Фактически MathCAD интегрирует в себе три редактора: формульный, текстовый и графический. Благодаря этому на одном рабочем листе удается совместить формулы в привычной записи и расчеты по ним, текстовую часть (пояснения к вычислениям) и, в случае необходимости, графики, иллюстрирующие результаты вычислений (см. следующий рис.).

Интерфейс MathCAD. Рабочий лист