Главная arrow Микрокомпьютер arrow Сферы применения ЭВМ
Как начинался компьютер
Компьютерная революция
Двоичный код
Разработки военных лет
Интегральные микросхемы
Микрокомпьютер
Персоны
Сеть
Язык компьютера
Развитие ПО
Гибкие системы
Средства разработки
Информатика
Вычислительная наука
Операционные системы
Искусственный интеллект
Предыстория
Поиск
Знания и рассуждения
Логика
Робототехника
 

 
Сферы применения ЭВМ Печать
Крошечная по сравнению со станком, охватывающим ее почти со всех сторон, титановая отливка медленно принимает новую форму под действием быстро вращающегося резца, который движется вдоль ее поверхности, снимая с нее стружку. Затем, словно исполняя чинный менуэт, резец отходит от детали, занимая новое положение, в то время как отливка поворачивается к нему другой гранью. Всеми этими движениями управляет компьютер, а деталь в конце концов приобретает форму одного из самых экзотических «творений» компьютера - искусственного тазобедренного сустава, сделанного точно по размерам и предназначенного для конкретного пациента.

Раньше искусственные суставы и другие протезы изготовлялись либо полностью, либо частично вручную. Многие чаше всего используемые протезы производятся в массовом количестве и имеют несколько стандартных размеров, но все равно нуждаются в подгонке. Если, например, по рентгеновскому снимку видно, что для данного пациента стандартный искусственный коленный сустав нужно укоротить, перед операцией его стачивают, доводя до требуемых размеров. Зачастую, однако, такая подгонка весьма несовершенна, и хирургу в ходе операции приходится вносить дополнительные поправки.

Оказывается, компьютеры вполне могут справиться с «ручной» стадией изготовления протеза и, что еще важнее, устраняют возможность даже маленькой ошибки. Сначала компьютерный осевой томограф (КОТ) рисует точную форму сустава, подлежащего замене. Вращаясь вокруг исследуемого участка тела, это массивное устройство испускает рентгеновское излучение. Оно не проецируется, как обычно, на фотопленку, а, проходя через тело, попадает в специальные датчики, которые измеряют интенсивность каждого пучка и передают информацию компьютеру, а тот преобразует полученные данные в трехмерное изображение исследуемого участка тела.
 
Как показано на этой компьютерной, модели физического эксперимента, при столкновении протона и антипротона образуются пары более легких частиц, которые разлетаются в противоположных направлениях. Однако частицы, показанные здесь синими пунктирными линиями, не имеют «двойников», движущихся в противоположном направлении. Это загадочное явление может свидетельствовать о существовании каких-то неизвестных частиц или взаимодействий. При подобных исследованиях используются чувствительные датчики, информация от которых обрабатывается мощными компьютерами.

Все эти данные, по которым построено изображение, поступают в компьютерную систему конструирования протезов. Она позволяет протезисту и хирургу наблюдать полученное томографом изображение на экране и сравнивать его со стандартными моделями протезов, хранящимися в памяти компьютера. Специалисты могут либо воспользоваться одним из стандартных протезов, либо создать совершенно новый, подходящий для данного пациента. За 15 мин или даже быстрее компьютер подготовит чертежи и другие необходимые данные для конструирования механического протеза, основываясь на результатах томографии и других факторах, в том числе возрасте пациента и состоянии его здоровья. Одобренный хирургом и протезистом чертеж конструкции передается в виде электронных сигналов на станок, изготовляющий протез. В этом случае при операции, как правило, не выявляется никаких несоответствий - протезирование оказывается успешным.

Системы, основанные на средствах ввода-вывода

Описанный процесс изготовления искусственного титанового протеза - прекрасная иллюстрация пути, пройденного компьютерами, которые применяются теперь в сферах, очень далеких от деловых контор и научно-исследовательских лабораторий. Однако, проделав этот путь, компьютер зачастую теряет свою главенствующую роль, уступая ее множеству порой довольно необычных устройств ввода вывода. Ныне компьютеры могут получать данные не с перфокарт, клавиатуры или магнитной ленты, а с томографов и датчиков других типов. Аналогичным образом выходные данные компьютера, минуя традиционный экран или печатающее устройство, могут непосредственно управлять точными инструментами, регистрировать результаты новейших физических исследований, контролировать обстановку в больничных зданиях. Важно и то, что эти сложнейшие системы функционируют при минимальном вмешательстве человека, выполняя все операции последовательнее, точнее и эффективнее, чем люди.

Во многих случаях подобные высокоавтоматизированные системы создаются на основе уже существующих механических инструментов и электронных устройств. Например, управляемый компьютером аппарат по изготовлению искусственных суставов представляет собой разновидность станка, т. е. принадлежит к той же категории устройств, что и токарные, сверлильные, фрезерные и другие станки, широко применяемые на производстве. Прежде всеми этими станками человек управлял вручную. Однако в середине 50-х годов работа станков была частично автоматизирована за счет применения управляющей перфоленты, аналогичной той, которая используется в телетайпах и компьютерных устройствах ввода-вывода. Лента с закодированными на ней командами вводилась в автоматическое считывающее устройство, которое переводило коды в механические действия, необходимые для изготовления той или иной детали.

Таким образом, последовательность команд, используемых при изготовлении той или иной детали, можно было закодировать и набить на ленту лишь один раз, а изготовив нужное количество деталей, отложить ленту, пока опять не потребуется данная деталь. Это значительно снизило временные и материальные затраты производства. Например, чтобы просверлить в детали 100 отверстий с равными интервалами на станке с ручным управлением, требовалось около 8 ч, а на станках, управляемых перфолентой, та же работа занимала менее часа.

В 60-х годах себестоимость изделий удалось еще более снизить; этому способствовало применение компьютеризованных систем автоматического проектирования и изготовления. Работая с такой системой, инженер мог пользоваться графическими устройствами ввода типа светового пера или мыши, создававшими на экране и в памяти компьютера подробное изображение детали клапана, ротора или лопасти турбины. В дальнейшем компьютер может использовать хранящиеся в памяти данные на других этапах проектирования или перевести их в команды управления станком.

В начале 70-х годов управляемые компьютерами станки стали объединять в комплексные гибкие производственные системы, наиболее эффективно работающие там, где выпускается разнообразная продукция сравнительно малыми партиями. Эти системы состоят из дополняющих друг друга машин, объединенных в комплексы, называемые производственными ячейками. Они производят все операции, необходимые для изготовления сколь угодно сложных деталей одинаковой конструкции.

Обычно каждая машина, входящая в ячейку, управляется своим микрокомпьютером. Микрокомпьютеры соединяются с более мощным компьютером, координирующим все операции в данной производственной ячейке. В свою очередь эти компьютеры соединяются с главным компьютером, который управляет производственным процессом в целом. Машины связаны конвейером, по которому детали подаются.
 
В феврале 1959 г. командование ВВС США преподнесло в качестве сувениров десятки таких алюминиевых пепельниц, символизирующих новое техническое достижение. Это - первые предметы, спроектированные и изготовленные с помощью компьютерной системы, использующей язык программирования АРТ. Этот язык, разработанный специалистами из МТИ, предназначен для управления производственными процессами.

В некоторых системах машины снабжены приборами, проверяющими точность обработки детали. Специальные датчики следят за процессом формирования детали, передавая соответствующую информацию микрокомпьютеру. Компьютер сравнивает поступающие данные с хранящимися в его памяти стандартами и при необходимости вносит мгновенные и тонкие поправки в работу машины. При таком управлении режущие инструменты обрабатывают металлические детали при допусках порядка четверти миллиметра. Подобные компьютеризованные предприятия могут работать круглосуточно при численности персонала в несколько раз меньшей, чем на обычных заводах. Стоит загрузить на конвейер заготовки, подлежащие обработке как они начинают автоматически и в правильной последовательности перемещаться от одной производственной ячейки к другой. Такой конвейер можно загружать и разгружать лишь раз в день, а в течение остального времени здесь достаточно одного человека, наблюдающего за работой автоматов. Когда машины, управляемые компьютерами, связаны в единую систему, коэффициент их использования (т. е. та часть рабочего времени, в течение которой станки действуют) достигает 50-90%, тогда как коэффициент загруженности отдельных машин, даже с компьютерным управлением, составляет лишь 10-30%.

Быстрое реагирование на спрос

Гибкие производственные системы (ГПС) позволяют быстро реагировать на изменения рыночной ситуации, практически мгновенно расширять или сворачивать производство изделия или заменять его другим. Предприятия, не имеющие такой системы, приходится при останавливать минимум на несколько часов, чтобы перенастроить или заменить станки в связи с изменением характера производственного процесса. На предприятиях с гибкими производственными системами для перехода на новую продукцию достаточно просто заменить программы, управляющие той или иной ячейкой.

Легкость перевода конвейера на выпуск новой продукции дает возможность производить множество различных моделей изделия, что раньше было просто немыслимо. Например, завод компаний General Electric в Сомерсворсе, шт. Нью-гемпшир, оснащенный гибкой компьютеризованной системой, может выпускать 2000 различных моделей счетчиков электроэнергии, максимально приспособленных к самым разнообразным условиям применения с учетом порядка оплаты, способов подачи электроэнергии в здание и т.д.

Еще одно преимущество ГПС заключается в беспрецедентных возможностях модификации выпускаемой продукции. Например, фирма Deer&Company, изготавливающая сельскохозяйственное и промышленное оборудование, таким образом организовала процесс сборки тракторов, что может создавать разные модификации, снабжая их теми или иными двигателями, колесами, передачами в соответствии с заказами торгующих фирм. Эти компоненты извлекаются со складов и подаются на сборочный конвейер в нужный момент и в нужных количествах, благодаря чему фирма Deer&Company может держать в запасе лишь небольшое число готовых тракторов различных моделей. Аналогичным образом автомобилестроительные компании, вынужденные прежде иметь большое количество разнообразных запасных частей для машин старых моделей, теперь могут производить эти запчасти по мере надобности, фактически сведя к нулю расходы на хранение и производство избыточной продукции.

Точные обрабатывающие инструменты, применяемые в гибких производственных системах, - хороший пример специализированных устройств вывода, которые составляют основу управляемых компьютерами комплексов. В других приложениях, наоборот, ведущую роль играют устройства ввода. Специализированные датчики, например, способствовали значительному прогрессу в области физики высоких энергий. В гигантских ускорителях элементарных частиц, главном инструменте исследований в этой области, субатомные частицы концентрируются в пучки, которые затем ускоряются до скоростей, близких к скорости света, и направляются навстречу друг другу. При столкновениях частиц мгновенно выделяется излучение, регистрируемое электронными приборами, чувствительность которых так велика, что они обнаруживают следы отдельных частиц, например пионов, протонов или электронов. Эти данные, переданные компьютеру, превращаются в яркие цветные изображения; тем самым перед нами как бы открывается окно в невидимый мир частиц, основных строительных кирпичиков материи и носителей энергии.

Иногда управляемые компьютерами системы обрабатывают данные от многих разнообразных датчиков. К таким системам относятся, например, компьютеры, координирующие работу крупных городских учреждений. В большинстве городов мира с виду обычные здания пронизаны «нервной системой» телефонных линий, микроволновых каналов, волоконно-оптических «проводов» - сверхтонких стеклянных волокон, по которым информация передается в виде световых импульсов. И эта всевидящая, вездесущая система управляется компьютером, играющим роль мозга.

Компьютер управляет окружающей средой

В зданиях с наиболее высокой автоматизацией центральный компьютер координирует работу целого ряда подсистем, которые следят за потреблением электроэнергии, обеспечивают охрану здания, в том числе противопожарную. Центральный компьютер можно запрограммировать так, чтобы он осуществлял определенные действия перед приходом сотрудников, например регулировал температуру в здании соответственно внешним погодным условиям, данные о которых поступают от датчиков, расположенных в «опорных» точках. Если на улице необычно холодно, компьютер включает отопительную систему раньше; если требуется кондиционирование, компьютер решает, какой способ вентиляции экономичнее - за счет внешнего поступления воздуха или внутренней циркуляции.

Помимо информации от датчиков температуры и влажности воздуха, на центральные компьютеры многих автоматизированных зданий поступают также сигналы от детекторов дыма. При возникновении пожара эти детекторы срабатывают, посылая сигнал компьютеру, а тот уже автоматически оповещает пожарную охрану. Затем компьютер, включив магнитофонную запись, может через громкоговоритель обратиться к персоналу, советуя пользоваться лестницами, а не лифтами. Все лифты он может отправить на первый этаж и заблокировать кнопки вызова, чтобы лифтами могла пользоваться только пожарная охрана. Автоматические аварийные системы по сигналу компьютера начнут нагнетать воздух на лестничные клетки и этажи, прилегающие сверху и снизу к горящему этажу, чтобы дым не распространялся по зданию; в то же время вентиляционная система должна отводить дым непосредственно из зоны, охваченной пожаром.

В компьютеризованных зданиях охрана осуществляется различными способами без вмешательства человека. Например, специальные детекторы инфракрасного излучения, которое испускает человеческое тело, могут включать и выключать свет, когда кто-то входит (или выходит) в помещение. Они также посылают сигнал центральному компьютеру, если в здание проник нарушитель.

Благодаря электронным карточкам-ключам можно ограничить доступ в те или иные помещения. Существуют две разновидности таких карточек: одни имеют крошечные магниты, расположенные определенным образом; в других используется магнитная лента с записанным на ней двоичным кодом, идентифицирующим хозяина. В памяти центрального компьютера хранятся номера или расположения магнитов на карточках всех сотрудников. Микропроцессор, встроенный в стенную панель у входа в помещение с ограниченным доступом, следит за тем, кто входит, а в некоторых системах и запоминает, кто и в какое время находится в помещении. Например, если администрация обнаружит пропажу каких-то изделий со склада, то компьютер всегда может подсказать, кто и когда там побывал. (Предъявление такой карточки может внести коррективы в работу системы отопления и кондиционирования воздуха: скажем, если кто-то пришел поработать в выходной день, компьютер автоматически переключает систему отопления или кондиционирования из режима выходного дня в будничный.)

Компьютеры помогают также различными способами экономить расходы, например на освещение и отопление. Центральный компьютер может регулировать подачу электроэнергии в помещения и системы, увеличивая или уменьшая ее в зависимости от потребления в других местах. В случае надобности - например, в часы пикового потребления энергии - освещение во второстепенных помещениях может быть ослаблено, отключены некоторые вентиляторы и снижена температура горячей воды. Когда потребление опять снизится, компьютер вернет системы в нормальный режим работы, следя за тем, чтобы суммарное потребление не превысило установленного предела.

От компьютеров и устройств ввода-вывода, регулирующих условия работы и обитания в автоматизированных зданиях, иногда в буквальном смысле слова зависит жизнь находящихся там людей - например, если система пожарной тревоги не сработает должным образом. Но все же в основном эти системы устанавливаются из соображений экономии и удобств. А вот космические аппараты самим своим существованием обязаны компьютерам и сверхсложной аппаратуре ввода-вывода. В суровых условиях открытого космоса системы должны мгновенно реагировать на изменение давления или температуры, обнаруживать возгорание или присутствие токсичных газов в отсеке, где находятся люди. Помимо выполнения этих относительно несложных функций, компьютеры должны принимать участие в том, что раньше мог делать только пилот, - в управлении полетом.

В обычном самолете пилот сидит в кабине перед панелью управления. Глядя на показания приборов и реагируя на происходящее за бортом, пилот управляет устройствами, которые регулируют работу двигателя, меняют положение рулевых поверхностей, а следовательно, скорость, наклон и направление движения самолета. Однако космические челноки (корабли типа Shuttle), запускаемые NASA, часто оказываются неустойчивыми в полете, особенно в критический момент входа в плотные слои атмосферы, когда они движутся с такой высокой скоростью, что человек просто не способен синхронно реагировать. Лишь благодаря мгновенной реакции компьютера и целому ряду разнообразных специализированных устройств ввода-вывода, космические челноки могли успешно проходить слой атмосферы между Землей и космосом.

Дублирование системы управления

Системы управления полетом американских космических кораблей серии Шаттл подключены к четырем универсальным цифровым компьютерам, называемым орбитальными. Датчики высоты, скорости, угла наклона постоянно передают информацию в компьютеры. Каждый из четырех компьютеров обрабатывает информацию независимо от других и посылает команды на выводные устройства, например гидравлические системы управления рулями. На космическом корабле эти выводные устройства служат также последним рубежом зашиты от возможных ошибок компьютеров. Поскольку все четыре компьютера одновременно обрабатывают одни и те же данные, каждый из них должен посылать одни и те же сигналы управления на рулевые поверхности. Если сигналы, поступающие от какого-то одного компьютера, не согласуются с сигналами от трех других, то его выходные данные путем «электронного голосования» признаются недействительными. Если расхождения сохраняются, то компьютер, посылающий неправильные сигналы, отключается.

Бортовые компьютеры корабля должны получать данные не только от датчиков режима полета во время входа в плотные слои атмосферы, но и от других датчиков во время запуска. Важность последних была лишний раз продемонстрирована в июле 1985 г., когда приблизительно через 6 мин после, казалось бы, безупречного старта космического корабля Чэлленджер обнаружились неполадки в одном из трех его основных двигателей.

Проносясь высоко над Атлантическим океаном со скоростью около 19 тыс. км в час, Чэлленджер следовал командам с Земли, предписывающим выход на орбиту в специально предусмотренном аварийном режиме. В этом случае экипаж пытается продолжать вывод корабля на орбиту, даже если она отличается от расчетной. Если бы двигатель прекратил работу на 33 с раньше, Чэлленджер уже не смог бы достичь первой космической скорости и вынужден был бы приземлиться на запасной посадочной полосе, которая находится в Испании недалеко от города Сарагосы. Благодаря тому что остальные два двигателя работали на 86 с дольше, чем предусмотрено нормальным режимом, а также за счет дополнительной тяги, создаваемой парой менее мощных двигателей, предназначенных для маневрирования на орбите, командир экипажа Гордон Фаллертон сумел вывести корабль на круговую орбиту, высотой 304 км над Землей, что на 80 км ниже запланированной. Хотя эта орбита не была оптимальной, семь человек экипажа Чэлленджера смогли выполнить программу научных исследований без особых проблем и через 8 дней вернулись на Землю с большим количеством ценных астрономических данных.
 
 
В поисках слабого звена

Несмотря на успешное завершение программы, Чэлленджеру, бесспорно, грозила серьезная авария. За 19 предыдущих полетов кораблей серии «Шаттл» и 50 проведенных в США запусков космических кораблей с людьми на борту это был первый случай, когда один из главных двигателей аппарата раньше времени прекратил работу. Однако последующее расследование показало, что отказал не сам огромный двигатель, а установленные в нем тепловые датчики.

Каждый из трех главных двигателей корабля серии Шаттл управляется своим собственным компьютером. К устройствам ввода каждого из компьютеров подключены по два тепловых датчика - тонкие проволочки, электрическое сопротивление которых повышается с ростом температуры. При сильном перегреве двигателя компьютер должен его отключить. Однако, находясь длительное время в контакте с горячим газом, датчик может выгореть и в результате сообщить компьютеру сильно завышенное значение температуры. Чтобы компьютер по ошибке не отключил двигатель, он запрограммирован так, чтобы можно было распознавать случаи завышения температуры вследствие повреждения датчиков и игнорировать эти ошибочные данные.

Специалисты, восстановив последовательность событий, происшедших на борту Чэлленджера, пришли к выводу, что один из датчиков температуры центрального двигателя явно вышел из строя и компьютер проигнорировал его ошибочные показания. Но затем был поврежден второй датчик, и ему удалось «обмануть» компьютер, потому что его показание превышало порог безопасности 754.4 градуса, но было ниже значений, которые компьютер воспринял бы как неправдоподобные. Показание, таким образом, было принято как правильное, и компьютер, считая, что двигатель действительно перегрелся, отключил его на 3 мин раньше.

Инженеры НАСА устранили эту проблему при запуске следующего челнока, установив датчики из более термостойкого материала. Тем не менее этот инцидент еще раз свидетельствовал, что даже самая совершенная компьютерная система хорошо выполняет свои функции только тогда, когда получает правильную информацию. В данном случае известный принцип «мусор на входе - мусор на выходе» едва не привел к катастрофе.