CC BY
9Теперь стоит поговорить о применении данной технологии. Технология левитации достаточно активно применяется в наше время. Ярким примером является современный железнодорожный транспорт на магнитной подушке. Он не имеет колёс, которые создают трение и звук, благодаря чему поезд движется тихо. Максимальная скорость такого поезда была зафиксирована в Японии в 2003 году и составила 581 км/ч. В настоящее время создавать такие поезда в России достаточно дорогостояще, так как к таким поездам нужны и новые железнодорожные пути, который стоят очень дорого (1 километр путей стоит 1 миллиард рублей). Всё же представители Российских Железных Дорог сообщили, что к 2030 году планируется создание высокоскоростного поезда на электромагнитной подушке [3].
Несмотря на то, что данную установку можно использовать для демонстрации такого явления как магнитная левитация, также установку может быть использована в рекламных целях. Например, на Дне российской науки 7 февраля 2020 года данная установка использовалась для демонстрации продукции, произведённой в Горно-Алтайском государственном университете.
В заключении хотелось бы сказать, что данная технология развивается в настоящее время за счёт появления новых магнитов и сверхпроводников. В будущем для данной технологии откроется ещё большое количество применений.
Библиографический список:
1. Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности // Электросам.Ру. - URL: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/ (дата обращения: 17.02.20). - Текст: электронный.
2. Магнитная левитация, что это такое и как это работает. - URL: https://zen.yandex.ru/media/energofiksik/magnitnaia-levitaciia-chto-eto-takoe-i-kak-eto-rabotaet-5ca39879d677b400b3b89dd7 (дата обращения: 17.02.20). - Текст: электронный.
3. Магнитная левитация // Википедия, бесплатная энциклопедия. - URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_levitation (дата обращения: 17.02.20). - Текст: электронный.
УДК 378.02
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТА СОЗДАНИЯ ПРОГРАММНЫХ КОМПОНЕНТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ПРОЕКТНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ В РАМКАХ РАЗВИТИЯ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО СТУДЕНЧЕСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
ПОЛИГОНА ФМИТИ ГАГУ RESEARCH OF THE EXPERIENCE OF CREATING SOFTWARE COMPONENTS USING THE METHOD OF DESIGN INTERFACES WITHIN THE DEVELOPMENT OF THE INTERDISCIPLINARY STUDENT MEASURING FITTING OF THE INSTITUTE OF PHYSICS AND MATHEMATICS AND ENGINEERING
AND TECHNOLOGY OF GASU
Кудрявцев Н. Г., канд. техн. наук, доцент Сафонова В. Ю., студент Долгов Д. П., студент Барсуков А. А., студент Техтиеков В. И., студент Физико-математический и инженерно-технологический институт ФГБОУ ВО «Горно-Алтайский государственный университет» Россия, Республика Алтай, г. Горно-Алтайск ngkudr@mail.ru
Аннотация. В данной статье описан опыт декомпозиции сложной задачи на несколько простых с использованием метода проектных интерфейсов рамках развития междисциплинарного студенческого измерительного полигона ФМИТИ ГАГУ.
Ключевые слова: информационные технологии, образовательный процесс, проектный подход.
Abstract. This article describes the experience of decomposing a complex problem into several simple ones using the project interface method as part of the development of the interdisciplinary student measuring range of the Institute of Physics and Mathematics and Engineering and Technology (GASU).
Key words: information technology, educational process, project-based approach.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Алтай в рамках научного проекта № 20-413-040003 р_а.
Анализ многочисленных отечественных и зарубежных публикаций позволяет говорить о том, что проектный подход в образовательном процессе, находит применение не только при выполнении инженерных разработок или при создании сложных программных систем, но и используется при проведении междисциплинарных научных исследований по изучению проблем, связанных с состоянием окружающей среды, атмосферы, электрического и магнитного полей Земли.
Так, например, в работе [1] исследуется идея взаимосвязи современного образовательного процесса в области физической географии и проекта по созданию своеобразного метеорологического полигона в виде сети простых метеорологических станций. Интересная идея применения проектного подхода к исследованию метеорологических и атмосферных явлений обсуждается в работе [2].
В междисциплинарной команде проекта, собранной из четырех университетов, принимали участие метеорологи, инженеры, химики, специалисты по изучению атмосферы, компьютерщики. Вся эта команда занималось изучением возможностей проведения атмосферных исследований путем интеграции беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в процесс проведения измерительных экспериментов. В работе [3] также речь идет об учебном проекте, посвященном проведению измерений состояния приземного атмосферного слоя (вредные примеси, газы, аэрозоли).
Во многих исследовательских проектах в качестве измерительного оборудования авторами использовались самостоятельно изготовленные измерительные устройства на базе широко распространенных платформ микроконтроллеров и миникомпьютеров, а передача, хранение и мониторинг данных реализовывались с применением IoT (Internet of Things) технологий. Подобный подход к разработке используемого оборудования при проведении измерительных экспериментов прослеживается и в работах [4, 5].
Цель данной работы заключается в исследовании опыта создания программных модулей с использованием метода проектных интерфейсов рамках развития междисциплинарного студенческого измерительного полигона ФМИТИ ГАГУ.
В процессе выполнения научно исследовательских работ, проводимых при финансировании РФФИ (грант №20-413-040003 р_а ) продолжается развитие инфраструктуры междисциплинарного студенческого измерительного полигонаФМИТИ ГАГУ.
Речь идет об использовании студентами и преподавателями измерительного оборудования, изготовленного непосредственными участниками измерительных экспериментов. В качестве технологии, позволившей упростить процесс создания полигона и поддержания его в рабочем состоянии, использовался метод проектных интерфейсов разработанный сотрудниками и преподавателями ФМИТИ ГАГУ [6]. Эффективность применения данного метода в системе подготовки инженерных кадров в Республики Алтай и исследуется в рамках проводимых по гранту работ.
В процессе реализации проект «Измерительный полигон» был разбит на самостоятельные взаимно-дополняющие проектные модули, которые дорабатываются и усовершенствуются в режиме реального времени. Так были выделены модули: «Измерения и мониторинг», «Предварительная обработка данных и архивирование», «Визуализация и поиск событий» и «Исследование и моделирование». С каждым из таких проектных модулей может работать как один человек, так и проектная команда, состоящая из разного количества студентов, магистрантов, аспирантов и преподавателей. Проектные команды могут формироваться как на постоянной основе, так и под определенный проект.
Одной из компонент модуля «Измерения и мониторинг» является распределенная система однотипных асинхронно функционирующих инфразвуковых датчиков. Данные, получаемые от этих датчиков, синхронизируются сигналами 1 pps GPS приемников, подключенных каждый к своему модулю даталоггера. В последующем полученные данные передаются в модуль «Предварительная обработка данных и архивирование», а далее находят применение в уже в проектных модулях«Визуализация и поиск событий» и «Исследование и моделирование».
В данной работе речь пойдет о технологических программных компонентах проектного модуля «Предварительная обработка данных и архивирование», один из которых позволяет обнаруживать и корректировать локальные временные инверсии в файле данных наблюдаемых временных рядов.
Из-за технологических особенностей используемых даталоггеров при минусовых температурах окружающей среды в технологической части фиксируемых данных возникают так называемые временные инверсии. Каждая строка файларезультатов измерений представляет собой запись, добавляемую при выполнении очередного измерения, в которой значения полей разделены пробелами и являются целочисленнымизначениями текущего часа и текущей минуты, а также дробным числом, целая часть которого соответствует текущей секунде, а дробная часть - миллисекундам. Остальные поля соответствуют значениям измеряемых величин. Временная инверсия представляет собой локальное немонотонное изменение секунд и миллисекунд в непрерывной последовательности записей. Программа относится к пакету предварительной обработки данных и предназначена дляоценки частоты дискретизации измеряемой величины, а также поиска и корректировкилокальных временных инверсий в файле результатов измерений.
Описываемый программный компонент был разработан в январе 2020 года, в феврале была подана, а в марте уже выполнена заявка на ее государственную регистрацию в Федеральном институте промышленной собственности (см. рисунок 1).
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU 2020614197
"V*
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
(12) ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ
Номер регистрации (свидетельства):
Авторы:
Кудрявцев Николай Георгиевич (RU), Сафонова Варвара Юрьевна (RU)
2020614197
Дата регистрации: 26.03.2020
Номер и дата поступления заявки:
2020613116 18.03.2020
Правообладатель: Федеральное государственное бюджетное
Дата публикации: 26.03.2020
Контактные реквизиты: Тел. 8 (388-22) 2-64-39, факс 2-6735, e-mail: office@gasu.ru
образовательное учреждение высшего образования «Горно-Алтайский государственный университет» (Горно-Алтайский государственный университет, ГАГУ) (1Ш)
Название программы для ЭВМ:
«Программа поиска и корректировки локальных временных инверсий для файлов данных, содержащих результаты наблюдений в виде асинхронных временных рядов»
Рисунок 1 - Свидетельство государственной регистрации программы
Поскольку места расположения датчиков и способы их размещения и взаимодействия с атмосферой отличаются друг от друга (вместе с датчиками испытываются и исследуются различные акустические резонансные устройства), для анализа интервалов временных задержек инфразвуковых сигналов было решено использовать не амплитудные значения, измеряемых величин (как часто делают для оценки интенсивности, а следовательно и удаленности исследуемых сигналов), а взаимокорреляционные функции, построенные для «одновременных» фрагментов наблюдаемых временных рядов.
Хотя все инфразвуковые датчики для синхронизации отслеживаемой информации используют сигналы 1 pps, поступающие каждый от своего GPS приемника, технологические особенности асинхронной системы датчик-даталоггер таковы, что разные датчики (экземпляры системы датчик-даталоггер) могут производить различное количество выборок за единицу времени. Соответственно микросекундные отметки для каждого исследуемого временного рядя часто являются несовпадающими. Технология построения взаимокорелляционных функций такова, что отсчеты времени для всех временных рядов, используемых в вычислениях, должны быть одинаковыми. Выход из создавшейся ситуации был найден путем разработки двух специальных программ для комплекса программных средств предварительной обработки данных.
Суть первой программы, которая носит название «Программа объединения и синхронизации результатов наблюдений, сохраненных в виде асинхронных временных рядов» заключается в следующем. Для каждого (в нашем случае из трех) исходных файлов наблюдений, предварительно загруженных в оперативную память, создается свой словарь (см. конструкции языка программирования Python), ключом которого являются временные метки (свои для каждого из файлов). Как уже было сказано выше, описываемая версия программы работает с тремя файлами, в каждом из которых для создания временных меток используются три вектора времени (три столбца: часы, минуты и секунды с миллисекундами), по определенному алгоритму они объединяются в единый вектор времени, который и является ключом (каждый для своего словаря).
Далее создается новый комплексный ключ, состоящий из всех временных меток, которые присутствуют хотя бы в одном из трех объединяемых словарей.
После создания комплексного ключа все три исходных словаря объединяются в общий «словарь» (точнее в три словаря, но уже каждый с новым комплексным ключом). В завершении процесса обработки из трех новых словарей формируется результирующий массив NumPy, имеющий единую временную шкалу (временные метки общие для всех данных). Перед выгрузкой массива NumPy в текстовый файл, для удобства дальнейшей обработки единый временной вектор разбивается на три исходных временных вектора (столбец часов, столбец минут и столбец секунд с миллисекундами).
Очевидно, что объединение временных рядов, выполненное по описанной выше технологии приведет к отсутствию значений измерений (в нашем случае к нулевым значениям) для тех временных меток, которых не было в соответствующих файлах с исходными данными. Для того, чтобы производить дальнейшую обработку уже объединенных данных необходимо «восстановить» отсутствующие (нулевые) значения. Операцию по «восстановлению» данных было решено реализовать с использованием операции интерполяции кубическими сплайнами. Программа, реализующая проце-
дуру интерполяции была разработана в начале февраля 2020 года и в феврале же была подана заявка на ее регистрацию в федеральном институте промышленной собственности (см. рисунок 2).
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
2020614198
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
(12) ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ
Номер регистрации (свидетельства): 20206I4I98
Дата регистрации: 26.03.2020
Номер и дата посту i 2020613121 1X.03.2U20
Дата публикации: 26.03.2020
Контактные реквизиты: Тел. 8 {388-22} 2-64-39, факс 2-6735, e-mail: office®gasu.ru
Авторы:
Кудрявнев Николаи Георгиевич (Ки), Сафонова Варвара Юрьевна (К11)
Правообладатель:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего обра] «Горно-Алтайский государственный университет» (Горно-Алтайский государственный университет, ГАГУ) (НУ)
Название программы для ЭВМ:
«Программа объединении и синхронизации результатов наблюдений, сохраненных i виде асинхронных временных рядов»
RU
2020614278
(12) ГОСУДАРСТВЕННАЯ РЕГИС ТРАЦИЯ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЧЕМ
Номер регистрации (свидетельства) 21)20614178
Дата регистрации: 27.03.2020
Номер и дата поступления заявки: 2020613197 20.03.2020
Дата публикации: 27.03.2020
Контактные реквизиты: X (388-22) 2-64-39, факс 2-67-35, оШсс'д gasu.ru
Авторы:
Кудрявцев Николай Георгиевич (Н11), Сафонова Варвара Юрьевна (К11), Долгов Дмитрий Петрович (Ии), Барсуков Александр Александрович (КГ), Теми сков Владимир Игоревич (1*1')
Правообладатель:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образовании «Горно-Алтайский государственный университет» (Горно-Алтайский государственный университет, ГАГУ) (ЯП)
Название программы для ЭВМ:
«Программа интерполяции синхронизированных временных рядов»
Рисунок 2 - Свидетельства государственной регистрации программ
Таким образом, мы можем видеть, как достаточно сложная задача по предварительной обработке результатов измерений, полученных от распределенной сети инфразвуковых датчиков была существенно упрощена, путем ее декомпозиции на три подзадачи. При этом были определены интерфейсы взаимодействия подзадач на уровне внутренних структур и наименований файлов, выходных для одной подзадачи и входных для другой.
Данный пример показывает, что декомпозиция сложной задачи на несколько простых, в нашем случае с применением метода проектных интерфейсов (используя предварительное описание взаимодействия программ на уровне правил файлового обмена), повышает эффективность процесса разработки путем не только обеспечения возможности распараллеливания работ, но и благодаря упрощению алгоритма отладки нескольких простых компонент, по сравнению с одним сложным программным модулем.
Библиографический список:
1. Still Linking Physical Geography Education and Research Through the Development of an Environmental Sensing Network and Project-Based Learning / Dar Roberts, Eliza Bradley, Keely Roth [and etc.] // Journal of Geoscience Education. - 2010, Vol 58, Issue 5. - P. 262-274.
2. Considerations for Atmospheric Measurements with Small Unmanned Aircraft Systems / J. D. Jacob, P. B. Chilson, A. L. Houston, S. W. Smith // Atmosphere. - 2018. - 9(7). - P. 252. - URL: https://doi.org/10.3390/atmos9070252 (дата обращения: 20.05.2020). - Текст: электронный.
3. Kumar, S. Air quality monitoring system based on loT using Raspberry Pi / S. Kumar, A. Jasuja // International Conference on Computing, Communication and Automation (ICCCA), Greater Noida. - 2017. -Р. 1341-1346.
4. Shete loT based urban climate monitoring using Raspberry Pi / Shete, Rohini, Sushma Agrawal // IEEE International Conferenceln Communication and SignalProcessing (ICCSP). - 2016. - Р. 2008-2012.
5. Liu, X. A comparison of the definitions for smart sensors, smart objects and Things in IoT / X. Liu, О. Baiocchi // 7th IEEE Conference In Information Technology, Electronics and Mobile Communication (IEMCON). - 2016. - Р. 1-4.
6. Kudryavtsev, N. Special features of the project interfaces method as a mechanism of developing a project approach to the educational process and children's technical creativity / N. Kudryavtsev, A. Temerbekova // Novosibirsk State Pedagogical University Bulletin. - 2018. - vol. 8, no. 6, Р. 167-182. -URL : http://dx.doi.org/10.15293/2226-3365.1806.11 (дата обращения: 20.05.2020). - Текст: электронный.
