Вычислительная инженерия
Вычислительная инженерия — это новая дисциплина, которая занимается разработкой и применением вычислительных моделей для инженерии, известных как модели вычислительной инженерии. [1] или СЕМ. Вычислительная инженерия использует компьютеры для решения задач инженерного проектирования, важных для различных отраслей промышленности. [2] В настоящее время различные подходы объединены под термином «Вычислительная инженерия», включая использование вычислительной геометрии и виртуального проектирования для инженерных задач. [3] [4] часто в сочетании с подходом, основанным на моделировании [5] В вычислительной инженерии алгоритмы решают математические и логические модели. [6] которые описывают инженерные проблемы, иногда в сочетании с некоторыми аспектами искусственного интеллекта , в частности обучением с подкреплением . [7]
В вычислительной инженерии инженер кодирует свои знания с помощью логического структурирования. Результатом является алгоритм , Модель вычислительной инженерии, который может создавать множество различных вариантов инженерных проектов на основе различных входных требований. Результаты затем можно проанализировать с помощью дополнительных математических моделей для создания алгоритмических циклов обратной связи . [8]
Моделирование физического поведения, имеющего отношение к данной области, часто в сочетании с высокопроизводительными вычислениями , для решения сложных физических проблем, возникающих при инженерном анализе и проектировании (а также природных явлений ( вычислительная наука ). Таким образом, это связано с вычислительной наукой и инженерией , которые был описан как «третий способ открытия» (рядом с теорией и экспериментированием). [9]
В вычислительной инженерии компьютерное моделирование обеспечивает возможность создания обратной связи, которая была бы недоступна для традиционных экспериментов или там, где проведение традиционных эмпирических исследований непомерно дорого.
Вычислительную инженерию не следует путать ни с чистой информатикой , ни с компьютерной инженерией . [10] хотя в первом случае в вычислительной инженерии используется широкая область (например, определенные алгоритмы, структуры данных, параллельное программирование, высокопроизводительные вычисления), а некоторые проблемы во втором могут быть смоделированы и решены с помощью методов вычислительной инженерии (как область применения).
Обычно он предлагается в виде магистерской или докторской программы. [11]
Методы
[ редактировать ]Методы и основы вычислительной инженерии включают:
- Высокопроизводительные вычисления и методы повышения эффективности (за счет изменения компьютерной архитектуры, параллельных алгоритмов и т. д.)
- Моделирование и симуляция
- Алгоритмы решения дискретных и непрерывных задач
- Анализ и визуализация данных
- Математические основы: Численная и прикладная линейная алгебра, начально-краевые задачи, анализ Фурье, оптимизация.
- Data Science для разработки методов и алгоритмов для обработки и извлечения знаний из больших научных данных.
Что касается вычислений, компьютерное программирование, алгоритмы и параллельные вычисления играют важную роль в вычислительной инженерии. Наиболее широко используемый язык программирования в научном сообществе — FORTRAN . [12] В последнее время популярность C++ и C возросла по сравнению с FORTRAN. Из-за богатства устаревшего кода FORTRAN и его более простого синтаксиса научно-компьютерное сообщество медленно принимает C++ в качестве лингва-франка. Благодаря очень естественному способу выражения математических вычислений и встроенным возможностям визуализации собственный язык/среда MATLAB также широко используется, особенно для быстрой разработки приложений и проверки моделей. Python вместе с внешними библиотеками (такими как NumPy , SciPy , Matplotlib ) приобрел некоторую популярность как бесплатная и Copycenter альтернатива MATLAB .
Движение за открытый исходный код
[ редактировать ]
Существует ряд инструментов бесплатного программного обеспечения и программного обеспечения с открытым исходным кодом ( FOSS ), которые поддерживают вычислительную инженерию.
- OpenSCAD был выпущен в 2010 году и позволяет создавать модели САПР по сценариям, которые могут стать основой для моделей вычислительной инженерии.
- CadQuery использует Python для создания моделей САПР и основан на платформе OpenSCAD . Он распространяется под лицензией открытого исходного кода Apache 2.0 .
- PicoGK — это платформа с открытым исходным кодом для вычислительной инженерии, которая была выпущена под лицензией Apache 2.0 с открытым исходным кодом в 2023 году дубайской компанией LEAP 71. [13]
Приложения
[ редактировать ]
Вычислительная инженерия находит разнообразные применения, в том числе в:
- Аэрокосмическая техника и машиностроение : моделирование горения , структурная динамика , вычислительная гидродинамика , вычислительная термодинамика , вычислительная механика твердого тела, моделирование аварий транспортных средств, биомеханика, расчет траектории спутников.
- Астрофизические системы
- Моделирование поля боя и военные игры, национальная безопасность , реагирование на чрезвычайные ситуации
- Биология и медицина : моделирование сворачивания белков (и других макромолекул), биоинформатика, геномика, компьютерное неврологическое моделирование, моделирование биологических систем (например, экологических систем), 3D-КТ-УЗИ, МРТ-визуализация, молекулярные биосети, контроль рака и судорог.
- Химия : расчет структуры и свойств химических соединений/молекул и твердых тел, вычислительная химия /хеминформатика, моделирование молекулярной механики, вычислительные химические методы в физике твердого тела, перенос химических загрязнений.
- Гражданское строительство : анализ методом конечных элементов , конструкции со случайными нагрузками, строительное проектирование, системы водоснабжения, моделирование транспортных средств.
- Компьютерная инженерия , электротехника и телекоммуникации : СБИС, вычислительная электромагнетика, моделирование полупроводников, моделирование микроэлектроники, энергетическая инфраструктура, радиочастотное моделирование, сети.
- Эпидемиология : распространение гриппа
- Экологическая инженерия и численный прогноз погоды : исследования климата , вычислительная геофизика (обработка сейсмических данных), моделирование стихийных бедствий
- Финансы : ценообразование производных финансовых инструментов, управление рисками.
- Промышленная инженерия : моделирование дискретных событий и Монте-Карло (например, для логистических и производственных систем), сети массового обслуживания, математическая оптимизация.
- Материаловедение : производство стекла, полимеров и кристаллов.
- Ядерная инженерия : моделирование ядерного реактора, моделирование радиационной защиты, моделирование термоядерного синтеза.
- Нефтяное машиностроение : моделирование нефтяных пластов, разведка нефти и газа.
- Физика : вычислительная физика частиц, автоматический расчет взаимодействия или распада частиц, моделирование плазмы, космологическое моделирование.
- Транспорт
См. также
[ редактировать ]- Моделирование и симуляция
- Прикладная математика
- Вычислительная наука
- Вычислительная математика
- Вычислительная гидродинамика
- Вычислительная электромагнетика
- Высокопроизводительные вычисления
- Инженерная математика
- Грандиозные испытания
- Численный анализ
- Мультифизика
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Вычислительные инженерные модели для проектирования скафандров механического противодавления» . 21 декабря 2022 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2022 г. Проверено 27 июня 2023 г.
- ^ «Что такое вычислительная инженерия?» . www.ae.utexas.edu . Проверено 20 сентября 2023 г.
- ^ «Область исследований: вычислительная инженерия | Машиностроение» . me.stanford.edu . Проверено 22 апреля 2023 г.
- ^ «Вычислительная инженерия» . www.meche.engineering.cmu.edu . Проверено 22 апреля 2023 г.
- ^ «Область исследований: вычислительная инженерия | Машиностроение» . me.stanford.edu . Проверено 27 февраля 2023 г.
- ^ Редакция (24.12.2021). «Что такое вычислительная инженерия? • Указатель колледжа» . Указатель колледжа . Проверено 22 апреля 2023 г.
- ^ «Что такое вычислительная инженерия?» .
- ^ Редакция (24.12.2021). «Что такое вычислительная инженерия? • Указатель колледжа» . Указатель колледжа . Проверено 22 апреля 2023 г.
- ^ «Программа по вычислительной науке и инженерии: Справочник для аспирантов» (PDF) . cseprograms.gatech.edu . Сентябрь 2009 г. Архивировано из оригинала (PDF) 14 октября 2014 г. Проверено 8 апреля 2012 г.
- ^ «Что такое вычислительная инженерия?» . www.ae.utexas.edu . Проверено 20 сентября 2023 г.
- ^ «Программы магистратуры и бакалавриата в области вычислительных наук» . СИАМ . Проверено 23 мая 2020 г.
- ^ «Почему в научных вычислениях широко используется фортран, а не какой-либо другой язык?» . Исследовательские ворота . Проверено 23 мая 2020 г.
- ^ «О ПикоГК | LEAP 71» . jump71.com . Проверено 20 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Институт вычислительной техники и наук Одена
- Область вычислительной инженерии
- Общество промышленной и прикладной математики
- Международный центр вычислительной инженерии (IC2E)
- Технологический институт Джорджии, США, программа MS/PhD «Вычислительные науки и инженерия»
- Аспирантура Университета Теннесси в Чаттануге
- Магистерская и докторская программа по компьютерному моделированию в Государственном университете Рио-де-Жанейро
- Вычислительная наука и инженерия с Scilab
- Международный центр численных методов в инженерии (CIMNE)