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第13章 造福人类——电子计算机与未来世界(2)

如果人类冲出太阳系、银河系甚至河外星系,一般认为就进入了外太空,它的航行活动就称之为“航宇”。“航天”和“航宇”统称为“宇宙航行”,简称“宇航”。目前,人类的能力和科技水平还无法达到宇航的要求。

3.电子计算机技术与自动化生产

自动化技术是一门综合性技术,它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系,而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。

工业自动化是自动化技术应用的一个最为重要的方向。具体运用的方面有:计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM) 综合办公自动化(OA)(例如,:门禁系统、资讯科技稽核)过程控制与自动化仪器仪表 人工智能技术

自动化技术的进步推动了工业生产的飞速发展,尤其是在石油、化工、冶金、轻工业等行业,由于采用自动化仪表和集中控制装置,促进了连续生产过程自动化的发展,大大提高了劳动生产率。用自动化装置管理化工生产过程的方法称为化工自动化。

计算机控制自动化工厂

计算机辅助制造是指在机械制造业中,利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备,自动完成离散产品的加工、装配 、检测和包装等制造过程。简称CAM。

数控机床

计算机辅助制造的核心是计算机数值控制(简称数控),是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年,穿孔的金属薄片互换式数据载体问世;19世纪末,以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明;1938年,香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输,奠定了现代计算机,包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年,第一台数控机床问世,成为世界机械工业史上一件划时代的事件,推动了自动化的发展。

CAD设计图

计算机辅助设计,指利用计算机及它的图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中,计算机可以分担设计人员计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机的内存或外存里,并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统,开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术,中期推出商品化的计算机绘图设备。到了70年代,完整的CAD系统开始形成,后期甚至出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器,推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备,促进了CAD技术的发展。

随着80 年代的到来,强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现,工程工作站问世,CAD技术开始在中小型企业得到广泛使用。80 年代中期以来,CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出,为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用;系统构造由过去的单一功能变成综合功能,出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统;固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用,极大地提高了CAD系统的性能;人工智能和专家系统技术引入CAD,出现了智能CAD技术,使CAD系统的问题求解能力大为增强,设计过程更趋自动化。

现在,CAD已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。

知识卡片:

美国麻省理工学院

麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,缩写:MIT)是美国一所综合性私立大学,有“世界理工大学之最”的美名。位于美国马萨诸塞州的剑桥市,查尔斯河(Charles River)将它与波士顿的后湾区(Back Bay)隔开。今天的麻省理工学院无论是在美国还是全世界都有非常重要的影响力,培养了众多对世界产生重大影响的人士,是全球高科技和高等研究的先驱领导大学,也是世界理工科菁英的所在地。麻省理工是当今世界上最富盛名的理工科大学,《纽约时报》笔下“全美最有声望的学校”。

4.电子计算机技术与信息社会

信息社会也称信息化社会,是脱离工业化社会以后,信息将起主要作用的社会。信息经济在国民经济中占据主导地位,并构成社会信息化的物质基础。以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术革命是社会信息化的动力源泉。

信息社会概念提出者——麦克卢汉

信息在我们现实世界中是广泛存在的,我们每时每刻都离不开它,在我们学习、生活和工作中,总是在不断地获取、传播、加工和运用大量信息,可以说,我们是生活在信息的海洋里,现实世界到处都充满了信息。

电子计算机与信息社会息息相关

众所周知计算机具有快速、高效、智能、记忆和自动化处理等一系列的特点,为信息的处理带来了极大的方便,计算机在信息处理中的主要作用是:

(1)智能化的决策支持系统应用于管理信息,使决策的科学化成为了可能。

(2)全新的多媒体技术使计算机渗透到社会的各个领域。多媒体技术创造了人与计算机之间默契、融洽的新型关系。

(3)巨大容量的存储设备使得世界的空间变大。大量文字、图像资料压缩在磁盘或光盘上,便于信息的长期保存和反复使用。

(4)极高的运算速度可高效率高质量地完成数据加工处理的任务。

(5)四通八达的计算机网络使各国的距离变近了。用户可以坐在家中用计算机与国内外的任何地方进行信息的交流与共享、信息的传递与汇集。

总之,计算机在信息处理中的作用正随着信息化社会的到来而显示出它的威力,已日益成为人们生产和生活中离不开的工具和“伙伴”。

知识卡片:

麦克卢汉

马歇尔·麦克卢汉(Marshall McLuhan,1911—1980)被誉为信息社会、电子世界的“圣人”、“先驱”和“先知”。他是20世纪名副其实的传播学大师,是最富有原创性的传播学理论家。我们现在常把“地球村”这个说法挂在嘴边,但出处未必知晓,“始作俑者”就是麦克卢汉。他关于“地球村”、“重新部落化”、“意识延伸”的论述,无人能出其右。他对电子时代和赛博空间的预言一个个变成了现实。

5.电子计算机技术与气象预测

我国古代有夜观星象预测气象的说法,但往往费时费力,一般人一般情况下难以准确预测天气。电子计算机出现以后,解决了气象学上的一些关键问题,使得气象预测越来越准确,为什么生活带来了不少便利。

尽管早已有人作出过尝试并取得一定成果,但直到计算机和计算机模拟出现之后,天气数值预测才成为一种切实可行的实时天气预报方法。数值天气预报,或称数值天气预测、天气数值预报、天气数值预测、数值预报,是一种根据大气的数学模型、利用当前天气状况作为输入数据而作出天气预报的手段。

为了得到有用的预测结果,有时必须用到世界上最强大的超级计算机来操纵巨大的数据集和进行复杂的计算。许多天气预测模型,无论本身是全球性或是区域性的,或多或少都为全球天气预报提供帮助。将这些模型一同使用,能够降低天气预报的不确定性,以及将可预测的时间范围延伸到更远。

其实,早在20世纪初期,就有科学家进行了数值天气预报的尝试。1922年,英国科学家L.F.理查孙在《天气预报的数值方法》一书中,论述了数值预报的原理和可能性,并且应用完全的原始方程组,对欧洲地区的地面气压场进行6小时的预报。但其结果并不如意,他预报该地区的气压在6小时中的变化为154毫巴(百帕),而实际气压几乎没有变化。当时理查孙将这次失败归之于所取的初值不准确,他的失败曾使人们一度怀疑数值天气预报的实际可能性。

古人夜观星象

直到第二次世界大战结束之后,由于电子计算机的出现,气象观测网、特别是高空观测的发展,气象资料有了很大的改善,数值天气预报才又引起了人们的注意。人们找到了到理查孙的失败原因。科学家们发现他所用的方程组的解,不仅包含了长波等慢过程,还包含了高速传播的声波和重力波。这些高速波的实际振幅都很小,但在计算过程中常被扩大,以致掩盖了气象上有意义的扰动。这就进一步证明了,疑数值天气预报其实是可行的。

1948年,J.G.查尼在C.-G.罗斯比等人在前人成果的基础上,提出了滤波理论,证明了采用静力平衡和地转平衡近似(见大气运动的平衡状态),可以消除重力波和声波。这样建立的简化方程组,避免了声波和重力波的影响。1950年,查尼、R.菲约托夫特和J.von诺伊曼用准地转正压模式,在电子计算机上首次成功地对北美地区500百帕高度的气压场,作了24小时的预报。

用于精确预测气象的计算机

数值的解法日益精确,对大气的描述越加细致,垂直方向可分解到20~30层,水平方向可细到20公里。预报的精度和时效也不断提高,一般对三天以内的重要天气过程及相应的强烈天气如大风、降温、暴雨等均可做出较准确的预测。

利用计算机技术做出来的卫星云图

数值天气预报包括:气象资料的传输、收集、处理、资料的分析和模式预报计算,以及预报结果的显示、分发服务等若干个环节。

知识卡片:

J.G.查尼

全名为Charney Jule Gregory,美国气象学家。美国国家科学院院士,瑞典科学院和挪威科学院外籍院士。1917年1月1日生于美国圣弗朗西斯科,1981年6月16日卒于波士顿。毕业于美国洛杉矶加利福尼亚大学数学系。曾获美国气象学会罗斯比研究奖章、国际气象组织奖、史密森学会霍奇金斯奖和英国皇家气象学会西蒙斯纪念金质奖章等。美国气象学会还将原后半世纪奖从1982年起改名为查尼奖。

查尼于40年代提出滤波理论,1947年提出斜压大气西风带长波不稳定性理论。1950年参加数值天气预报试验,成功地作出了第一张数值天气预报图,60年代提出第二类条件不稳性理论,70年代提出大气大尺度运动的分岔理论。在60年代,查尼为世界气象组织制定了1978~1979年第一次全球大气试验的实施计划。著有《论大气运动的尺度》、《原始运动方程在数值预报中的应用》、《沙漠动力学与撒哈拉的干旱》等。

卫星云图

卫星云图(satellite cloud imagery)由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表面特征的图像。利用卫星云图可以识别不同的天气系统,确定它们的位置,估计它的强度和发展趋势,为天气分析和天气预报提供依据。在海洋、沙漠、高原等缺少气象观测台站的地区,卫星云图所提供的资料,弥补了常规探测资料的不足,对提高预报准确率起了重要作用。