Кроссплатформенное программное обеспечение в технологии строительных материалов

УДК 004

И.А. МИХЕЕВ, Н.Д. СИЗОВА

КРОССПЛАТФОРМЕННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Представляются результаты разработки программного обеспечения для решения задач технологии строительных материалов. В качестве примера выбирается задача проектирования состава бетона. Обосновывается выбор языка программирования и используемых модулей. Описывается структура, элементы кросплатформенного интерфейса, а также результаты тестирования компьютерной программы в различных операционных системах. Апробируются технологии разработки кроссплатформенного программного обеспечения для решения задач в технологии строительных материалов.

1. Введение

Рынок информационных технологий сегодня - это динамически развивающаяся система с постоянным ростом количества ключевых игроков. В первую очередь это касается операционных систем. Продукты корпораций Microsoft хоть и продолжают господствовать, в том числе и на рынке операционных систем, но конкуренты с каждым годом расширяют свою аудиторию. В первую очередь это MacOS X и Ubuntu. Исходя из этого, актуальным вопросом в области разработки программного обеспечения является кроссплатформенное программирование - технология разработки программного обеспечения, работающего более чем на одной аппаратной платформе и/или операционной системе. Кроссплатформенное программирование позволяет реализовывать возможности компьютерных программ и демонстрировать графический интерфейс пользователя вне зависимости от используемого аппаратного и операционного обеспечения, а разработка таких программ при практическим полном отсутствии литературы является актуальной и сложной задачей.

Цель исследования - разработка структуры интеллектуальной системы, а также кроссплатформенного программного обеспечения для проектирования состава бетона - важной технологической задачи строительного материаловедения.

2. Основной материал

Технологии строительных материалов с точки зрения использования информационных систем можно описать следующими характеристиками:

- сложная формализация моделируемых процессов;

- огромное количество данных, разнообразных по своим типам и структуре: характеристики используемых материалов; алгоритмы методологий; нормативные регламентирующие документы;

- разрозненность аппаратного и программного обеспечения;

- различная квалификация конечных пользователей.

Для реализации задачи проектирования состава бетона (одной из ключевых задач технологии бетона - основного конструкционного строительного материала) коллективом авторов разработан алгоритм принятия рецептурных решений, учитывающий множество характеристик исходных материалов и других конструктивно-технологических факторов [1]. Для автоматизации расчетов разработана интеллектуальная система управления составом и свойствами бетона.

Важным вопросом при разработке кроссплатформенного программного обеспечения является выбор языка программирования. При решении этого вопроса необходимо учитывать множество факторов: компиляция или интерпретация, скорость работы и скорость разработки, открытость исходного кода или проприетарность.

В ходе разработки интеллектуальной системы выделены основные требования к программному обеспечению: возможность адаптации алгоритмов под конкретные производственные условия; наличие дружелюбного графического интерфейса; полная фриварность используемых технологий.

4

3. Результаты исследования

Исходя из выдвигаемых требований, в качестве базового языка программирования был выбран Python - многопарадигмальный высокоуровневый язык программирования, ориентированный на повышение производительности разработчика и читаемости кода [2]. В качестве дополнительных библиотек использованы Tkinter (стандартная кросс-платфор-менная графическая библиотека Python на основе средств Tcl/Tk), PIL (библиотека для работы с растровой графикой), ReportLab (библиотека для форматирования и генерации отчетов) [3].

Интеллектуальная система имеет блочную структуру, что нашло отражение в модульной структуре программного обеспечения. Каждая методология проектирования состава бетона описана как класс в отдельном функциональном модуле (рис. 1). Интерпретируемость языка позволяет адаптировать алгоритм и вносить необходимые коррективы [4].

Рис. 1. Структура интеллектуальной системы

Интерфейс пользователя разрабатывался с обеспечением принципов комфортности применения, высокой функциональности и поддержки пользователя на всех этапах решения задачи проектирования состава бетона.

На главной форме, на вкладке «Исходные данные» с помощью имеющихся элементов управления вводятся данные, описывающие характеристики составляющих бетон материалов, проектные требования к бетонной смеси и бетону, тип и условия эксплуатации конструкции, а также указывается основной критерий (рис. 2). Результаты расчетов выводятся на одноименной вкладке в виде одностраничного отчета, экспорт которого возможен в один из трех форматов: * txt; *.csv; * pdf (рис. 3). На третьей вкладке представлена диаграмма набора прочности (рис. 4) - важная технологическая информация, позволяющая принимать решения о снятии опалубки, нагрузки конструкции и т. д. Интерфейс пользователя, результирующий отчет, справочная информация реализованы на трех языках: русском, украинском и английском.

Проведено тестирование программного обеспечения в операционных системах Windows 7 (см. рис. 2), Ubuntu 14.04 (рис. 5), MacOS X (рис. 6).

Программное обеспечение в каждой из платформ сохраняет полную функциональность, но имеет свои особенности, связанные в основном с отображением элементов графического интерфейса. Из видимых недостатков - кегль шрифтов отображается по-разному - этот параметр необходимо вынести в модуль настоек программы. Необходимо отметить обязательную установку всех дополнительных модулей для каждой из платформ.

5

74 ПСБ УкрГАЖТ

Методика УкрГАЖТ Методика НИИЖБ Язык Помощь

rldOgg

Исходныеданные [результаты расчетов І^^раммяабрра.турчнрсДіїІ

-Расчет исходя из:-----

Методология УкрГАЖТ

С' іРааод воды, л/м.куб.

^ В/Ц

Г' Осадка конуса, см, С' Жесткость, с,

С* Прочность

-Крупный заполнитель*

Плотность насыпная, кг/м,куб. | 1400

Плотность истинная, кг/м.куб. | 2650

Влажность, % Размер зерна, мм Водопоглощени^ % Качества Тип заполнителя

Г

Г

[нормальное [ щебень

Платность насыпная, кг/м.куб. | 1100 Плотность истинная, кг/м,куб, | 3100 Средний размер частиц, мм | 0.05

ПЦ I (портландцемент) f* Марка, кгс/см,кв,

Г' Активность, МПа НГЦТ, %

Г

Г

рМелкий заполнитель------------------

Плотность насыпная, кг/м,куб. | 1480

Плотность истинная, кг/м,куб, ] 2650

Влажность, % | бЗ

Средний размер зерна, мм | о7

Модуль крупности | 2

Водопоглощение, % | ТУ

Качество (нормальное »

fferpH------------------------------------

Г Проводится ли статистический контроль Коэффициент вариации, % | 13,5

{♦ Класс по прочности В25

Н~ Марка по прочности |М350 У]

Г" Проектная прочность, МПа |

Возраст бетона, сут, | 28

Марка по морозостойкости F1000

Марка по водонепроницаемости —

N песка | Г

N цемента | 1

Тип и условия эксплуатации конструкции:

Без атмосферного влияния

Объем бетоносмесителя, м,куб, | 0,33

-До ба вка пластификатор-------------

р1 Использовать пластификатор Расходдобавки, % от цемента | оУ

Водоредуцирующий аффект, % | 15

Плотность, кг/м.куб. | 1060

Ґ” Использовать раствор, % 1

•Добавка ускорительтъердекия--------

р1 Использовать ускоритель твердения

Расходдобавки, % от цемента | 0.5

Коэффициент ускорения | вТ

Плотность, кг/м.куб. | 1060

Г Использовать раствор, % 1 ЇУ

Рассчитать

Рис. 2. Вкладка «Исходные данные» в Windows 7

74 ПСБ УкрГАЖТ

Методика УкрГАЖТ

Г^1Г@ Ibsi

Методика НИИЖБ Язык Помощь

Исходныеданные] Результаты расчетов |Диаграмма наборапрочности |_

Определение состава бетона по методике УкрГАЖТ

Проектные характеристики:

Составляющие; Крупный заполнитель Мелкий заполнитель Цемент

Насыпная плотность, кг/м.куб.: 1400 1480 1100

Истинная плотность, кг/м.куб.: 2650 2650 3100

Влажность, %: 1 6.5 -

Средний диаметр, мм.: 15 0.3 0.05

Прочность: 58.0

Тип цемента; ПЦ Г

Марка цемента, кгс/см.кв.: 400 Проектный возраст бетона, сут.: 29 Класс бетона по прочности; В25 Марка по морозостойкости: F1000 Марка по водонепроницаемости; --Ожидаемая прочность бетона в проектном возрасте, МПа: 58.0 Ожидаемая прочность бетона в возрасте 28 сут., МПа: 5S.0

Результаты расчетов:

Альфа: 1.13 Мю; 2.23

Количество рядов частиц:

N паска: 1 N цемента:1

Применение пластификатора: да Применение ускорителя твердения; да

Состав Крупный заполнитель Мелкий заполнитель Цемент Вода Добавка пластификатор сух. в- во./раств, Добавка ускоритель сух.в-во./раств.

Номинальный: - на 1 м.куб., кг 1320 481 427 183 2.14 / 0.0 2.14 / 0.0

- относительный 3.09 1.13 1 0.43 0.005 / 0.0 0.005 / 0.0

_ -

Рис. 3. Вкладка «Результаты расчетов»

Трудоемкость процесса разработки обусловлена отсутствием привычных для разработчиков «drag-and-drop» билдеров для разработки графического интерфейса - необходимо «вручную» описывать свойства каждого элемента управления, его поведение и реакцию на события.

6

Рис. 4. Вкладка «Диаграмма набора прочности»

ПСБ УкрГАЖТ

Методика УкрГАЖТ Методика НИИЖБ Язык Помощь

Исходные данные| ЛЭДэтьтаты расчетов | Диаграмма набора прочности]

-Расчет исходя из:------------

Методология УкрГАЖТ

Расход воды, л/м.куб. |

в/ц Г”

' Осадка конуса, см.

Жесткость, с. с*- Прочность

-Крупный заполнитель-------------

Плотность насыпная, кг/м.ку| 1400 Плотность истинная, кг/м.ку| 2650 Влажность, % | Г

Размер зерна, мм | 15"

Водопоглощение, % \ 0.75

Качество [чі • -  * т]

Тип заполнителя (щебень

А

•Цемент--------------------------

Плотность насыпная, кг/м.ку| 1100 Плотность истинная, кг/м.ку| 3100 Средний размер частиц, мм | 0.05

|ПЦ I (портландцемент) •* Марка, кгс/см.кв.

: Активность, МПа НГЦ7

Г

^Мелкий заполнитель---------------

Плотность насыпная, кг/м.ку| 1480 Плотность истинная, кг/м.куі 2650 Влажность, % ] 6.5

Средний размер зерна, мм J" 0.3 Модуль крупности Водопоглощение, % ]_ 7.5

Качество

Бетон------------------------------

Г Проводится ли статистический кон Коэффициент вариации. % | -

с*- Класс по прочности |В25 J

С Марка по прочности , п Проектная прочность, МПа \~ Возраст бетона, сут Г-

Марка по морозостойкости I—

Марка по водонепроницаемое]— J

N песка N цемента

1

Тип и условия эксплуатации конструкці

[Бетонная-

А

|Без атмосферного влияния

Объем бетоносмесителя, м.куб, | 0.33

-Добавка пластификатор---------

W Использовать пластификатор Расход добавки, % от цемент] 0.5 Водоредуцирующий аффект,] 15" Плотность, кг/м.куб. | 106о"

I? Использовать раствор, %| їо"

-Добавка ускоритель твердения-----

W Использовать ускоритель тверд Расход добавки, % от цементі 0.5 Г Коэффициент ускорения | 1 I Плотность, кг/м.куб. | 1060

І7 Использовать раствор, %] їо"

Рассчитать

Рис. 5. Вкладка «Исходные данные» в Ubuntu 14.04

Несмотря на перечисленные неудобства, весь код программы (более 5000 сток) остается неизменным, что позволяет существенно экономить время при разработке различных версий программы под определенные платформы.

7

[ Исходные данньТе Результаты расчетов Диаграмма набора лрочности-

•Расчет исходя из:--------

Методология УкрГАЖТ

С"' Расход воды, л/м.куб.

* В/Ц

Осадка конуса, см.

__ Жесткость, с.

Прочность

•Крупный заполнитель-------------

Плотность насыпная, кг/м.ку4 _1400ji Плотность истинная, кг/м.Kyf 2650*

Влажность, % _____1Ї

Размер зерна, мм ^ 16^

Водопоглощение, % . р.?5_

Качество нормально v

Тип заполнителя щебень v,

Цемент----------------------------

Плотность насыпная, кг/м.ку1 110Q Плотность истинная, кг/м.ку£ 3100 Средний размер частиц, мм 0.05 ПЦ J (портландцемент) v

Марка, кгс/см.ка. |. 400,

Активность, МПа

; ;гцт. % 27

Мелкий заполнитель---------------

Плотность насыпная, кг/м.ку/_1460 Плотность истинная, кг/м.ку£ 2650 Влажность, % _ 6.511

Средний размер зерна, мм JTOII

Модуль Крупное! :•

Водологлощение, Уо __7,5л

Качество нормально v •

Проводите* -г".-.:-Коэффициент вариации, %

• \nfiCCfiCi ПрС-' i-'iTin

'і

13,5 В25 М35 v

28

Возраст бетона, сут.

Марка по морозостойкости — v

Марка по водонепроницаемое' — v

N песка і___1

N цемента ) 1І

Тип и услоаия эксплуатации конструкцик

Бетонная_______________________^

Без атмосферного влияния “

Объем бетоносмесителя, м.куб. 0.33І

Добавка пластификатор-------------

і_і Использовать пластификатор

Расход добавки. % от цемен' D.5

Водоредуцмрукхдкй эффект, 15

Плотность, кг/м.куб. 10601

•’СЛ:'.ЛЬОСаоТь Ю

Добавка ускоритель твердения---------

ї__| Использовать ускоритель Расход добавки. % от цемек 0.5

1 J К.СЯҐГ.ф.'[ |-‘=Н“ уґ""‘;•*, ' 0.00

Плотность, <г/м.куб. 1 1060

I ' -'-г .. ". у'”--:. л-?.стйос. v- 10

Рассчитать

Рис. 6. Вкладка «Исходные данные» в MacOS X

4. Выводы

В ходе создания прототипа интеллектуальной системы управления составом и свойствами бетона были использованы современные технологии и подходы разработки программного обеспечения, реализованы авторские алгоритмы и обеспечена кроссплатфор-менность интерфейса пользователя.

С точки зрения технологии строительных материалов компьютерная программа для решения задачи проектирования состава бетона с кросплатформенным интерфейсом является пионерным и уникальным проектом. Апробированные технологии разработки кроссплатформенного программного обеспечения могут быть применены для решения многих задач строительного материаловедения.

Список литературы: 1. Плугин А.А. Программное обеспечение системы проектирования состава бетона для конструкций и сооружений железных дорог // А.А. Плугин, О.А. Калинин, Н.Д. Сизова, И.А. Михеев // Технологический аудит. 2013, № 6/1(14). С. 38-40. 2. РоссумГ., Дрейк Ф.Л.Дж., ОткидачД.С. и др. Язык программирования Python. 2001. 454 c. [электронный ресурс]. Режим доступа: www. URL: http://rus-linux.net/MyLDP/BOOKS/ python.pdf 3. Grayson J.E. Python and Tkinter Programming. Manning Publications Co, 2000. 688 p. 4. Сизова Н.Д. Особенности создания программного обеспечения для проектирования состава бетона // Н. Д. Сизова, И. А. Михеев // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2013. № 6/2(66). С. 27-31.

Поступила в редколлегию 22.02.2014

Михеев Иван Андреевич, канд. техн. наук, доцент кафедры экономической кибернетики и информационных технологий ХНУСА. Научные интересы: математическое моделирование сложных процессов и систем, методы оптимизации строительного материаловедения, современные информационные технологи в строительной отрасли. Адрес: Украина, 61002, ул. Сумская, 40, тел. (057) 706-20-49, E-mail: i.a.mikheev@gmail.com

Сизова Наталия Дмитриевна, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры экономической кибернетики и информационных технологий ХНУСА. Научные интересы: вычислительная информатика, математическое и компьютерное моделирование, информационные технологии. Адрес: Украина, 61002, ул. Сумская, 40, тел. (057) 706-20-49, E-mail: sizova@ukr.net

8