РАЗВЕРНУТЫЙ НАУЧНЫЙ ОТЧЕТ ЗА 1999 ГОД
Информационно-вычислительная интегрированная система
"Оптика атмосферы" доступная в сети Интернет
Основной целью проекта является создание интерактивной ИВС, позволяющей проводить типовые расчеты и предоставлять базовую информацию по разным разделам атмосферной оптики.
В 1999 году было запланировано создать техническую основу для выполнения проекта:
спроектировать и начать заполнение баз данных по атмосферной химии, аэрозолю, молекулярной спектроскопии и моделей атмосферы, создать интерфейсы для работы с базами данных для администратора БД;
разработать и создать типовой научный сайт на основе Интернет-технологий, включающий в себя программную поддержку научной графики.
В предметных областях планировалось провести следующие работы:
В блоке атмосферного аэрозоля:
разработать базу данных измерений вертикальных профилей коэффициентов рассеяния для видимой области спектра по результатам самолетного зондирования, а также, базу данных измеряемых оптических характеристик аэрозоля (Западная Сибирь) результатами измерений спектральной прозрачности прибрежной атмосферы в диапазоне 0,4 - 12 мкм.
В блоке атмосферной химии:
подготовить справочную информацию по основным химическим циклам в стратосфере;
создать программное обеспечение для построения кинетических уравнений;
программно реализовать проведение качественного анализа (стационарные состояния, устойчивость, траектории и фазовый портрет) кинетических уравнений.
В блоке молекулярной спектроскопии:
спроектировать и реализовать базу данных спектральных линий атмосферных газов;
интегрировать спектроскопическую информационную систему в общий
WWW–интерфейс;
провести текущие дополнения базы данных параметров спектральных линий.
Все запланированные работы выполнены.
ИВС "Оптика атмосферы" состоит из четырех виртуальных сайтов:
Разработаны интерфейсные формы для всех сайтов проекта. Создана база данных и www-интерфейс для работы с ней по ссылочной информации (организации, конференции, инструментарий, проекты, ….) для всех сайтов.
В блоке атмосферной химии:
Проведено заполнение базы данных по химическим реакциям в атмосфере. В основу базы данных положены материалы, опубликованные в печати (данные JPL, ASCMU). На рис. 1 представлен интерфейс для администратора БД. Унификация данных из разных источников достигается на уровне виртуальных данных, возникающем на стадии между обращением к БД и проведением вычислений [2].
Рис.1.
Создано программное обеспечение для построения кинетических уравнений [2-6].
Пользователь ИВС "Атмосферная химия" может выбрать из базы данных химические реакции (Рис. 2) и получить комментарий и библиографию к выбранной химической реакции (Рис.3).
Рис.2.
Рис.3.
Основу вычислительного блока ИВС "Атмосферная химия" составляют следующие алгоритмы:
Эти алгоритмы позволили реализовать основные элементы качественного анализа динамических систем:
Примеры научной графики генерируемой ИВС представлены на рис. 4, 5.
Рис.4.
Рис.5.
Справочный блок ИВС содержит руководство пользователя, гипертекстовый материал по основам атмосферной химии и качественному анализу дифференциальных уравнений, ссылочную информацию по организациям занимающимся проблемами атмосферной химии и смежными с ней, проекты, инструментарий, конференции, базы данных, журналы и программное обеспечение.
Спроектирован сайт по спектроскопии атмосферных газов. Проведено заполнение баз спектральных данных на основе HITRAN’98 и GEISA’98 и созданы www-интерфейсные формы для табличного и графического представления данных представления данных (Рис.6.). Систематизированы алгоритмы для расчетов функций пропускания в безоблачной атмосфере на основе БД по спектрам атмосферных молекул.
Рис.6.
В блоке радиационных режимов в атмосфере:
В блоке атмосферного аэрозоля:
Подготовлен справочный материал по атмосферному аэрозолю, основанный ма монографиях опубликованными исполнителями гранта.
Дополнительно созданы базы атмосферных параметров (температура, давление, содержание сажи, радиационный фон и т.д. (всего около 50 параметров)) прямого заполнения с экспериментальных установок (аэрозольная и ТОР-станции ИОА СО РАН). Более детальный доступ к этой информации возможен в Интранете ИОА СО РАН (http://aerosol1.iao.ru) [8] (Рис.7).
Рис.7.
Информационная система является многопользовательской и предназначена для работы в сети Интернет. Взаимодействие пользователя и системы производится с помощью стандартного WEB-браузера. Все расчеты выполняются на серверной стороне и не требуют значительных вычислительных ресурсов пользователя. В вычислительном блоке ИВС используются параллельные алгоритмы для решения систем нелинейных уравнений, возникающих при проведении качественного анализа кинетических уравнений. Наряду с параллельными алгоритмами используется распараллеливания на уровне заданий. Примером таких заданий служит построение фазовых портретов, при котором проводится решение одной системы дифференциальных уравнений для разных начальных условий.
С целью увеличения производительности вычислений были проведены работы по кластеризации компьютеров и тестирование алгоритмов использующих методы параллельного программирования [3].
Для распараллеливания на уровне заданий было создано программное обеспечение, включающее в себя:
Этот пакет программ служит для контроля над узлами кластера, равномерной загрузкой его узлов, и распараллеливания обработки запросов пользователя. Использование такого программного обеспечения придает вычислительному кластеру элемент отказоустойчивости и высокодоступности. Сетевое взаимодействие организовано с помощью механизма сокетов.
На рис. 8. Представлены результаты тестовых вычислений для кластеров разных конфигураций (100Мб коммуникационное оборудование) [3].
Рис.8.
Литература
1. Gordov E.P., Babikov Yu.L., Belan B.D., Golovko V.F., Panchenko M.V., Rodimova O.B. and Fazliev A.Z.. "Information-Computational System: integrated model of atmospheric optics", Proc. of SPIE Sixth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Editor(s): Matvienko, Gennadii G.; Lukin, Vladimir P. v. 3983, 1999, p. 553-561.
2. Fazliev A.Z., Karyakin A.S. "Atmospheric chemistry database: structure, interface and applications". Ibid, p. 625-631.
3. Adamov D.P., Fazliev A.Z., Mikhailov S.A. "Software for modeling in chemical kinetics by methods of parallel programming for a computer cluster ". Ibid, p. 600-607.
4. Adamov D.P., Akhlyostin A.Yu., Fazliev A.Z., Gordov E.P., Karyakin A.S., Mikhailov S.A., Rodimova O.B. "Information-computational system: atmospheric chemistry". Ibid, p. 578-583.
5. Ахлёстин А.Ю., Бабиков Ю.Л., Карякин А.С., Фазлиев А.З. Информационные системы Института оптики атмосферы СО РАН: Структура и отображение электронной информации. Труды Всероссийской конференции "ЭЛЕКТРОННЫЕ БИБЛИОТЕКИ: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРОННЫЕ КОЛЛЕКЦИИ", Санкт-Петербург, 19-23 октябрь, 1999, с.245-249.
6. Adamov D.P., Akhlyostin A.Yu., Fazliev A.Z., Gordov E.P., Karyakin A.S., Mikhailov S.A., Rodimova O.B. Information-computational system "Atmospheric chemistry" Proc. of 3 Int. Symposium "SIBCONVERS'99", 18-20 May, 1999, Tomsk, p.225-226.
7. Адамов Д.П., Михайлов С.А., Фазлиев А.З. "Об использовании вычислительного кластера для проведения расчетов в ИВС "Атмосферная химия"", Доклады ТГУСУР, т.2, в.2, с.105-114.
8. Адамов Д.П., Карякин А.С., Михайлов С.А. "Организация прямого доступа в Интранете ИОА СО РАН к базам данных по характеристикам атмосферного аэрозоля и метеоинформации", Тезисы докладов 6 Рабочей группы "Аэрозоли Сибири", Томск, 1999, с.36-37.
Создана тестовая версия сайта по атмосферной химии (http://atmos.iao.ru).
Спроектированы и заполнены базы данных спектральной информации на основе Hitran98 и Geisa98. Создан www-интерфейс для работы с данными в табличном и графическом виде. Доступ к базе данных возможен в Интранете ИОА СО РАН (http://spectra.iao.ru).
Созданы базы данных с результатами самолетных измерений характеристик аэрозоля в приземном слое:
Созданы базы данных по трем статистическим моделям атмосферы (стандартная модель США, модель ИОА СО РАН, региональные модели Северного полушария).
Создано программное обеспечение для прямого заполнения баз данных по метеорологической и аэрозольной информации с экспериментальных установок (ТОР-станция и аэрозольная станция) и их отображения в Интранете ИОА СО РАН.
Разработана технология для создания сайтов научного содержания (меню, научная графика и таблицы)
Данные, использованные на сайтах, опубликованы ранее в печати. Система представления информации и алгоритмы, используемые при расчетах, являются оригинальными.
В области атмосферной химии существуют пакеты программ по атмосферной химии (Socrat, ASAD). ИВС "Атмосферная химия" дополняет эти системы в части детального анализа качественного поведения кинетических уравнений.
В области атмосферной спектроскопии применяются несколько баз данных (наиболее известные HITRAN, Geisa), но отсутствует сервис по работе с этими базами данных в сети Интернет. Данные по характеристикам аэрозоля являются уникальными и получены исполнителями проекта.
типовой сайт строится средствами Интернет-технологий: CGI-скрипты, PHP, СSS, Java-script;
SQL-запросы используются при работе с базами данных (MySQL & InterBase);
для проведения качественного анализа кинетических уравнений атмосферной химии применены методы паралельного программирования (проведена параллелизация на уровне заданий и вычислительных алгоритмов);
для построения научной графики используется пакет GNUPlot;