Распределенные Интернет-приложения в решении геофизических задач

Предметной областью диссертационной работы являются современные информационные технологии в приложении к наукам о Земле, в целом, и к задачам геофизики, в частности.

В науках о Земле предметом изучения являются оболочки Земли, которые включают внутреннее ядро, мантию, литосферу, кору, гидросферу, атмосферу, ионосферу и магнитосферу, в том числе, строение и вещественный состав этих оболочек процессы, которые в них происходят и физические поля, связанные с этими процессами. Естественно, что процессы, происходящие в различных оболочках, оказываю влияние друг на друга. Поэтому, вопрос о том, можно ли изучать ту или иную оболочку изолированно или необходимо учитывать влияние других оболочек, зависит от конкретных целей исследования. Например, при изучении коровой сейсмичности помимо процессов в коре рассматриваются процессы в мантии, литосфере, ионосфере, а также процессы планетарного взаимодействия.

В настоящее время сильнейшее влияние на развитие наук о Земле оказывают новейшие успехи физики, химии, биологии, математики. Так, в современной системе наук о Земле все более важное место занимают геофизические исследования, в которых применяются подходы и методы современной физики. Они позволяют гораздо глубже проникнуть в физическую сущность разнообразных процессов, протекающих в недрах Земли (например, при изучении движений земной коры, распространения в ней упругих и других деформаций, проявляющихся при землетрясениях, изменений силы тяжести, магиитных свойств), в водной и воздушной оболочках (физика моря и физика атмосферы), а также на земной поверхности (механика грунтов, гидромеханика, физика природных ландшафтов и т. д.).

Существующие геофизические методы исследования классифицируются по используемым полям (гравиметрия, магнитометрия, сейсмология и др.) — по технологиям и месту проведения работ (спутниковые, наземные, подземные и др. методы) — по прикладным и целевым направлениям (региональная, разведочная, инженерная и пр. геофизика) — по видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

Несмотря на различие в объектах и методах теоретических и экспериментальных исследований, специфику отдельных научных дисциплин, существует тенденция к интеграции геофизики как науки, которая проявляется в росте ее значения как единой системы знаний, в распространении общих методов исследования, а также в информатизации.

Необходимость самого широкого применения современных информационных технологий в решении геофизических задач обусловлена, с одной стороны, потребностью применения сложного математического аппарата, средств визуализации па различных этапах обработки и анализа и т. д., а, с другой стороны, возможностью упростить и автоматизировать некоторые рутинные процедуры в работе с большими объемами данных.

К настоящему времени геофизика полностью перешла к применению цифровых систем сбора, передачи, хранения и обработки информации. Появились весьма плотные сети геофизических наблюдений глобального, регионального и локального масштабов. Современный экспериментальный материал (с точки зрения изменений во времени) подразделяется на три группы:

• координатно привязанные к географическим объектам временные ряды, например, результаты GPS наблюдения смещений земной коры, данные сейсмического и геофизического мониторинга и т. п.;

• пространственно распределенные динамические поля, к которым относятся точечные маркированные поля (например, каталоги землетрясений) и непрерывные многообразия, представляющие пространственно-временные свойства оболочек Земли;

• стационарные пространственные данные, для которых временная эволюция не рассматривается.

Полноту, актуальность и достоверность предоставляемых исследователям данных обеспечивают распределенные базы данных. Но, несмотря на огромные массивы пространственно-временной измерительной информации, сети геомопиторинга по отдельности не дают нужной детальности в покрытии исследуемой пространственной области. Кроме того, исследователям-геофизикам приходится работать не с данными «чистого» эксперимента, а с данными натурных наблюдений и измерений, результаты которых подвержены воздействию природных и техногенных шумов, иногда по уровню соизмеримых с уровнем полезного сигнала. В этих случаях возникают принципиальные проблемы с однозначностью интерпретации результатов обработки. Для достижения однозначности выводов требуется системный подход, позволяющий использовать все доступные данные, методы и имеющиеся экспертные знания. Однако в условиях сильнейшей специализации становится достаточно сложно обеспечить не только взаимопонимание исследователей, но и интеграцию данных из разных предметных областей (в силу того, что накапливаемые огромные объемы предметно-ориентированной информации характеризуются различными стандартами хранения и представления, а также семантической неоднородностью).

От применения современных информационных технологий исследователи ожидают обеспечения поддержки решения геофизических задач, в первую очередь, в двух направлениях:

• информационном (поиск данных в Интернет, интеграция па техническом и семантическом уровне, визуализация выборки в интерактивном режиме или доставка непосредственно в программы обработки);

• интеллектуальном (интегрированная обработка больших объемов данных, моделирование и прогноз).

Разумеется, каждая из указанных функций реализуется с помощью различного программного инструментария, последние тенденции которого связаны с современными Интернет-, веб-, ГИСи Грид-технологиями, а также технологиями математических вычислений, искусственного интеллекта и др.

Объектом исследования в данной работе является качественно новый уровень автоматизации информационного обеспечения геофизических задач.

Упрощение и автоматизация именно этого рутинного процесса оставляет исследователям возможность сосредоточиться на разработке новых средств и методов решения геофизических задач, что как раз и составляет научный поиск.

Основная цель данной диссертационной работы состоит в разработке подхода и соответствующих программно-аппаратных решений, обеспечивающих интерактивную поддержку решения геофизических задач, в части извлечения многодисциплинарных данных (метаданных) из распределенных баз данных, их интеграции и доставки исследователям в виде, удобном для дальнейшего анализа и интерпретации результатов.

В соответствии с целью работы, поставлены следующие задачи:

1. Исследовать и оценить современное состояние компьютерных технологий (Интернет-, веб-, ГИСи Грид-), которые позволяют повысить качественный уровень доступа и интеграции данных и обеспечить их развитую автоматизированную обработку.

2. На основе результатов этих исследований разработать подход к созданию программно-аппаратного решения интерактивных Иптернет-приложений на основе веб-сервисов в применении к конкретным геофизическим задачам. Обеспечить возможности интеграции разрабатываемых приложений в распределено-вычислительную среду на основе Грид, которая активно развивается в настоящее время.

3. Экспериментально проверить эффективность разработанных программно-аппаратных реализаций путем внедрения в сеть Международных центров данных.

В настоящее время использование распределенных Интернет-приложений для создания программных продуктов, реализующих программные сервисы самого различного рода, является одним из наиболее распространенных подходов. Этот подход уже доказал свою эффективность и удобство как с пользовательской, так и администраторской точки зрения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке интерактивных распределенных Интернет-приложений с учетом особенностей задач, решаемых в геофизике, в том числе в комплексном использовании ГИС-технологий, веб-сервисов, а также аппарата нечеткой логики и веб-онтологий в части формирования запроса пользователя на поиск информации.

В соответствии с вышесказанным в первой главе данной работы обосновывается выбор технологий Интернет-приложения и веб-сервисов в качестве одного из возможных подходов достижения цели работыв последующих главах демонстрируется, как этот подход «работает» в приложении к трем разным задачам.

Заключение

.

Для современных геофизических задач характерен системный, комплексный подход к изучению объектов и процессов. Привлечение для решения задач разнородных мпогодисциплииарных данных позволяет обеспечить необходимую полноту решения задачи.

В рамках настоящей работы выполнено исследование «Распределенные Интернет-приложения в решении геофизических задач», цель которогоповышение качества и эффективности решения геофизических задач, в целом, за счет повышения эффективности одного из технологических циклов обработки данных, в частности, — достигнута па этапе информационного обеспечения задачи.

В работе обоснован выбор технологий для автоматизации информационного обеспечения некоторого типа геофизических задач и разработан прототип Интернет-приложения, реализующего выбранный подход.

Одним из принципиальных моментов реализации информационного обеспечения является интеграция ресурсов. Эта задача решалась с использованием общей технологии обработки метаданных. Схема метаданных выбиралась согласно «типу конечного пользователя». Сразу отметим, что конечным пользователем в дайной работе считается компьютерная программа (статистического анализа, моделирования и т. п.).

Новые решения связаны с использованием механизма онтологий в части организации высококачественной выборки данных. Построение и использование онтологий обеспечило семантическую интеграцию разнородных данных и семантически обусловленный поиск в базах данных Интернет-приложения. При этом сами онтологии предметной области являются ие только эффективным инструментом, но и существенным научным результатом.

Особенностью разработанных решений является использование алгоритма «нечеткого запроса», предоставляющего возможность формулировать запросы на поиск данных в распределенных базах на естественном языке.

Разработанное решение представляет собой интерактивное Интернет-приложение с полностью автоматическими веб-сервисами. Сервисы условно можно разделить па сервисы инфраструктуры (в частности, безопасности), сервисы для конечных пользователей (аннотирования массивов данных, целевого поиска, высокоточной семантической выборки, обработки и доставки данных в соответствии с запросами исследователей непосредственно в их приложения) и промежуточные сервисы (в частности, ГИС).

Практическим результатом данной работы является внедрение в практику работы исследователей новых информационных технологий. В часпости, разработанные в ходе исследования распределенные Интернет-приложения па основе веб-сервисов размещены и эффективно используются в сети Мировых центров данных по солнечно-земной физике и физике твердой Земли в Геофизическом центре РАН, г. Москва и Национальном геофизическом центре данных, г. Болдер, США, а также в Институте космофизических исследований и распространения радиоволн (ИКИР РАН), Камчатка, в МИД по солнечно-земной физике, г. Сидней, Австралия, в Лаборатории солнечно-земной физики Университета Нагоя, Япония, в МЦД по космическим наукам, г. Пекин, Китай, в Национальном геофизическом исследовательском институте, г. Хайдарабад, Индия, в Родезийском университете, г. Грахамстаун, ЮАР.

К конечным результатам также относится Интернет-приложение SPIDR, которое было использовано в задачах моделирования космической погоды. На основе этой информационной системы был разработан новый подход к прогнозированию космической погоды методом аналогий. База данных стабильных ночных огней, подготовленная на основе системы SABR, была использована для контроля качества данных дистанционного зондирования со спутников DMSP. А на основе базы данных по скоростям современных движений земной коры проведен анализ упругих характеристик блоковой структуры Евразии составленной на основе геологических и сейсмологических данных. В частности, по экспериментальным скоростям горизонтальных движений были построены модели движения блоков Юго-Восточной и Центральной Азии, как абсолютно твердых тел. Отклонения между модельными и экспериментальными скоростями интерпретировались как результат деформируемости блока.

Дополнительные сведенья и ссылки на разработанные Интернет-приложения можно найти на сайте Геофизического Центра РАН по адресу http://www.gcras.ru .

Работа основана на ряде практических реализаций научных Интернет-приложений на основе веб-сервисовизучении публикаций по внедрению новых технологий.