CC BY
48
Литература
1. Батурин В.А., Бычков И.В., Ружников Г.М. и др. Моделирование и управление процессами регионального развития.- Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - С. 431.
2. Бычков И.В., Ружников Г.М., Моисеев А.Н. и др. Геоинформационная система органов государственной власти Иркутской области // Информационный бюллетень. ГИС ассоциация. - 2001. - № 2 (29)
- 3 (30). - С. 30-32.
3. Рюмкин А.И., Рудченко В.В. Геоинформационные системы для городов Сибири // Регион: управления и информатизация. - Кемерово, 1995. - С.46-49.
4. Бычков И.В., Васильев С.Н., Ружников Г.М. и др. Система математических и информационных технологий для поддержки принятия управленческих решений в сфере деятельности органов государственной власти // Вестник Томского гос. ун-та. - 2004. - № 9. - C. 8-12.
5. Саймон А. Репозитарии и управление метаданными //СУБД. - 1996. - № 5-6.
6. Бычков И.В., Фереферов Е.С., Хмельнов А.Е. Метаописание баз данных как основа интеграции информационно-справочных систем и ГИС // Вычислительные технологии. -2007. -Т. 12. - № 5. - С. 41-51.
7. Бычков И.В., Фереферов Е.С., Хмельнов А.Е. Применение ГИС- и ВЕБ-технологий для создания интегрированных информационно-аналитических систем // Вычислительные технологии. - 2007. - Т.12.
- Спец. вып. 3. - С. 5-19.
8. Винокуров М.А., Суходолов А.П. Экономика Иркутской области. - Иркутск: Изд-во ОАО НПО «Облмашинформ». - Т. 1, 1998.
9. Иванов В.Н., Назыров В.А., Неустроев В.Л. Минерально-сырьевая база Иркутской области, проблемы освоения и развития // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2000. - № 4.
10. Гаченко А.С., Ружников Г.М., Фереферов Е.С., Хмельнов А.Е. Муниципальная информационная система обеспечения градостроительной деятельности // Вычислительные технологии. - 2008. - Т.13. -№ 5. - Спец. вып.1. - С. 4-10.
О ПРОЕКТЕ КОРПОРАТИВНОЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДВО РАН И ЗАДАЧЕ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ GRID-ИНФРАСТРУКТУРЫ ОТДЕЛЕНИЯ
В.К. Фищенко, к.т.н., зав. отделом Тел.: (4232) 31-21-31; E-mail: [email protected] А. В. Голик, н.с.
Тел.: (4232) 31-21-31,E-mail: [email protected] С.Г. Антушев, м.н.с.
Тел.: (4232) 31-21-31; E-mail: [email protected] Отдел Информационных технологий Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН http//www.poi.dvo.ru
In this article the problem of creation in Far East branch of the Russian academy of sciences of the distributed GRID-infrastructure of support of scientific researches is discussed. At realization of a GRID-infrastructure it is offered to make use of experience of development of corporate oceanologic information-analytical system of branch.
Введение
В последние годы в России и мире возрос интерес к проблеме интеграции информационных, аналитических и вычислительных ресурсов, создаваемых в различных научных организациях. Объединение ресурсов позволяет не только увеличить эффективность работы на каждом рабочем месте специалистов за счет использования ими существенно больших объемов исходных дан
ных, программ анализа данных и вычислительных мощностей, но и организовать согласованную работу территориально разнесенных научных коллективов над масштабными фундаментальными и прикладными проектами, реализация которых не под силу ученым-одиночкам и небольшим научным группам. В наиболее полном и законченном виде идея интеграции научных исследований была сформулирована в концепции тех-
нологии GRID, интенсивно развивающейся в мире с конца 1990-х годов.
Одно из наиболее часто цитируемых определений GRID дано американскими специалистами Я.Фостером и К.Кессель-маном [1]. GRID - географически распределенная инфраструктура, объединяющая множество ресурсов разных типов (процессоры, долговременная и оперативная память,
хранилища и базы данных, сети), доступ к которым пользователь может получить из любой точки, независимо от места ее расположения. GRID предполагает коллективный разделяемый режим доступа к ресурсам и к связанным с ними услугам в рамках глобально распределенных виртуальных организаций, состоящих из предприятий и отдельных специалистов, совместно использующих общие ресурсы. В каждой виртуальной организации имеется своя собственная политика поведения ее участников, которые должны соблюдать установленные правила. Виртуальная организация может образовываться динамически и иметь ограниченное время существования.
Отметим важность концепции виртуальной организации в данном выше определении. Одной их проблем на пути практической реализации в системе Российской академии наук распределенных информационно-вычислительных систем поддержки научных исследований является устойчивое нежелание отечественных организаций предоставлять в общий доступ собственные ресурсы, прежде всего оригинальные научные данные. Острота этой проблемы существенно снижается при использовании технологии GRID.
В рамках концепции GRID на начальном этапе организация заявляет лишь о наличии у нее неких ресурсов и о потенциальной готовности разделять эти ресурсы с другими территориально удаленными организациями с использованием базовых GRID-сервисов. При этом заявленные ресурсы уже можно считать принадлежащими GRID-инфраструктуре, информация о них, как и о ресурсах других организаций, будет доступна заинтересованным организациям. Используя информацию о ресурсах, представ-
ленных в GRID-инфраструктуре, некая организация может предложить другим организациям совместно реализовать важный научный или инновационный проект. В случае согласия заинтересованные организации договариваются, кто, кому, на каких условиях, какие ресурсы готов предоставлять.
После этого в GRID-инфраструктуре регистрируется и начинает реальное функционирование новая виртуальная организа-цня, территориально разнесенные участники которой выполняют согласованные работы по проекту, предоставляя друг другу необходимые ресурсы. При этом GRID-сервисы, ответственные за безопасность, гарантированно защитят передаваемую по телекоммуникационным каналам информацию участников от несанкционированного доступа. GRID-сервисы, ответственные за работу с данными, позволят оптимизировать скорость и стоимость пересылки данных между всеми участниками. GRID-сервисы управления заданиями найдут необходимые вычислительные ресурсы и позволят максимально быстро выполнить аналитическую обработку больших массивов данных либо решить вычислительно трудоемкие модельные задачи.
В целом же будут обеспечены все необходимые условия для успешного выполнения задач совместного проекта. По окончании работ по проекту виртуальная организация по согласию участников может быть расформирована, при этом доступ к ресурсам бывших участников будет гарантированно аннулирован.
Таким образом, участие научных организаций в интеграционных проектах, основанных на применении технологии GRID, помимо очевидных плюсов в виде получения принципиально новых, уникальных научных результатов, гарантирует безопасность информационных ресурсов отдельных
участников.
На сегодняшний день в мире успешно действуют несколько сотен научных GRID-проектов. Несколько GRID-проектов разрабатываются в России, кроме этого многие российские организации и специалисты участвуют в международных GRID-проектах.
В перечне Программ фундаментальных исследований Президиума РАН есть программа «Разработка фундаментальных основ создания научной распределенной информационно-вычислительной среды на основе технологий GRID». Тем не менее, успехи в области продвижения технологии GRID в системе Российской академии наук нам предоставляются недостаточными. Если исключить несколько научных учреждений, специализирующиеся в области физики высоких энергий (ИФВЭ РАН, ОИЯИ РАН, ИТЭФ РАН, РНЦ КИ, НИИЯФ МГУ), следует констатировать, что почти все исследования в области GRID ведутся в центральных институтах РАН, специализирующихся в области информационных технологий и математических методов (ИПМ РАН, ИВМ РАН, ИПС РАН, НИВЦ МГУ и др.).
Вместе с тем потребность в эффективной организации распределенных научных исследований испытывают, в первую очередь, учреждения региональных отделений РАН, в «сферу ответственности» которых входят обширные территории и акватории Сибири и Дальнего Востока. Помимо того, что сами институты УрО, СО и ДВО РАН территориально существенно разнесены, многие из них имеют сети удаленных научных станций и пунктов наблюдений.
Представляется, что процесс создания общероссийской научно-образовательной GRID-инфраструктуры нуждается в стимулировании и методической помощи со стороны центральных институтов в развертывании региональных GRID-систем. Именно в региональных отделениях РАН возможно ожидать реализации масштабных наукоемких и инновационных проектов, где в полной мере могут проявиться все преимущества, заявленные в технологии GRID. Наличие нескольких успешных региональных GRID-проектов поднимет интерес к упомянутой Программе Президиума РАН, стимулирует реализацию новых региональных и «предметно-ориентированных» общенациональных GRID-проектов, поддержит исследования по GRID-тематике в центральных «информационно-математических» институтах РАН, сделает эти исследования более кон-
кретными и более ориентированными на реальные потребности научных учреждений страны.
В начальной части настоящей статьи нами представлены некоторые соображения по проблеме развертывания региональной ОЫБ-инфраструктуры поддержки научных исследований в Дальневосточном отделении Российской академии наук. В качестве одной из мер предлагается изучать и использовать уже имеющийся опыт реализации в институтах ДВО РАН интегрированных информационно-аналитических систем. Одной из таких систем является разработанная в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН океанологическая информационно-аналитическая система (ОИАС). Во второй части статьи будут кратко рассмотрены концепция, архитектура и работа основных элементов ОИАС.
О задаче развертывания СШБ-инфраструктуры Дальневосточного отделения РАН
Дальневосточное отделение Российской академии наук (ДВО РАН) наряду с Сибирским и Уральским является одним из трех региональных отделений академии. Организационно ДВО РАН состоит из шести территориальных научных центров, объединяющих в совокупности 28 научных институтов и более 40 полевых стационаров, расположенных на территории Дальнего Востока от м. Шульца на побережье Японского моря на юге до м. Шмидта на побережье Чукотского моря на севере. К 2000 году практически во всех институтах были развернуты локальные компьютерные сети, и в повестку дня был поставлен вопрос о развертывании телекоммуникационной инфраструктуры, связывающей все институты и удаленные стационары отделения.
Для координации этих работ решением Президиума ДВО РАН была создана Телекоммуникационная комиссия, которая к настоящему времени поставленные задачи в основном выполнила - во всех территориальных научных центра созданы корпоративные сети, связывающие институты и большую часть удаленных стационаров.
Одним из важнейших результатов деятельности Телекоммуникационной комиссии ДВО РАН по развитию корпоративной сети отделения, по нашему мнению, явилось создание технических условий для интеграции информационных, аналитических и вычислительных ресурсов, развернутых к настоя-
щему времени в институтах и научных подразделениях. Эти совокупные ресурсы ДВО РАН должны быть доступны на каждом рабочем месте, что, безусловно, будет способствовать увеличению эффективности работы отдельных специалистов, усилению координации между специалистами, научными группами и институтами, повышению контролируемости и управляемости процессом исследований руководителями всех уровней, от заведующих лабораториями до председателя Президиума ДВО РАН. Наличие корпоративной информационно-аналитической инфраструктуры отделения даст возможность предлагать и успешно реализовывать принципиально новые масштабные научные проекты, требующие привлечения специалистов и научных групп из нескольких институтов отделения.
Подобные процессы интеграции ресурсов для комплексной поддержки научных исследований на протяжении нескольких последних лет идут в России, в частности в СО и УрО РАН, а также за рубежом. Некоторое время назад ИТ-сообществом была сформулирована концепция новой ИТ-технологии, предназначенной для интеграции ресурсов территориально разнесенных участников «виртуальных организаций» -технологии GRID. В рамках данной технологии разработчикам GRID-проектов предлагается использовать единую систему стандартизированных GRID-служб, ответственных за работу с информационными, телекоммуникационными, вычислительными и прочими разделяемыми ресурсами. Это дает возможность при необходимости объединять ресурсы частных GRID-проектов, создавая все более и более крупные проекты. В связи с этим, в настоящее время технология GRID утвердилась в мире в качестве базовой для реализации интеграционных научных проектов.
Очевидно, развертывание единой «ин-формационно-аналитико-вычислительной» инфраструктуры поддержки научных исследований в ДВО РАН целесообразно осуществлять с применением технологии GRID. Полагаем, что практические работы по созданию GRID-инфраструктуры отделения должны курироваться Телекоммуникационной комиссией ДВО РАН и вестись одновременно в двух направлениях.
Во-первых, должна быть создана группа специалистов-экспертов, определяющая общую стратегию развития GRID-инфраструктуры отделения, изучающая и
рекомендующая ИТ-специалистам институтов ДВО РАН типовые технологические схемы реализации ОЫБ-сервисов, ответственные, например, за использование высокопроизводительных вычислительных комплексов ДВО РАН, либо за организацию распределенных систем сбора и анализа оперативной информации с акваторий и территорий дальневосточного региона.
Во-вторых, стихийно идущие в институтах процессы интеграции информации (создание веб-сайтов, порталов, распределенных баз данных, веб-ГИС-проектов, сетей распределенных вычислений) должны постепенно адаптироваться к базовым ОЫБ-стандартам.
Представляется целесообразным поощрять в каждом институте процессы объединения этих локальных ресурсов в единые информационно-аналитические системы, функционирующие в корпоративной сети института. На следующем этапе на базе имеющейся телекоммуникационной инфраструктуры ДВО РАН целесообразна интеграция таких общеинститутских систем в более крупные информационно-аналитические системы по отдельным направлениям наук, развиваемым в ДВО РАН. Если процессы интеграции на последних двух этапах будут осуществляться с учетом рекомендаций группы «ОЫБ-экспертов» отделения, то будет возможно на конечном этапе объединить все созданные ресурсы в рамках единой ОЫБ-инфраструктуры поддержки научных исследований в ДВО РАН.
О проекте корпоративной океанологической информационно-аналитической системы ДВО РАН
В отделе Информационных технологий ТОИ ДВО РАН в 2001 году был разработан и выставлен для апробации в корпоративной сети института рабочий макет геоинформационной системы по Северо-Западной части Тихого океана [2]. ГИС была реализована в форме веб-проекта, что обеспечило коллективный доступ всех заинтересованных сотрудников института к ее информационным и аналитическим ресурсам. Со временем рабочий макет ГИС пополнялся новыми данными, средствами их визуального отображения и аналитической обработки. По мере развития компьютерной сети ДВО РАН ресурсы ГИС становились доступными специалистам других институтов ДВО РАН.
Начиная с 2006 года данный проект нами позиционируется как океанологическая
информационно-аналитическая система (ОИАС) ДВО РАН, основанная на веб-, ГИС - и ОМБ-технологиях. Работы по ОИАС были поддержаны двумя грантами РФФИ, грантами ДВО РАН. Подробная информация о концепции, архитектуре и практической реализации системы нами была доложена в марте 2006 года в Петропавловске-Камчатском на выездном заседании Телекоммуникационной комиссии ДВО РАН. Полагаем, что опыт разработки ОИАС может быть учтен при проектировании и развертывании ОЫБ-инфраструктуры ДВО РАН, а сама система может стать ее важным компонентом. Ниже кратко опишем основные возможности и особенности ОИАС, важные в контексте задачи создания ОЫБ-инфраструктуры отделения.
ОИАС предоставляет непосредственно на рабочие места научных специалистов в институтах Дальневосточного отделения РАН: 1 - обширные массивы данных о состоянии морского дна, водной среды и атмосферы на акваториях дальневосточных морей; 2 - наглядные средства их совместной картографической и общенаучной визуализации; 3 - эффективные программные методики анализа данных и моделирования; 4 -распределенные и суперкомпьютерные вычислительные ресурсы корпоративной сети ДВО РАН для решения аналитических задач особо высокой вычислительной сложности. Работа пользователей с ресурсами ОИАС ведется с помощью единообразного интуитивно понятного веб-интерфейса, скрывающего технические детали организации доступа к ресурсам.
Основной массив данных хранится на базовом сервере ОИАС, кроме этого организованы интерфейсы к нескольким удаленным хранилищам данных в сети ДВО, в частности, данным спутниковых наблюдений и сейсмоакустическим данным. Разработана и используется система мониторинга актуальных океанографических ресурсов Интернета, новая информация из которых по мере поступления автоматически скачивается на основной сервер ОИАС и становится доступной пользователям системы [3]. С 2007 года в ОИАС действует основанная на ОЫБ-сервисах технология доступа к оперативным данным удаленных научных экспериментов.
Система картографического отображения пространственно-координированных данных подобна применяемым в обычных ГИС, в частности, допускает конструирова-
ние пользователем произвольных многослойных отображений различных видов данных.
Пользователю предоставляются удобные средства навигации в картографическом окне, изменения масштабов, выбора требуемых географических регионов. Отображение информации осуществляется в виде накладывающихся информационных слоев, выбираемых пользователем. Слои сгруппированы в тематические группы. Имеется т.н. группа основных слоев (географические названия стран и морей, очертания берегов, батиметрия); климатология; геология и геофизизика, данные морских научных экспедиций, спутниковые данные по тепловой излучательно-сти поверхности океана; данные спутниковой радиометрии поверхности океана. Большинство информационных слоев помимо пространственной привязки имеет временную привязку (т.е. слои представлены данными, изменяющимися по годам и месяцам, среднемесячными либо среднесезон-ными данными).
Соответственно в ОИАС реализованы механизмы организации запросов к этим слоям с учетом временных критериев. Всего в настоящее время в ОИАС поддерживаются 40 информационных слоев общим объемом около 1 Тб. Кроме этого для авторизованных пользователей имеется возможность организации и поддержки средствами ОИАС собственных информационных слоев. Права на просмотр этих слоев принадлежат их автору, но при необходимости могут передаваться другим пользователям ОИАС. Помимо визуального отображения пространственно-координированной информации пользователю предоставляется возможность получить атрибутивную информацию по любой географической точке региона в специальном информационном окне. При необходимости пользователь, обладающий соответствующими правами доступа, может получить требуемую информацию по указанному географическому региону в виде файла данных либо растрового изображения.
На рис. 1 (см. цв. вставку) приведена типовая конфигурация окна картографического отображения при работе с ОИАС зарегистрированных пользователей. В данном случае размер базового картографического окна был увеличен пользователем до 640 х 640 пикселей, в области формирования запросов на выборку данных видны дополнительные тематические слои данных. В картографическом окне отображены: средне-
июньское распределение температуры поверхности воды в регионе; местоположение выполненных в научных рейсах ТОИ ДВО РАН гидрологических станций с данными по вертикальному распределению температуры и солености воды; карта разломов фундамента в Охотском море; маршруты
тайфунов, прошедших в регионе в 2002 году.
Как уже упоминалось, ОИАС относится к классу веб-ГИС-систем. В последние годы такие системы активно разрабатываются у нас в стране и мире. В начале 2000-х годов международным консорциумом OGC была предложена технология взаимодействия территориально разнесенных веб-ГИС-проектов, основанная на использовании трех базовых обменных сервисов - WMS (Web Map Service), WFC (Web Feature Service), WCS (Web Coverage Service). Использование этих сервисов позволяет, например, при составлении пользователем многослойного покрытия для некоторого географического района наряду со слоями основной ГИС накладывать информационные слои удаленных веб-ГИС-систем. В ОИАС ДВО РАН поддерживаются два сервиса OGC технологии - WMS и WFS. Проведены тестовые эксперименты по организации OGC-взаимодействия с несколькими внешними ГИС-проектами, подтвердившие способность ОИАС участвовать в интеграционных проектах, основанных на применении данной технологии [4].
Система аналитической поддержки ОИАС включает набор программных средств, реализующих классические и сравнительно новые алгоритмы обработки данных, а также несколько программ моделирования океанических процессов. Часть программ реализована на базе технологий Ac-tive-X и Javа, они автоматически вызываются для обработки некоторых типов данных ОИАС. Другие программы представляют собой стандартные Desktop-приложения и должны быть предварительно скачаны из ОИАС самим пользователем .
Ряд вычислительно трудоемких программ из системы аналитической поддержки ОИАС могут выполняться с применением технологий высокопроизводительных вычислений. Для этого в ТОИ развернута сеть распределенных вычислений на базе совместимой с GRID системы Condor, а также с использованием пакета Globus Toolkit организуется доступ к суперкомпьютерным комплексам ИАПУ ДВО РАН [5,6].
В ОИАС действует специальная система распределения прав доступа пользователей к данным, программным и вычислительным ресурсам, призванная привлечь к участию в проекте ОИАС вместе со своими ресурсами большее число специалистов и научных групп [7]. Пользователи, не прошедшие регистрацию, имеют доступ к очень ограниченному подмножеству ресурсов. После прохождения регистрации пользователю назначается одна из четырех базовых «политик доступа».
Политика 1 - предназначена для внешних по отношению к сети ДВО РАН Интернет-пользователей, предоставляет доступ только к «открытым» данным.
Политика 2 - предназначена для сотрудников «дружественных» по отношению к ДВО РАН организаций, список таковых устанавливается администратором ОИАС по согласованию с ведущими специалистами, об изменениях в списке информируются владельцы данных (сейчас это институты РАН и вузы г. Владивостока).
Политика 3 - для сотрудников институтов ДВО РАН.
Политика 4 - для сотрудников ТОИ ДВО РАН.
В каждый момент времени пользователь может проверить «профиль» своей персональной политики. Последний представляет собой список всех информационных слоев ОИАС с указанием уровня доступа к слою на различных уровнях абстракции данных (считывание данных, редактирование данных, просмотр картографических проекций с максимальным разрешением, просмотр Preview-образов), а также электронные адреса владельца данных (см. рис. 2). При желании получить расширенный доступ к некоторым данным пользователь может напрямую электронным письмом обратиться к владельцам данных. Для последних в ОИАС реализован специальный интерфейс, позволяющий просматривать статистику обращений к персональным данным и возможность редактирования уровня доступа к ним для зарегистрированных в системе пользователей. Таким образом, базовый профиль персональной политики пользователя со временем может трансформироваться, причем, как правило, в сторону увеличения прав доступа. В отношении программных средств аналитической поддержки ОИАС, придаваемых различным видам данных, реализуется подобная же система разграничения прав доступа.
Специалисты, желающие представить в ОИАС свои информационные или аналитические ресурсы, сопровождают их описанием назначения, описанием условий использования и контактной информацией для личного согласования условий доступа. Кроме этого, указывается номер базовой политики, которая должна применяться по отношению к размещаемому ресурсу. Таким образом, условия доступа полностью регла-
3 ГИС ТОЙ ДВО РАН - Политики доступа к данным - Microsoft Internet Explorer
File Edit View Favorites Tools Help
ментируются владельцами размещаемых ресурсов, а программное обеспечение ОИАС гарантирует соблюдение установленных правил доступа.
В составе ОИАС действует электронная библиотека полнотекстовых научных публикаций [8]. Основные научные направления: океанология, технологии обработки данных, информационные технологии.
^JSixJ
Address I http://gis.poi.dvo.ru/policies/
31 о в,* - a-aani-4-
M
ГИС Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН
(Дальневосточные моря России и северо-западная часть Тихого океана)
Вы вошли в систему как Иван Петров
Настройки карты Помощь
Политики доступа
Политика: 3 (Сеть ДВО РАН) Пользователь: 10 (Иван Петров)
Основные слои
Редактирование Превью Просмотр Экспорт Специальное
1 Границы стран 1 ■ ■ 1 1
2 Названия морей ■ ■ 1 =
3 Рельеф дна (растр) а ■ ■ 1 □
Данные CTD
Редактирование Превью Просмотр Экспорт Специальное
45 Глубина ■ 1 □ □
46 Соленость □ ■ 1 □ □
47 Температура ■ 1
Тайфуны
Редактирование Превью Просмотр Экспорт Специальное
48 Маршруты тайфунов 1 ■ 1 1 □
Данные дистанционного зондирования
Редактирование Превью Просмотр Экспорт Специальное
26 Контура спутниковых снимков о 1 1 1 о
Сейсмоакустика (МЭС ТОЙ ДВО РАН "м.Шульца")
Редактирование Превью Просмотр Экспорт Специальное
150[Результаты наблюдений □ 1 1 1 ■
Internet
zi
Рис. 2. Окно просмотра пользователем персонального профиля «политики доступа»
В настоящее время в библиотеке содержится более 10 000 научных статей. Доступ пользователей к библиотеке осуществляется с начальной страницы ОИАС, адрес http://gislib.poi. dvo.ru/main/. Интерфейс пользователя прост и понятен. Имеется возможность поиска нужных статей по ключевым словам, содержащимся в названиях статей, списках авторов, списках ключевых слов к статьям, в рефератах к статьям. Особенностью библиотеки является то, что она может пополняться и редактироваться дистанционно из разных мест в сети ДВО РАН. В настоящее время библиотеку пополняют 2 сотрудника ТОИ, 1 сотрудник ИВиС, 2 преподавателя ДВГУ. На рис. 3 (см. цв. вставку) представлены интерфейсы пользователя и редактора библиотеки.
Примеры применения ОИАС для поддержки научных исследований
В целом мы полагаем, что в ОИАС уже реализованы некоторые важные положения и идеи концепции GRID [9]. Так, ОИАС в простой и удобной форме предоставляет широкому кругу заинтересованных научных специалистов непосредственно на их рабочие места в институтах и на экспериментальных станциях достаточно широкий набор распределенных в корпоративной сети ДВО РАН и Интернете информационных, аналитических и вычислительных ресурсов.
В ОИАС реализована специализированная схема защиты размещаемых пользователями ресурсов, подобные службы защиты являются одним из базовых элементов GRID-систем.
При реализации некоторых подсистем
ОИАС прямо использовались программные средства, рекомендуемые GRID-сообще-ством, в частности система поддержки распределенных вычислений CONDOR и инструментальный пакет Globus Toolkit.
Наконец, с некоторым приближением, можно считать реализованной технологию поддержки виртуальных организаций, являющуюся ключевой в концепции GRID.
Далее опишем ряд применений ОИАС для поддержки научных исследований, в которых, как нам кажется, были реализованы некоторые положения и идеи концепции GRID.
Поддержка задач спутниковой океанологии
Одним из важных направлений современной океанографии является спутниковая океанология - исследование и мониторинг обширных акваторий океана на основе получения и анализа изображений морской поверхности океана. Начиная с 2002 года в ОИАС организован, поддерживается, совершенствуется, пополняется данными информационный слой «Спутниковая океанология» [10]. Спутниковые данные, помимо описания технических условий съемки, сопровождаются экспертным описанием природных феноменов, предположительно запечатленных на снимках. Экспертные описания проводят специалисты отдела Спутниковой океанологии ТОИ ДВО РАН. Для этого ОИАС им предоставляет специальный интерфейс (см. рис. 4а) и несколько программ обработки изображений. Пользователи ОИАС могут запрашивать спутниковые изображения по интересующим их морским районам, устанавливая в качестве критерия запроса наличие либо отсутствие на снимках тех или иных природных феноменов (см. рис. 4б). Сами эксперты в области спутниковой океанологии могут запрашивать данные согласованных по времени и месту подспутниковых океанологических наблюдений в целях объективной проверки качества разрабатываемых ими методов. В целом же реализация в ОИАС информационного слоя «Спутниковая океанология» способствует развитию как самих спутниковых методов, так и классических океанологических методов.
На базе данного информационного слоя была организована поддержка двух международных научных проектов.: http://simp.poi. dvo.ru/ - «Slicks as Indicators of Marine Processes (SIMP)" и http://cearac. poi.dvo.ru/ -«Oil spill monitoring by remote sensing». Пер-
вый проект, выполнявшийся в рамках гранта ИНТАС, посвящен проблеме изучения сли-ков на спутниковых изображениях морской поверхности как индикаторов тех или иных природных либо техногенных процессов. В проекте принимали участие специалисты шести стран.
Второй проект, осуществляемый совместно представителями России, Японии, Кореи и Китая, выполняется в рамках международной программы CEARAC. Его основная цель - исследование проблемы разработки эффективных технологий мониторинга нефтяных загрязнений Японского и Желтого морей на основе дистанционных методов.
Участие ТОИ в этих проектах, помимо всего прочего, выразилось в организации информационно-аналитической поддержки исследований. Участники проектов фактически представляли собой в терминах концепции GRID две «виртуальные организации». Для их участников были предопределены особые права доступа к информационным и аналитическим ресурсам ОИАС, позволившие, в конечном итоге, успешно реализовать заявленные цели данных научных проектов.
В 2004 году на базе ОИАС специалистами отдела спутниковой океанологии ТОИ ДВО РАН в рамках соглашения о сотрудничестве с Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA) были проведены работы по тестированию качества (валида-ции) нескольких расчетных алгоритмов оценивания температуры поверхности океана (ТПО) и скорости приводного ветра (СПВ) по данным наблюдения морской поверхности микроволновым радиометром AMSR-E [11]. Валидация должна была осуществляться путем сравнения данных о ТПО и СПВ, полученных на основе обработки спутниковой информации соответствующими алгоритмами, с данными, непосредственно измеренными в океане. В качестве последних целесообразно использовать данные буйковых и попутных судовых измерений параметров состояния поверхности океана, выставляемые на сайте международного проекта NEAR-GOOS (Китай, Корея, Россия, Япония) для организаций - участников проекта.
На рис. 5а приведена общая схема организации работ по валидации алгоритмов. В ней существенным образом задействованы механизмы, присущие GRID - распределенные вычисления, распределенное хранение данных, распределенный доступ к вычисли-
тельным и информационным ресурсам, концепция динамического создания под кон-
кретные задачи «виртуальных организаций».
'И ГИС ТОЙ ДВО РАН - проект лаборатории комплексного анализа океанологической информации ТОЙ ДВО Р - Шсг... [□")[><"|
Файл Правка Вид Избранное Сервис Справка Адрес ^ http://oias.poi,с1уо,ги/5а1е11Ке/?5т=0&рд= 18^=297б&рЬепотепа=оп
:: ^'Ж/.ЖЙ'.™
Ссылки ц V Й Переход
□ Ш ИИ
Океанические явления
■ ШШР
ж--:
■1
Папвеллннг
□вихревая цепочка Кармана 0 вихри Ленгмюра | |вихрь
0 внутренние волны
□ зона смешения речных и морских вод □ вихревая цепочка Кармана
□ зыбь | | вихрь
□ лед Цдождь
Дледяное сало | | запрепятственные волны
Атмосферные явления
0 атмосферные волны
□ атмосферный фронт
□ валиковая конвекция | [ветер
| | ветровые тени
Регионы
□ Восточно-Китайское ь | | Восточный Тайвань
□ Желтое море
□ Западный Тайвань | |Каошунг
| | Китай | |Куросио □Ланиу | |Лусон
30 Интернет
а)
'З ГИС ТОЙ ДВО РАН - Интерактивная карта - Ми:го5оП: 1п1егпе1 Енр1огег
рУе Ес№ Мет РауоНЬе5 Тоо15 Не1р
АсУгеэг Щ http:tfgis.poi.dvo, ги/тар/?ор1=0С
"31 ¿3 | ипЬ :
*
ГИС Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН
(Дальневосточные моря России и северо-западная часть Тихого океана)
20
50
100
200
300
500
700
1000
1500
2000
3000
5000
7000
10000
'Ц http://gis.poi.dvo.ru - ГИС ТОЙ ДВО РАН - Результаты поиска - МгсговоП 1п.
а
иг
б)
Рис. 4. Работа пользователей со спутниковой информацией: а) эксперт составляет описание внесенного изображения: б) пользователь-океанолог осуществил запрос на получение спутниковых изображений с проявлениями «внутренних волн»
Основные пользователи данной подсистемы - сотрудники отдела Спутниковой океанологии, которым на время выполнения проекта были предоставлены особые права на доступ к данным и программам ОИАС. Работы проводились в несколько циклов. В начале каждого цикла системным администратором 1ЛХЛ в Японии открывался вре
менный доступ ОИАС к данным за определенный период времени, расположенным на сервере агентства.
Данные представляли собой результаты сканирования радиометром ЛМ8Я-Е в шести частотных диапазонах при двух поляризациях полосы обзора шириной порядка 1600 км. Эти данные автоматически считы-
вались в БД ОИАС с помощью описанной ранее подсистемы автоматического мониторинга Интернет-ресурсов. Чтобы не перегружать Интернет-каналы института в рабочее время, скачивание проводилось по расписанию в ночные часы. Объемы скачиваемых данных в сутки были порядка 1 Гб, данные располагались в 30-35 архивированных файлах.
Каждый файл должен был быть определенным образом предобработан (разархиви-рование, выбор данных по дальневосточному региону, геометрическая привязка, интерполирование), при этом временные затраты составляли около одного часа на типовом персональном компьютере. Для ускорения предобработки использовались несколько компьютеров отдела Информационных технологий и отдела Спутниковой океанологии, управляемых системой поддержки распределенных вычислений CONDOR. Приведенные в равномерную сетку AMSR-E данные размещались не в самой ОИАС, а на сервере отдела Спутниковой океанологии, который затем использовался в качестве распределенного информационного ресурса ОИАС.
Для автоматического поиска и внесения в БД ОИАС согласованных по времени данных буйковых и подспутниковых наблюдений использовалась соответствующим образом настроенная подсистема мониторинга Интернет-ресурсов. В подсистеме аналитической поддержки ОИАС размещались несколько программ, реализующие различные алгоритмы восстановления ТПО и СПВ.
Работа с системой сотрудников отдела спутниковой океанологии велась со своих рабочих мест по следующей схеме: выбор географического региона и указание интересующего временного интервала; получение информации о наличии согласованных по месту и времени спутниковых данных и данных подспутниковых наблюдений; выбор расчетного алгоритма и уточнение его параметров; запуск программы на выполнение; получение результатов в виде таблицы с указанием расчетных и измеренных значений физического параметра в каждой точке подспутниковых наблюдений, а также интегрального показателя качества алгоритма в виде среднеквадратичной ошибки по выборке подспутниковых данных.
Если качество алгоритма неудовлетворительное, то пользователь может изменить параметры либо сам алгоритм и вновь про-
вести расчеты. В случае достижения более или менее приемлемых показателей качества пользователь может запросить расчет и отображение в регулярной пространственной сетке всего поля ТПО или СПВ (см. рис. 5 б). Детальный визуальный анализ расчетного поля позволит эксперту принять окончательное решение о приемлемости использованного алгоритма, по крайней мере, для исследованного географического региона и для конкретного временного сезона.
Всего в 2004 году были выполнены три цикла описанных исследований, результаты предоставлены 1ЛХЛ. В ближайшее время планируется провести новый цикл исследований алгоритмов восстановления ряда физических параметров океана по данным спутниковых наблюдений. В расчетных алгоритмах предполагается использовать данные аэрологических наблюдений, которые также будут собираться в ОИАС системой автоматического мониторинга Интернет-ресурсов.
Поддержка сейсмоакустических исследований в переходной зоне «океан-материк»
Важным направлением исследований, ведущихся в ТОИ ДВО РАН, являются сейсмоакустические исследования, осуществляемые с применением лазерно-интерферо-метрических установок - лазерных дефор-мографов. Эти приборы производят высоко -точную регистрацию сигналов микродеформации Земной коры в полосе частот от сотен Герц практически до нуля Герц. Расположенные на побережье деформографы способны регистрировать отклики различных океанических процессов, происходящих как в береговой зоне, так и на удалении до сотен километров [12].
Сотрудниками отдела Физики геосфер ТОИ ДВО РАН под руководством члена-корреспондента РАН Г. И. Долгих на протяжении 10 лет с применением лазерных де-формографов проводится уникальный мониторинговый эксперимент на морской экспериментальной станции м. Шульца. Целями эксперимента являются установление и детализация взаимосвязи особенностей регистрируемых микросейсмических сигналов с различными типами океанических феноменов, что может послужить основой для разработки принципиально нового класса систем дистанционного зондирования океана.
ТОЙ ДВО РАН
Сервер спутниковых данных AMSR-E
ГНС-сервер
Интернет
Лаборатория спутниковой океанологии
Клиент Р
Клиент Q
Клиент 1
Клиент I Вычислительные ресурсы
¡Сервер NEAR-GOOS (в Японии)
I Сервер сиугниковых данных AMSR-E (в Японии)
'¿gGIS of POI FEB RA5 - Interactive map - Microsoft Internet Explorer
File Edit View Favorites Tools Help
jjniisl
Address hthp i ftgis, poi. d vo. ru/amsr-e/re
■ ^ ■ jj ¿11 ¡fl-
, ж
Legend И
Task; AMSR-E to ocean physical fields algorithms research
Field: [Temperature -• f
Date and time_
from 102/01/2004 0 |l2:00 J to 102/01/2004 0 fieToo
Satellite data
Type: I AMSR-E jJ Orbit: |111MD^J
Subsatellite data
Source: [j4earGOOS||
Algorithm: | Mitnik 04 Analize
f#one
Interm
!_dü|j
Task: AMSR-E to ocean physical fields algorithms research
Satellite data: AMSR-E Subsatellite data: NearGOOS
Field: Temperature Algorithm: Mitnik 04
Begin: 02/01/2004 12:00 End: 02/01/2004 13:00 Region: N26a-46°J E122a-142°
N. of subsatellite points: 125
top 10
N latitude longitude calculated measured
1 25.300 123,900 23.35 23,00
2 10.000 117,000 29.78 29,00
3 23.400 123,100 18.30 18,10
4 21.400 120,300 25.43 24,90
5 19.400 119,100 23.82 23,30
6 25.700 123,700 24.23 24,30
7 20.653 118,060 22.33 23,10
8 19.966 115,822 23.08 23,20
9 21.442 113,383 22.64 23,30
10 21.454 118,371 23.10 23,20
б)
Рис. 5. К задаче валидации алгоритмов оценивания ТПО и СПВ по спутниковым данным: а) схема организации работ в ОИАС; б) результаты анализа качества (валидности) одного
из алгоритмов оценивания ТПО
В 2002 году в ОИАС был организован информационный слой «Сейсмоакустика». В БД ОИАС были внесены все ранее полученные сейсмоакустические данные, а с 2006 года функционирует схема автоматического пополнения БД данными, поступающими в оперативном режиме (с задержкой не более одного часа) по радиоканалу непосредственно с МЭС м. Шульца. С помощью подсистемы мониторинга Интернет-ресурсов были организованы автоматический поиск и ввод в БД ОИАС данных о процессах, потенциально способных оказывать влияние на фон микросейсмических колебаний, - метеорологических данных, данных спутниковых наблюдений, карт напряженности ветра над океаном, данных о тайфунах, проходя-
щих в Северо-Западной части Тихого океана. Это дало возможность исследователям осуществлять согласованные выборки данных различной природы с целью их последующего совместного анализа.
Для решения последней задачи ОИАС предлагает в распоряжение пользователей несколько разработанных в отделе Информационных технологий ТОИ ДВО РАН программ обработки данных. Одна из наиболее полезных программ - программа частотно-временного анализа многоканальных сигналов 8Е18МОБ8Р. Помимо стандартных методов непараметрического и параметрического спектрального оценивания, программа реализует эффективные при анализе нестационарных сигналов процедуры частотно-
временного Фурье-анализа и вейвлет-анализа. Обе последние процедуры реализованы с использованием быстродействующих и гибких в настройке алгоритмов дискретного преобразования Фурье из известной библиотеки FTTW
[13].
Первая процедура наиболее эффективна при анализе быстропротекающих процессов, в частности, откликов на гидроакустические сигналы с характерными частотами от нескольких единиц до сотен Герц. Процедура вейвлет-анализа оказалась исключительно полезной при идентификации и анализе частотной структуры откликов сравнительно медленных океанических процессов - внутренних волн, волн зыби, сейш, ветровых волн, суточных и полусуточных приливов.
Как отмечалось, лазерно-интерферен-ционный метод регистрации микросейсмических колебаний потенциально способен фиксировать очень медленные изменения напряженности Земной коры с частотами, близкими к нулю Герц. Однако в силу технических особенностей процесса регистрации исходные данные записываются в виде сравнительно коротких файлов, обычно в одном файле хранится часовая запись сигнала микродеформации и ряда сопутствующих сигналов. Для анализа долговременных закономерностей файлы необходимо предварительно сшивать. Перед сшивкой файлы следует специальным образом предобработать - удалить различные артефакты системы регистрации, заменив испорченные места адекватными статистическими моделями, провести фильтрацию для обеспечения корректности процедуры децимации, заполнить возможные временные перерывы между смежными записями данными статистической экстраполяции. Предобработка одного файла может занимать достаточно много времени, а общее количество файлов в сшивке может быть до нескольких сотен. Поэтому в ОИАС процедура сшивки выполняется с использованием технологии распределенных вычислений на базе совместимой с GRID системы CONDOR
[14].
На рис. 6 анализируется трехдневная запись сейсмоакустического сигнала, полученная сшивкой 48 часовых файлов. На рис. 6а показана осциллограмма сигнала. В ней заметен участок почти линейного возрастания сигнала, по-видимому, обусловленного падением атмосферного давления. Регистрируемый деформо-графом сигнал представляет собой сигнал изменения расстояния между двумя закрепленными в грунте постами. При ослаблении атмосферного давления расстояние между постами
должно увеличиваться. Падение давления сопровождалось ухудшением погоды, осадками и сильным ветром. Это привело к образованию к ночи с 18 на 19 июля сильного ветрового волнения, что подтверждается на Фурье-спектрограмме формированием в это время двух частотных полос - первая описывает интенсивные волновые колебания с периодами 78 с, более высокочастотная компонента описывает менее интенсивные колебания с периодом примерно в 4 с.
На рис. 6в приведена вейвлетограмма Ж , а) исходного сигнала, полученная на основе вейвлета Морле. Как известно, значение вейвлетограммы в точке (¿,а) представляет собой меру сходства формы сигнала в момент времени ^ с базовым вейвлетом размера (масштаба) а. Наличие в вейвлетограмме зрительно заметных последовательностей чередующихся максимумов и минимумов свидетельствует о присутствии в сигнале на соответствующих временных интервалах гармонических компонент с периодами Т, пропорциональными масштабу базового вейвлета а.
В программе SEISMODSP реализована удобная в использовании процедура вейв-лет-фильтрации. Пользователь при помощи «мыши» выделяет на вейвлетограмме полосу масштабов [а1, а2 ], как правило, соответствующую некоторой зрительно заметной последовательности экстремумов. После этого программа осуществляет обратное вейвлет-преобразование от участка вейвле-тограммы, ограниченного этой полосой, и отображает результирующий сигнал вместе с исходным сигналом.
Описанным способом на представленной вейвлетограмме был выделен для фильтрации диапазон периодичностей около основного периода в 12 часов.
На рис. 6г показан результат фильтрации, представляющий собой отклик в сигнале микродеформации приливных полусуточных колебаний.
Одним из наиболее важных феноменов, проявляемых в регистрируемых лазерными деформографами сигналах, являются землетрясения. Широкополосность деформогра-фов обеспечивает им важные преимущества по сравнению с обычными сейсмографами, регистрирующими колебания в достаточно узкой полосе частот. Исследование методами Фурье и вейвлет-анализа особенностей сейсмических сигналов, не регистрируемых сейсмографами, на временных интервалах
до, во время и после землетрясении может дать много ценной информации для лучшего понимания механизмов, вызывающих эти опасные явления.
В связи с этими соображениями в ОИАС был организован информационный слой «Землетрясения», в который были включены исторические данные о всех зем-
летрясениях, начиная с 1994 года, а также с помощью подсистемы мониторинга Интернет-ресурсов организовано пополнение этого информационного слоя оперативными данными с сайта международной геологической организации USGS - http://neic.usgs gov/.
Рис. 6. Анализ трехдневной записи сейсмоакустического сигнала (18-20 июня 2008 г.) : а) осциллограмма сигнала; б) Фурье-спектрограмма; в) вейвлетограмма; г) компонента сигнала, обусловленная приливными полусуточными колебаниями
В результате пользователи ОИАС могут оперативно запрашивать данные о землетрясениях, устанавливая различные критерии их отбора из общей базы данных, например, ограничения на магнитуду землетрясения либо близость его эпицентра к МЭС м. Шульца. Используя реализованную в ОИАС систему перекрестных ссылок, пользователь может автоматически перейти из слоя «Землетрясения» в слой «Сейсмоакустика» к файлу с записью сейсмического сигнала, согласованной по времени с конкретным землетрясением. С другой стороны, анализируя запись сейсмического сигнала и заподозрив в ней проявления некоего землетрясения, исследователь может автоматически получить информацию о всех землетрясениях, происшедших в период регистрации данной записи.
На рис. 7а приведен фрагмент записи
сигнала лазерного деформографа с откликами 7-балльного землетрясения, происшедшего 5 сентября 2004 года недалеко от восточного побережья в Японии.
На рис. 7б показана вейвлетограмма данного фрагмента, в ее верхней части отчетлива видна динамика частотных свойств компоненты сигнала с характерными периодами от 30 до 5 с, обусловленной землетрясением.
На рис. 7в приведена эта высокочастотная компонента, выделенная методом вейв-лет-фильтрации, примерно такой вид имел бы для данного землетрясения сигнал на выходе обычного сейсмографа.
На рис. 7г приведена выделенная методом вейвлет-фильтрации низкочастотная компонента сейсмического сигнала, регистрация которой не может быть выполнена с применением обычных сейсмографов.
В [15] авторами было высказано предположение о возможности оценивания цу-намиопасности землетрясений по наличию либо отсутствию в записях лазерного де-формографа резкого изменения напряженности сейсмического поля. Причиной цунами являются быстрые вертикальные подвижки земной коры в районе землетрясения, инициирующие процесс перемещения огромных масс воды. Обычно при таких подвижках происходит резкое изменение общей напряженности магнитной коры, которое может быть зафиксировано деформографом.
Если описанный механизм верен, то землетрясение, представленное записью на рис. 7а, следует отнести к «цунамибезопас-ным». Действительно, цунами в связи с этим землетрясением нигде не было отмечено. А вот землетрясения, отклики которых в сигналах деформографа представлены на рис. 7д и 7е, следовало бы отнести к цунамио-пасным. Первое из них, происшедшее 13 января 2007 года в районе Курильских островов, по данным японских метеорологических служб, сопровождалось выходом на берега острова Хоккайдо цунамиподобной волны высотой до 10 см. Второе, происшедшее 26 декабря 2004 года в Андаманском море, вызвало катастрофическую волну цунами, приведшую к многочисленным человеческим жертвам. В связи с этим событием в разных странах, включая Россию, начались работы по проектированию и развертыванию систем предупреждения о цунами.
Очевидно, использование лазерных де-формографов и информационных систем, подобных ОИАС, способствовало бы повышению эффективности служб предупреждения о цунами. Уже в настоящее время ОИАС способна предоставлять информацию, необходимую для принятия решения о цунамиопасности землетрясения, спустя всего лишь час от момента его начала. Учитывая, что волна цунами может идти до побережья несколько часов, вполне возможно своевременно предупредить население о приближающейся опасности.
Поддержка системы оперативного научного мониторинга побережья и акваторий залива Петра Великого
Одним из перспективных направлений в науках о Земле является создание систем оперативного научного мониторинга обширных территорий и акваторий. В океанологии в настоящее время в наиболее концентрированном виде это направление заявлено
в амбициозном проекте США LOOKING (Laboratory for the Ocean Observatory Knowledge INtegration Grid), начатом в 2005 году. Конечная цель проекта - предоставление научному сообществу, образовательным организациям, органам управления территориями в реальном времени подробной информации о текущем состоянии морского дна, гидросферы и атмосферы на акваториях всего Мирового океана. Ближайшая цель -развертывание подобных систем реального времени на нескольких ограниченных по размеру прибрежных акваториях вдоль Тихоокеанского побережья США.
Концепция ОИАС ДВО РАН во многих позициях совпадает с концепцией проекта LOOKING, а в 2006 году нами также были начаты работы по проектированию и развертыванию на базе ОИАС системы оперативного научного мониторинга побережья и акваторий залива Петра Великого [16]. На берегах этого залива проживают около 1 миллиона человек, расположены 8 институтов РАН, 7 университетов, несколько портов, многочисленные базы отдыха для населения практически всего Дальнего Востока. Разработка системы мониторинга ведется с применением ряда поддерживаемых пакетом Globus Toolkit GRID-сервисов, ответственных за работу с данными. Телекоммуникационную основу системы должна составить магистральная сеть залива Петра Великого, связывающая радиоканалами академгородок Приморского научного центра ДВО РАН и несколькоМорских экспериментальных станций и ста -ционаров на побережье залива. На станциях будут организованы береговые центры репликации данных, в которые будут поступать данные научных экспериментов, выполняемых на самой станции, а также данные удаленных на расстояние до 20 км экспериментов, выполняемых на морских судах, буях либо плавучих платформах (рис. 8 - см. цв. вставку).
Для сбора и передачи удаленных данных в береговых центрах будут применяться специальные системы IP-телеметрии, а также системы передачи данных по каналам сотовой телефонной связи. Сервисы репликации береговых центров будут с заданной периодичностью проверять состояние локального GRID-FTP хранилища данных. Копии поступивших в него новых файлов данных будут отправляться по каналам магистральной сети в основное GRID-FTP хранилище данных главного центра репликации в
г. Владивостоке и регистрироваться в ОИАС. Процедура регистрации предполагает внесение в БД ОИАС метаописания поступивших файлов. Как правило, все виды данных будут сопровождаться информацией
о местоположении и времени проведения измерений, кроме того, возможно использование особых параметров, важных с точки зрения организации поиска и сортировки данных конкретного вида. При организации
г) д) е)
Рис. 7. Анализ записей лазерного деформографа с откликами землетрясений
пользователем ОИАС запроса к данным последний будет транслироваться в запрос к сервисам репликации, которые найдут копию (реплику) данных, расположенную на топологически ближайшем к пользователю сервере репликации. Использование описанной схемы позволит легко регистрировать в системе мониторинга новые научные эксперименты, минимизирует время и затраты на пересылку оперативных данных пользователям ОИАС.
В настоящее время нами отрабатываются технологии сбора и передачи данных удаленных морских и наземных экспериментов в центры репликации по каналам 1Р-телеметрии и сотовой связи. Сама система ОЯГО-репликации в основном разработана и апробируется на данных нескольких научных экспериментов, осуществляемых непосредственно на МЭС о. Попова и м. Шульца. Средняя интенсивность потоков оперативной научной информации в ОИАС составляют 2-4 Гб в сутки, при существующей пропускной способности каналов магистральной сети залива она может быть доведе-
на до 50 Гб в сутки. Одной из важных подсистем общей системы оперативного мониторинга, порождающей интенсивные потоки данных, является система видеомониторинга морских акваторий.
Система передает в реальном времени в ОИАС видеопоток с видеокамеры FCS-1040 (производитель - компания ЬеуеЮпе, ФРГ), установленной на одной из высот МЭС м. Шульца. Камера имеет 10-кратное оптическое увеличение, допускает возможность дистанционного регулирования кратности увеличения и ориентации угла зрения в горизонтальном и вертикальном направлениях с помощью веб-интерфейса с любого рабочего места, подключенного к корпоративной сети ДВО РАН. В штатном исполнении камеры имеется режим панорамирования в горизонтальном направлении, а также режим патрулирования (последовательно обхода камерой заранее подготовленной системы объектов). Поддерживаются средства программирования особых режимов работы камеры.
В настоящее время помимо трансляции
пользователям ОИАС видеопотока реализованы подсистемы сохранения в БД ОИАС последовательностей статичных изображений морской поверхности и автоматически формируемых камерой панорамных снимков акваторий вблизи МЭС. Планируется также организовать запись в БД ОИАС коротких фрагментов видеопотока при наблюдении быстропротекающих процессов, прежде всего волнения морской поверхности в прибрежной зоне. Наличие базы видеоданных о состоянии взволнованной поверхности позволит впоследствии ставить задачи о количественной параметризации и идентификации режимов волнения, установления взаимосвязи этих режимов с характеристиками сеймоакустического поля, регистрируемого на МЭС лазерными деформографами, и т.д. Серии панорамных снимков будут полезны для исследовании закономерностей возникновения и развития сликов (зрительно выделяющихся на поверхности моря областей), обусловленных как природными причинами, так и антропогенным воздействием (поля загрязнений морской поверхности).
Описанная камера функционирует без технического обслуживания с момента установки на МЭС в начале августа 2007 года по настоящее время. К осени 2008 года планируется установить и подключить к ОИАС две новые видеокамеры, а также исследовать возможность передачи в ОИАС оперативных видеоданных о состоянии морских акваторий с камер, устанавливаемых на маломерных морских судах. Также планируется исследовать возможность организации подводного видео- и фотомониторинга с оперативной доставкой данных в ОИАС и сеть Интернет. Один из актуальных объектов подводного видеомониторинга - уникальная колония морских котиков, поселившаяся вблизи о-ва Пелис более 10 лет назад. В целом же в перспективе возможно создание на базе ОИАС комплексной системы видеомониторинга залива Петра Великого, которая будет полезна для поддержки как фундаментальных научных исследований, так и широкого круга природоохранных и других прикладных задач.
В связи с включением в ОИАС системы оперативного видеомониторинга были разработаны и размещены в подсистеме аналитической поддержки две программы обработки видеоданных. Они могут использоваться для анализа как статичных изображений и панорам, так и видеопотока, поступающего в реальном времени с МЭС м.
Шульца. На рис. 9 (см. цв. вставку) приведена копия экрана монитора (скриншот), демонстрирующая некоторые возможности обеих программ.
Программа RT_Image производит двумерный Фурье-анализ произвольных фрагментов видео, а также визуализацию и спектральный анализ его линейных профилей. На скриншоте красным цветом обведены объекты обоих видов, выбранные пользователем. Внизу слева отображается Фурье-спектр от квадратной области, рядом отображаются интегральная частотная характеристика и интегральная пространственная характеристика спектра. Эти характеристики дают представление о распределении спектральных компонент по частотам и по направлениям, они могут использоваться в задаче автоматической идентификации установившихся на акватории режимов волнения. Правее отображается линейный профиль картины волнения, рассчитанный вдоль указанной пользователем полосы, профиль усредняется по ширине полосы. Наблюдение за временной динамикой профиля дает представление о степени выраженности волнового процесса, направлении и скорости распространения волн. Отметим высокую вычислительную эффективность программы: при использовании обычного персонального компьютера программа успевает обрабатывать все кадры поступающего с МЭС м. Шульца в сеть академгородка видеопотока при стандартной для камер 1040 скорости 15 кадров в секунду.
Программа SkyNet представляет собой удобный в использовании конструктор вычислительно эффективных систем обработки изображений и видео. В данном случае используется вычислительная схема взаимного корреляционного анализа. Вверху справа представлены два окна, в которых отображается один и тот же пространственный фрагмент сцены в два момента времени, отстоящие на заданный пользователем временной интервал. Чуть ниже отображается взаимная корреляционная функция, имеющая максимум чуть левее и ниже центра. Радиус-вектор, проведенный из центра в точку максимума, показывает, в каком направлении и на какое расстояние переместилась волновая структура на рассматриваемой фрагменте. Зная временной промежуток между кадрами и геометрические условия съемки (высоту расположения камеры, ее увеличение, расстояние до центра сцены), можно рассчитать реальную скорость дви-
жения поверхностных волн. Таким же образом можно будет автоматически оценивать скорости перемещения по акватории полей загрязнения, скорости пересекающих акваторию морских судов.
Применение ОИАС в образовательном процессе
Как отмечалось ранее, в качестве одной из главных целей масштабного океанологического GRID-проекта LOOKING было заявлено его использование для образовательных целей. При проектировании и развертывании ОИАС нами также с самого начала принималась во внимание возможность его применения в образовательном процессе.
Проект ОИАС функционирует в научно-образовательной сети г. Владивостока, связывающей высокоскоростными оптоволоконными соединениями институты Приморского центра ДВО РАН и несколько университетов города. Благодаря этому доступ к информационным и аналитическим ресурсам ОИАС из студенческих аудиторий осуществляется столь же быстро, как и из научных институтов.
Исторически сложилось так, что наиболее широко и плодотворно ресурсы ОИАС используются в процессе обучения студентов Дальневосточного государственного университета. Так, студенты Института физики и информационных технологий ДВГУ на примере ОИАС изучают архитектуру и возможности веб-ГИС-систем в рамках курса «Геоинформационные системы». При чтении курса лекций «Цифровая обработка информации» для демонстрации примеров работы различных алгоритмов используются программные средства из системы аналитической поддержки ОИАС, а при проведении лабораторного практикума студенты используют различные виды данных ОИАС в качестве объектов, подлежащих обработке различными алгоритмами.
Примерно таким же образом информационные и аналитические ресурсы ОИАС используются для обеспечения лекций и практикума по курсу «Распознавание образов», который преподается студентам Института математики и компьютерных наук ДВГУ.
Если студенты этих двух институтов в большей степени используют ОИАС для обучения новым информационным технологиям и технологиям анализа данных, то студенты ряда специальностей Института окружающей среды ДВГУ используют данные
ОИАС в качестве реальных примеров геофизических, океанологических, метеорологических данных при изучении базовых дисциплин этих специальностей.
Следует отметить, что процесс взаимодействия ОИАС с образовательными учреждениями оказался двунаправленным. Значительная часть важных подсистем ОИАС и включенных в систему аналитической поддержки программ моделирования и обработки данных были созданы в рамках курсового и дипломного проектирования студентами ИФИТ и ИМКН ДВГУ. В частности, упоминавшаяся выше программа обработки в реальном времени изображений и видео RT_Image была написана в 2008 году студенткой четвертого курса ИМКН Анной Гончаровой.
Полагаем также, что информационные, аналитические и вычислительные ресурсы ОИАС, потенциально доступные пользователям глобальной сети Интерент, могут быть эффективно использованы для поддержки учебного процесса при различных формах открытого образования.
Заключение
Идея интеграции созданных к настоящему времени в институтах ДВО РАН информационных, аналитических, вычислительных ресурсов представляется чрезвычайно привлекательной. Как показывает опыт эксплуатации описанной в статье океанологической информационно-аналитической системы, такая интеграция ресурсов оказалась весьма плодотворной для развития ряда важных направлений океанологических исследований. Однако для интеграции ресурсов различных институтов нужна единая технологическая платформа, в качестве таковой, полагаем, целесообразно использовать технологию GRID.
Для развертывания GRID-инфраструк-туры ДВО РАН должен быть предпринят ряд организационных мер на уровне Телекоммуникационной комиссии отделения, должны быть стимулированы работы в институтах по интеграции всех ресурсов в форме информационно-анали-тических и веб-ГИС-систем, должна оказываться методическая помощь для постепенной адаптации интегрированных ресурсов институтов к GRID-стандартам, должны стимулироваться интеграционные GRID-проекты с участием двух и более институтов.
В конечном итоге единая GRID-инфраструктура ДВО РАН будет создана,
что позволит реализовать принципиально новые масштабные научные и инновационные проекты, а также эффективно использо-
вать ресурсы GRID для поддержки в регионе различных форм образовательного процесса.
В МГУ запущен самый мощный в России и СНГ суперкомпьютер
«СКИФ МГУ» впервые будет использовать российские программные средства для кластерных систем, разработанные в рамках программы «СКИФ-ГРИД» и включающие специально разработанный отечественный кластерный дистрибутив операционной системы Linux, а также систему мониторинга и управления, которая объединила информацию о всех подсистемах суперкомпьютера в единый web-интерфейс. Инновационные программные разработки ИПС РАН и НИВЦ МГУ (OpenTS и X-Com) позволят существенно упростить разработку параллельных приложений и организовать распределенные вычисления с использованием разнородных вычислительных ресурсов.
Источник. ИКТ-портал (http://www.ict.edu.ru/news/tech/1935/)
Литература
1. Foster I., Kesselman C., Tuecke S. International Journal of High Performance Computing Applications. - 2001. - 15(3). - P. 200-222.
2. Голик А.В., Фищенко В.К. Разработка ГИС ТОИ ДВО РАН по северо-западной части Тихого океана на основе Интернета/Интранета //Матер. Третьей конф. «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий». - Улан-Удэ, 2002. - С. 238-242.
3. Голик А.В., Фищенко В.К., Павленко В.К. Организация системы сбора и мониторинга океанографической информации в Интернете // Тез. докл. Дальневосточной математи школы-семинара им. акад. Е.В. Золотова. - Владивосток, 2003. - С. 156-157.
4. Antushev S.G., Fischenko V.K., Golik A.V. About scope of OpenGIS technology in oceanographic data management and visualization // Abstracts of 15th Annual Meeting PICES, Oct. 13-Oct. 22. 2006. - Yokohama, Japan. -249 p.
5. Антушев С.Г., Голик А.В., Фищенко В.К. Организация распределенных вычислений в корпоративной сети ДВО РАН на базе системы Condor // Тез. докл. XXXI Дальневосточной математич. школы-семинара им. акад. Е.В. Золотова. - Владивосток, 2006. с. 148-149.
6. Антушев С.Г., Голик А.В., Тарасов Г.В. Разработка и первичная апробация технологии предоставления доступа к суперкомпьютерным ресурсам сети ДВО РАН на основе web- и GRID-технологий // Тез. докл. XXXI Дальневосточной математич. школы-семинара им. акад. Е.В. Золотова. - Владивосток, 2006. - С. 146-147.
7. Голик А.В., Фищенко В.К. Корпоративная океанографическая ГИС ДВО РАН: разработка и реализация политик доступа к информационным и аналитическим ресурсам // Тр. Всеросс. научн. конф. «Научный сервис в сети ИНТЕРНЕТ - 2004». - М: МГУ, 2004. - С.122-124.
8. Голик А.В., Ущиповский В.Г, Ахалина Е.А., Фищенко В.К. Электронная библиотека полнотекстовых публикаций по проблемам океанографии, обработки данных и информационных технологий // Тез. докл. XXXI Дальневосточной математич. школы-семинара им. акад. Е.В. Золотова. - Владивосток, 2006. - С. 155-156.
9. Антушев С.Г., Голик А.В. Реализация GRID-сервисов в океанографической информационно-аналитической системе ДВО РАН // Тез.докл. конф. молодых ученых ТОИ ДВО РАН «Океанологические исследования». - Владивосток, 2007. - C.4-5.
10. Голик А.В., Фищенко В.К., Дубина В.А., Митник Л.М. Корпоративная океанографическая ГИС ДВО РАН: интеграция спутниковых и подспутниковых данных по северо-западной части Тихого океана // Исслед. Земли из космоса. - 2004. - № 6. - C. 73-80.
11. Митник Л.М., Митник М.Л., Дубина В. А. Дистанционное радиофизическое зондирование системы океан-атмосфера // Дальневосточные моря России. - Кн. 4: Физические методы исследования. - М.: Наука, 2007. - С. 445-537.
12. Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно-интерференционными методами. - Владивосток: Дальнаука, 2004. -160 с.
13. FFTW 3.1.2 User Manual, http://fftw.org/fftw3.pdf [электронное издание]
14. Антушев С.Г., Голик А.В., Фищенко В.К. Применение технологий распределенных вычислений при анализе данных сейсмоакустических экспериментов // Матер. докл. 5-го Всеросс. симпоз. «Физика геосфер». - Владивосток, 2007. - C. 252-256.
15. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н. и др. Деформационный метод определения цунамиген-ности землетрясений // ДАН. - 2007. - Т. 417. - № 1. - С. 109-112.
16. Голик А.В., Суботэ А.Е., Антушев С.Г. Поддержка задач оперативного мониторинга природных процессов в океанологической информационно-аналитической системе ДВО РАН // Тез.докл. конф. молодых ученых ТОИ ДВО РАН «Океанологические исследования». - Владивосток, 2007. - C.8-10.
